DE2249039C2 - Verfahren zur Aufnahme und Wiedergabe von richtungsbezogener Schallinformation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme und Wiedergabe von richtungsbezogener Schallinformation gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein solches Verfahren, wie es beispielsweise der DE-AS 21 29 673 vorgeschlagen ist, ist zwar nicht auf eine spezielle Anzahl von Schallquellen (beispielsweise Mikrofonen) oder von Wiedergabeeinheiten (beispielsweise Lautsprechern) beschränkt, doch kommt es zum gegenwärtigen Zeitpunkt hauptsächlich für eine quadrophone Wiedergabe in Frage, bei der die beiden aus der Stereotechnik bekannten Lautsprecher auf vier Lautsprechereinheiten erweitert werden, um bei der Wiedergabe von richtungsbezogener Schallinformation die Illusion eines Raumschalleffektes zu erhöhen. Zur Übertragung oder Aufzeichnung der für eine quadrophone Wiedergabe erforderlichen Übertragungssignale mit Hilfe der bisher nur für Stereowiedergaben benutzten Medien, bei denen nur zwei Übertragungs- bzw. Aufzeichnungskanäle vorhanden sind, werden gemäß dem Stand der Technik vier oder mehr ursprüngliche, richtungsbezogene Schallquellensignale durch Kodierung auf zwei Übertragungs- oder Aufzeichnungskanäle komprimiert und zur Erzeugung von vier Wiedergabesignalen zur Speisung der entsprechenden Lautsprecher danach wieder dekodiert. Solche Systeme werden als »4-2-4«-Systeme bezeichnet

Eine gegenwärtig unabdingbare Voraussetzung für eine größere Verbreitung eines solchen quadrophonen Systems isi seine Kompatibilität mit bereits existierenden Wiedergabeeinrichtungen und zwar sowohl für monaurale als auch für stereophone Übertragung und Wiedf rgabe. Mit anderen Worten, Aufzeichnungen für quadrophone Wiedergabe müssen in befriedigender Qualität beispielsweise auch über monaurale Plattenspieler oder herkömmliche Stereo-Plattenspieler wiedergegeben werden können. Desgleichen muß eine quadrophone Rundfunk-Übertragung (entweder direkt oder von konservierten Aufzeichnungen) über bereits vorhandene Empfänger monaural oder stereophon empfangen und wiedergegeben werden können.

Keines der aus dem Stand der Technik bekannten Kodier- und Dekodiersysteme, die mit Mono- oder Stereoeinrichtungen kompatibel sind, ermöglicht jedoch eine wirklich zufriedenstellende Wiedergabe über vier diskrete Lautsprecher, so daß ihre Einführung ate Norm- oder Standardsystem zur Kodierung und Dekodierung für Stereo-Plattenaufzeichnungen und/oder für Stereo-Rundfunkübertragungen nicht in Frage kommt.

Weiterhin ist es bekannt, zur Lösung dieses Problems einen tonmodulierten Ultraschallträger zu verwenden, wobei den herkömmlichen Stereokanälen zwei zusätzliche Übertragungskanäle hinzugefügt werden, d. h. es ergibt sich ein 4-4-4-System mit verschiedenen Kompatibilitätsgraden hinsichtlich monauraler und/oder stereophoner Wiedergabe. Die bisher bekannten 4-4-4-Systeme sind jedoch hinsichtlich ihrer praktischen Anwendbarkeit sehr problematisch und beruhen außerdem auf einer Annahme, die sich im weiteren Verlauf dieser Beschreibung als fehlerhaft herausstellen wird, da sich die befriedigendste Vierkanrv'-Übertragung für quaJrophone Systeme notwendigerweise dann ergibt, wenn diese Kanäle zur direkten, unkodierten Speisung von Lautsprechern dienen, also dem herkömmlichen Vierspur-Wiedergabeverfahren angepaßt sind.

Bei jedem 4-2-4-System wird ein von einem einzigen Punkt ausgehender Schall, der lediglich ein einzelnes Mikrofon erregt, letztlich nicht durch einen einzigen Lautsprecher sonde/n von einer Mehrzahl räumlich voneinander getrennt angeordneter Lautsprecher wiedergegeben, die die gleiche Schallquelle mit relativ unterschiedlichen Amplituden wiedergeben, so daß vom Standpunkt der psychoakustisch richtigen Wiedergabe der Eindruck befriedigend simuliert wird, daß der Schall aus einer einzigen Richtung kommt. Jedoch ist auch bei den besten dieser bekannten 4-2-4-Systeme der Richtungseindruck nicht für alle Richtungen in gleicher Weise befriedigend. Der Ursprung dieser Anomalien oder Zweideutigkeiten hinsichtlich der Richtung ist bei gemäß dem Stand der Tc-rhnik kodierten Signalen, die beim Hörer den Eindruck erzeugen sollen, daß der Schall aus bestimmten Richtungen kommt, nicht immer derselbe. Auch sind die Schallrichtungen, bei denen die bekannten Kodier- und Dekodiers\;steme solche Anomalien erzeugen, nicht immer die gleichen. Typische Beispiele hierfür sind die gegenphasige Wiedergabe mit Hilfe von hinter dem Hörer angeordneten Lautsprechern und ähnliche

Anomalien, die eher zu einer naturgetreuen Wiedergabe des von vorn als des von hinten kommenden Schalls führen. In einigen Fällen sind die Anomalien hinsichtlich ihres psychoakustischen Eindrucks für den größten Teil des Programm-Materials mehr oder weniger vernachlässigbar. Sie fallen jedoch in sehr starkem Maße bei Programmaterial mit einem sogenannten »Schalleffekt« auf, das speziell für quadrophone Wiedergabe entwikkelt wurde und bei dem der von hinten kommende; Schall nicht lediglich ein Zusatz ist.

Die bekannten Systeme (einschließlich der 4-<t-4-Systeme) weisen eine einzige festgelegte Orieniierung der Lautsprecher in bezug auf den Hörer auf. Die erforderliche Lautsprecheranordnung richtet sich nach den vier diskreten Übertragungskanälen oder nach der bei der Zweikanal-Übertragung oder -Aufzeichnung benutzten Kodierung. Es gibt hierbei aber keine Möglichkeit, eine andere Lautsprecherorientierung oder eine andere

Anzahl von Lautsprechern bei Beibehaltung einer befriedigenden Wiedergabequalität zu verwenden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine beliebige Anzahl von Schallquellensignalen durch Kodierung auf eine geringere Zahl von Übertragungs- bzw. Aufzeichnungskanälen komprimiert und für die Wiedergabe wieder so expandiert werden kann, daß eine Reproduktion des aufgenommenem Klangereignisses mit einer optimalen Richtungstreue möglich

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 niedergelegten Merkmale vor.

Durch diese Maßnahmen läßt sich bei einer Kodierung und Dekodierung entsprechend der Erfindung die gleiche Wiedergabe-Charakteristik für alle Richtungen erzielen, die deshalb auch als »richtungssymmetrisch«

bezeichnet werden kann. Die Bedeutung dieses; Begriffes wird am besten verständlich, wenn das einfache Beispiel der Wiedergabe eines Schalls betrachtet wird, dessen Quelle fortschreitend verschoben wird, um der Reihe nach vier in Rechteckanordnung positionierte Mikrofone zu erregen. Bei einem System mit Richtungssymmetrie nimmt ein Hörer, der sich jeweils entsprechend um einen Winke! von 90° dreht, die Schallquelle immer in gleicher Weise so wahr, wie sie sich durch die vier Positionen hindurchbewegt. Diese Eigenschaft ist

charakteristisch für ein quadrophones System mit getrennten Übertragungskanälen, von denen jeweils einer für die Übertragung eines Mikrofon-Ausgangssignal:!; dient. Sie läßt sich jedoch nicht mit den bekannten 4-2-4-Systemen erzielen. Wie bereits erwähnt, ist dies jedoch für die Übertragung von neuem Programmaterial von besonderer Wichtigkeit, um einen realistischen naturgetreuen Eindruck einer unabhängigen Schallquelle, beispielsweise einer Stimme oder eines Chores, zu erhalten, die hinter dem Hörer positioniert ist.

