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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzkompression eines Audiosignals durch Bereitstellen des Audiosignals in mehreren Frequenzkanälen und Verschieben oder Abbilden eines Anteils des Audiosignals von einem ersten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle in einen zweiten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Frequenzkompression eines Audiosignals mit einer Verschiebeeinrichtung zum Verschieben oder Abbilden eines Anteils des Audiosignals. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf eine Höreinrichtung mit einer derartigen Vorrichtung. Unter einer Höreinrichtung wird hier jedes im oder am Ohr tragbare, schallausgebende Gerät verstanden, wie beispielsweise ein Hörgerät, ein Headset, Kopfhörer und dergleichen.
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Hörgeräte sind tragbare Hörvorrichtungen, die zur Versorgung von Schwerhörenden dienen. Um den zahlreichen individuellen Bedürfnissen entgegenzukommen, werden unterschiedliche Bauformen von Hörgeräten wie Hinter-dem-Ohr-Hörgeräte (HdO), Hörgerät mit externem Hörer (RIC: receiver in the canal) und In-dem-Ohr-Hörgeräte (IdO), z. B. auch Concha-Hörgeräte oder Kanal-Hörgeräte (ITE, CIC), bereitgestellt. Die beispielhaft aufgeführten Hörgeräte werden am Außenohr oder im Gehörgang getragen. Darüber hinaus stehen auf dem Markt aber auch Knochenleitungshörhilfen, implantierbare oder vibrotaktile Hörhilfen zur Verfügung. Dabei erfolgt die Stimulation des geschädigten Gehörs entweder mechanisch oder elektrisch.
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Hörgeräte besitzen prinzipiell als wesentliche Komponenten einen Eingangswandler, einen Verstärker und einen Ausgangswandler. Der Eingangswandler ist in der Regel ein Schallempfänger, z. B. ein Mikrofon, und/oder ein elektromagnetischer Empfänger, z. B. eine Induktionsspule. Der Ausgangswandler ist meist als elektroakustischer Wandler, z. B. Miniaturlautsprecher, oder als elektromechanischer Wandler, z. B. Knochenleitungshörer, realisiert. Der Verstärker ist üblicherweise in eine Signalverarbeitungseinheit integriert. Dieser prinzipielle Aufbau ist in 1 am Beispiel eines Hinterdem-Ohr-Hörgeräts dargestellt. In ein Hörgerätegehäuse 1 zum Tragen hinter dem Ohr sind ein oder mehrere Mikrofone 2 zur Aufnahme des Schalls aus der Umgebung eingebaut. Eine Signalverarbeitungseinheit 3, die ebenfalls in das Hörgerätegehäuse 1 integriert ist, verarbeitet die Mikrofonsignale und verstärkt sie. Das Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinheit 3 wird an einen Lautsprecher bzw. Hörer 4 übertragen, der ein akustisches Signal ausgibt. Der Schall wird gegebenenfalls über einen Schallschlauch, der mit einer Otoplastik im Gehörgang fixiert ist, zum Trommelfell des Geräteträgers übertragen. Die Energieversorgung des Hörgeräts und insbesondere die der Signalverarbeitungseinheit 3 erfolgt durch eine ebenfalls ins Hörgerätegehäuse 1 integrierte Batterie 5.
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Bei Hörgeräten kennt man im Wesentlichen zwei gängige Verfahren, um die Sprachverständlichkeit zu erhöhen. In den meisten Geräten wird, im Allgemeinen mittels AGC (Automatic Game Control), ein frequenzabhängiger Pegelausgleich durchgeführt, um Signale über die Hörschwelle des Schwerhörigen zu heben, sodass dieser die Signale wieder wahrnehmen kann. Das zweite Verfahren wird meist ergänzend zum ersten eingesetzt und zielt auf Hörschäden ab, bei denen selbst durch reine Verstärkung des Signals die Hörschwelle in gewissen, typischerweise hohen, Frequenzen nicht erreicht werden kann. Diese hohen Frequenzen werden auf einen tiefen (hörbaren) Frequenzbereich abgebildet, sodass sie grundsätzlich durch Verstärkung über die Hörschwelle gehoben werden können. Das Verfahren wird Frequenzkompression genannt, da der gewünschte Frequenzbereich auf einen kleineren, besser hörbaren Frequenzbereich abgebildet wird.
