DE19539538A1 - Nicht hörbare Einfügung von Information in ein Audiosignal - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Signaleinfügungen, und ins besondere die nicht hörbare Einfügung von Information in ein Audiosignal, so daß es für das menschliche Ohr nicht wahrnehm­ bar ist, jedoch von einem Empfängersystem erfaßbar ist.

Das Phänomen der Hörmaskierung bei Menschen ist wohlbekannt und wird in einem Artikel von Eberhard Zwicker und U. Tilmann Zwicker mit dem Titel "Audio Engineering and Psychoacoustics: Matching Signals to the Final Receiver, the Human Auditory Sy­ stem", erschienen im Journal of Audio Engineering Society, Band 39, Nr. 3, März 1991 erläutert, welcher durch diese Be­ zugnahme in die vorliegende Offenbarung miteinbezogen wird. Dieser Effekt ist eine aktuelle Technologie, die in der Audio­ signalkompression genutzt wird, indem Teile des Audiosignals, die für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbar sind, entfernt werden, wodurch sich die Menge der übertragenen Information verringert.

In vielen Fällen ist es wünschenswert, ein Signal, das gewisse Informationen darstellt, die ein Empfänger vielleicht nutzen möchte, beispielsweise ein Testsignal, ein Referenzsignal oder Daten, in ein anderes Informationssignal einzufügen. Ein Bei­ spiel hierfür ist die Einfügung eines Testsignals für die ver­ tikalen Intervalle ("vertical interval test signal", VITS) in das vertikale Intervall eines TV-Videosignals. Das VITS wird in einen Teil des TV-Videosignals eingefügt, der einem Be­ trachter nicht angezeigt wird, daher ist es für den Betrachter transparent. Es ist jedoch nicht offensichtlich, wie ein In­ formationssignal in ein Audiosignal einsetzbar wäre, da es keine "nicht sichtbaren" Bereiche im Audiosignal gibt, die den Rücklaufintervallen des TV-Videosignals entsprechen würden.

Es wird daher eine Möglichkeit zur Einfügung eines Informa­ tionssignals in ein Audiosignal gewünscht, die für das mensch­ liche Ohr nicht wahrnehmbar ist.

Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine nicht hörbare Signaleinfügung eines Informationssignals in ein Au­ diosignal durch Einfügen des Informationssignals in hörmas­ kierte Bereiche des Audiosignals bereit. Das Informationssi­ gnal wird durch Töne kodiert, die in die hörmaskierten Berei­ che eingefügt werden. Die Kodierung kann durch das Vorhanden­ sein oder das Fehlen eines oder mehrerer eingefügter Töne, der Amplitude des eingefügten Tones bzw. der eingefügten Töne, der Phase des eingefügten Tones bzw. der eingefügten Töne oder einer Kombination dieser Kodierungstechniken erfolgen. Beim Empfänger wird der eingefügte Ton (oder Töne), oder das Vor­ handensein bzw. Fehlen des Tons (der Töne) dekodiert, um das ursprüngliche Informationssignal wiederzugewinnen.

Die Aufgaben, Vorteile sowie weitere neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung sind der nachstehenden detaillierten Beschreibung entnehmbar, die in Verbindung mit den beigefügten Ansprüchen und Zeichnungen zu lesen ist.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Kodierers für eine nicht hörbare Einfügung in ein Audiosignal gemäß vorlie­ gender Erfindung;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Einfügung von Information in ein Audiosignal gemäß vorliegen­ der Erfindung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Dekodierers für eine nicht hörbare Einfügung in ein Audiosignal gemäß vorlie­ gender Erfindung; und