Zusätzlich zur Verbesserung der Schallrichtunmstreue ermöglicht die richtungssymmetrische Kodierung und Dekodierung gemäß der Erfindung eine einfache Signalumsetzung, wobei die Geometrie des tatsächlich verwendeten Lautsprechersystems gegenüber der bei der Aufnahme angenommenen Lautsprechergeometrie »gedreht« werden kann, um z. B. eine in vollem Umfang befriedigende Wiedergabe einer für eine »2-Plus-2«-Lautsprecheranordnung ausgelegten Aufzeichnung oder Rundfunk-Übertragung durch ein Wiedergabesystem mit

Lautsprechern zu ermöglichen, die in »1-2-!«-Rhombusform angeordnet sind oder vice versa. Unter einer »2-Plus-2«-Lautsprecheranordnung wird dabei eine Anordnung verstanden, bei der die vier Lautsprecher auf den Ecken eines Quadrates aufgestellt sind, in dessen Diagonalenschnittpunkt der Hörer so positioniert ist, daß sich vor ihm eine seitenkante des Quadrates befindet (siehe auch F i g. 2 oder 3), während bei der »1 -2-1 «-Anordnung eine Ecke des Quadrates oder Rhombus und damit einer der vier Lautsprecher genau vor dem Hörer

angeordnet ist (siehe Fig. 1).

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Anzahl und Anordnung der für die Wiedergabe zu verwendenden Lautsprecher durch die bei der Aufzeichnung bzw. Übertragung verwendeten Signale nicht festgelegt; dieses Verfahren ist also universell und ermöglicht die Erzeugung von Wiedergabesignalen, die zur Speisung einer beliebigen Anzahl von Lautsprechern mit beliebiger Orientierung geeignet sind. Die beiden kodierten

Übertragungssignale können beispielsweise zur !Urzeugung von sechs Lautsprechersignalen dekodiert werden, wobei die Lautsprecher in Hexagonalform angeordnet sein können. Der sich ergebende Höreindruck ist dann annähernd der gleiche wie bei einer diskreten Sechskanal-Übertragung.

Diese Vorteile werden bereits dann erzielt, wenn das Verfahren gemäß der Erfindung bei einem 4-2-4-System angewendet wird. Darüber hinaus läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch in besonders vorteilhafter

Weise auch dann einsetzen, wenn eine Aufzeichnung oder Übertragung mit einer größeren Anzahl von Kanälen, beispielsweise mit vier Kanälen stattfindet.

Das im folgenden beschriebene Zweikanal-Kodiersystem erzeugt Lautsprecher-Wiedergabesignale, die, wie gezeigt werden kann, die maximal mögliche azimutale Lokalisierungs-Information enthalten, die überhaupt mit einem Zweikanal-Aufzeichnungs- bzw. Übertragungs-System mit Richtungssymmetrie erzielt werden kann. Ein

solches System kann nicht »diskret« ausgelegt werden, d. h. ein Schall, der so erscheint, als ginge er von einer Azimutrichtung aus. die mit der eines Lautsprechers übereinstimmt, wird notwendigerweise immer auch von den beiden benachbarten Lautsprechern wiedergegeben, wenn auch mit verminderter Amplitude und in solcher Phasenrelation, daß die psychoakustische Schallokalisierung befriedigend ausfällt. Dieses Wiedergabemuster läßt sich noch verschärfen, d. h. das Anteilsverhältnis der Wiedergabe aus unerwünschten Richtungen zur

Wiedergabe von der Mitte her oder zu der Wiedergabe aus der gewünschten Richtung kann durch Hinzufügen eines oder mehrerer Übertragungskanäle verringert werden, die einen Beitrag zum Richteindruck liefern. Werden dem Grundsystem zwei weitere Übertragungskanäle hinzugefügt, so läßt sich bei quadrophoner Lautsprecheranordnung eine in vollem Umfang diskrete oder differenzierte Wiedergabe erzielen, d. h. es kann ein Schall wiedergegeben werden, der nur von einem einzigen Lautsprecher stammt, so als ob ein gewöhnliches

Vierspur-Tonbandgerät verwendet würde, das zu einem bestimmten Zeitpunkt nur einen einzigen Lautsprecher ansteuert, wobei die übrigen Lautsprecher still sind. Für den seltenen Fall eines Programm-Materials, das in erster Linie aus Schallinformationen besteht, die so wiederzugeben sind, als gingen sie direkt von den vier Lautsprecherpositionen aus, läßt sich die Wiedergabe nach ihrem psychoakustischen Eindruck nicht von einer

Wiedergabe durch ein Vierkanalsystem unterscheiden, bei dem die Lautsprechersignale vollständig voneinander getrennt gehalten werden. Anders als bei dem letztgenannten Typ eines Systems mit vier diskreten Kanälen ist das erfindungsgemäße Verfahren ohne weiteres und in vollem Umfang mit jeder Art herkömmlicher monauraler oder stereophoner Wiedergabe kompatibel. Es zeigt sich sogar, daß ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Vicrkanalsystem eine wesentlich bessere psychoakustische Lokalisierung von »Phantom«-Azimutrichtungen, d. h. von Schallrichtungen, die nicht einer tatsächlichen Lautsprecherrichtung entsprechen, ermöglicht als eine herkömmliche Vierspur-Wiedergabe. Für ein Schallsignal, das bei der Wiedergabe so wahrgenommen werden soll, »>s ob es nur von einem einzigen Lautsprecher käme, wird der diskrete oder Einzelbetrieb des betreffenden Lautsprechers, der in derselben Azimutrichtung angeordnet ist wie die betreffende Schallquelle, beim erfindungsgemäßen Vierkanal-Kodiersystem in der Weise erzielt, daß die übrigen bei 90°, 180° und 270° liegenden Lautsprecher mit Null-Signalen angesteuert werden. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Vorteilen gegenüber herkömmlicher diskreter Übertragung bei gleicher Kanalzahl bietet das erfindungsgemäße System den Vorteil, daß die beiden Zusatzkanäle mit sehr begrenztem Frequenzbereich übertragen werden können, ohne daß dadurch eine Einbuße hinsichtlich der Verbesserung der Richtungslokalisierung auftritt. Die für die Übertragung erforderlichen Bandbreitenanforderungen sind also erheblich geringer als die für eine Übertragung des gesamten Hörbereichs in jedem einzelnen Übertragungskanal.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben: es zeigt

S Fig. i in seiicinaiischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines vierkanaügen Ton-Aufnahme- und

-Wiedergabesystems,

f F i g. 2 eine ähnliche Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines vierkanaügen Ton-Aufnahme- und

-Wiedergabesystems,

F i g. 3 eine ähnliche Darstellung, die sich jedoch von den Darstellungen der vorhergehenden Figuren dadurch unterscheidet, daß die Konfiguration der Aufnahmemikrofone nicht mit der Konfiguration der Wiedergabelaut-Sprecher übereinstimmt,

F i g. 4 in schematischer Darstellung die Aufnahme- und Wiedergabe-Azimutwinkel die bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens Verwendung finden,

F i g. 5 Zeigerdiagramme von Übertragungssignalen, die gemäß der Erfindung erzeugt werden,

F i g. 6 das Blockschaltbild eines Beispiels eines Kodierers für ein einziges Signal, der entsprechend der Erfindung aufgebaut ist,

F ι g. 7 diis Blockschaltbild eines »Universal«-Kodierers gemäß der Erfindung für zahlreiche Schallquellen-Signalc,

F i g. 8 das Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Dekoders gemäß der Erfindung.

F i g. 9 das Blockschaltbild eines anderen erfindungsgemäßen Dekoders,

F i g. 10 das Blockschaltbild einer Adapterschaltung zur Anpassung des Dekoders nach F i g. 9 an herkömmliehe Stereosignale,

€ F i g. !! die schematische Wiedergabe eines 4-4-4-Kodier- und Übertragungssystems gemäß der Erfindung,

Fig. 12 eine Darstellung der Kodierung, Dekodierung und Wiedergabe des Systems nach Fig. 1 durch eine Matrixgleichung und

Fig. 13 in einem Polardiagramm die Amplituden- und Phasenverhältnisse bei der Wiedergabe eines gerichteten Schallsignals als Funktion des Azimutwinkels zwischen jeder Wiedergaberichtung und der Richtung, aus der sie für den Hörer zu kommen scheint, und zwar sowohl für das grundlegende Zweikanal-Übertragungssystem als auch für ein Vierkanal-Übertragungssystem, wobei die Bedeutung der gestrichelten Kurve später erläutert wird.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen Grundformen eines quadrophonen Schall-Ubertragungs- und Wiedergabesystems, bei denen in vorteilhafter Weise das erfindungsgemäße Verfahren Verwendung finden kann.

Die F i g. 1 und 2 zeigen Systeme, die, abgesehen von der Kodierung und Dekodierung der zu übertragenden Signale bestimmten Systemen nach dem Stand der Technik entsprechen. Diese exemplarischen Systeme werden dargestellt und in Einzelheiten erläutert, um die Vorteile und die breite Nutzanwendung der Kodierung und Dekodierung gemäß der Erfindung besser verständlich zu machen.

