DE102023104309A1

DE102023104309A1 - Verfahren und System zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals

Info

Publication number: DE102023104309A1
Application number: DE102023104309.9A
Authority: DE
Inventors: Nicolas Lopez Zuleta; Jérôme NOIROT; Jacquemin VIDAL
Original assignee: Faurecia Clarion Electronics Europe SAS
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Europe SAS
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2023-02-22
Publication date: 2023-08-31
Also published as: FR3133111A1; US20230276172A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen in einem Audiosignal, wobei die Klangwiedergabe durch ein Audiosystem erfolgt, das mindestens einen Lautsprecher umfasst. Das System umfasst ein Modul (4) zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen, umfassend Filter (10, 12) zum Trennen eines Eingangsaudiosignals in ein Hochfrequenzsignal (SH) und ein Niederfrequenzsignal (SL). Das System ist konfiguriert, um eine erste Verarbeitung des Niederfrequenzsignals, um ein Niederfrequenz-Ausgangssignal zu erlangen, und eine zweite Audioverarbeitung des Hochfrequenzsignals, um ein Hochfrequenz-Ausgangssignal zu erlangen, zu implementieren. Das Modul (4) zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen umfasst für die erste Verarbeitung des Niederfrequenzsignals ein Modul (22) zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals (SL), das abhängig von mindestens einem transienten Teil des genannten Niederfrequenzsignals parametrisiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen in einem Audiosignal.
Die Erfindung liegt im Bereich der Audiosignalverarbeitung, insbesondere der Audiosignalverarbeitung in Audiosystemen zur Musikverbreitung, um die Hörqualität für den Endbenutzer zu verbessern.
Sie findet eine bevorzugte Anwendung im Bereich der Optimierung der Klangwiedergabe von Audiosignalen, die von einem oder mehreren Lautsprechern eines Audiosystems im Innenraum eines Transportfahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ausgestrahlt werden.
Insbesondere behandelt die Erfindung das Problem der Verbesserung oder Verstärkung (engl. „boost“) der Wiedergabe von Niederfrequenzen in Audiosignalen, insbesondere in Musikaufnahmen. Im Sinne der Erfindung werden Frequenzen unterhalb von 150 Hz als „Niederfrequenzen“ bezeichnet.
Im Stand der Technik wurden Systeme zur Verbesserung der Wiedergabe von Niederfrequenzen vorgeschlagen, um den Klang von Niederfrequenzen zu verstärken, die von kleinen Wandlern schlecht wiedergegeben werden.
Insbesondere beschreibt die Patentanmeldung FR 3 052951 A1 ein Verfahren und System zur Optimierung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals, wobei das Verfahren eine Anpassung der Verstärkung in Korrelation mit der Lautstärke umfasst, die durch den von dem Benutzer gewählten Lautstärkeschritt angezeigt wird. Dieses Verfahren führt nicht in allen Fällen zu befriedigenden Resultaten. Die Anpassung der Niederfrequenzen basiert in diesem Fall nämlich nicht auf dem Inhalt jedes einzelnen Audiosignals, und dieselbe Anpassung wird auf Audiosignale, z. B. Musikaufnahmen, mit unterschiedlichem Inhalt und aus unterschiedlichen Quellen angewendet. Bei manchen Aufnahmen ist die Klangwiedergabe aufgrund einer zu starken Verstärkung der Niederfrequenzen zu basslastig (englisch „boomy“).
Die Erfindung soll diese Nachteile beheben, indem sie ein Verfahren und ein System bereitstellt, das sich feiner und automatisch an die Inhalte des Audiosignals anpasst, das von einem Audiosystem wiedergegeben werden soll.
Zu diesem Zweck stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals bereit, wobei die Klangwiedergabe durch ein Audiosystem erfolgt, das mindestens einen Lautsprecher umfasst, das Verfahren umfassend ein Trennen eines Eingangsaudiosignals durch Filtern in ein Hochfrequenzsignal und ein Niederfrequenzsignal, eine erste Verarbeitung des Niederfrequenzsignals, um ein Niederfrequenz-Ausgangssignal zu erlangen, und eine zweite Audioverarbeitung des Hochfrequenzsignals, um ein Hochfrequenz-Ausgangssignal zu erlangen, und Summieren des Niederfrequenz-Ausgangssignals und des Hochfrequenz-Ausgangssignals, um ein Ausgangsaudiosignal zu erlangen, das am Eingang in einen Satz von Audioverarbeitungsblöcken des Audiosystems bereitgestellt wird. Bei diesem Verfahren umfasst die erste Verarbeitung des Niederfrequenzsignals die Implementierung eines Moduls zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals, das abhängig von mindestens einem transienten Teil des Niederfrequenzsignals parametriert wird.
Vorteilhafterweise implementiert das Verfahren zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen ein Modul zur Erhöhung der Signaldynamik (engl. „expander“), das abhängig von mindestens einem transienten Teil des Niederfrequenzsignals parametriert wird. Beispielsweise entspricht der oder jeder transiente Teil einem Anstieg des Signals (oder Einsatz) von Instrumenten, wie z. B. das Schlagzeug. Somit ist die Anpassung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen vorteilhafterweise dynamisch und basiert auf dem Inhalt des Audiosignals.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals kann auch eines oder mehrere der nachstehenden Merkmale aufweisen, unabhängig voneinander oder in allen technisch denkbaren Kombinationen.
Das Audiosignal umfasst eine Musikaufnahme, wobei das Verfahren eine Erfassung des transienten Niederfrequenzteils mit mindestens einem Einsatz umfasst, wobei der Einsatz einem Amplitudenanstieg des Audiosignals entspricht.
Das Verfahren umfasst eine Analyse des Niederfrequenzsignals, die Analyse umfassend eine Berechnung eines Pegels des mindestens einen transienten Teils des Niederfrequenzsignals und eine Anpassung mindestens eines Parameters des Moduls zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals abhängig von dem berechneten Pegel.
Der angepasste Parameter ist eine Steigung des Moduls zur Erhöhung der Dynamik ist, wobei die Steigung abhängig von dem Pegel des Niederfrequenzsignals, von einem ersten Wert der Steigung, der für Audiosignale mit einem ersten vorbestimmten niedrigen Pegel angewendet werden soll, und einem zweiten Wert der Steigung, der für Audiosignale mit einem zweiten vorbestimmten hohen Pegel angewendet werden soll, berechnet wird.
Die Analyse des Niederfrequenzsignals umfasst ferner eine Erfassung von Stille und bei Erfassung von Stille ein Zurücksetzen auf null der Parameter zur Erhöhung der Dynamik.
Das Verfahren umfasst eine Berechnung einer Scheitelfaktor-Hüllkurve des Niederfrequenzsignals und eine Berechnung einer Expansionsverstärkung des Moduls zur Erhöhung der Dynamik abhängig von der Scheitelfaktor-Hüllkurve.
Die Berechnung der Scheitelfaktor-Hüllkurve umfasst eine Berechnung einer Scheitelfaktor-Hüllkurve des Niederfrequenzsignals, eine Berechnung einer mittleren Hüllkurve des Niederfrequenzsignals, wobei die Scheitelfaktor-Hüllkurve zu einem Zeitpunkt gleich wie eine Differenz zwischen der Scheitelfaktor-Hüllkurve und der mittleren Hüllkurve zu diesem Zeitpunkt, ausgedrückt in Dezibel, ist.