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Auslesen von Information aus einem Audiosignal gemäß vorliegender Erfindung.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, wird ein geeignet digitalisier­ tes Audiosignal einem digitalen Signalprozessor (DSP) 12 ein­ gegeben und ebenfalls in einem Speicheraufbau 14 gespeichert, der als Verzögerungselement konfiguriert ist. Der DSP 12 führt wiederholt über ein relativ langes Intervall des Audiosignals, beispielsweise Millisekunden bis zu einer Sekunde oder länger, in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung, eine Frequenzbe­ reichstransformation, beispielsweise eine schnelle Fourier- Transformation (FFT), am digitalen Audiosignal durch, wodurch das Audiosignal vom Zeitbereich in den Frequenzbereich umge­ setzt wird. Für Sprachanwendungen zum Beispiel kann das Inter­ vall lang sein, während für Musik das Intervall kurz sein kann, solange das Intervall lang genug ist, eine relativ große Spitze (Peak) einzuschließen, aber gleichzeitig nicht zu viele Spitzen.

Das Ausgangssignal der Frequenzbereichstransformation ist eine Folge von Frequenzspektren. Über das Intervall hinweg wird für das zugehörige Frequenzspektrum die Spektralkomponente mit größter Amplitude gesucht, um die Signalspitze zu ermitteln. Die Signalspitze wird mit einem minimalen Schwellenpegel, zum Beispiel -18 dB, verglichen. Die minimale Schwelle wird auf der Grundlage der Amplitude des eingefügten Signals, der Tech­ nik zur Wiedergewinnung des eingefügten Signals und dem am Empfänger für das eingefügte Signal erforderlichen Rauschab­ stand berechnet. Die minimale Schwelle kann für eine gegebene Anwendung vorberechnet und im DSP 12 gespeichert werden. Ist die Signalspitze geringer als der minimale Schwellenpegel, dann wird das nächste Intervall verarbeitet, um ein neues Fre­ quenzspektrum zu erhalten. Liegt die Signalspitze über der minimalen Schwelle und sie ist ausreichend lang, wird ein Ton in das Audiosignal in einem hörmaskierten Bereich um die Si­ gnalspitze herum eingefügt. Die Frequenz und Amplitude des Tons beruhen auf den Maskiercharakteristiken der Signalspitze. Die Dauer und Form des Tons sind so ausgelegt, daß sie die Energie im Testton maximieren und die nicht auf Testtonfre­ quenz liegende Energie minimieren. Wenn die Frequenz des Test­ tons beispielsweise zehn Prozent (10%) über der Signalspitze liegt, der Testimpuls die Form eines sin²-Balkens hat, die 100% Amplitudendauer genau drei Zyklen des Testtons beträgt und die Amplitude des Testimpulses auf 40 dB eingestellt ist, dann wird, wenn die hänge der Signalspitze unterhalb der für den Testton berechneten Länge liegt, der Testton nicht eingefügt und es wird erneut begonnen, den Algorithmus auf das nächste Intervall anzuwenden.