Die Systeme nach den F i g. 1 und 2 sind verschiedene Formen quadrophoner Übertragungssysteme, wie sie bisher in Verbindung mit verschiedenen Kodier- und Dekodierverfahren verwendet wurden. In jedem Fall ist eine Anordnung von orthogonal zueinander ausgerichteten Mikrofonen 20 oder 20a im Aufnahmeraum vorgesehen, denen eine entsprechende orthogonale Anordnung von Lautsprechern 22 oder 22a im Wiedergaberaum entspricht, die den Hörer 23 umgeben. Im System der F i g. 2 sind die Mikrofone 20a bzw. die Lautsprecher 22a so angeordnet, daß der Schall von Stellen oder Schallquellen im Aufnahme- bzw. Wiedergaberaum links vorn (L V), rechts vorn (R V), rechts hinten (RH) und links hinten (LH) empfangen bzw. abgestrahlt wird, während in F i g. 1 die entsprechenden Mikrofone 20 und Lautsprecher 22 eine Verteilung: vorne (V), rechts (R), hinten (H) und links f/J aufweisen.

Kodierer 24 bzw. 24a erzeugen jeweils zwei Übertragungssignale auf Kanälen 26 bzw. 26a, die dann bei 28 oder 28a dekodiert werden, um Wiedergabesignale für die an den entsprechenden Stellen aufgestellten Lautsprecher zu liefern.

Obgleich die Stellen L, V, R und H in F i g. 1 und die Stellen LV, RV, RH und LH in F i g. 2, an denen sich die Lautsprecher befinden, mehr oder weniger genau den Stellen entsprechen, die in der Praxis tatsächlich vorkommen und als »1-2-1»- bzw. »2-Plus-2«-Anordnungen bezeichnet werden, entspricht doch die gezeigte Aufstellung der Mikrofone, wie für den Fachmann ohne weiteres erkennbar ist, einer beträchtlichen Vereinfachung im Vergleich zur tatsächlichen Mikrofonaufstellung, wie sie normalerweise für quadrophone Aufnahmen insbesondere zur Herstellung von Schallplatten verwendet wird. Obgleich einfache Systeme mit den dargestellten vier

Richtmikrofonen (Kardioid-Charakteristik) verwendet werden können und auch tatsächlich gelegentlich verwendet werden, beispielsweise für eine normale Aufnahmeanordnung i· einer Konzerthalle, ist es doch im allgemeinen üblich, komplexere Mikrofonanordnungen vorzusehen und die Ausgangssignale verschiedener Mikrofone miteinander zu mischen, um bestimmte interessierende Effekte zu erzielen. Tatsächlich können, wie im Fall der gewöhnlichen Stereo-Studio-Aufzeichnungs- und Rundfunk-Studio-Technik die Multirichtungssignale synthetisiert werden oder aus einer wesentlich höheren Anzahl von Tonspuren einzelner Instrumente oder Instrumentengruppen zusammengestellt werden. Es sei deshalb sowohl unter Bezug auf die Zeichnung als auch hinsichtlich Her weiteren Erläuterung darauf hingewiesen, daß ein Tonsignal, das dem Schall aus einer speziellen Richtung er.ts-pricht, hinsichtlich seiner Richtungsinformation vollständig synthetisch hergestellt sein kann. Wie ίο später erläutert wird, bietet die Erfindung eine zusätzliche einfache Möglichkeit für die Durchführung solcher Synthesen. Dem Fachmann ist es weiterhin geläufig, daß die Fig. 1 und 2 eine Signalerzeugung und Verarbeitung zeigen, die sich zur augenblicklichen Wiedergabe von Liveprogrammen eignet, bei der jedoch sehr häufig irgendeine Art der Speicherung, beispielsweise eine Aufzeichnung der Signale, an einem oder mehreren Punkten der Verarbeitungsfolge stattfindet. Typischerweise sind die beiden Übertragungssignale auf den linken und rechten Rillenwänden einer gewöhnlichen Stereo-Schallplatte aufgezeichnet oder werden über die enlsprechcnden Tonkanäle eines Stereo-Rundfunksystems übertragen. Selbstverständlich ist es in erster Linie die gegenwärtige Begrenzung auf zwei Kanäle bei diesen Medien, die eine Kodierung und Dekodierung anstelle einer Direktübertragung in diskreten Kanälen erforderlich macht.

Die Kodierung gemäß der Erfindung läßt sich vorteilhaft gerade bei einem einfachen System mit feststehenden Positionen anwenden, so wie es die F i g. 1 und 2 zeigen, insbesondere wegen der Richiungssymmetrie, die sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt. Ein weiterer Vorteil des neuen Kodier- und Dekodierverfahrens und einer dafür geeigneten Vorrichtung ist die breite Anwendbarkeit. Das neue Kodier- und Dekodierverfahren läßt sich nicht nur leicht auf Systeme nach den Fig. 1 und 2 anwenden, sondern ermöglicht auch eine Dekodierung hoher Qualität bei geometrischen Lautsprecheranordnungen, die in keiner Weise an die Schallquellengeometrie angepaßt sind. Ein Beispiel für ein solches Universalsystem gibt F i g. 3 wieder, bei dem Signale ft von gemäß Fig.2 angeordneten Mikrofonen 20a aufgenommen, von einem entsprechenden Kodierer 24a

•g kodiert, durch einen Dekoder 28 dekodiert und durch Lautsprecher 22 wiedergegeben werden, die gemäß F i g. 2

$ angeordnet sind. Wie unten gezeigt werden wird, ermöglicht dieses Kodier- und Dekodiersystem mit »gedreh-

!_; ter« Geometrie nicht nur eine ausgezeichnete Wiedergabe aus allen Winkeln, sondern ermöglicht auch die

|; 30 Anwendung von noch weiter aufgeteilten Schallquellensignalen und Wiedergabegeometrien, etwa die Verwen-

S dung einer vom Hörer beliebig festzulegenden Anzahl von Lautsprechern.

■■j! F i g. 4 gibt bestimmte Winkelrelationen wieder, wie sie bei dem Kodier- und Dekodiersystem gemäß der

■j Erfindung angewendet werden können. Bei der Erfindung ist die Amplitude und Phase, mit der jedes Schallquel-

|j lensignal in jedem Wiedergabesignal auftritt, vollständig und ausschließlich durch die Winkelrelation zwischen

H 35 der Richtung bestimmt, aus der das Schallquellensignal kommt, und der Richtung des Lautsprechers, dem das

p Wiedergabesignal zugeführt wird. Wenn die Gesamtwiedergabematrix (die Zusammenfassung von Kodier- und

Dekodiermatrizen) so ausgelegt ist, daß die Amplitude und Phase jedes Schallquellensignals (relativ zu seiner

j| Originai-Ämpiitude und -Phase) in jedem Wiedergabesignal überall ausschließlich eine Funktion dieser Winkcl-

p relation ist, wird eine vollständige Richtungssymmetrie in jedem System erreicht, das einen Aufbau entspre-

jii 40 chend den F i g. 1 bis 3 besitzt. Die Winkeldifferenz zwischen der Richtung irgendeiner gegebenen Schallquelle

,| (tatsächliche oder synthetische Mikrofonplazierung) und der Richtung eines Lautsprechers kann mit dem

fji Winkel α bezeichnet werden, wie er in F i g. 4 dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß alle Werte für λ in den F i g. 1

und 2 gleich sind, so daß sich für diese beiden Geometrien identische Gesamtmatrizen bzw. Kodier- und

S Dekodiereinrichtungen ergeben, wie dies weiter unten erläutert wird. Die Kodiermatrizen bei 24 und 24a in den

μ, 45 jeweiligen Figuren sind jedoch numerisch nicht gleich; sie werden vorzugsweise so ausgewählt, daß sich eine

ja Stereo-Kompatibilität, d. h. eine Kompatibilität für Stereowiedergabe bei Einrichtungen ergibt, die keinen

|| entsprechenden Dekoder haben. Dies wird, wie im folgenden im einzelnen ausgeführt wird, dadurch erreicht, daß

Ij die Koeffizienten der Kodiermatrix bei 24 oder 24a entsprechend einem Winkel Θ bestimmt werden, der den

g Azimutwinkel jeder Quelle in bezug auf eine seitlich neutrale (Vorwärts- oder Rückwärts-)Richtung festlegt,

U 50 während die Matrix-Koeffizienten des Dekoders 28 oder 28a entsprechend dem Azimutwinkel Φ jedes Lautsprechers in bezug auf eine seillich neutrale Richtung festgelegt werden, wobei der Wiedergabe- oder Abstrahl- V

winkel Φ jedes Lautsprechers in bezug auf die seitlich neutrale Richtung bei der Bildung der Wiedergabesignale |

festliegt. Wie F i g. 4 zeigt und wie für die Beschreibung der Erfindung angenommen wird, ist die seitlich neutrale Bezugsrichtung die Frontrichtung, und die Winkel werden im Uhrzeigersinn festgelegt. Bezeichnungen wie »links«, »rechts« und ähnliche Begriffe werden nur aus Gründen der Ausdrucksvereinfachung ohne spezielle Begrenzung verwendet, wobei die entsprechenden Effekte bei Umkehr selbstverständlich sind.