Das Verfahren umfasst ferner eine Schätzung eines Pegels des Ausgangsaudiosignals, das repräsentativ für eine effektive Lautstärke am Ausgang des Audiosystems ist, abhängig von einem geschätzten Pegel des Eingangsaudiosignals des Audiosystems und einer Differenz zwischen einem zweiten Zwischenpegel und einem ersten Zwischenpegel des Audiosignals in dem Audiosystem, wobei der zweite Zwischenpegel der Pegel eines zweiten Zwischensignals ist, das am Ausgang eines Begrenzers oder einer Verstärkung des Ausgangs des Audiosystems erlangt wird.
Das Verfahren umfasst ferner, nach Anwendung des Moduls zur Erhöhung der Dynamik, eine Phasenkompensation, um ein erstes Ausgangssignal der ersten Verarbeitung des Niederfrequenzsignals zu erlangen.
Die erste Verarbeitung umfasst ferner die Anwendung eines Moduls zur Erzeugung von Oberwellen auf das Niederfrequenzsignal, im Wesentlichen parallel zu der Anwendung des Moduls zur Erhöhung der Dynamik, und die Anwendung von Formungsfiltern, um ein zweites Ausgangssignal der ersten Verarbeitung des Niederfrequenzsignals zu erlangen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals, wobei die Klangwiedergabe durch ein Audiosystem erfolgt, das mindestens einen Lautsprecher umfasst, umfassend zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen, umfassend Filter zum Trennen eines Eingangsaudiosignals in ein Hochfrequenzsignal und ein Niederfrequenzsignal, wobei das System konfiguriert ist, um eine erste Verarbeitung des Niederfrequenzsignals, um ein Niederfrequenz-Ausgangssignal zu erlangen, und eine zweite Audioverarbeitung des Hochfrequenzsignals, um ein Hochfrequenz-Ausgangssignal zu erlangen, und ein Summieren des Niederfrequenz-Ausgangssignals und des Hochfrequenz-Ausgangssignals, um ein Ausgangsaudiosignal zu erlangen, das am Eingang in einen Satz von Audioverarbeitungsblöcken des Audiosystems bereitgestellt wird, durchzuführen. Das Modul zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen umfasst für die erste Verarbeitung des Niederfrequenzsignals ein Modul zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals, das abhängig von mindestens einem transienten Teil des Niederfrequenzsignals parametriert wird.
Das System zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals ist konfiguriert, um ein Verfahren zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals, wie oben kurz beschrieben, in allen seinen Ausführungsvarianten durchzuführen.
Das System gemäß der Erfindung zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals kann auch eines oder mehrere der nachstehenden Merkmale aufweisen, unabhängig voneinander oder in allen technisch denkbaren Kombinationen.
Das Modul zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen umfasst ein Modul zur Analyse und Anpassung der Parameter in Echtzeit ein Modul zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals, umfassend einen Block zur Erfassung von Stille, einen Block zur Berechnung des quadratischen Mittelwerts des Niederfrequenzsignals, einen Block zur Berechnung eines Pegels des Niederfrequenzsignals und einen Block zur Berechnung einer Steigung des Moduls zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals.
Das Modul zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen umfasst ein Modul zur Analyse und Anpassung der Parameter in Echtzeit, ein Modul zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals, umfassend einen Block zur Berechnung der Spitze einer Hüllkurve des Niederfrequenzsignals, einen Block zur Berechnung des quadratischen Mittelwerts des Niederfrequenzsignals, einen Block zur Berechnung einer Scheitelfaktor-Hüllkurve, die gleich wie eine Differenz zwischen der Spitzenhüllkurve und der mittleren Hüllkurve ist, ausgedrückt in Dezibel, und einen Block zur Berechnung der Expansionsverstärkung abhängig von der Scheitelfaktor-Hüllkurve.
Das System umfasst außerdem ein Modul zur Schätzung eines Pegels des Ausgangsaudiosignals, das repräsentativ für eine effektive Lautstärke am Ausgang des Audiosystems ist, umfassend einen Block zur Schätzung eines Pegels des Eingangsaudiosignals des Audiosystems und einen Block zur Schätzung einer Differenz zwischen einem zweiten Zwischenpegel und einem ersten Zwischenpegel des Audiosignals in dem Audiosystem, wobei der zweite Zwischenpegel der Pegel eines zweiten Zwischensignals ist, das am Ausgang eines Begrenzers oder einer Verstärkung des Ausgangs des Audiosystems erlangt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die als Hinweis und keineswegs beschränkend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren gegeben wird, bei denen:

[1] 1 eine schematische Darstellung eines Audiosystems ist, umfassend ein System zur Verbesserung der Wiedergabe von Niederfrequenzen;
[2] 2 schematisch ein Modul zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals veranschaulicht;
[3] 3 schematisch eine erste Ausführungsform eines Moduls zur Analyse eines Niederfrequenz-Audiosignals und zur Anpassung der Parameter eines Moduls zur Erhöhung der Dynamik darstellt;
[4] 4 eine Übersicht über die wichtigsten Schritte eines Verfahrens zur dynamischen Berechnung der Steigung eines Moduls zur Steigerung der Dynamik ist;
[5] 5 schematisch Beispiele für Expansionssteigungen der Dynamik eines Audiosignals veranschaulicht;
[6] 6 schematisch eine zweite Ausführungsform eines Moduls zur Analyse eines Niederfrequenz-Audiosignals und zur Anpassung der Parameter eines Moduls zur Erhöhung der Dynamik darstellt;
[7] 7 schematisch ein Modul zur Schätzung des Pegels des Ausgangsaudiosignals eines Audiosystems darstellt.

1 veranschaulicht schematisch Elemente eines Audiosystems 2 zur Wiedergabe (oder Klangwiedergabe) von Audiosignalen, das z. B. in den Innenraum eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) integriert werden kann.
Das Audiosystem 2 umfasst ein System 5 zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals, wobei dieses System 5 ein Modul 4 zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen und ein Modul 28 zur Schätzung des Pegels des Ausgangsaudiosignals umfasst, die im Folgenden ausführlich beschrieben sind.
Das Audiosystem 2 umfasst eine Quelle 6 für Audiosignale, z. B. ein Autoradio, einen mp3-Player usw., die ein Audiosignal an einem Eingang 8 bereitstellen. Natürlich können verschiedene Arten von Audiosignalquellen 6 das Audiosignal bereitstellen, das von dem Audiosystem 2 wiedergegeben werden soll.
Zum Beispiel stellt Quelle 6 eine Abfolge von Musikaufnahmen (oder -stücken) bereit, die eine von einem Benutzer ausgewählte Wiedergabeliste oder „Playlist“ bilden.
Das Audiosystem 2 umfasst auch einen oder mehrere Verstärker 7, um die Lautsprecher zu versorgen.
Am Ausgang des Moduls 4 zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen umfasst das System 2 N Audioverarbeitungsblöcke mit Bezugszeichen 82₁ bis 82_N, die verschiedene Audioverarbeitungsfunktionen ausführen, die hier nicht näher beschrieben werden. Es umfasst auch eine Verstärkung 84, die es einem Benutzer ermöglichen soll, den Ausgangspegel anzupassen, und einen Lautstärkebegrenzer 86, der den Ausgangsschalldruck (oder die Ausgangslautstärke) am Ausgang 20 des Audiosystems 2 begrenzt, um eine für einen Benutzer unangenehme Lautstärkesättigung zu vermeiden.
Nachstehend ist das System 5 zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen in verschiedenen Ausführungsformen beschrieben. Einer der angestrebten Vorteile besteht darin, ein Verfahren und ein System zu implementieren, das sich automatisch an den wiedergegebenen Schallpegel in Echtzeit und an jede Art von Musikstück (eine mehr oder weniger aktuelle Aufnahme) aus jeder Quelle anpasst.
Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass die Eigenschaften der aufgezeichneten Audiosignale insbesondere je nach Aufnahmedatum variieren, und sich die Bedürfnisse zur Verbesserung der Audiowiedergabe je nach Aufnahmeeigenschaften unterscheiden.