Wie in den Fig. 2 und 4 gezeigt, ist das Eingangssignal an einen Dekodierer 20 das kodierte Audiosignal in digitaler Form, wobei dieses Signal vielleicht mehrere Prozesse durch­ laufen hat, die den Pegel des gesamten Signals verändert ha­ ben. Das kodierte Audiosignal wird einem Dekodier-DSP 22 ein­ gegeben, wo wiederum eine Frequenzbereichstransformation wie­ derholt über ein langes Intervall des Eingangssignals vorge­ nommen wird, entsprechend derjenigen am Transmitter, was auf­ einanderfolgende Frequenzspektren ergibt. Wiederum wird im Intervall nach der Spektralkomponente mit der größten Ampli­ tude gesucht, der Signalspitze. Für die Frequenz der Signal­ spitze wird eine zugehörige Spektralkomponente gesucht, die vom Transmitter eingefügt worden ist, d. h. eine Spektralkom­ ponente mit dem richtigen Frequenzversatz und mit der richti­ gen Impulsbreite. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, kann der Prozeß über aufeinanderfolgende Intervalle hinweg wiederholt werden, um sicherzustellen, daß der erwartete Im­ puls erfolgreich ein paar Mal hintereinander gefunden wird. Zur Wiederholung über mehrere Intervalle hinweg können das (die) Audiointervall(e) in einem Speicher mit wahlfreiem Zu­ griff (RAN) 24 gespeichert werden, wenn der DPS 22 nicht schnell genug ist. Wird der eingefügte Impuls nicht gefunden, was möglich ist, da die größte Signalspitze möglicherweise nicht dieselbe ist wie die von Kodierer gefundene, aufgrund von Taktungsunterschieden zwischen Kodierer und Dekodierer, dann verschiebt der Dekodierer das Intervallfenster in der Zeit, bis die vom Kodierer erfaßte Signalspitze auch vom Deko­ dierer gefunden wird. Ist dieser Vorgang der Synchronisation des Dekodierers mit dem Kodierer abgeschlossen, erfolgt die Dekodierung kontinuierlich. Der erfaßte Impuls wird dann auf Amplitude, Phase etc. hin gemessen und das gesamte Eingangs­ signal wird zum Beispiel auf den richtigen Pegel eingestellt, auf der Grundlage der gemessenen Amplitude des Testimpulses für eine automatische Verstärkungsregelungs-Anwendung ("auto­ matic gain control", AGC), oder der erfaßte Impuls wird anson­ sten auf seinen Informationsgehalt hin dekodiert. Wenn bei­ spielsweise bei einer AGC-Anwendung der Impuls bei -32 dB ent­ deckt wird, bedeutet dies, daß der Signalpegel um 8 dB verrin­ gert werden muß, da der übertragene Impuls in diesem Beispiel bei -40 dB eingefügt worden ist. Falls gewünscht, kann ein Dekodierer den übertragenen Testimpuls auch aus dem Ausgangs­ signal entfernen. Natürlich wird bei den meisten Audiosignal­ kompressionstechniken auf der Grundlage einer Maskierung der übertragene Testimpuls entfernt.

Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit zur Einfügung von nicht hörbaren Audiosignalen in ein Audiosignal in einem Transmitter bereit, indem definierte Audiotöne in hörmaskierte Bereiche des Audiosignals eingefügt werden, und anschließend die definierten Audiotöne in einem Empfänger aus­ gelesen werden, wobei die ausgelesenen Audiotöne dekodiert werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Einfügung von nicht hörbaren Audiosignalen in ein Audiosignal, mit folgenden Schritten:
wiederholte Anwendung einer Frequenzbereichs­ transformation auf das Audiosignal über aufeinanderfol­ gende Intervalle einer ersten vorbestimmten Dauer hinweg zur Erzeugung aufeinanderfolgender Frequenzspektren;
Auffinden der Spektralkomponente mit größter Ampli­ tude innerhalb eines jeden Frequenzspektrums, um eine Übertragungssignalspitze zu bestimmen;
für jede Übertragungssignalspitze oberhalb einer gegebenen Schwelle: Einfügen eines Testtons in das Audio­ signal mit vorbestimmten Merkmalen bezüglich der Übertra­ gungssignalspitze, wobei der Testton Daten darstellt, zur Erzeugung eines Übertragungs-Audiosignals.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Anwendung der Frequenzbereichstransformation auf das Übertragungs-Audiosignal über aufeinanderfolgende Inter­ valle einer zweiten vorbestimmten Dauer zur Erzeugung von Frequenzspektren;
Absuchen eines jeden Frequenzspektrums nach einer empfangenen Signalspitze;
für jede empfangene Signalspitze: Suchen nach dem Testton;
zeitliches Verschieben der aufeinanderfolgenden In­ tervalle der zweiten vorbestimmten Dauer und Wiederholen der Absuchschritte, bis der Testton gefunden ist; und
Dekodieren des Testtons zur Rückgewinnung der vom Testton dargestellten Daten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Anwendung der Frequenzbereichstransformation auf das Übertragungs-Audiosignal über aufeinanderfolgende Inter­ valle der ersten vorbestimmten Dauer zur Erzeugung von Frequenzspektren;
Absuchen eines jeden Frequenzspektrums nach einer empfangenen Signalspitze;
für jede empfangene Signalspitze: Suchen nach dem Testton; und
Dekodieren des Testtons zur Rückgewinnung der vom Testton dargestellten Daten.