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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur digitalen
Speicherung und Restauration analoger Audiosignale.
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Musik
und Sprache wird bereits seit ca. 130 Jahren auf verschiedenen Tonträgern gespeichert. Bis
ungefähr
Mitte der 1970er Jahre erfolgte diese Speicherung ausschließlich analog.
Mit der heutigen Möglichkeit,
große
digitale Archive aufzubauen, ist ein Wunsch der Rundfunkanstalten
und der Plattenindustrie, die alten Aufzeichnungen auf analogen
Signalträgern,
z.B. Magnettonbändern
zu digitalisieren und in digitalen Archiven zugänglich zu machen. Dieser Überspielvorgang
soll dabei möglichst
schnell verlaufen, um Arbeitszeit und somit Kosten zu sparen.
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Ein
Problem bei der Digitalisierung ist, dass nicht sicher gestellt
werden kann, ob alle Informationen, die auf dem analogen Datenträger vorhanden sind,
exakt übertragen
werden. Weiterhin sollte eine Digitalisierung ermöglichen,
dass für
eine nachfolgende Restauration möglichst
viele Informationen zur Verfügung
stehen, die bei der Wiederherstellung der alten Aufnahmen behilflich
sein können.
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Bisher
werden bei der Übertragung
von analogen Medien in digitale Archive in erster Linie vorhandene
Abspielsysteme verwendet. Dies führt
dazu, dass ausschließlich
die Daten gespeichert werden können,
die im normalen Audiodatenstrom vorhanden sind. Bei korrekt aufgezeichneten
Audiosignalen, einer sehr guten Lagerung des analogen Tonträgers und
sehr gutem Ausgangsmaterial reicht dies aus, um auch für heutige
Qualitätsmaßstäbe zufriedenstellende
Audiosignale im Digitalarchiv vorrätig zu halten. Ein Nachteil
dieses Verfahrens ist, dass nur und ausschließlich mit der Geschwindigkeit
der Mediumsaufnahme abgespielt werden kann. Ein Beispiel wäre eine
Shellack-Platte, die mit 78 Umdrehungen in der Minute aufgenommen
wurde. Damit das Abspielgerät
richtig kalibriert ist, muss ebenfalls mit 78 Umdrehungen in der
Minute abgespielt werden. Bei Magnettonbändern wurden die meisten Aufnahmen
mit einer Bandgeschwindigkeit von 19 oder 38 cm/s aufgezeichnet.
Beim Abspielen muss diese Geschwindigkeit genau eingehalten werden,
damit keinerlei Artefakte entstehen. Dies bedeutet aber auch, dass
die Überspielung
einer 20minütigen
Aufnahme auch 20 Minuten dauert.
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Für Magnetbänder wurden
bereits seit längerem
Möglichkeiten
geschaffen, auch schnellere Überspielungen
zu ermöglichen,
indem die benötigten Entzerrernetzwerke
nach der Tonabnahme durch einen Magnettonkopf entsprechend verändert wurden. Problematisch
ist dabei aber, dass durch die höhere Bandgeschwindigkeit
ein schlechterer Signal-Rauschabstand und ein geringerer Andruck
des Bandes an den Tonkopf vorhanden ist. Dies führt zu einer Verschlechterung
der überspielten
Aufnahme.
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Entsprechend
weiterer bekannter Verfahren kann auch auf die spezielle Modifikation
der analogen Entzerrernetzwerke verzichtet werden, wenn das Signal
ohne analoge Entzerrung digital überspielt wird
(
US 54 79 168 A )
und die Entzerrung erst nach der Überspielung durch digitale
Filter erzeugt wird. Ein solches Vorgehen wurde in
DE 102 20 274.5 vorgeschlagen.
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Zur
Erzeugung zusätzlicher
Daten für
eine spätere
Restauration nach der Digitalisierung wurden in der wiss. Literatur
bereits mehrere Vorschläge
gemacht. So wird in der Dissertationsschrift von Hicks ("Modelling of Multichannel
Audio Signals",
PhD Thesis, Cambridge 1999) oder in der Semesterarbeit von Gonschorek
und Blumtritt ("Restaurationsverfahren für historische
Ton-Aufnahmen",
Semesterarbeit 2000, IMT-TU Ilmenau) vorgeschlagen, sofern mehrere
Kopien einer analogen Aufnahme vorhanden sind, alle zu digitalisieren
und anschließend
diese Mehrfachkopien zur Restauration, beispielsweise mittels eines
Korrelations-Verfahrens zu nutzen. Ist nur eine Aufnahme vorhanden,
empfehlen die o.g. Autoren bei einer Mono-Aufnahme die Abnahme durch einen geeigneten
Stereotonabnehmer, so dass das Nutzsignal in beiden Kanälen ähnlich,
die Störung
jedoch unterschiedlich ist und z.B. mittels spektraler Subtraktion
beseitigt werden kann. Diese Idee wurde in dem Text von M. Gerzon
(Michael Gerzon, "Don't destroy the archives") noch weiter geführt. Er schlägt vor,
dass man zum einen Tonköpfe
verwenden kann, die mehr als nur zwei Spuren gleichzeitig abnehmen
können.