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Es befinden sich Hörgeräte auf dem Markt, die Frequenzkompression unterstützen. Das darin verwendete Verfahren nutzt Eigenschaften der verwendeten Filterbank für eine einfache Implementierung. Es werden selektiv einzelne Kanäle, unter anderem abhängig von deren Momentanleistung, auf andere Kanäle kopiert, sodass die in diesen Kanälen enthaltenen Frequenzanteile, am Ausgang verschoben, in einem anderen Frequenzbereich wieder auftauchen. Wohin die Kanäle abgebildet werden, bestimmt eine Abbildungsvorschrift und ist einstellbar, sodass verschiedene Kompressionsverhältnisse realisierbar sind.
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2 zeigt das Prinzip der Frequenzkompression durch einfaches Kopieren von Kanälen. In der Figur sind mehrere Kanäle dargestellt, die durch ihre Mittenfrequenzen 10 bis 15 symbolisch kenntlich gemacht sind. Beispielsweise ist der Mittenfrequenz 14 ein Kanal 14' zugeordnet. Innerhalb des Kanals 14' befindet sich eine dominante Momentanfrequenz 14''. Im Zuge der Frequenzkompression soll der Kanal 14' auf den Kanal 11' kopiert, verschoben oder abgebildet werden. Bei dieser Verschiebung wird dann auch die dominante Momentanfrequenz 14'' auf die Zielfrequenz 11'' verschoben. Die Frequenz des Tons (dominante Momentanfrequenz 11'' und 14'') relativ zur jeweiligen Kanalmitte innerhalb von Quell- und Zielkanal ist identisch.
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Durch das einfache Kopieren der Kanäle entsteht allerdings auch eine nicht kontinuierliche Abbildung von Quellfrequenz auf Zielfrequenz, wie bei dem in 3 dargestellten Test mittels Frequenz-Sweep zu sehen ist. Es ist dort die Ausgangsfrequenz fo über der Eingangsfrequenz fi dargestellt. Am Eingang der Signalverarbeitung des Hörgeräts wird ein Frequenz-Sweep angelegt. Am Ausgang der Signalverarbeitung wird ein entsprechendes Ausgangssignal mit den Ausgangsfrequenzen fo gemessen. Deutlich sind die Frequenzsprünge 16 an den Kanalübergängen zu erkennen. Dennoch ist die grundsätzliche Abbildungskennlinie für das Abbilden bzw. Verschieben der Frequenzkanäle deutlich erkennbar. In der Regel treten auch etwas schwächere Artefakte auf, die in 3 nicht dargestellt sind und die für das vorliegende Arbeitsprinzip keine maßgebliche Rolle spielen. Das Problem bei dieser Frequenzabbildung ist, dass zwei im Eingangsspektrum aufeinanderfolgende Frequenzen im Ausgangsspektrum vertauscht sein können. Dies führt dazu, dass Tonfolgen am Eingang gegenüber den resultierenden Tonfolgen am Ausgang in ihrer Frequenz verwürfelt erscheinen, was den Höreindruck verschlechtern kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Frequenzkompression eines Audiosignals dahingehend zu optimieren, dass ein verbesserter Höreindruck entsteht. Es ist ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Frequenzkompression eines Audiosignals, durch Bereitstellen des Audiosignals in mehreren Frequenzkanälen und Verschieben oder Abbilden eines Anteils des Audiosignals von einem ersten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle in einen zweiten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle, wobei eine dominante Momentanfrequenz in dem ersten Frequenzkanal ermittelt wird, bei dem Verschieben oder Abbilden zunächst der gesamte erste Frequenzkanal einschließlich der dominanten Momentanfrequenz in den zweiten Frequenzkanal verschoben oder abgebildet wird, wobei die dominante Momentanfrequenz eine Zwischenfrequenzposition erhält, eine endgültige Frequenzposition für die dominante Momentanfrequenz durch eine vorgegebene Kompressionskennlinie in dem zweiten Frequenzkanal ausgehend von der Frequenzposition der dominanten Momentanfrequenz in dem ersten Frequenzkanal ermittelt wird und die dominante Momentanfrequenz von der Zwischenfrequenzposition auf die endgültige Frequenzposition geschoben oder abgebildet wird.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Vorrichtung zur Frequenzkompression eines Audiosignals mit einer ersten Verschiebeeinrichtung zum Verschieben oder Abbilden eines Anteils des Audiosignals, das in mehreren Frequenzkanälen bereitgestellt ist, von einem ersten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle in einen zweiten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle, sowie umfassend eine Schätzeinrichtung zum Ermitteln einer dominanten Momentanfrequenz in dem ersten Frequenzkanal, wobei mit der ersten Verschiebeeinrichtung der gesamte erste Frequenzkanal einschließlich der dominanten Momentanfrequenz in den zweiten Frequenzkanal so verschiebbar oder abbildbar ist, dass die dominante Momentanfrequenz eine Zwischenfrequenzposition erhält, eine Recheneinrichtung zum Ermitteln einer endgültigen Frequenzposition für die dominante Momentanfrequenz durch eine vorgegebene Kompressionskennlinie in dem zweiten Frequenzkanal ausgehend von der Frequenzposition der dominanten Momentanfrequenz in dem ersten Frequenzkanal, und eine zweite Verschiebeeinrichtung zum Verschieben oder Abbilden der dominanten Momentanfrequenz von der Zwischenfrequenzposition auf die endgültige Frequenzposition.