Wie bekannt, kann bei keiner Kodierung oder Dekodierung eine Gesamttransformation erzielt werden, die in derselben Weise »perfekt« ist, wie Systeme, bei denen keine Notwendigkeit der Kompression einer Vielzahl von Schallquellensignale auf eine geringere Anzahl von Übertragungskanälen besteht. Die Anforderungen an eine möglichst optimale Gesamttransformation werden jedoch mit der Erfindung wesentlich besser angenähert als dies bisher mit vergleichbaren Kodier- und Dekodierverfahren möglich war.

Die Gleichungen für eine »universale« Kodierung zur Erzeugung zweier Übertragungssignale 7}. und Tr aus irgendeiner Anzahl η von Schallquellensignalen lauten wie folgt:

Il "

■/"/.= >]5_A(l+<?'^IH'^lT/2))= X S₄ (I-sin β»+; cos ©t)

Th= ^ S₄ (I - f"^¹·-'²¹) = Υ) S_k (1 +sin <9* -./ cos 0*)

Al Ai

wobei mit S/, das A-te Schallquellensignal, mit ft der Azimulwinkel zwischen dem dadurch festgelegten Schallquellenort und einer seitlich davon festgelegten zentralen Bezugsrichtung und mit j die Quadratwurzel aus —! bezeichnet sind.

Es sei darauf hingewiesen, daß sich das Gleichheitszeichen im folgenden immer auf Proportionalität bezieht ίο und einheitliche Änderungen der Absolutgröße bei der Signalverarbeitung irrelevant sind.

Die Koeffizienten der jeweiligen Übertragungssignale Tl und Tr sind für die jeweiligen zuvor erwähnten Schallquellenpositionen in F i g. 5 als Zeiger wiedergegeben. Schallquellensignale von links L, (d. h. solche, die als unmittelbare Wiedergabe erscheinen), werden im Übertragungssignal Tl in voller Amplitude und Originalphase wiedergegeben und sind beim Übertragungssignal Tr Null and vice versa. Die Schallquellensignale mit anderen Azimutwinkeln erscheinen in beiden Übertragungssignalen jedoch jeweils phasenverschoben, d. h. in einem Fall mit Voreilung und im anderen Fall mit Nacheilung zur Bezugsphase, die durch die L- bzw. /?-Signale festgelegt ist. Die Größe oder Amplitude jeder Komponente nimmt mit dem jeweiligen relativen Phasenwinkel (positiv oder negativ) ab und erreicht bei jeweils 90° Phasenwinkel (180° Unterschied am Schallquellenort) den Wert Null. Die unten dargestellten Kodierungsgleichungen, die aus den obigen allgemeinen Gleichungen abgeleitet sind, lassen sich bei Anwendung der Erfindung auf feststehende Anordnungen mit vier Mikrofonen unabhängig davon verwenden, ob weitere Signale, wie z. B. ein »Mikrofon Ein«-Auftastsignal hinzugefügt werden, wie dies häufig der Fall ist, wenn z. B. bestimmte Solisten besonders hervorgehoben oder eingeblendet werden sollen, oder bei anderen speziellen Effekten. Für die 1-2-1-Schallquellen-Anordnung ergeben sich die numerischen Werte der Kodiergleichungen wie folgt:

7·, - .SV + 0,707 Sf 1+45° + 0,707 S₁₁ j-45^c

T₁₁ = S_K + 0,707 S_r |-45° + 0,707 S„ 1+45°

Für die 2-Plus-2-Schallquelletianordnung ergeben sich die numerischen Werte dieser Kodiergleichungen wie

lolgt:

T₁ o,924 5,, 1 + 22,5° + 0,383 S_Ä,· 1 + 67,5° + 0,383 S_KI, [-67,5°

+ 0,924 5, „1-22,5°

T₁₁ -- 0,383 S₁ , |-67,5° + 0,924 S₁₁₁ 1-22,5° + 0,924 S₁₁₁₁ 1 + 22,5°

+ 0,383 S₁ j, 1 + 67,5°

Fest verdrahtete Schaltkreise zur Erzeugung der gewünschten Kodierung für eine &Jer beide der feststehenden Mikrofonanordnungen können, falls erwünscht, so aufgebaut sein, daß eine Mikrofondirektübertragung oder Überblendung möglich ist. Dann wird das Einblenden von Signalen möglich, die eine Wiedergabe an irgendeiner speziellen Stelle durch den Einsatz zusätzlicher Mischer ermöglichen, wie das beispielsweise schematisch die F i g. 6 zeigt.

Diese F i g. 6 läßt erkennen, daß das Eingangssignal 5zunächst einem 90°-Phasenteiler 30 zugeführt wird, der ein positives und ein negatives Phasenbezugssignal und ein positives und negatives um 90° phasenverschobenes Signal erzeugt. Die Bezugssignale und die phasenverschobenen Signale werden in Sinus- und Kosinus-Potentiometern 32 und 34 gedämpft (und gegebenenfalls in der Polarität umgekehrt), die jeweils auf den Azimutwinkel eingestellt sind, in dem das Signal 5 simulierend eingeblendet werden soll. Das positive Bezugssignal und die Potentiometer-Ausgangssignale werden in Summierern 36 und 38 gemischt, deren Ausgangssignale dann als Komponenten der Signale Tl bzw. T_R entsprechend den oben angegebenen Kodierungs-Grundgleichungen eingeblendet werden.

Grundsätzlich kann ein Mischer, wie er in F i g. 6 wiedergegeben ist, für jede Schallquellenrichtung verwendet werden. Für eine beträchtliche Anzahl von Mikrofonen oder Tonspuren jedoch, die in leicht trennbaren Winkelpositionen aufgezeichnet oder über Rundfunk übertragen werden sollen, kann die Anzahl der Phasenschieber durch Verwendung einer Anordnung beträchtlich vermindert werden, die in F i g. 7 wiedergegeben ist. Wie dort gezeigt, wird jedes der Signale Si, 52 usw. einem Polaritätsteiler (Phaseninverter) 40 zugeführt. Die positive oder unveränderte Phase und die negative oder Gegenphase werden einem Sinus-Kosinus-Potentiometer zugeführt, das positive und negative Signale einer Amplitude und Polarität erzeugt, die durch den Einstellwinkel des Potentiometers bestimmt sind. Die ungedämpften positiven Signale und die gegenphasigen Sinussignale (die selbstverständlich in positiver Phase für Winkel mit negativen Sinus-Werten sind) aller Schallquellen werden in einem Summierer 44 gemischt Die Kosinus-Signalanteile mit positiver Amplitude (mit negativer Phase für Winkel mit negativen Kosinus-Werten) werden in einem Summierer 46 gemischt. Die Phase des Ausgangssignals des letzteren wird bei 48 in bezug auf die Phase des Ausgangssignals des Summierers 44 um 90° vorverschoben und die beiden Ausgangssignale werden bei 50 gemischt oder summiert, um das Signal Tl zu bilden (dem Fachmann ist einleuchtend, daß das Ausgangssignai des Summierers 44 dem Summierer 50 über eine Bezugsphasenschaltung 52 des Phasenschiebers 48 zugeführt werden muß, wenn berücksichtigt wird, daß die Phasenverschiebung der gegenwärtig verfügbaren frequenzunabhängigen Phasenschieber mehr der Phasendifferenz zwi-

sehen den phasenverschobenen Ausgangssignalen und dem Ausgangssignal des Phasenbezugssignals, wie bei 52 gezeigt, entspricht als der Phasendifferenz zwischen dem Ausgang und Eingang).

In ähnlicher Weise werden die Eingangssignale mit unveränderter Phase und die Sinussignale mit unveränderter Phase von allen Schallquellen im Summierer 54 und die phasenverschobenen Kosinussignale in einem Summierer 56 gemischL Die Phase der zuletzt erwähnten summierten Ausgangssignale wird bei 58 relativ zur Bezugsphase 60 des Ausgangssignals des Summierers 54 um 90° verschoben. Dieses verschobene Signal und das Bezugsphasensignal werden bei 62 summiert, um das Übertragungssignal Tr zu bilden.