Diese Tonköpfe
sind aus der Mehsrpurtechnik bekannt und können auf der selben Breite
eines Magnetbandes bis zu acht Spuren gleichzeitig aufnehmen bzw.
wiedergeben. Mit einem solchen Kopf könnte das Nutzsignal also achtmal
mit acht hoffentlich unterschiedlichen Störungen vom Magnetband abgenommen
werden. Zum anderen wird in dieser Schrift vorgeschlagen, einen
weiteren Tonkopf derart zu plazieren, dass die Rückseite des Magnetbandes abgenommen
wird, da die Magnetisierung auf dieser Seite anders als auf der
Vorderseite des Bandes ist. Insbesondere die Detektion und Beseitigung
der sogenannten Kopiereffekte wird als mögliche Anwendung genannt.
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Alle
Autoren gehen diesbezüglich
von Standardeinspielsystemen aus und erwähnen weder die Möglichkeit
der Geschwindigkeitsveränderung
noch der linearen Überspielung
mit abschließender
digitaler Entzerrung.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine qualitativ möglichst
hochwertige Überspielung
eines analogen Tonträgers,
insbesondere eines Magnetbandes, in einen digitalen Massenspeicher
zu ermöglichen.
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In
einer vorteilhaften Realisierungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden gleichzeitig zusätzliche
Informationen für
eine mögliche
Restauration zur Verfügung
gestellt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das analoge Signal
mit mehr als einem Signalabnehmer abgenommen wird und die Signale
abschließend digitalisiert
und gespeichert werden, wobei mindestens eines dieser Signale vor
der Digitalisierung nicht entzerrt wird. Eine entsprechende erfindungsgemäße Vorrichtungen
ist im Anspruch 13 angegeben.
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Besonders
vorteilhaft ist es zusätzlich,
wenn die Überspielung
mit einer gegenüber
der üblichen Abspielgeschwindigkeit
erhöhten
Geschwindigkeit erfolgen kann.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch die Nutzung mehrerer Signale alle Rauschvorgänge, die
durch das Tonabnehmersystem hervorgerufen werden, unkorreliert sind
und somit durch eine spätere
Mittelung oder einer anderen geeigneten Restaurationsvorschrift
verringert werden können.
Zusätzlich
ist es möglich,
Gleichlaufschwankungen des Abspielsystems auszugleichen, da die
Schwankungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten in den Signalen auftreten.
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Werden
die abgenommenen Signale nicht entzerrt, ist die Wahl einer anderen
Geschwindigkeit als der Originalabspielgeschwindigkeit möglich, da die
zur Wiedergabe notwendige Entzerrung erst durch nachgeschaltete,
digitale Filter erzeugt wird, die eine sehr viel höhere Flexibilität als ihre
analogen Pendants aufweisen.
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Eine
weitere, besonders bevorzugte Realisierungsform ergibt sich, wenn
vor der Speicherung eine Synchronisation der mehrfach vorliegenden
Signale stattfindet, da somit eine eventuell durchzuführende Restauration
möglich
wird.
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Zusätzlich können weitere
Informationen gespeichert werden, die eine spätere Bearbeitung erleichtern.
Exemplarisch seien die Einspielgeschwindigkeit und die Anordnung
der Signalabnehmer genannt, mit der die Überspielung stattgefunden hat. Diese
sog. Metadaten sind dabei durch ein geeignetes Verfahren, zum Beispiel
durch eine Datenbank, mit den Originalsignaldaten verbunden.
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In
besonders bevorzugten Realisierungen des Verfahrens werden zusätzliche
Informationen z.B. durch die Nutzung von Mehrspursignalabnehmern,
speziellen Signalabnehmern für
unterschiedliche Frequenzbereiche und/oder eine spezielle geometrische
Anordnung der Abnehmersysteme genutzt.
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Eine
spezielle Ausprägungsform
der zuvor beschriebenen Realisierung findet sich bei der Einspielung
von Magnetbandaufnahmen, bei der mindestens einer der Signalabnehmer
derart ausgestaltet ist, dass er eine besonders hohe Empfindlichkeit innerhalb
des Frequenzbereiches aufweist, der der Frequenz der bei der Aufzeichnung
verwendeten Hochfrequenz-Vormagnetisierung
(Bias) entspricht. Durch die Abnahme dieser zusätzlichen Metadaten vom analogen
Tonträger
stehen für
eine eventuell durchzuführende
Restauration weitere Informationen zur Verfügung.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand der in den Zeichnungen gezeigten
Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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Es
zeigen
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1 Stand der Technik zur
Wiedergabe eines Tonbandsignals,
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2 Stand der Technik zur
Speicherung eines analogen Signals in einem digitalen System,
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3 Darstellung eines möglichen
Aufnahmesystems mit mehr als einem Kanal,
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4 Erfindungsgemäße Signalverarbeitung
der mehrkanaligen Daten,
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5 Erfindungsgemäße Signalverarbeitung
mit zusätzlicher
Synchronisation,
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6 Eine mögliche Ausführungsform einer Synchronsiationseinheit,
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7 Erfindungsgemäße Signalverarbeitung
mit zusätzlicher
Restauration,
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8 Erfindungsgemäße Signalverarbeitung
der mehrkanaligen Daten einer mehrspurigen Analogaufnahme am Beispiel
einer stereophonen Magnetbandaufnahme.