2 veranschaulicht schematisch Elemente des Moduls 4 zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals.
Wie in 1 gezeigt, ist dieses Modul 4 am Eingang des Audiosystems 2 platziert.
Das Eingangsaudiosignal S_IN wird zunächst durch die Implementierung von Filtern, jeweils eines Hochpassfilters 10 und eines Tiefpassfilters 12, verarbeitet, wodurch das Eingangsaudiosignal in ein Hochfrequenzsignal S_H und ein Niederfrequenzsignal S_L getrennt wird.
Die Grenzfrequenz f₀ ermöglicht die Ausführung der Frequenztrennung, um jeweils das Hochfrequenzsignal S_H mit Frequenzen größer als oder gleich wie f₀ und das Niederfrequenzsignal S_L mit Frequenzen kleiner als f₀ zu erzeugen. Die Grenzfrequenz f₀ ist ein Systemparameter, der vorbestimmt ist und z. B. zwischen 50 und 150 Hz liegt.
Das Modul 4 implementiert eine erste Verarbeitung des Niederfrequenzsignals, die weiter unten noch genauer beschrieben ist, und eine zweite Verarbeitung des Hochfrequenzsignals.
Die zweite Verarbeitung des Hochfrequenzsignals erfolgt durch Anwendung eines Moduls 14 zur Kompensation von Zeitverzögerung sowie eines Moduls 16 zur Phasenkompensation.
Das Verzögerungskompensationsmodul 14 implementiert eine Vorlaufzeit (engl. „lookahead delay“), die der Verzögerung der ersten Verarbeitung entspricht, die an dem Niederfrequenzsignal ausgeführt wird. Diese Kompensation ermöglicht es, ein Hochfrequenzsignal am Ausgang der zweiten Verarbeitung zu erlangen, das mit dem Niederfrequenzsignal am Ausgang der ersten Verarbeitung synchronisiert ist, vor Summieren 18 dieser zwei Signale, um das Ausgangsaudiosignal des Moduls 4 zu erlangen.
Das Modul 16 zur Phasenkompensation implementiert Formungsfrequenzen, jeweils einer Niederfrequenz f_I und einer Hochfrequenz f_h. Jedes bekannte Modul zur Phasenkompensation kann implementiert werden. Diese Kompensation ermöglicht eine perfekte Neuzusammensetzung des Hochfrequenzsignals an dem Ausgang der zweiten Verarbeitung mit dem Niederfrequenzsignal an dem Ausgang der ersten Verarbeitung bei der Summierung 18 dieser zwei Signale, um das Ausgangsaudiosignal des Moduls 4 zu erlangen.
Das Modul 4 zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals umfasst mehrere Module, die zu der ersten Verarbeitung des Niederfrequenzsignals beitragen.
Das Niederfrequenzsignal S_L aus der Tiefpassfilterung 12 wird als Eingangssignal für ein Modul 22 zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals bereitgestellt.
Das Modul 22 zur Erhöhung der Dynamik wird auch als Expansionsmodul (engl. „Expander“) bezeichnet.
Das Modul 22 ist zum Beispiel ein Dynamiksteuerungsmodul oder ein DRC-Modul (für„Dynamic Range Control“), das speziell auf die Expansion der Dynamik spezialisiert ist.
Auf bekannte Weise ist die Dynamik eines Audiosignals oder die Klangdynamik das Verhältnis zwischen seinem maximalen und seinem minimalen Schallpegel.
Das Modul 22 zur Expansion der Dynamik dient dazu, die Dynamik des Signals zu erhöhen, und zwar abhängig von einem Satz von Parametern 24, wobei zumindest ein Teil dieser Parameter gemäß den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen eingestellt ist.
Die Parameter 24 umfassen zum einen vorbestimmte Parameter, deren Wert beispielsweise von einem Toningenieur bei einer Kalibrierung bereitgestellt wird: ein Auslöseschwellenwert Thr, eine Einsatzdauer T_att, eine Abklingdauer T_rel, eine Vorlaufzeit D sowie einen ersten Parameter B₁ zur Verstärkung des niedrigen Pegels und einen zweiten Parameter B₂ zur Verstärkung des hohen Pegels.
Außerdem werden Parameter für die Steigung der Expansion der Dynamik und die Expansionsverstärkung der Dynamik von dem Modul 22 verwendet.
Bei der Steuerung der Dynamik des Schallpegels ist der Einsatz (engl. „Attack“) bekannterweise ein transienter Teil, der dem Anstieg der Amplitude des Audiosignals entspricht, und das Abklingen (engl. „Release“) ist ein Übergangsteil, der einem Absinken der Amplitude des Signals entspricht. Es ist zu verstehen, dass ein Tonsignal aus einer Musikaufnahme mehrere transiente Teile, Einsätze und Abklingen, umfasst, die sich durch das ganze Stück ziehen.
In einem Niederfrequenzsignal einer Musikaufnahme entsprechen die Einsätze beispielsweise perkussiven Klängen, wie z. B. Basstrommel, Kontrabass usw.
Die Einsatzdauer T_att ist eine vorbestimmte Zeitdauer, die mit dem Auslöseschwellenwert Thr verglichen wird, um den Betrieb des Moduls 22 zur Erhöhung der Dynamik des Audiosignals auszulösen.
Die Abklingzeit T_rel ist eine vorbestimmte Zeitdauer, die mit dem Auslöseschwellenwert Thr verglichen wird, um die Rückkehr des Moduls 22 zur Erhöhung der Dynamik des Audiosignals in einen neutralen Zustand auszulösen.
Die Parameter 24 umfassen auch Betriebsparameter des Moduls 22, die in Echtzeit berechnet oder angepasst werden, insbesondere eine Erhöhungssteigung der Dynamik und eine Verstärkung.
Mindestens ein Teil der Betriebsparameter des Moduls 22 zur Erhöhung der Dynamik des Audiosignals, z. B. die Steigung und die Verstärkung, werden abhängig von mindestens einem transienten Anteil und insbesondere von mindestens eines Einsatzes des Niederfrequenzsignals S_L berechnet.
Ein Modul 26 zur Analyse und Anpassung der Parameter in Echtzeit ist implementiert.
Im Folgenden werden Ausführungsformen des Moduls 26 beschrieben.
Das Modul 26 führt eine Analyse des Niederfrequenzsignals S_L durch und stellt einen dynamisch angepassten Wert für die Steigung bereit.
Außerdem hängt mindestens ein Teil der Parameter des Moduls 22 zur Erhöhung der Dynamik des Audiosignals von einem geschätzten Pegel des Ausgangsaudiosignals ab, der als L_out bezeichnet wird.
Der geschätzte Pegel L_out wird beispielsweise von dem Modul 28 zur Schätzung des Pegels des Ausgangsaudiosignals (veranschaulicht in 1) bereitgestellt, wovon eine Ausführungsform im Folgenden unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wird.
Das Modul 26 zur Analyse und Anpassung der Parameter in Echtzeit implementiert eine Erfassung eines oder mehrerer transienter Niederfrequenzteile, die jeweils mindestens einen Einsatz umfassen, der einem Amplitudenanstieg des Audiosignals entspricht.
Der Ausgang des Moduls 22 zur Erhöhung der Dynamik des Audiosignals wird als Eingang für ein Modul 30 zur Phasenkompensation bereitgestellt, das dem oben beschriebenen Modul 16 zur Phasenkompensation ähnlich ist.
Die Module 22, 30 führen einen ersten Teil der ersten Verarbeitung durch, der darin besteht, eine Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals zu bewirken, die abhängig von dem Inhalt des Niederfrequenzsignals und insbesondere von Einsätzen adaptiv ist.