Dem Fachmann ist klar, daß einige der durch die in F i g. 7 wiedergegebenen Elemente bewirkten Funktionen auch durch Schaltelemente mit einem anderen technischen Aufbau erreicht werden können, die als äquivalent bekannt sind, um solche Funktionen für die Aufzeichnung und Rundfunkübertragung zu erreichen. So kann beispielsweise bei der Signalmischung nach F i g. 7 für einige oder alle der Signale Si, & usw. ohne weiteres die Mikrofonempfindlichkeitscharakteristik anstelle des angegebenen Dämpfungs-Potentiometernetzwerkes verwendet werden. In Orthogonalausrichtung angeordnete Dipol-Mikrofone können verwendet werden, um unmittelbar die entsprechend dem Sinus und Kosinus des Azimutwinkels der Schallquellen des einfallenden Schalls gedämpften Signale zu erzeugen, wobei unmittelbar benachbart ein einziges Allrichtungsmikrofon verwendet wird, um die Einheits- oder ungedämpften Komponenten zu erzeugen.

Wie bereits aufgezeigt, können die Ubertragungssignale Tl und Tr entweder auf einem herkömmlichen Medium, insbesondere einer Stereo-Schallplatte oder einem Bandaufzeichnungsgerät gespeichert werden oder zur unmittelbaren Wiedergabe z. B. bei quadrophonen FM-Rundfunkübertragungen eingesetzt werden, wobei die für gewöhnliche Stereo-Übertragungen vorgesehenen beiden Audiokanäle verwendet werden.

Im folgenden soll nun die Dekodierung der gemäß F i g. 5 erzeugten Signale näher betrachtet «erden: Die Dekodierung ähnelt der Kodierung weitgehend, außer daß die den Ubertragungssignalen bei der Erzeugung jedes Wiedergabesignals aufgeprägten Koeffizienten Funktionen des Winkels Φ sind, d. h. des Wiedergaberaum-Azimutwinkels der Lautsprecher, für die jedes der Wiedergabesignale erzeugt wird. Jedes Wiedergabe-

signal P-, wird aus den Übertragungssignalen durch Mischung in der Amplituden- und Phasenbeziehung entsprechend folgender Gleichung erzeugt:

P = T_L(l+e-'*--^r'²>)+T_K(l-e-J>*·+*'¹¹) = T_L (1 -sin Φ,-j cos Φ,) +T_K(\ +sin Φ,+j cos Φ,). (2)

worin mit «?, der Azimutwinkel zwischen der Wiedergabestelle und einer seitlich neutralen Bezugsrichtung sowie mit j die Wurzel aus — 1 bezeichnet sind. Damit wird jedes Wiedergabesignal durch Multiplikation jedes · Übertragungssignals mit dem Komplex-Konjugierten des verwendeten Multiplikanden oder Koeffizienten gebildet, der jeweils beim Einblenden des Signals aus dem jeweiligen Azimutwinkel bei der Bildung des Übertragungssignals verwendet wurde, und die sich dann ergebenden jeweiligen Produkte werden addiert. Als Resultat ergibt sich das Wiedergabesignal /",wie folgt:

P - Vsill+f ■·.-«·■)- V_S^_CO 1 (0_r0_l)f->'».-H,w. ₍₃₎

*-! A-I ²

Das Wiedergabesignal Pt für einen Lautsprecher in linker Position ist damit unverändert das Signal T/. in F i g. 5 und in ähnlicher Weise wird das Signal Tr unverändert bei der Bildung eines Wiedergabesignals für einen Lautsprecher in rechter Position (falls ein solcher vorgesehen ist) verwendet. Die Wiedergabesignale für andere Positionen entsprechen genau den Verhältnissen des Zeiger-Diagramms, außer daß die wiedergegebenen Stellen zwischen der 180°-Beziehung gemäß Fig.5 für die L- und Λ-Signale dargestellt sind. Außer für ein dem Wiedergabepunkt genau diametral gegenüberliegendes Schallquellensignal erscheinen alle Schallqucllensignale in jedem Wiedergabesignal jedoch mit einer Amplitude, die sich kontinuierlich vom Maximum bis Null als eine Funktion der Größe des Winkels zwischen der Schallquellcnsignalrichtung und der Wiedergaberichtung ändert. Für die 1-2-1-Lautsprecheranordnung ergeben sich die numerischen Werte für die Dekodiergleichungen (2) wie folgt:

P₁. = T₁ |0?

P₁ = 0,707 T_L |-45^C + 0,707 T_R 1+45°

•so P₁₁ = 0,707 T₁, 1+45° + 0,707 T„ I-45°

Für die 2-Plus-2-Lauisprecheranordnung ergeben sich die numerischen Werte der Dekodiergleichungen (2) wie folgt:

P₁₁ - 0,924 T₁ 1-22,5° + 0,383 T_R 1+67,5°
P_Rl = 0,383 T₁ I-67,5°+ 0,924 T_R 1+22,5°
P_RI, = 0,383 T₁ 1+67,5° + 0,924 T_R |-22,5°
/»„, = 0,924 T₁ 1+22,5°+ 0,383 7> |-67,5°

Es sei bemerkt, daß die Gesamttransformation nicht dadurch beeinflußt wird, ob die Übertragungssignale 71 und Tr der linken oder der rechten Richtung zugeordnet werden; vielmehr werden identische Ergebnisse für jede Wahl diametral gegenüberliegender Richtungen bei der Übertragung in Originalphase und Amplitude in zwei entsprechenden Kanälen erreicht. Die Zuordnung der Übertragungssignale zur linken und rechten Richtung gewährleistet jedoch die Kompatibilität mit gewöhnlichen Stereo-Geräten und -Einrichtungen.

Die Wiedergabeeinrichtung läßt die Wahl einer individuellen Lautsprecheranordnung in jedem gewünschten Winkel zu, was immer auf der Linie der zuvor beschriebenen Signalaufbereitungseinrichtung konzipiert werden kann. Im allgemeinen jedoch sind diese speziellen Gesichtspunkte bei der Lautsprecheraufstellung überflüssig, da praktische Lautsprecheranordnungen nicht annähernd so vielfältig sind wie die Mikrophonplazierunge.il, bei welchen der Ausgleich zwischen vorne und hinten, rechts und links usw. entsprechend den Anforderungen zu wählen ist. Die festgelegten Wiedergabesignäle für die acht dargestellten Positionen reichen aus, um die Bedürfnisse und speziellen Wünsche der Benutzer von vier Lautsprechersystemen zu befriedigen, da ^"-Intervalle für praktisch jeden denkbaren Fall völlig ausreichend sind.

Die F i g. 8 zeigt einen Dekoder, der für eine große Vielfalt von Lautsprecheranordnungen verwendet werden kann. Die jeweiligen Übertragungssignale T₁. und Tr werden 90°-Phasenschiebern 70 und 72 zugeführt, deren jeder positive und negative Bezugsphasen und phasenverschobene Ausgangssignale liefert Diese Ausgangssignale werden einem fest verdrahteten Mischungsnetzwerk 74 zugeführt, das aus Spannungsteilern und Summierern besteht, wobei die Spannungsteiler die Eingangssignale dämpfen und die so gedämpften Signale auf die Summierer aufteilen, die Ausgangssignale entsprechend der Gleichung (2) liefern. Die festen Ausgangsklemmen 76 werden über entsprechende geeignete Verstärker mit Lautsprechern verbunden, die nach irgendeinem gewünschten Vielfachen eines 15°-Intervalls (oder irgendeines Intervalls, das den Ausgangssignalen entspricht) angeordnet werden. Die Anzahl und Aufstellung der Lautsprecher kann damit entsprechend dem individuellen Wunsch des Benutzers gewählt werden (wobei wirtschaftlich sinnvolle Begrenzungen gegeben sind). Im allgemeinen werden die Lautsprecher vorzugsweise in gleichem Abstand bei gleichen Azimutwinkeln von der Hörerposition aus aufgestellt, d. h. in Form eines Quadrats oder regelmäßigen Polygons. Jedoch können in vielen Fällen die Raumform und die akustischen Verhältnisse sowie der persönliche Geschmack eines Benutzers zu anderen Anordnungen führen.

Eine andere Form des Dekoders mit wahlweise auf feste Aufstellungsorte festzulegende Ausgangsklemmen ist in F i g. 9 gezeigt. Die Übertragungssignale Tj. und Tr werden einer Summier- und Differenzschaltung 80 zugeführt, um ein Summensignal Ts und ein Differenzsignal Tj zu erzeugen. Die Differenzsignale werden in gleicher Weise wie in F i g. 8 in den Einheiten 70 oder 72 weiterverarbeitet. Die getrennten Phasenschieberkanä-Ie 82 für die Bezugsphase und 84 für die verschobene Phase sind in Fig.9 ebenfalls wiedergegeben. Die jeweiligen Polaritäten des bezugs- und phasenverschobenen Differenzsignals Tj werden fest verdrahteten Spannungsteilern 86 und 88 zugeführt, während die gedämpften Ausgangssignale auf Summierer 90 zusammen mit dem Summensignal TV vom Bezugsphasenkanal 91 gelangen, um Ausgangs-Wiedergabesignale für die voreinstellbaren Winkel Φι, Φτ usw. zu erhalten, für die die entsprechenden Anschlüsse an den Dämpfern oder Teilern 86 und 88 vorgesehen sind.

