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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Verringerung des Dynamikbereichs von Audiosignalen.
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Ein häufig auftretendes Problem bei
Audioanlagen ist es, dass die Anlagen zu stark ausgesteuert werden,
was zu unerwünschten
Verzerrungen und unter Umständen
sogar zu Beschädigungen
der Anlage führen
kann. Darüber
hinaus kann es auch erwünscht
sein, den Pegel von Übertragungsanlagen zu
begrenzen, um beispielsweise eine Beeinträchtigung des Gehörs von Zuhörern zu
vermeiden. Andererseits kann es in einer geräuscherfüllten Umgebung wünschenswert
sein, leisere Passagen so weit über
das Grundgeräusch
anzuheben, dass sie vom Zuhörer
wahrgenommen werden können.
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Egal, ob eine Anhebung niedriger
Pegel (beispielsweise mittels sogenannter Kompander) oder eine Begrenzung
hoher Pegel (beispielsweise mittels sogenannter Limiter) gewünscht wird,
ist das Ergebnis in beiden Fällen
die Verringerung des Dynamikbereichs des Audiosignals, d. h. eine
Verringerung des Unterschiedes zwischen den minimalen und den maximalen
Pegeln. Eine sogenannte Dynamikkompression ist insbesondere in Kraftfahrzeugen
vorteilhaft, da dort zum einen der Grundgeräuschpegel sehr hoch ist, was
durch eine Anhebung der niedrigen Pegel verbessert werden kann,
und zum anderen die Leistung des Audiosystems aufgrund der niedrigen Versorgungsspannung
im Kraftfahrzeug in der Leistung begrenzt ist, was leicht zu Verzerrungen
bei hohen Pegeln führt,
denen mit einer Begrenzung der Pegel entgegengewirkt werden kann.
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Bei üblichen Limitern oder Kompandern
tritt dabei das Problem auf, dass diese zwangsweise immer auf die
energiereichste Komponente innerhalb des Audiosignals adaptieren,
wie bei spielsweise Bass-Trommeln oder Snare-Trommeln, und dabei das
hinlänglich
bekannte "Lautstärkepumpen" verursachen.
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Um dem entgegen zu wirken, wird beispielsweise
in der
US 5,255,324 vorgeschlagen,
sowohl eine schmalbandige als auch eine breitbandige Auswertung
des Audiosignals vorzunehmen, wobei zunächst von dem schmalbandigen
Audiosignal ausgegangen wird und falls dieses keine zufriedenstellende
Verbesserung bringt, eine breitbandige Auswertung vorgenommen wird.
In der
US 6,005,953 wird angeregt,
mehrere Frequenzbänder
vorzusehen, die einzeln ausgewertet werden, und danach die Verstärkung des
gesamten Audiosignals anzuheben oder abzusenken. Obwohl diese Maßnahmen
bereits eine Verbesserung bringen, ist diese jedoch in vielen Fällen nicht
ausreichend.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
eine Schaltungsanordnung zur Verringerung des Dynamikbereichs von
Audiosignalen anzugeben, die diesbezüglich weiter verbessert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch
eine Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch
1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind
Gegenstand von Unteransprüchen.
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Im Einzelnen wird die Aufgabe gelöst durch eine
Schaltungsanordnung mit einer ersten Transformationseinrichtung,
der ein eingehendes Audiosignal zugeführt wird und die diese vom
Zeitbereich in den Frequenzbereich ein Eingangsspektrum ergebend transformiert,
mit einer der ersten Transformationseinrichtung nachfolgenden Spektralbearbeitungseinrichtung,
die das Eingangsspektrum erhält und
daraus ein Ausgangsspektrum erzeugt derart, dass das Ausgangsspektrum
einen geringeren Dynamikbereich hat als das Eingangsspektrum, und
mit einer der spektralen Bearbeitungseinrichtung nachfolgenden zweiten
Transformationseinrichtung, der das Ausgangsspektrum zugeführt wird
und die dieses vom Frequenzbereich in den Zeitbereich ein ausgehendes
Audiosignal ergebend transformiert.