Am Ausgang des Moduls 30 wird ein erstes Ausgangssignal der ersten Verarbeitung des Niederfrequenzsignals erlangt.
Die erste Verarbeitung umfasst auch einen zweiten Teil der-Verarbeitung des Niederfrequenzsignals, einschließlich einer Erzeugung von Oberwellen.
Der erste und der zweite Teil der ersten Verarbeitung werden parallel ausgeführt.
Für den zweiten Teil wird das Niederfrequenzsignal S_L als Eingang für ein Modul 32 zur Kompensation von Zeitverzögerung bereitgestellt, ähnlich wie das Modul 14 zur Kompensation von Zeitverzögerung, das bewirkt, dass die Verzögerung, die durch die erste Verarbeitung des Moduls 22 eingeführt wird, auf das Niederfrequenzsignal angewendet wird.
Der Ausgang des Moduls 32 wird als Eingang für ein Oberwellenerzeugungsmodul 34 (engl. „Harmonizer“) bereitgestellt, das durch Parameter 36 parametrisiert ist, die die Art der hinzuzufügenden Oberwellen spezifizieren.
Das Modul 34 und seine Parameter sind hier nicht weiter beschrieben, es handelt sich um eine übliche Verarbeitung eines Audiosystems.
Die Ausgabe des Oberwellenerzeugungsmoduls 34 wird als Eingabe für ein Formungsmodul 38 bereitgestellt, das konfiguriert ist, um Tiefpass- und Hochpassfilterungen mit den jeweiligen Frequenzen f_l und f_h anzuwenden.
Das am Ausgang des Formungsmoduls 38 erlangte Signal wird von einem Verstärker 40 verstärkt, dessen Verstärkung auf einer Oberwellenverstärkung G_H basiert, deren Wert beispielsweise von einem Toningenieur bei einer Kalibrierung vorbestimmt wird, wobei die Verstärkung dynamisch abhängig von dem geschätzten Pegel L_out des Ausgangsaudiosignals angepasst wird.
Am Ausgang des Verstärkers 40 wird ein zweites Ausgangssignal der ersten Verarbeitung des Niederfrequenzsignals erlangt.
Das erste Ausgangssignal der ersten Verarbeitung des Niederfrequenzsignals und das zweite Ausgangssignal der ersten Verarbeitung des Niederfrequenzsignals werden von einem Addierermodul 42 summiert, um das Niederfrequenz-Ausgangssignal zu erlangen, das als Eingangssignal für den Addierer 18 bereitgestellt wird. Das Hochfrequenzsignal am Ausgang des Moduls 16 und das Niederfrequenzsignal am Ausgang des Addiermoduls 42 werden addiert, um das Ausgangssignal des Moduls 4 zur Verbesserung der Wiedergabe von Niederfrequenzen zu erlangen.
Alle oder ein Teil der beschriebenen Module werden durch digitale Verarbeitung realisiert, die von einer oder mehreren digitalen Verarbeitungseinheiten, z. B. DSPs (für Digital Signal Processor), durchgeführt wird, die auf Signalverarbeitung spezialisiert sind.
3 stellt schematisch den ersten, sogenannten adaptiven Modus (oder „adaptive“ auf Englisch), der Realisierung des Moduls 26 zur Analyse und Anpassung der Parameter des Moduls 22 zur Erhöhung der Dynamik abhängig von dem Signal dar.
In dieser Ausführungsform umfasst das Modul 26, das als Eingang das Niederfrequenzsignal S_L empfängt, folgende Funktionsblöcke:

- einen Block 44 zur Erfassung von Stille, der dazu bestimmt ist, Übergängen zwischen zwei verschiedenen Musikaufnahmen zu erfassen;
- einen Block 46 zur Berechnung des quadratischen Mittelwerts oder RMS (für „Root Mean Square“) der Hüllkurve des Audiosignals, das am Eingang des Moduls 26 bereitgestellt wird, z. B. eine Filterung mit unendlicher Impulsantwort (oder IIR-Filter) erster Ordnung;
- einen Block 48 zur Berechnung eines Pegels L(t) des Audiosignals basierend auf den Resultaten der Blöcke 44 und 46, und
- einen Block 50 zur dynamischen Berechnung der Steigung des Moduls 22 zur Erhöhung der Dynamik.

Allgemeiner gesagt, berechnet der Block 46 eine durchschnittliche Hüllkurve des als Eingangssignal bereitgestellten Audiosignals, bei dem es sich um das Niederfrequenzsignal S_L in dem Modul 4 zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen handelt.
Die Steigung s(t) wird im Laufe der Zeit dynamisch angepasst, und dies abhängig von dem berechneten Signalpegel L(t), dem ersten Parameter B₁ zur Verstärkung des niedrigen Pegels und einem zweiten Parameter B₂ zur Verstärkung des hohen Pegels. Der erste Parameter B₁ ist repräsentativ für einen Verstärkungspegel in dB, der auf Audiosignale mit niedrigem Pegel L_b angewendet werden soll, und der zweite Parameter B₂ ist repräsentativ für einen Verstärkungspegel in dB, der auf Audiosignale mit hohem Pegel L_h angewendet werden soll.
Die Parameter B₁, B₂ sind beispielsweise vorbestimmt, d. h. standardmäßig festgelegt, oder werden von einem Benutzer über eine nicht dargestellte Mensch-Maschine-Schnittstelle bereitgestellt.
Die Berechnung der dynamisch angepassten Steigung s(t) ähnelt einer linearen Interpolation zwischen zwei Betriebsbereichen, jeweils einem Bereich mit niedrigem Pegel und einem Bereich mit hohem Pegel, abhängig von dem dynamisch berechneten Signalpegel L(t), im Wesentlichen in Echtzeit.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens, das von den oben beschriebenen Blöcken 44, 46, 48 und 50 durchgeführt wird, ist im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Das Verfahren erhält als Eingang ein Eingangssignal, das das Niederfrequenzsignal S_L ist.
Die Parameter B₁, B₂ werden im Vorfeld erhalten und gespeichert.
Das Verfahren umfasst einen Schritt 52 zur Berechnung des quadratischen Mittelwerts oder RMS der Hüllkurve des Niederfrequenzsignals S_L zum Zeitpunkt t.
Ein beliebiges Verfahren zur Berechnung des quadratischen Mittelwerts der Hüllkurve ist anwendbar.
In einer Ausführungsform wird ein IIR-Filter erster Ordnung implementiert, der durch eine Integrationskonstante α parametriert ist: $e n v (t) = (1 - α) \cdot e n v (t - 1) + α \cdot | x (t) |$
wobei env(t) die geschätzte Hüllkurve zum Zeitpunkt t bezeichnet und |x(t) | die Amplitude des Niederfrequenzsignals bezeichnet, das zum Zeitpunkt t am Eingang des Moduls 26 bereitgestellt wird.
Bei einem Vergleich 54, nach Berechnung 52 der mittleren Hüllkurve, wird überprüft, ob die geschätzte mittlere Hüllkurve zum Zeitpunkt t größer als oder gleich wie der zuvor berechnete Signalpegel L(t) ist.
Bei einer positiven Antwort in Schritt 54 wird der Pegel L(t) aktualisiert (Schritt 56), sodass der Pegel L(t) gleich wie das Maximum der mittleren Hüllkurve ist.
Die Aktualisierung (Schritt 56) des Signalpegels zum Zeitpunkt t implementiert die folgende Formel: $L (t) = e n v (t)$
Der Signalpegel wird vorübergehend gespeichert.