Wo die Erfindung in Verbindung mit standardisierter Stereo-FM-Rundfunkübertragung verwendet wird, wird die Funktion der Summen- und Differenzbildung in Fig.9 bei 80 nach dem üblichen Stereo-Mischverfahren erreicht, wobei die Schaltung 80 für die Dekodierung entfallen kann. Es ist ersichtlich, daß die Summen- und Differenzsignale TV und Tj unmittelbar aus Schallquellensignalen gebildet werden können und als Übertragungssignale verwendbar sind, ohne die Signale Tl und T_R zu erzeugen, so daß sich im wesentlichen die folgenden Beziehungen ergeben:

T - ^v

T₁ = Σ S, (j cos 0, - sin 0_;) = V 5_A , ,.».+--«.. (4)

; I A = I

60

Das Übertragungssignalpaar Tl und Tr enthält genau die gleiche Information wie das Übertragungssignalpaar Tj und Ti. Diese Signale sind leicht von der einen in die andere Form in jede Richtung konvertierbar, ohne den vorhandenen Informationsinhalt zu ändern. Obgleich diese beiden Formen der Übertragungssignale normalerweise am besten brauchbar und am einfachsten für die Geräteauslegung sind, können auch andere Übertragungssignalepaare erzeugt und entwickelt werden, deren Gesamtinformationsinhalt identisch ist und die leicht von dieser in irgendeine spezielle Form konvertierbar sind und sich im Prinzip mit den oben dargelegten Ausdrücken und Gleichungen wiedergeben lassen.

Falls gewünscht, können nach deren Bildung einzelne Wiedergabesignale entsprechend dem Wunsch des

Hörers »aufgetastet« werden. Beispielsweise kann für einen bestimmten Hörer der Gesamteindruck dadurch besser werden, daß er eine weitere Phasenverschiebung des einen oder anderen Wiedergabesignals nach dessen Erzeugung in einer hier nicht näher darzustellenden Weise bewirkt Andererseits kann es Hörer geben, die eine stärkere Richtwirkung durch eine zusätzliche Signalbehandlung bevorzugen, die mit der gleichen Kodier- und Dekodieranlage erreichbar ist, etwa durch Veränderung des Verstärkungsgrades der Verstärker, die die einzelnen Lautsprecher speisen, um den »Kontrast«-Eindruck oder die Schallquellenortung für einzelne Schallarten zu erhöhen.

Es wurde bereits aufgezeigt, daß die erfindungsgemäß kodierten und erzeugten Übertragungssignale gut mit bereits vorhandenen Wiedergabeeinrichtungen kompatibel sind, die nicht für Dekodierung von Muhi-Richto tungssignalen eingerichtet sind. Die Summe der beiden Übertragungssignale entspricht der einfachen Summe aller Schallquellensignale in ihrer Originalphase. Damit können diese Übertragungssignale auch bei der monokompatiblen Summen- und Differenz-Kodierung für eine FM-Stereo-Rundfunkübertragung oder für die Wiedergabe einer kodierten Stereo-Plattenaufzeichnung auf einem monauralen Plattenabspielgerät verwendet werden und erzeugen eine einwandfreie monaurale Wiedergabe. Die Verwendung der beiden kodierten Kanäle als linke und rechte Kanäle eines konventionellen Stereo-Wiedergabesystems erzeugt lediglich eine etwas geringere Links-Rechts-Trennung als bei herkömmlicher Stereo-Wiedergabe (wie das auch bei bekannten Systemen für quadrophone Kodierung und Dekodierung mit Zweikanal-Übertragung der Fall ist).

Falls gewünscht, kann der Dekoder auch so ausgerüstet sein, daß eine künstliche Kodierung gewöhnlicher Stereo-Signale erfolgt, die keine spezielle Richtinformation enthalten, so daß dieses Programm-Material dann in dem Multi-Richtungs-Lautsprechersystem in einer Weise wiedergegeben wird, die der Wiedergabe von Signalen ähnelt, bei ctenen die weitere Richtungsinformation kodiert ist Gewöhnliche Stereo-Signale entsprechen den Schallquellensignalen links vorn, L V, und rechts vorn, R V. F i g. 10 zeigt einen Adapter, der für die Summen- und Differenzschaltung 80 gemäß F i g. 9 geeignet ist und beispielsweise über einen Schalter am Dekoder einschaltbar ist, um einen Hör- oder Empfindungseindruck zu erzeugen, der den richtungskodierten Signalen entspricht, deren Schallquellensignal-Komponenten nur aus diesen Richtungen stammen oder zu stammen scheinen. Die gewöhnlichen Stereo-Signale werden entsprechenden 45°-Phasenteilern 92 undi 94 zugeführt, um ein Summensignal Ts in Bezugsphase und ein Differenzsignal Tj zu erzeugen, das gegen dia Bezugsphase um 90° phasenverschoben ist

Es wurde bereits erwähnt daß die Wahl von zwei Übertragungssignalen für die direkte Wiedergabe an L- bzw. Ä-Orten nur für die Kompatibilität mit herkömmlichen Stereo-Einrichtungen von Bedeutung ist, die keine entsprechende Dekodierung haben. Im weiteren Sinne läßt sich die Erfindung auch dort einsetzen, wo Stereo-Kompatibiliut ohne Bedeutung ist Beispielsweise läßt sich die Erfindung mit Vorteil dort einsetzen, wo lediglich eine Tonbandersparnif gewfevcht wird, so daß eine längere Wiedergabezeit möglich ist, etwa dort, wo die Wiedergabe bisher von vier oder gar mehr diskreten Bandkanälen aus erfolgt Durch Komprimierung der Information auf zwei Übertragv.gskanäle und anschließende Aufteilung oder EJcpandierung bei der Wiedergabe, kann die zur Verfügung stehende Tonbandlänge besser ausgenutzt werden. Für diesen Anwendungsfall der Erfindung kann die Referenz-Richtung der Azimutwinkei bei der Kodierung mehr oder weniger willkürlich gewählt werden, und die durch die beiden Übertragungssignale wiederzugebenden Richtungen sind dementsprechend ebenfalls willkürlich, solange sie einander diametral gegenüberliegend gewählt werfen.
Die so weit in Einzelheiten beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurden in Anwendung auf Zwei-Kanal-Übertragungssysteme erläutert, die heute insbesondere bei Standard-Stereo-Rundfunkübertragungen und Schallplattenaufzeichnungen üblich sind. Die Erfindung hat jedoch ein wesentlich breiteres Anwendungsfeld. Die bisher erläuterte Zwei-Kanal-Übertragung ist lediglich ein spezieller Anwendungsfall der grundsätzlichen Lehre der Erfindung, die sich vorteilhaft auch für die Wiedergabe gerichteter Hörinformation über eine wesentlich größere Anzahl als nur zwei Kanäle eignet. Bei Anwendung der Erfindung werden die bei der begrenzten Übertragung über zwei Kanäle entsprechend der herkömmlichen Stereo-Wiedergabe erzielbaren Ergebnisse optimiert. Jedoch kann gemäß der Erfindung, wie bereits erwähnt, auch eine wesentlich höhere Kanalzahl vorteilhaft verwendet werden. Ein erster Zweck für eine größere Kanalanzah! kann der sein, die Richtcharakteristik für eine bestimmte vorgegebene Lautsprecheranordnung »schärfer« auszubilden, d. h. das Übersprechen als unvermeidbare Konsequenz der Verwendung einer über der Anzahl der Übertragungskanäle liegenden Lautsprecheranzahl zu vermindern. Die Erfindung hat gerade in diesem erweiterten Aspekt einen großen Vorteil, wenn die Anzahl der Übertragungskanäle gleich oder sogar größer ist als die Anzahl der erforderlichen Wiedergabesignale, und zwar nicht nur für den Zweck, ein »Drehen« der Wiedergabesignale zu erreichen, wie etwa bei der Wiedergabe von Vier-Spur-Tonbandaufzeichnungen, die für »2-plus-2«-Lautsprecherwiedergabe über Lautsprecher in »1-2-1 «-Anordnung bestimmt sind, sondern auch für andere Zwecke, die weiter unten erläutert werden.