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Bevorzugt arbeitet dabei die Transformationseinrichtung
nach der Methode der schnellen Fourier-Transformation (FFT = Fast
Fourier Transformation) und die zweite Transformationseinrichtung
nach der Methode der inversen schnellen Fourier-Transformation (IFFT). Die schnelle
Fourier-Transformation zeichnet sich durch ein gutes Verhältnis von
Aufwand zu Nutzen aus. Bei bestimmten Anwendungsfällen kann
an Stelle der schnellen Fourier-Transformation beispielsweise auch
eine Fourier-Zeit-Transformation (FTT = Fourier Time Transformation)
und deren inverse Funktion angewendet werden.
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Um eine Limiter-Funktion zu realisieren, kann
die spektrale Bearbeitungseinrichtung die Amplitude in den Bereichen
des Spektrums dämpfen,
in denen die Amplitude und/oder der spektrale Bereich eine oder
mehrere Bedingungen erfüllen.
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Eine derartige Bedingung kann beispielsweise
darin bestehen, dass die Amplitude in diesem spektralen Bereich
einen ersten Grenzwert übersteigt.
Auf diese Weise werden absolute Spitzen, d. h. Spektrallinien von
bestimmter Amplitude werden gedämpft
beispielsweise derart, dass die betreffende Spektrallinie unter
einer bestimmten Amplitude bleibt (Dämpfung absoluter Spitzen).
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Als Alternative oder zusätzliche
Bedingung kann vorgesehen werden, dass ein Signal mit einer bestimmten
Amplitude in einem bestimmten spektralen Bereich nicht hörbar ist.
Vorteilhafterweise kann dann eine Reduktion der Amplitude des Gesamtsignals
erzielt werden, indem ohnehin nicht hörbare Spektralanteile aus dem
Gesamtsignal entfernt werden. Als derartige psychoakustische Effekte
kommen beispielsweise zeitliche und/oder spektrale Verdeckung in
bestimmten Spektralbereichen in Frage. Günstig ist hierbei auch eine
Aufteilung des Spektrums entsprechend den Frequenzgruppen des menschlichen
Gehörs.
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Alternativ oder zusätzlich kann
weiterhin eine Bedingung darin bestehen, dass die jeweilige Amplitude
ein Maximum oder eines der Maxima ist. Auf diese weise werden die
größten Amplituden
bevorzugt gedämpft
(Dämpfung
relativer Spitzen).
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Weiterhin kann zusätzlich oder
alternativ eine Bedingung durch die Lage des jeweiligen spektralen
Bereichs im Gesamtspektrum gegeben sein. Dies gilt insbesondere
für sehr
tiefe oder sehr hohe Töne,
da diese entweder nur sehr schwer vom Zuhörer wahrgenommen oder durch
die akustische Anlage nicht (vollständig) übertragen oder durch den Abhörraum verfälscht werden
können.
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Zur Dynamikkompression insbesondere
bei geringen Pegeln kann vorgesehen werden, dass kleinere Amplituden,
die einen einem bestimmten Grundgeräuschpegel entsprechenden zweiten Grenzwert überschreiten
und einen gegenüber
dem zweiten Grenzwert höheren
dritten Grenzwert unterschreiten, angehoben werden.
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Vorzugsweise ist das Eingangsspektrum
und gegebenenfalls auch das Ausgangsspektrum komplex, so dass auch
die Phasen bei der Auswertung berücksichtigt werden.
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Schließlich kann bei einer Weiterbildung
der Erfindung der ersten Transformationseinrichtung eine Vorauslöseeinrichtung
vorgeschaltet werden, die das eingehende Audiosignal verzögert der
ersten Transformationseinrichtung hinzuführt, wobei ab einer bestimmten
Amplitude des unverzögerten
eingehenden Audiosignals die beiden Transformationseinrichtungen
sowie die Bearbeitungseinrichtung aktiviert werden und unterhalb
der bestimmten Amplitude das Audiosignal unverändert weitergeleitet wird. Auf
diese Weise kann Rechenaufwand eingespart werden, da vorzeitig eine Übersteuerung
(bzw. Untersteuerung) erkannt wird, so dass dann die Dynamikkompression
nur im Bedarfsfalle aktiviert zu werden braucht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
und
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2 ein
Zeigerdiagram in der Spektralebene vor und nach einer Limitierung
mit einer Schaltungsanordnung gemäß 1.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 1 zur
Verringerung des Dynamikbereichs eines eingehenden Audiosignals 2 ist
eine Transformationseinrichtung 3 vorgesehen, die das eingehende
Audiosignal 2 mittels schneller Fourier-Transformation
(FFT) in ein komplexes Eingangsspektrum 4 umwandelt.