Somit wird der Signalpegel auf den maximalen Wert (lokales Maximum) der mittleren Hüllkurve des Signals gesetzt, was einer transienten Einsatzphase in dem verarbeiteten Audiosignal entspricht, bei dem es sich um das Niederfrequenzsignal handelt.
Außerdem wird ein Zeitgeber oder eine Stoppuhr („Timer“ auf Englisch) auf null gesetzt, wenn der Signalpegel aktualisiert wird (Schritt 55).
Bei einer negativen Antwort auf den Vergleich 54 wird ein Schritt 58 einer Verzögerung durchgeführt, bei dem der in Schritt 55 auf Null gesetzte Zeitzähler verwendet wird. Der Zeitzähler wird inkrementiert (Schritt 58) und dann (Schritt 60) mit einer vorbestimmten Verzögerungsdauer verglichen.
Wenn der Wert des Zeitzählers die Verzögerungsdauer (Test 60) erreicht oder überschreitet, während der Wert der geschätzten Hüllkurve zum Zeitpunkt t kleiner als der maximale Signalpegel ist, wird der Signalpegel (Schritt 62) um einen Dekrementwert Δ_dB dekrementiert. Beispielsweise ist der Wert für die Dekrementierung bei etwa 1 dB und die Verzögerungsdauer bei etwa 1 Sekunde.
Der Dekrementierungsschritt 62 implementiert unter Verwendung eines zuvor aufgezeichneten Signalpegels L(t-1) Folgendes: $L (t) = L (t - 1) - Δ_{d B}$
Es ist zu beachten, dass der Signalpegel während der Verzögerungsdauer gleich wie der aufgezeichnete Pegel bleibt, der das lokale Maximum des quadratischen Mittelwerts der Hüllkurve ist.
Die Verwendung der Verzögerung ermöglicht es vorteilhafterweise, Einsätze während der gesamten Aufzeichnung eines Audiosignals zu berücksichtigen.
Parallel dazu und in Echtzeit umfasst das Verfahren einen Schritt 64, in dem der Block 44 zur Erfassung von Stille implementiert wird, und im Fall einer positiven Erfassung wird der geschätzte maximale Pegel auf Null gesetzt (Schritt 66).
Vorteilhafterweise ermöglicht die Implementierung einer Erfassung von Stille, dass die Parameter des Moduls 26 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmen zurückgesetzt werden, wodurch eine auf einer vorherigen Aufnahme basierende Pegelanpassung beim Beginn der Klangwiedergabe einer nachfolgenden Aufnahme vermieden wird.
In einer Ausführungsform implementiert der Block zur Erfassung von Stille beispielsweise eine zeitliche Verfolgung der Amplitude der Hüllkurve des Niederfrequenzsignals über eine vorbestimmte Stille-Erfassungsdauer, beispielsweise in der Größenordnung von zwei Sekunden.
Wenn die Amplitude während der vorbestimmten Stille-Erfassungsdauer unter einem ersten Amplitudenschwellenwert N_dB von z. B. -80 dB liegt, dann ist die Stille-Erfassung positiv.
Alternativ wird die Erfassung von Stille anders durchgeführt, z. B. basierend auf Informationen, die von der Quelle 6 für Audiosignale übertragen werden.
Auf die jeweiligen Schritte zur Änderung des aufgezeichneten Signalpegels L(t) 56, 62 und 66 folgt ein Schritt 68 zur Berechnung der Steigung des Moduls 22.
In einer Ausführungsform wird die Steigung s(t) durch die folgende lineare Interpolationsformel berechnet: $s (t) = s_{1} + \frac{s_{2} - s_{1}}{L_{h} - L_{b}} \cdot L (t)$
wobei s₁ ein erster Steigungswert ist, der auf Audiosignale mit einem ersten niedrigen Pegel L_b anzuwenden ist, und s₂ ein zweiter Steigungswert ist, der auf Audiosignale mit einem zweiten hohen Pegel L_h anzuwenden ist.
Der niedrige Pegel L_b und der hohe Pegel L_h sind in dB angegeben.
Zum Beispiel ist der erste niedrige Pegel L_b im Durchschnitt niedriger als -12 dBrms, der zweite hohe Pegel L_h im Durchschnitt höher als -6 dBrms.
Vorzugsweise werden der erste und der zweite Steigungswert s₁ und s₂ anhand des ersten Parameters B₁ und des zweiten Parameters B₂, die vorbestimmt sind und von einem Toningenieur in einer Kalibrierungsphase bereitgestellt werden, durch die folgenden Formeln berechnet: $s_{1} = 1 + \frac{B_{1}}{I N_m a x - T h r}$
und $s_{2} = 1 + \frac{B_{2}}{I N_m a x - T h r}$
wobei Thr der Auslöseschwellenwert ist, ab dem das Erhöhungsmodul 22 die Expansion anwendet, und IN_max der maximale Pegel ist, den das Eingangssignal erreichen kann, z. B. 0 dBfs, wobei fs für „Full Scale“ bei einem digitalen Verfahren steht.
5 veranschaulicht als Beispiel schematisch die Steigung eines Moduls 22 zur Erhöhung der Dynamik des Signals für mehrere Auslöseschwellenwerte Thr=T_dB, die -10 dB bzw. -20 dB betragen, und Steigungswerte s=2 und s=3.
Im Detail zeigt 5 ein Diagramm, das den Pegel des Ausgangssignals des Dynamiksteigerungsmoduls 22 (in dB), dargestellt auf der Ordinatenachse, abhängig von des Pegels des Eingangssignals (Eingangspegel) in dB auf der Abszissenachse umfasst.
Zwischen dem Ursprung des Graphen und dem Eingangspegel, der gleich wie der Auslöseschwellenwert T_dB (Schwellenwertpegel) ist, ist die Steigung des dargestellten Geradenabschnitts gleich 1.
Es sind jeweilige Geraden dargestellt, wobei die Gerade P₁ einer Steigung von s=2 ab -20 dB, die Gerade P₂ einer Steigung von s=3 ab -10 dB und die Gerade P₃ einer Steigung von s=2 ab -10 dB entspricht. Bei einem Eingangspegel von 0 dB wird eine Verstärkung von 20 dB erreicht, indem entweder P₁ oder P₂ angewendet wird.
Vorteilhafterweise wird der Verstärkungspegel durch die Anpassung des Steigungswerts des Moduls zur Erhöhung der Dynamik abhängig von den ersten transienten Phasen (d. h. Einsätze) von jedem eingegebenen niederfrequenten Audiosignal für jede einzelne Aufnahme angepasst.
6 zeigt schematisch die zweite Ausführungsform des Moduls zur Analyse und Anpassung der Parameter des Moduls 22 zur Erhöhung der Dynamik. Diese zweite Ausführungsform implementiert eine Scheitelfaktor-Hüllkurve (engl. „Crest Factor Envelope“).
Es sei darauf hingewiesen, dass diese zweite Ausführungsform mit der ersten Ausführungsform kombinierbar ist.
In dieser zweiten Ausführungsform ist der Parameter des Moduls 22 zur Erhöhung der Dynamik des Signals ein Expansionsverstärkungsparameter, und das Modul 26' umfasst Funktionsblöcke, die wie folgt sind:

- einen Block 70 zur Berechnung der Spitzenhüllkurve (oder Scheitelhüllkurve) des Niederfrequenzsignals S_L, das als Eingangssignal für das Modul 26' bereitgestellt wird;
- einen Block 72 zur Berechnung des quadratischen Mittelwerts oder RMS (für „Root Mean Square“) der Hüllkurve des Niederfrequenzsignals, z. B. eine Filterung mit unendlicher Impulsantwort (oder IIR-Filter) erster Ordnung;
- einen Block 74 zur Berechnung einer Scheitelfaktor-Hüllkurve durch Subtrahieren des quadratischen Mittelwerts der Hüllkurve von dem Spitzenwert, ausgedrückt in Dezibel, zu einem gleichen Zeitmoment;
- einen Block 76 zur Berechnung der Expansionsverstärkung des Moduls 22 abhängig von der Scheitelfaktor-Hüllkurve.