Das Verständnis der Anwendung der Erfindung auf Kanalzahlen über zwei wird erleichtert, wenn zunächst einige Aspekte der Wiedergabe und der bereits erläuterten grundlegenden Theorie der Zwei-Kanal-Systeme betrachtet werden. Bei einem genauen Studium zeigt sich nämlich, daß die Grundlage der vorteilhaften Neucrung sich aus der Tatsache ergibt, daß die Summe aller Produkte der Funktionen von Θ, die auf die Schallquellensignale mit Azimutwinkeln θ bei der Bildung jedes Übertragungssignals angewendet werden und den Punktio- || nen von Φ, die bei der Bildung jedes Wiedergabesignals für einen Azimutwinkel Φ auf das Übertragungssignal

te angewendet werden, eine Einvarinblen-Funktion der Differenz zwischen den Winkeln θ und Φ ist, die ihren

!§ maximalen Absolutwert bei einem Bezugs-Differenzwinkel, einen relativ kleinen Absolutwert beim diametral

H 65 gegenüberliegenden Differenzwinkel und Absolutwerte bei den dazwischen liegenden Differenzwinkelwerten

£| annimmt, die in bezug auf die so definierte Achse symmetrisch sind. Diese Charakterisierung bildet die Grundla-

& ge für die »Drehbarkeit« oder »Universalität« der Lautsprecheranordnungen, für die die Übertragungssignale

m kodierbar sind.

10

Es ist einleuchtend, daß nicht alle Funktionen, die diese Kriterien befriedigen, in vollem Umfang von gleicher Bedeutung hinsichtlich der Simulation von Einzelkanal-Direktwiedergabe und der psychoakustischen Wirkung sind. Für alle anderen gleichen Faktoren ist es erwünscht, daß die Amplitude oder und der Absolutwert der Gesamtwiedergabefunktion einen Nullwert oder eine Nullstelle bei 180° vom Maximum aus erreicht. Ebenso ist es für alle gleichen Faktoren wünschenswert, daß die Verteilung der Amplitudenabnahme so rasch wie möglich vom Maximalwert aus erfolgt, was der Fall ist, wenn θ gleich Φ ist, d. h. wenn der Differenzwinke] α zu Null wird. Dann ist es wiederum bei Gleichheit aller Faktoren wünschenswert, daß die Phasendifferenzen zwischen dem Auftreten oder dem Eindruck irgendeines vorgegebenen Quellenschalls bei den verschiedenen Wiedergabesignalen minimal wird. d. h. daß die Gesamtwiedergabe ein Minimum an relativer Phasendifferenz aufweist

Die relative Bedeutung dieser drei Faktoren bei der Erzeugung des Eindrucks der Anwesenheit bei der tatsächlichen Aufführung ist eine Angelegenheit der Psychoakustik und läßt sich gegenwärtig noch nicht quantitativ bewerten. Es gilt als experimentell gesichert, daß die über Zwei-Kanal-Kodierung erzeugte Wiedergabe entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsformen befriedigender ist als bei anderen Kodierverfahren, die demselben Zweck dienen. Die Wiedergabe der obigen Vorteile läßt sich etwa wie folgt bewerten: Das Wiedergabemuster oder Diagramm zeigt vollständige Auslöschungen bei 180°, eine Amplitudenreduktion von —3 dB bei 90° (und natürlich auch bei 270°, wobei diese Winkelwerte zweckmäßige Bezugspunkte zur Messung der Muster-Keulenschärfe sind), und es ergibt sich keine Komponente mit einer Phasendifferenz von 180° zu irgendeiner anderen Komponente; Komponenten, die mit einer Phasendifferenz von annähernd 90^c bezüglich ihrer ursprünglichen relativen Phase wiedergegeben werden, können hinsichtlich ihrer Amplitude im wesentlichen vernachlässigt werden. Die Anwendung von Gesamtfunktionen die in einer Hinsicht besser sind, jedoch [Tf unter Verlust in anderer Richtung, Hegt innerhalb des breiten Rahmens der Erfindung, obgleich <·.; Ji mit Hilfe der

w. Informationstheorie und der Samplingtheorie zeigen läßt, daß die Wiedergabeiniormation, die sich aus den oben

|f dargelegten Kodier- und Dekodierkoeffizie»«en ergibt, bei nur zwei Übertragungskanälen so genau wie möglich

% ist.

I« Die eben dargestellten Charakteristika oder Wiedergabefaktoren lassen sich wesentlich dadurch verbessern,

■ξ daß die gleichen allgemeinen Prinzipien für den Aufbau oder die Zusammensetzung der Übertragungssignale

w| auf drei oder mehr Übertragungskanäle angewendet werden. Diese Anwendung der erfindungsgemäßen Prinzi-

0 pien kann grob in zwei Kastegorien in Relation zur bereits beschriebenen Zwei-Kanal-Ausführung aufgeteilt ί| werden:

ti 1. Systeme, bei denen ein oder mehrere Übertragungssignale zusätzlich zu den bereits beschriebenen Über-

jE tragungssignaien verwendet werden und

f? 2. Systeme, bei denen drei oder mehr Übertragungssignale verwendet werden, die insgesamt die gleiche § gegenseitige Symmetrie aufweisen wie die Tl- und TR-Signale beim Zwei-Kanal-System.

|3

|s Drei-Kanal- (und im weiteren Sinne auch Viel-Kanal-)Systeme des erst erwähnten Typs können als mit

|ä Zwei-Kanai-Systemen »kompatibel« bezeichnet werden. Eine gegenwärtige Nutzanwendung solcher Ausfäh-

;s rungsformen der Erfindung ergibt sich bei der Hersteilung von Drei- oder Vierspur-Tonbandaufzeichnungen,

:| die unter entsprechender Dekodierung über irgendeine Vielfachlautsprecheranordnung wiedergebbar sind c-^er

v,: dazu alternativ als gewöhnliche stereophone Wiedergabe über eine Einrichtung abgespielt werden, bei der der

Cj zusätzlich aufgezeichnete Hilfskanal oder die Hilfskanäle nicht verarbeitet werden können. Eine noch größere

U Nützlichkeit ergibt sich jedoch aus wesentlichen Vorteilen dt/ Erfindung hinsichtlich der praktischen Anwen-

iii dung bei quadrophonen Signalen, die tatsächlich in vollem Umfang eine diskrete Wiedergabe über solche

Si Medien wie FM-Rundfunkübertragung und Schallplattenaufzeichnung ermöglichen.

S| Die Kodierung und Dekodierung jedes Hilfskanals ist selbstverständlich so, daß die oben beschriebenen

V- wesentlichen Kennwerte der Gesamtübertragung oder Gesamtwiedergabefunktion beibehalten bleiben, 'm

|;| Prinzip kann es möglich sein, zusätzliche Übertragungssignale vorzusehen, die zusammen mit den beiden

|| Primär- oder Grundübertragungssignalen dadurch dekodierbar sind, daß eine komplexe Dekodiereinrichtung

£| für alle Kanäle vorgesehen wird, die sich vollständig von der Zwei-Kanal-Dekodierung bei der Erzeugung einer

$ erwünschten Gesamtwiedergabefunktion unterscheidet und bei der der Differenzwinkel λ die einzige Variable

si ist. Es ist jedoch wünschenswerter, die gleiche Art der Dekodierung der beiden Grundübertragungssignale

Ü vorzusehen und lediglich jedem Wiedergabesignal die Zusatzinformation zuzuaddieren, die in den kodierten und

|i dekodierten zusätzlichen Übertragungssignalen enthalten ist. Um dies zu erreichen ist es erforderlich, daß die

|S Kodierung und Dekodierung jedes der Übertragungssignale ein.". Zusatzkomponente für das Wiedergabesignal

y erzeugt, die ihrerseits lediglich eine Funktion des Differenzwinkels mit einem Maximalwert bei einem Differenz-

|;; winkel Null ist. Die einfachste und zu bevorzugende Art der Verwendung zusätzlicher Kanäle ist die Verwen-

1 j. dung einer Kodierfunktion von θ zur Erzeugung eines jeden zusätzlichen Übertragungssignals, das, wenn es mit ψ, der konjugierten Dekodierfunktion von Φ multipliziert wird, seinerseits ein Produkt erzeugt, das eine Einvaria- ψ, blen-Funktion des Differenzwinkels ist und das, wenn es der Wiedergabesignalfunktion zuaddiert ist, die sich aus

ψ. der Zwei-Kanal-Übertragung ergibt, die Schärfe des Amplituden-Maximums im Wiedergabemuster bzw. Keu- eo

p: lcndiagramm erhöht.