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Das komplexe Eingangsspektrum 4 wird dann
einer der Transformationseinrichtung nachfolgenden spektralen Bearbeitungseinrichtung 5 zugeführt, die
das komplexe Eingangsspektrum 4 derart verändert, dass
ein komplexes Ausgangsspektrum 6 erzeugt wird, dass in
seinem resultierenden Dynamikbereich gegenüber dem Eingangsspektrum 4 eingeschränkt ist.
Die Signalbearbeitung in der spektralen Bearbeitungseinrichtung 5 sieht
dabei vor, dass die einzelnen Spektrallinien ausgewertet werden
und mit einem Grenzwert 7 verglichen werden. Dazu ist eine
Bearbeitungseinheit 8 vorgesehen, welche Spektrallinien
mit einer den Grenzwert 7 überschreitenden Amplitude detektiert
und diese so weit dämpft,
dass sie unterhalb des Grenzwertes 7 liegen.
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Eine weitere Bearbeitungseinheit 9 ermittelt Bereiche
im Eingangsspektrum 4, die im Hinblick auf Amplitude und/oder
den jeweiligen spektralen Bereich psychoakustisch nicht hörbar sind.
Dazu zählen beispielsweise
die spektrale und zeitliche Verdeckung von Geräuschen. Spektrale Verdeckung
bedeutet da bei, dass ein tieffrequenter Ton einen etwas höheren Ton
mit geringerem Pegel vollständig
verdecken kann, so dass der höhere
Ton durch den Zuhörer
nicht mehr wahrnehmbar ist. Ein derart nicht wahrnehmbarer Ton wird
durch die Bearbeitungseinheit 9 erkannt und völlig aus
dem Gesamtsignal genommen. Bei der zeitlichen Verdeckung folgt ein akustisches
Signal geringen Pegels auf ein Signal mit hohem Pegel, wobei das
zunächst
auftretende Signal mit hohem Pegel für eine gewisse Zeit das nachfolgende
Signale mit geringem Pegel unhörbar
macht. Auch dieses Verhalten aufgeschlüsselt nach den jeweiligen Spektralbereich
werden von der Bearbeitungseinheit 9 erkannt und eliminiert.
Die Zusammenhänge
der psychoakustischen Verdeckung sind beispielsweise bei B. Zwicker, "Psychoakustik", Springer-Verlag
1982, Seiten 35 bis 46 und 93 bis 101 beschrieben. Die Bearbeitungseinheit 9 bedient sich
der darin genannten Zusammenhänge.
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Eine weitere Bearbeitungseinheit 10 berücksichtigt
die spektrale Lage der einzelnen Spektrallinien, wobei sehr hohe
und sehr tiefe Töne
stärker
gedämpft
werden als Töne
im mittleren Bereich. Auf diese Weise wird eine Loudness-Funktion
realisiert, so dass bei geringer Aussteuerung (entspricht niedrigen
Pegeln) hohe und tiefe Frequenzen angehoben werden, was der Funktionsweise
des menschlichen Gehörs
entspricht, welches hohe und tiefe Töne bei hohen Pegeln besser
wahrnimmt als bei niedrigen Pegeln.
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Werden die Bearbeitungseinheiten 8 bis 10 zur
Realisierung einer Limiter-Funktion eingesetzt, sind zwei weitere
Bearbeitungseinheiten 11 und 12 vorgesehen, die
auch allgemein zur Dynamikkompression verwendet werden können. Die
Bearbeitungseinheit 11 detektiert dabei ein oder mehrere
Maxima im Eingangsspektrum 4 und dämpft diese um ein bestimmtes
Maß, wobei
im vorliegenden Fall gleichzeitig die Gesamtverstärkung, d.h.
die Amplituden aller Signale angehoben werden. Damit werden die
Amplitudenspitzen reduziert und gleichzeitig geringere Pegel entsprechend
angehoben.