Vorteilhafterweise macht die Verwendung einer Scheitelfaktor-Hüllkurve die absoluten Pegelschwankungen, die durch die Art der Aufnahme bedingt sind, überflüssig und ermöglicht es, die Erhöhung der Dynamik besser an die Schlagzeugeinsätze von jedem verarbeiteten Niederfrequenz-Audiosignals anzupassen.
Der Block 70 zur Berechnung der Spitzenhüllkurve des Niederfrequenzsignals ist konfiguriert, um ein beliebiges bekannte Verfahren zur Berechnung der Spitzenhüllkurve eines Audiosignals zu implementieren.
Ebenso ist der Block 72 zur Berechnung des quadratischen Mittelwerts der Hüllkurve des Audiosignals konfiguriert, um ein beliebiges bekanntes Verfahren zur Berechnung des quadratischen Mittelwerts der Hüllkurve eines Audiosignals zu implementieren.
In einer besonderen Ausführungsform implementiert der Block 70 die folgende Berechnung: $p k_e n v (t) = (1 - α_{p k}) \cdot p k_e n v (t - 1) + α_{p k} \cdot | x (t) |$
Wobei x(t) das Niederfrequenzsignal ist, |x(t)| das Modul dieses Signals ist, pk_env(t) die Schätzung der Spitzenhüllkurve des Audiosignals x(t) zum Zeitpunkt t ist und a_pk ein Parameter ist, der definiert ist durch: $α_{p k} = {\begin{matrix} r e l_{p k}, | x (t) < p k_e n v (t - 1) | \\ a t t_{p k}, | x (t) | \geq p k_e n v (t - 1) \end{matrix}$
Dabei ist rel_pk die Abklingzeit (engl. release time) der Spitzenhüllkurve und att_pk die Einsatzzeit der Spitzenhüllkurve, unter Berücksichtigung von att_pk << rel_pk.
In einer besonderen Ausführungsform führt der Block 72 die folgende Berechnung durch: $r m s_e n v (t) = (1 - α_{r m s}) \cdot r m s_e n v (t - 1) + α_{r m s} \cdot | x (t) |$
wobei x(t) das Niederfrequenzsignal ist, |x(t)| ist der Modul dieses Signals ist, rms_env(t) die Schätzung des quadratischen Mittelwerts der Hüllkurve des Audiosignals x(t) zum Zeitpunkt t ist, auch genannt RMS-Hüllkurve, und α_rms ein Parameter ist, der wie folgt definiert ist: $α_{r m s} = {\begin{array}{l} r e l_{r m s}, | x (t) | < r m s_e n v (t - 1) \\ a t t_{r m s}, | x (t) | \geq r m s_e n v (t - 1) \end{array}$
wobei rel_rms die Abklingzeit (engl. „release time“) der RMS-Hüllkurve und att_rms die Einsatzzeit der RMS-Hüllkurve ist, unter Berücksichtigung von att_rms ≈ rel_rms.
Die Werte der Konstanten rel_pk, att_pk, rel_rms att_rms sind z. B. vorbestimmt.
Der Block 74 zur Berechnung der Spitzenfaktor-Hüllkurve führt in einer Ausführungsform die folgende Berechnung durch, wobei die Größen in Dezibel ausgedrückt sind: $c r e s t_e n v_d B (t) = p k_e n_d B (t) - r m s_e n v_d B (t)$
wobei $p k_e n v_d B (t) = 20 \cdot {log}_{10} (p k_e n v (t))$
und $r m s_e n v_d B (t) = 20 \cdot {log}_{10} (r m s_e n v (t))$
Der Wert der Spitzenfaktor-Hüllkurve crest_env_dB(t), berechnet in Dezibel, entspricht in dem linearen Bereich der Division des Spitzenwerts durch den quadratischen Mittelwert der Hüllkurve des Signals zum gleichen Zeitpunkt t.
Die Berechnung der Expansionsverstärkung G_dB(t) des Moduls 22 zur Erhöhung der Dynamik des Signals erfolgt in einer Ausführungsform wie folgt: $G_{i n s t} (t) = D R C (c r e s t_e n v_d B (t))$
wobei G_inst die momentane Verstärkung und DRC(x) eine Kontrollfunktion der Dynamik ist, definiert durch: $D R C (x) = {\begin{matrix} 0, x < T h r \\ γ \cdot (x - T h r), x \geq T h r \end{matrix}$
wobei Thr der Auslöseschwellenwert ist, ab dem das Modul 22 zur Erhöhung die Expansion anwendet (in dB), und y ein Parameter ist, der abhängig von der Steigung s(t) definiert ist: $γ = 1 - s (t)$
Die Steigung s(t) kann den vorgegebenen Wert s(t)=s haben, der als Eingangsparameter bereitgestellt wird.
Vorzugsweise wird die Steigung s(t) gemäß dem Verfahren, das unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist, dynamisch angepasst.
Vorzugsweise wird die momentane Verstärkung geglättet, indem die folgende Formel durchgeführt wird: $G_{d B} (t) = (1 - α) \cdot G_{d B} (t - 1) + α \cdot G_{i n s t} (t)$
Der Koeffizient α, der von der Einsatzzeit T_att und der Abklingzeit T_rel des Moduls 22 abhängt: $α = {_{T_{a l l}, G_{i n s t} (t) \geq G_{d B} (t)}^{T_{r e l}, G_{i n s t} (t) < G_{d B} (t)}$
Im linearen Bereich wird die Expansionsverstärkung ausgedrückt durch: $G (t) = 10^{\frac{G_{d B} (t)}{20}}$
7 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Moduls 28 zur Schätzung des Pegels L_out des Ausgangsaudiosignals.
Dieser Pegel wird im Wesentlichen in Echtzeit abhängig von einem tatsächlichen Schalldruckwert in dem Raum berechnet, in dem das Audiosystem 2 installiert ist, z. B. der Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs. Somit ist der Pegel des Ausgangsaudiosignals repräsentativ für die tatsächliche Lautstärke am Ausgang 20 des Audiosystems 2.
Das Modul 28 zur Schätzung des Pegels des Ausgangsaudiosignals des Audiosystems 2 empfängt einerseits am Eingang das Audiosignal von der Audioquelle 6, die Audiosignale an das Audiosystem 2 bereitstellt, bezeichnet als S_in, dann ein erstes Zwischenaudiosignal S_int1, gebildet aus einer ersten Anzahl P1 von Kanälen, das am Ausgang des Blocks 80 zur Verarbeitung abhängig vom Pegel des Signals erlangt wird, der in einer Ausführungsform vorteilhafterweise das Modul 4 zur Verbesserung der Klangwiedergabe von niedrigen Frequenzen implementiert, und ein zweites Audio-Zwischensignal S_int2, das aus einer zweiten Anzahl P2 von Kanälen gebildet wird und am Ausgang des Audiosystems 2 nach Anwendung der N Audioverarbeitungsblöcke 82₁ bis 82_N, der Ausgangsverstärkung 84 und des Begrenzers 86 erlangt wird. Die erste und die zweite Anzahl von Kanälen sind ganze Zahlen, wobei sich die erste Anzahl von Kanälen von der zweiten Anzahl von Kanälen unterscheiden kann.