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In vorteilhafter Weise ist es so möglich, trotz kanalweisen Verschiebens einen Ton exakt an diejenige Position zu verschieben, die die vorgegebene Kompressionskennlinie fordert.
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Vorzugsweise erfolgt das Verschieben oder Abbilden der dominanten Momentanfrequenz von der Zwischenfrequenzposition auf die endgültige Frequenzposition durch Amplitudenmodulation. Die Amplitudenmodulation entspricht einer Multiplikation des Signals mit dem Modulationsterm exp(j·2πΔf·t). Dies wiederum entspricht im Spektralbereich einer Verschiebung um die Frequenz Δf.
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In einer speziellen Ausführungsform ist der zweite Frequenzkanal für das Verschieben oder Abbilden des ersten Frequenzkanals fest vorgegeben. Auf diese Weise kann bei der Kanalverschiebung Rechenzeit eingespart werden.
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Bei einer alternativen Ausführungsform wird der zweite Frequenzkanal für das Verschieben oder Abbilden des ersten Frequenzkanals anhand der Kompressionskennlinie bestimmt. Dies bedeutet, dass der zweite Frequenzkanal für das Verschieben hier nicht vorgegeben ist, sodass einer oder mehrere Frequenzkanäle anhand der Kompressionskennlinie ermittelt werden können, die für den zweiten Frequenzkanal in Frage kommen.
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Als zweiter Frequenzkanal kann derjenige von mehreren möglichen Frequenzkanälen gewählt werden, bei dem die dominante Momentanfrequenz am nächsten in der jeweiligen Kanalmitte angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich Artefakte, welche durch die Modulation entstehen können, vermeiden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Frequenzkompression kann eine Polyphasen-Filterbank zum Bereitstellen des Audiosignals in mehreren Frequenzkanälen aufweisen. Damit ist es möglich, in den Kanälen nur positive Frequenzanteile zu erzeugen.
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Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Höreinrichtung und insbesondere in einem Hörgerät eingesetzt. Damit kann eine Frequenzkompression bei Hörgeräteträgern mit weniger Artefakten realisiert werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 den prinzipiellen Aufbau eines Hörgeräts gemäß dem Stand der Technik;
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2 das Prinzip der Frequenzkompression durch einfaches Kopieren von Kanälen gemäß dem Stand der Technik;
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3 eine Frequenzübertragungsfunktion der Kompression gemäß 2 entsprechend dem Stand der Technik;
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4 das erfindungsgemäße Prinzip der Frequenzkompression durch Kopieren von Kanälen mit anschließender Modulation;
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5 die gemessene Frequenzübertragungsfunktion bei der Kompression gemäß 4; und
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6 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Frequenzkompression.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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In 4 ist eine Kanalanordnung ähnlich wie in 2 dargestellt. Es sind mehrere Kanäle mit den Mittenfrequenzen 10 bis 15 wiedergegeben. Wie in dem bekannten Beispiel wird in einem ersten Schritt 17 eine Verschiebung des Kanals 14' auf den Kanal 11' durchgeführt. Innerhalb des Kanals 14' befindet sich ein Ton bzw. eine dominante Momentanfrequenz 14''. Diese wird, wie in Zusammenhang mit 2 bereits erläutert, auch hier in dem ersten Schritt 17 von einer Frequenzposition fs auf die Zwischenfrequenzposition fz verschoben. Der Abstand der Zwischenfrequenzposition fz zur Kanalmitte 11 des zweiten Kanals 11' entspricht dem Abstand der Frequenzposition fs der ursprünglichen Momentanfrequenz 14'' gegenüber der Kanalmitte 14 des Quellkanals bzw. ersten Kanals 14'.