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1 zeigt den Aufbau eines
typischen, professionellen Tonbandgeräts (11). Dabei wird
das Magnetband (12), das aufgerollt ist auf zwei Spulen
(16) mittels mehrerer Rollen (17) an dem eigentlichen Tonabnehmersystem
vorbeigeführt.
Dieses System besteht für
die Aufnahme aus einem Löschkopf
(13) und einem speziellen Aufnahmekopf (14). Die
Wiedergabe erfolgt ausschließlich über den
Wiedergabekopf (15).
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Die
weitere bekannte Signalverarbeitung wird in 2 gezeigt. Dabei wird das Signal des
Wiedergabekopfes (21) zunächst verstärkt (22), dann einem
analogen Entzerrer (23) zugeführt, der auf die jeweilige
Abspielgeschwindigkeit angepasst sein muss. Das derart entzerrte
Signal wird dann optional noch einmal verstärkt (24) und mit einem
Analog/Digital Wandler (25) digitalisiert um dann digital
gespeichert zu werden (26).
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Eine
mögliche,
erfindungsgemäße Realisierungsform
zur Erzeugung der entsprechenden Signale ist in 3 aufgezeigt. Das Tonabnehmersystem ist
derart modifiziert, dass anstelle der zuvor erläuterten Tonabnehmeranordnung
ausschließlich drei
Wiedergabeköpfe
(31) zur Anwendung kommen.
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4 zeigt eine Realisierungsform
der nachfolgenden Signalverarbeitung. Die Signale der Wiedergabeköpfe (41)
werden nicht entzerrt und möglichst
linear verstärkt
(42), digitalisiert (43) und anschließend digital
gespeichert.
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In 5 ist eine bevorzugte Realisierung
der Signalverarbeitung dargestellt, dadurch gekennzeichnet, dass
bereits synchronisierte Daten gespeichert werden. Dazu werden die
digitalisierten Signale einer Synchronisationseinheit (54)
zugeführt,
wobei die Synchronisation beispielsweise durch einen Operator (händisch)
oder automatisiert erfolgen kann.
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Ein
mögliches
Verfahren zur automatischen Synchronisation zweier Signale wird
in 6 gezeigt. Es besteht
aus der Berechnung der Kreuz-Korrelation (63) zwischen
zwei Signalen (61 und 62), einer Maximumfindung
(64) und einem Ausgleich der Verzögerung mit einem entsprechenden Verzögerungselement
(65). In diesem Zusammenhang kann die Synchronisation selbstverständlich auch
zeit-variant erfolgen, wenn durch Gleichlaufschwankungen der zeitliche
Versatz zwischen den beiden zu synchronisierenden Signalen variiert.
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Um
das synchronisierte Signal zu restaurieren, bieten sich verschiedene
Algorithmen an. Ein einfaches Verfahren ist zum Beispiel die Mittelung der
aufgenommenen Signale. Dabei sind die Signalanteile in allen Kanälen identisch,
die durch die Signalabnehmer eingebrachten Störungen jedoch untereinander
unkorreliert. Dies führt
bei einer Mittelung zu einer Geräuschreduktion
um den Faktor der Kanalanzahl (Als Beispiel für zwei Kanäle ergibt sich eine Geräuschreduktion
um den Faktor 2, was 6 dB entspricht.).
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Dieses
Verfahren wird in 7 näher erläutert. Nach
der Synchronisation (74) erfolgt zunächst eine Geräuschreduktion
(75), wobei aus den bisher n-Kanälen
ein einkanaliges Signal erzeugt wird. Das geräuschreduzierte Signal wird
nun gespeichert (76). Ein äquivalentes Verfahren stellt
die Verwendung einer gespeicherten, mehrkanaligen Version des Signals
dar.
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In
diesem Zusammenhang wird für
Mehrspur-Aufzeichnungen (z.B. Achtspur- oder Stereoaufnahmen), wie in 8 für eine analoge, stereophone
Magnetbandaufzeichnung dargestellt, selbstverständlich jede Signalspur (82 und 83)
des analogen Tonträgers
(81) getrennt betrachtet. Die kombinierten Signalabnehmer
(84, 85 und 86) weisen jeweils für jede Spur
(82, 83) der stereophonen Aufzeichnung einen getrennten
Signalabnehmer (Spur 82: 841, 851 und 861,
Spur 83: 842, 852 und 862) auf.
Die derart erzeugten Signale werden dann für jede der beiden Signalspuren
getrennt weiterverarbeitet (87, 88).