Wenn ein Schwellenwert für den Lautstärkebegrenzer 86 implementiert ist, korreliert die effektive Lautstärke und damit der effektive Schalldruckwert ab einem bestimmten Pegel nicht mehr mit dem Lautstärkeschritt, der von dem Benutzer über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle des Audiosystems (z. B. ein Lautstärkeregler oder eine andere, möglicherweise digitale, Vorrichtung zur Lautstärkeregelung) vorgegeben wird.
Wenn das Audiosystem 2 alternativ keinen Begrenzer 86 aufweist, wird das zweite Zwischensignal am Ausgang des Ausgangsverstärkungsblocks 84 erlangt.
Das Modul 28 zur Schätzung des Pegels L_out des Ausgangsaudiosignals umfasst einen Block 90 zur Schätzung des Pegels L_in des Eingangssignals S_in, einen ersten Kanal-Mittelwertbildungsblock 92, einen zweiten Kanal-Mittelwertbildungsblock 94.
Der Block 90 empfängt als Eingang das Audiosignal S_in (Eingangsaudiosignal) und berechnet den Pegel L_in dieses Eingangsaudiosignals.
In einer Ausführungsform wird der Pegel L_in des Eingangsaudiosignals durch die Durchführung der Schritte 52 bis 66 geschätzt, die unter Bezugnahme auf 4 oben beschrieben sind.
Das oder die ersten Audio-Zwischensignale S_int1 auf den P1-Kanälen werden in den ersten Kanal-Mittelwertbildungsblock 92 eingegeben, um ein erstes gemitteltes Signal S_1a zu erlangen, das gleich wie der Mittelwert der ersten Audio-Zwischensignale S_int1 auf jedem der P1-Kanäle ist.
Das oder die zweiten Audio-Zwischensignale S_int2 auf den P2-Kanälen werden in den zweiten Kanal-Mittelwertbildungsblock 94 eingegeben, um ein zweites gemitteltes Signal S_2a zu erlangen, das gleich wie der Mittelwert der zweiten Audio-Zwischensignale S_int2 von jedem der P2-Kanäle ist.
Das erste mittlere Signal S_1a und das zweite mittlere Signal S_2a werden als Eingangssignal für einen Block 96 zur Schätzung der Pegeldifferenz zwischen zwei Punkten des Audiosystems bereitgestellt, der eine Berechnung der Differenz zwischen einem ersten Zwischenpegel L₁ des ersten mittleren Signals S_1a und einem zweiten Zwischenpegel L₂ des ersten mittleren Signals S_2a implementiert.
In einer Ausführungsform wird für jedes von dem ersten mittleren Signal S_1a und dem zweiten mittleren Signal S_2a ein Verfahren zur Pegelschätzung angewandt, das dem von Block 90 implementierten Verfahren ähnlich ist.
Anschließend implementiert Block 96 die folgende Differenzberechnung: $L = L_{2} - L_{1} + L_{o f f}$
wobei L_off ein Kalibrierungspegel ist, der auch Offset-Pegel genannt wird, der zuvor während einer Kalibrierungsphase des Audiosystems berechnet und gespeichert wurde, wobei die Kalibrierung an einem Audiosignal mit bekanntem Pegel durchgeführt wird, z. B. an einem rosa Rauschen mit bekanntem Pegel.
Es ist auch zu beachten, dass eine Latenzkompensation zwischen dem ersten mittleren Signal S_1a und dem zweiten mittleren Signal S_2a angewendet wird, z. B. wird eine Verzögerung auf das erste mittlere Signal S_1a angewendet, sodass die Pegeldifferenz zum gleichen Zeitpunkt angewendet wird.
Das Ergebnis des Blocks 96 für die Pegeldifferenz zwischen zwei Punkten in dem Audiosystem wird als Eingang für einen Block 98 zur Berechnung des Ausgangspegels L_out bereitgestellt.
Der Pegel des Eingangssignals L_in wird auch am Eingang des Blocks 98 bereitgestellt.
Der Block 98 zur Schätzung des Ausgangspegels des Audiosystems verwendet die zwei am Eingang bereitgestellten Pegel, um die Schätzung des Pegels L_out durchzuführen.
In einem Audiosystem werden beispielsweise Parameter für einen niedrigen Pegel L_b, einen hohen Pegel L_h, eine maximal zulässige Verzerrung ΔL_b zwischen einer Aufnahme mit hohem Pegel und einer Aufnahme mit niedrigem Pegel bereitgestellt, z. B. von einem Toningenieur während einer Kalibrierungsphase.
In einer Ausführungsform wird der geschätzte Pegel L_out wie folgt berechnet. Eine Verzerrung ΔL ist definiert durch:

- Wenn L_in > L_h, ΔL = 0
- Wenn L_in < L_b, ΔL = ΔL_b
- Wenn L_b ≤ L_in ≤ L_h, dann $Δ L = Δ L_{b} * (\frac{L_i n - L_{h}}{L_{b} - L_{h}})$
Und:
- Wenn L_out ≥ L_b, L_out = L + ΔL

Vorteilhafterweise ist der so berechnete Pegel L_out repräsentativ für die tatsächliche Hörlautstärke und ermöglicht daher eine Anpassung, die für einen Benutzer besser geeignet ist als jedes System, das nur auf den Eingangsparametern des Audiosystems basiert.
Der Pegel L_out des Ausgangsaudiosignals wird in dem Modul 22 zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals und in dem Verstärkermodul 40 verwendet.
In einer Ausführungsform werden die Parameter B₁, B₂ und Thr des Moduls 26, das das Modul 22 zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals ansteuert, entsprechend dem geschätzten Pegel L_out angepasst.
Mit dem geschätzten Pegel L_out des Ausgangsaudiosignals kann die Steigung des Moduls 26 angepasst werden, indem die vorgegebene Expansionsverstärkung G_dB erhöht oder verringert wird.
Anhand des geschätzten Pegels L_out des Ausgangsaudiosignals kann die Verstärkung des Verstärkers 40 angepasst werden, indem die vorgegebene Oberwellenverstärkung G_H erhöht oder verringert wird.
Wenn der geschätzte Pegel L_out des Ausgangsaudiosignals niedrig ist, z. B. unter einem vorbestimmten Schwellenwert, dann sind die Verstärkungen der Oberwellen G_H und G_dB wie vordefiniert.
Wenn der geschätzte Pegel L_out des Ausgangsaudiosignals hoch ist, z. B. höher als der vorbestimmte Schwellenwert, ist der Hörpegel (die Lautstärke) hoch, weshalb eine geringere Bassverarbeitung angewendet wird. Beispielsweise werden die Oberwellenverstärkung G_H und die Expansionsverstärkung G_dB verringert.
In einer Ausführungsform implementiert das System 5 zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals die Anpassung der Expansionssteigung und der Expansionsverstärkung des Moduls 22 zur dynamischen Expansion und des Moduls 28 zur Schätzung des Pegels des Ausgangsaudiosignals des Audiosystems 2.
In einer suboptimalen Variante implementiert das System 5 zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals die Anpassung der Expansionssteigung und der Expansionsverstärkung des Moduls 22, wie oben beschrieben, und der Ausgangspegel L_out des Audiosystems 2 wird durch ein anderes Verfahren geschätzt, z. B. basierend auf einem Lautstärkeschritt, der von dem Benutzer gesteuert wird.