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Der erste Schritt 17 der Frequenzverschiebung stellt nur eine grobe kanalweise Verschiebung dar. Dass der Ton 14'' bei seiner Verschiebung tatsächlich auf einer Frequenzposition landet, die unmittelbar aus einer Frequenzkompressionskennlinie hervorgeht, ist unwahrscheinlich. In 4 ist eine Frequenzposition fd dargestellt, auf der der Ton 14'' tatsächlich landen würde, wenn die Abbildung mit einer vorgegebenen Kompressionskennlinie erfolgt. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, nach dem ersten Schritt 17 einen weiteren Schiebeschritt durchzuführen, um den verschobenen Ton 11'' auf die endgültige Frequenzposition fd zu schieben, sodass sich der Zielton 18 ergibt. Für diesen Zweck wird der verschobene Ton 11'' durch Amplitudenmodulation in einem zweiten Schritt 19 verschoben. Das Verschieben erfolgt hier um den Betrag Δf. In dem zweiten Schritt 19 wird der Ton also auf seine endgültige Position fd geschoben.
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Durch Vorgabe einer kontinuierlichen Abbildungskennlinie von Quell- auf Zielfrequenz lässt sich grundsätzlich sicherstellen, dass Frequenzen in ihrer Reihenfolge am Ausgang nicht vertauscht erscheinen. Um eine solche kontinuierliche Abbildungskennlinie im Hörgerät zu realisieren, wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kombination aus selektiver Kanalabbildung und Amplitudenmodulation verwendet. Die Kanalabbildung sorgt dafür, dass, wie bereits ausführlich dargestellt wurde, ein bestimmter Frequenzbereich (erster Frequenzkanal 14') zuerst grob in einen anderen Bereich (zweiter Frequenzkanal 11') abgebildet wird, ähnlich schon bekannten Verfahren. Durch Messung der dominanten Momentanfrequenz fs in dem Quellkanal 14' kann über die Abbildungskennlinie genau ermittelt werden, worauf diese im Zielkanal (11') abgebildet werden muss. Durch entsprechende Modulation des Kanals 11' kann die dominante Momentanfrequenz genau dorthin moduliert werden, wo sie gemäß der Abbildungskennlinie erwartet wird.
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Vorteilhaft lässt sich dieses Verfahren bei einer Polyphasen-Filterbank einsetzen, die nur das komplexwertige, analytische Signal (nur positiver Frequenzanteil einer Fourier-Transformation) in den Kanälen erzeugt. Hierbei lässt sich mittels Modulation mit einem Modulationsterm exp(j·2πΔft) jeder Kanal zyklisch modulieren, sodass die Frequenzanteile darin entsprechend zyklisch um die Kreisfrequenz Δω = 2πΔf verschoben werden.
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Grundsätzlich sind bei der Messung bzw. Schätzung der dominanten Momentanfrequenz zwei Fälle zu unterscheiden:
- 1) Es existiert eine dominante Frequenz, die geschätzt werden kann, d. h. es existiert ein starker tonaler Anteil in diesem Kanal. Damit kann eine Abbildung auf eine Zielfrequenz erfolgen.
- 2) Es existiert keine dominante Frequenz, d. h. das Signal in dem Kanal ist rauschartig. Die Frequenzabschätzung führt zu einer mehr oder weniger zufälligen Momentanfrequenz. Dies wiederum führt bei der Abbildung auf eine Zielfrequenz zu einer Phasenrandomisierung bzw. zufälligen Modulation in dem Kanal, was bei rauschartigen Kanälen kaum Einfluss auf den Höreindruck bewirkt.