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Die Bearbeitungseinheit 12 wertet
hingegen kleinere Amplituden aus, die einen einem bestimmten maximalen
Grundgeräuschpegel
entsprechenden dritten Grenzwert 13 überschreiten, jedoch unterhalb
eines gegenüber
dem dritten Grenzwert 13 höheren vierten Grenzwert 14 liegen.
Die beiden Bearbeitungseinheiten 11 und 12 folgen
dabei aufeinander, so dass insgesamt eine Beschneidung des Dynamikbereichs "von oben und unten
her" erfolgt und dann über den
Grundgeräuschpegel
hinaus weiter angehoben wird.
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Den Bearbeitungseinheiten 8, 9, 10 und 12 folgt
eine Auswahleinrichtung 15, die beispielsweise abhängig von
Amplitudenverteilung und spektraler Zusammensetzung des Eingangsspektrums 4 bestimmt
durch die jeweilige Bearbeitungseinheit 8 bis 12 vorgegebene
Bearbeitungsform auswählt
oder mehrere Bearbeitungsformen miteinander kombiniert. Die Auswahleinrichtung 15 erzeugt
dann daraus das Ausgangsspektrum 6, das im vorliegenden Fall
ebenfalls komplex ist, das jedoch bei bestimmten Anwendungen auch
rein reell sein kann.
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Das Ausgangsspektrum 6 wird
einer weiteren Transformationseinrichtung zugeführt, die mittels inverser schneller
Fourier-Transformation (IFFT) wieder ein Zeitsignal erzeugt, nämlich ein
ausgehendes Audiosignal 17.
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Der Transformationseinrichtung 3 ist
beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
eine Vorauslöseeinrichtung 18 vorgeschaltet,
die das eingehende Audiosignal 2' mittels einer Verzögerungseinrichtung 19 verzögert als
eingehendes Audiosignal 2 der Transformationseinrichtung 3 zuführt. Innerhalb
der Verzögerungszeit
wird dabei durch eine Steuereinrichtung 20 die Schaltungsanordnung 1 aktiviert
bzw. deaktiviert abhängig
davon, ob das eingehende Audiosignal 2' einen bestimmten Grenzwert überschreitet oder
nicht. Wird der bestimmte Amplitudengrenzwert überschritten, dann wird in
der Zeit in der das Signal die Verzögerungseinrichtung 19 durchläuft die
Schal tungsanordnung 1 aktiviert, so dass beim Auftreten des
erhöhten
Amplitudenwertes am Ausgang der Verzögerungseinrichtung 19 die
Schaltungsanordnung 1 betriebsbereit ist.
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In diesem Falle wird das ausgehende
Audiosignal 17 durch eine der Transformationseinrichtung 16 nachgeschaltete
Schalteinrichtung 21 zum Ausgang 22 durchgeschaltet.
Andernfalls wird das eingehende Audiosignal 2' zum Ausgang 22 durchgeschaltet.
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In 2 ist
in zwei Zeigerdiagrammen (2a, 2b) für vier Spektrallinien Z1 bis
Z4 die Situation vor (2a)
und nach (2b) einer
Limitierung dargestellt, wobei hierbei insbesondere die Phasenlage
berücksichtigt
wird. Im Falle vor der Limitierung wird angenommen, dass alle vier
Spektrallinien die gleiche Amplitude haben, wobei die Spektrallinien Z1
und Z4 eine entgegengesetzte Phase aufweisen. Daraus ergibt sich
ein Gesamtzeiger ZT, der einen maximal zulässigen Amplitudenwert TA überschreitet.
Die Limitierung soll nun dabei so erfolgen, dass die Gesamtphase
nicht verändert
wird. Die Spektrallinien Z2 und Z4 werden dabei für eine Reduzierung nicht
verwendet, da sie zum Gesamtzeiger nicht beitragen. Folglich werden
die Zeiger für
die Spektrallinien Z1 und Z3 im Betrag so weit verringert, dass
der Gesamtzeiger ZT den Amplitudenschwellenwert AT nicht übersteigt.