Vorteilhafterweise implementieren das Verfahren und das System zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals eine Analyse des Audiosignals in Echtzeit, um zwischen alten und neuen Aufnahmen zu unterscheiden, sodass die Erhöhung der Dynamik von Niederfrequenzen in Echtzeit von Fall zu Fall angepasst werden kann.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Erfindung auch eine Anpassung der Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen abhängig von einer in Echtzeit geschätzten Hörlautstärke.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 3052951 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals, wobei die Klangwiedergabe durch ein Audiosystem (2) erfolgt, das mindestens einen Lautsprecher (7) umfasst; das Verfahren umfassend ein Trennen eines Eingangsaudiosignals durch Filtern in ein Hochfrequenzsignal (S_H) und ein Niederfrequenzsignal (S_L), eine erste Verarbeitung des Niederfrequenzsignals (S_L), um ein Niederfrequenz-Ausgangssignal zu erlangen, und eine zweite Audioverarbeitung des Hochfrequenzsignals (S_H), um ein Hochfrequenz-Ausgangssignal zu erlangen, und ein Summieren des Niederfrequenz-Ausgangssignals und des Hochfrequenz-Ausgangssignals, um ein Ausgangsaudiosignal zu erlangen, das am Eingang in einen Satz von Audioverarbeitungsblöcken des Audiosystems (2) bereitgestellt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Verarbeitung des Niederfrequenzsignals (S_L) die Implementierung eines Moduls (22) zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals (S_L) umfasst, das abhängig von mindestens einem transienten Teil des Niederfrequenzsignals (S_L) parametriert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Audiosignal eine Musikaufnahme umfasst, das Verfahren umfassend ein Erfassen des transienten Niederfrequenzteils, umfassend mindestens einen Einsatz, wobei der Einsatz einem Amplitudenanstieg des Audiosignals entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend eine Analyse des Niederfrequenzsignals, die Analyse umfassend eine Berechnung eines Pegels (52-66) des mindestens einen transienten Teils des Niederfrequenzsignals und eine Anpassung (68) mindestens eines Parameters des Moduls zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals abhängig von dem berechneten Pegel.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der angepasste Parameter eine Steigung des Moduls (22) zur Erhöhung der Dynamik ist, wobei die Steigung abhängig von dem Pegel des Niederfrequenzsignals, von einem ersten Wert der Steigung, der für Audiosignale mit einem ersten vorbestimmten niedrigen Pegel angewendet werden soll, und einem zweiten Wert der Steigung, der für Audiosignale mit einem zweiten vorbestimmten hohen Pegel angewendet werden soll, berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Analyse des Niederfrequenzsignals ferner eine Erfassung (64) von Stille umfasst und bei Erfassung von Stille ein Zurücksetzen auf null (66) der Parameter zur Erhöhung der Dynamik umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, umfassend eine Berechnung einer Scheitelfaktor-Hüllkurve des Niederfrequenzsignals und eine Berechnung einer Expansionsverstärkung des Moduls zur Erhöhung der Dynamik abhängig von der Scheitelfaktor-Hüllkurve.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Berechnung der Scheitelfaktor-Hüllkurve eine Berechnung einer Scheitelfaktor-Hüllkurve des Niederfrequenzsignals, eine Berechnung einer mittleren Hüllkurve des Niederfrequenzsignals umfasst, wobei die Scheitelfaktor-Hüllkurve zu einem Zeitpunkt gleich einer Differenz zwischen der Scheitelfaktor-Hüllkurve und der mittleren Hüllkurve zu diesem Zeitpunkt, ausgedrückt in Dezibel, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend eine Schätzung eines Pegels des Ausgangsaudiosignals, das repräsentativ für eine effektive Lautstärke am Ausgang des Audiosystems (2) ist, abhängig von einem geschätzten Pegel des Eingangsaudiosignals des Audiosystems und einer Differenz zwischen einem zweiten Zwischenpegel und einem ersten Zwischenpegel des Audiosignals in dem Audiosystem, wobei der zweite Zwischenpegel der Pegel eines zweiten Zwischensignals ist, das am Ausgang eines Begrenzers (86) oder einer Verstärkung (84) des Ausgangs des Audiosystems (2) erlangt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend, nach Anwendung des Moduls (22) zur Erhöhung der Dynamik, eine Phasenkompensation, um ein erstes Ausgangssignal der ersten Verarbeitung des Niederfrequenzsignals zu erlangen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Verarbeitung ferner die Anwendung eines Moduls (34) zur Erzeugung von Oberwellen auf das Niederfrequenzsignal, im Wesentlichen parallel zu der Anwendung des Moduls zur Erhöhung der Dynamik, und die Anwendung von Formungsfiltern umfasst, um ein zweites Ausgangssignal der ersten Verarbeitung des Niederfrequenzsignals zu erlangen.
System (5) zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen eines Audiosignals, wobei die Klangwiedergabe durch ein Audiosystem (2) erfolgt, das mindestens einen Lautsprecher (7) umfasst, umfassend ein Modul (4) zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen, umfassend Filter (10, 12) zum Trennen eines Eingangsaudiosignals in ein Hochfrequenzsignal (S_H) und ein Niederfrequenzsignal (S_L), wobei das System konfiguriert ist, um eine erste Verarbeitung des Niederfrequenzsignals, um ein Niederfrequenz-Ausgangssignal zu erlangen, und eine zweite Audioverarbeitung des Hochfrequenzsignals, um ein Hochfrequenz-Ausgangssignal zu erlangen, und ein Summieren des Niederfrequenz-Ausgangssignals und des Hochfrequenz-Ausgangssignals, um ein Ausgangsaudiosignal zu erlangen, das am Eingang in einen Satz von Audioverarbeitungsblöcken (82₁,... 82_N) des Audiosystems (2) bereitgestellt wird, durchzuführen, wobei das Modul (4) zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen dadurch gekennzeichnet ist, dass es für die erste Verarbeitung des Niederfrequenzsignals ein Modul (22) zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals (S_L) umfasst, das abhängig von mindestens einem transienten Teil des genannten Niederfrequenzsignals parametrisiert ist.
System nach Anspruch 11, wobei das Modul (4) zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen ein Modul (26) zur Analyse und Anpassung der Parameter in Echtzeit ein Modul (22) zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals umfasst, umfassend einen Block (44) zur Erfassung von Stille, einen Block (46) zur Berechnung des quadratischen Mittelwerts des Niederfrequenzsignals, einen Block (48) zur Berechnung eines Pegels des Niederfrequenzsignals und einen Block (50) zur Berechnung einer Steigung des Moduls zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals.
System nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Modul (4) zur Verbesserung der Klangwiedergabe von Niederfrequenzen ein Modul (26) zur Analyse und Anpassung der Parameter in Echtzeit, ein Modul (22) zur Erhöhung der Dynamik des Niederfrequenzsignals, umfassend einen Block (70) zur Berechnung der Spitze einer Hüllkurve des Niederfrequenzsignals, einen Block (72) zur Berechnung des quadratischen Mittelwerts des Niederfrequenzsignals, einen Block (74) zur Berechnung einer Scheitelfaktor-Hüllkurve, die gleich wie eine Differenz zwischen der Spitzenhüllkurve und der mittleren Hüllkurve ist, ausgedrückt in Dezibel, und einen Block (76) zur Berechnung der Expansionsverstärkung abhängig von der Scheitelfaktor-Hüllkurve, umfasst.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner umfassend ein Modul (28) zum Schätzen eines Pegels des Ausgangsaudiosignals, das repräsentativ für eine effektive Lautstärke an dem Ausgang des Audiosystems (2) ist, umfassend einen Block (90) zum Schätzen eines Pegels des Eingangsaudiosignals des Audiosystems (2) und einen Block (96) zum Schätzen einer Differenz zwischen einem zweiten Zwischenpegel und einem ersten Zwischenpegel des Audiosignals in dem Audiosystem, wobei der zweite Zwischenpegel der Pegel eines zweiten Zwischensignals ist, das am Ausgang eines Begrenzers (86) oder einer Verstärkung (84) des Ausgangs des Audiosystems (2) erlangt wird.