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Insofern lässt sich das Verfahren unabhängig von der Tonalität des Kanals anwenden, da keine negativen Auswirkungen bei rauschartigen Anteilen zu befürchten sind.
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5 zeigt das Messergebnis der erfindungsgemäßen Frequenzkompression. Wie in 3 ist auch hier in der Ordinate die Ausgangsfrequenz fo und in der Abszisse die Eingangsfrequenz fi dargestellt. An den Eingang ist ein Frequenz-Sweep angelegt. Durch die Modulation im Zielkanal entsteht ein kontinuierlicher Frequenzverlauf. Die Zuordnung von Quellfrequenz zu Zielfrequenz wird als Kompressionskennlinie bezeichnet. Es treten also keine Frequenzsprünge mehr auf und somit auch keine diesbezüglichen Artefakte.
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Das zweistufige Frequenzverschiebungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann in zwei Varianten durchgeführt werden:
- 1) Die Abbildungsvorschrift der Kanäle ist fest, und nur innerhalb der Kanäle wird eine Modulation aufgeprägt. Das bedeutet, dass die Zuordnung der verschiedenen Quellkanäle auf einen Zielkanal im voraus bekannt ist. Innerhalb des Zielkanals wird dann eine Modulation vorgenommen, sodass aufgrund der geschätzten Momentanfrequenz des ausgewählten Quellkanals und der Abbildungsvorschrift die gewünschte Zielfrequenz im Zielkanal vorliegt.
- 2) Die Abbildung zwischen Kanälen ist nicht vorgegeben, sondern wird aufgrund der Abbildungskennlinie und der geschätzten Momentanfrequenz festgelegt. Zusätzlich wird wie bei der ersten Variante eine Modulation aufgeprägt. Das bedeutet, dass die Zuordnung der verschiedenen Quellkanäle auf einen Zielkanal während des Betriebs ermittelt wird, und die Abbildungskennlinie sowohl für die Zuordnung der verschiedenen Quellkanäle auf einen Zielkanal herangezogen wird als auch für die anschließende Modulation innerhalb des Zielkanals. Dies nutzt die Tatsache aus, dass sich die Kanäle einer Filterbank typischerweise überlappen und verschiedene Zuordnungen von Quellkanälen zu Zielkanälen mit unterschiedlichen Modulationen zu einem ähnlichen Ergebnis führen würden. Es ist hierbei vorteilhaft, die Abbildung so zu gestalten, dass sowohl im Quell- als auch Zielkanal die Momentanfrequenz nahe der Bandmitte liegt, da dann Artefakte durch die Modulation minimiert werden.
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Die Abbildungsvorschrift von Quell- auf Zielfrequenz muss durch geeignete Mittel der Audiologie bereitgestellt werden. Hier kann typischerweise eine Abbildung anhand einer Bark-ERB- oder Spinc-Frequenzaufteilung vorgenommen werden, wie dies in dem Dokument
EP 1 333 700 A2 beschrieben ist.
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6 zeigt ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Frequenzkompressionsvorrichtung. In jedem Quellkanal 20, 20', 20'' der Filterbank wird die momentane Quellfrequenz fs durch einen Schätzer 21 geschätzt. Basierend auf dem Zuordnungsschema der Frequenzkompression (abgeleitet von der Kompressionskennlinie) und dem Signal s der dominanten Momentanfrequenz wird jedem Zielkanal 22, 22', 22'' ein Quellkanal 20, 20', 20'' durch eine Verschiebeeinrichtung 23 zugewiesen. Das Zuordnungsschema kann entweder fest, d. h. eine feste Auswahl der Quellkanäle 20, 20', 20'' werden einem einzigen Zielkanal zugeordnet, oder variabel sein, d. h. abhängig von der Frequenzschätzung und der Kompressionskennlinie wird für jeden Quellkanal 20, 20', 20'' festgelegt, welchem Zielkanal 22, 22', 22'' er zugeordnet wird. Im Zielkanal wird das Signal aus dem ausgewählten Quellkanal über einen Modulator 24 mittels Amplitudenmodulation derart moduliert, dass die Abbildung von Quellfrequenz auf Zielfrequenz exakt der Kompressionskennlinie entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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