■ · Diese Anforderungen an das zusätzliche Übertragungssignal lassen sich durch Einführung einer geeigneten

·, Exponentialfunktion von Θ bei der Kodierung und deren konjugierter Funktion von Φ bei der Dekodierung

: erfüllen. Die zusätzliche Verwendung eines dritten Übertragungssignals Tr, bei dem ein Kodierkoeffizient

proportional zu

Il

für jedes Signal Sa und ein Dekodierkoeffizient proportional zu

bei Erzeugung der zusätzlichen Komponente für jedes Wiedergabesignal Ρφ verwendet wird, erzeugt eine Produktfunktion der Winkeldifferenzen, die bei Addition zur Grund-Zweikanal-Wiedergabefunktion wesentlich die Richtungseffekte verschärft. Das Gesamt-Wiedergabesignal ergibt sich dann zu

P = \ S_x [1+2 cos (0.-0J]. (5)

i. I

Mit dieser Gesamt-Wiedergabefunktion weiden alle Schallquellen in allen Lautsprechern in ihrer originalen relativen Phase wiedergegeben und die Amplitude für einen Differenzwinkel von 90° (oder selbstverständlich von 270°) ist um etwa 10 dB kleiner als das Maximum bei 0°.

Das so erhaltene zusätzliche Übertragungssignal Tt kann sowohl mit den Übertragungssignalen T/. und T_K

gemäß den Gleichungen (1) als auch den Übertragungssignalen Ts und Tj gemäß den Gleichungen (4) verwendet werden. Die so erhaltene Gesamt-Wiedergabefunktion erzeugt, obgleich das Wiedergabebild oder Wiedergabemusccr in ucn Cucn crwanntcn ι unKiCn verbessert wiru, eine oigriSirvornponcniC ua iuv , utc vi!c giCiCuC Ampiitudengröße wie die Signalkomponente bei 90° aufweist, d. h. etwa —10 dB gegenüber dem Maximum bei 0°. Diese Hinterkeule kann durch eine einfache Abwandlung eliminiert werden. Wird die Ts- und die 7>Form der Übertragungssignale betrachtet, so ergibt sich, wenn die Tj- und Tt-Signale um die Wurzel aus 1/2 gedämpft werden, jedoch keine Änderung bei Tsstattfindet und eine Dekodierung mit Hilfe von konjugierten Funktionen von <i durchgeführt wird, für die Gesamt-Wiedergabefunktion die Gleichung:

P = Σ.'

J- '

Diese Gesamt-Wiedergabefunktion erzeugt Wiedergabesignale, die frei sind von Phasenverschiebungen und mit einer Nullstelle bei 180°, wobei die Größe oder Amplitude bei 90° gegenüber dem Maxi.-.ium bei 0° um 6 dB abgesenkt ist. Dasselbe Ergebnis wird selbstverständlich mit geeigneter Teilausblendung der Ti- und 7VSignale erreicht, die zuvor beschrieben worden sind, und bei gleicher Dämpfung von Tt. Sind die beiden Grund-Übertragungssignale so modifiziert, so wird die Wiedergabe über eine Einrichtung, die den dritten Kanal nicht verwerten kann, offensichtlich verschlechtert. Für Aufzeichnungs- und Rundfunkübertragungseinheiten wird daher normalerweise diese abgewandelte Form von Übertragungssignalen nicht in Frage kommen. Der abgewandelte Satz von iibertragungssi"na!en wird daher bevorzugt im Dekoder aus den unmndifiziert aufgezeichneten oder übertragenen Signalen erzeugt.

Die Gesamt-Wiedergabegleichung. die den dargelegten modifizierten Übertragungssignalen entspricht, weist einen in Klammern gesetzten Koeffizienten-Ausdruck auf, der sich wie folgt darstellen läßt:

1 + cos(0, - Θ-,)-

Ersichtlicherweise besitzt dieser Koeffizient die gleiche Form wie der Koeffizient für die unmodifizicrten drei Übertragungssignale in Gleichung (5), wobei jedes Gesamt-Wiedergabesignal sich darstellen läßt als:

P = ^ 5. [I ->-2mcosi0, -0J] (f>)

worin mit m daj Quadrat des Dämpfungsfaktors bezeichnet ist, der bei der Bildung der modifizierten Tj- und TrSignale verwendet wird. Eine beträchtliche Veränderung in Einzelheiten der Wiedergabecharakteristiken wird durch entsprechende Wahl von m erzielt. Da m im Bereich von 0,5 bis 1,0 variiert werden kann, wird die zuvor erwähnte Hinterkeule wieder eingespeist, jedoch wird die 90°-Trennung gleichzeitig verbessert, wie anhand numerischer Darstellung bereits aufgezeigt wurde. Mit einem Zwischenwert von 0,707 für m ergibt sich die 90⁼ -Trennung zu 7_:66 dB und der Pegel der Hinterkeule iiegt bei 283 dB unter dem 0°-Maximum. Die Wahl der Konstanten m ermöglicht so Wiedergabekennwerte, die sich einer genauen Bewertung hinsichtlich der psychoakustischen Wirksamkeit beim Hörer entziehen und der Drei-Kanal-Dekoder ist deshalb vorzugsweise mit Einstelleinrichtungen ausgerüstet, mit deren Hilfe der Benutzer den erwähnten Faktor m innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 1,0 einstellen kann. Es ist ersichtlich, daß bei Einführung des Faktors j/m in die Übertragungssignale am Dekoder und der dazu konjugierten Funktionen unmittelbar für die Dekodierung (beim letztgenannten natürlich ebenfalls mit dem Faktor ]fm) die beiden aufeinanderfolgenden Dämpfungen um den Faktor ]/m auch durch eine einzige Dämpfung um den Faktor m ersetzt werden können, etwa durch gekoppelte oder gleichlaufende Potentiometer am Eingang für die unmodifizierten 7> und Γτ-Signale. wobei der Benutzer den Wert für m zwischen 05 und ! .0 wählen kann.

Das gleiche allgemeine Prinzip der Erfindung kann weiter in der Weise angewendet werden, daß ein vierter Kanal hinzugefügt wird, um eine weitere Erhöhung des »Kontrasts« zwischen der Wiedergabeamplitude des

.Schallquellensignals von einem Lautsprecher, der in einer der ursprünglichen Position der Schallquelle entsprechenden Position angeordnel ist, und der Amplitude der Wiedergabe von anderen Lautsprechern zu erzielen, d. h. eine weitere Verschärfung der Gesamtwiedergabe-Signalfunktionen gemäß Gleichung (5). Das Hinzufügen eines vierten Kinals zu den drei erwähnten Kanälen, um den bereits erwähnten Kriterien zu genügen, ergibt das Übertraglingssignal 7p in folgender Darstellung (der Exponent kann positiv oder negativ sein):

- I

Eine solche Funktion läßt sich durch Summation der Ausgangssignale zweier Quadropol-Mikrophone erzeugen (jedes mit einer Dipol-Charakteristik mit zur anderen Dipol-Charakteristik entgegengesetzter Phase), die jeweils relativ zueinander um 45° gedreht sind, wobei das Ausgangssignal eines Quadropol um 90' phasenverschoben ist. Dazu alternativ (oder als Zusatz) können Kodierschaltungen vorgesehen sein, die durch entsprechcnde Abwandlung der bereits erwähnten und beschriebenen Schaltungen erhalten werden. Ein der Quadratwurzel der Konstanten m entsprechender Dämpfungsfaktor kann den Übertragungssignalen Tr und Tq bei der Erzeugung und Dekodierung mit der konjugierten Funktion dieser zusätzlichen Übertragungssignale aufgeprägt werden. Die Gesamt-Wiedergabesignale entsprechen in diesem Fall:

- ^v S₁ ρ"¹'■*"·'[ cos — (Φ,-ΘΟ +ni cos-?-(Φ,-Θΰ\. (7) £

1 L 2 2 J ₂₅ I

Die Phasenrelationen der Schallsignalkomponenten in jedem Wiedergabesignal sind die gleichen wie im :_;;j

Zwei-Kanal-Fall abgesehen von einem relativ unbedeutenden Punkt, der weiter unten erläutert wird. Die ψ.

90" -Trennung ist jedoch wesentlich verbessert, wie sich aus folgendem ergibt: ^;Ä

Die Wirkungen der Veränderung von m bei Anwendung des zusätzlichen vierten Kanals sind in erster 30 |

N; 'ierung ähnlich jenen, die sich bei entsprechender Änderung im Drei-Kanal-Fall ergeben, der bereits erläutert %

ist. Für einen Wert von m gleich 0,333 ergibt sich eine Kardioiden-Charakteristik: die 90°-Trennung gegenüber ,ij

dem Maximum bei 0° beträgt jedoch 9 dB. Für einen Wert von m gleich 0,5 wird die Nullstelle bei 180° ';$

beibehalten, es erscheinen jedoch sehr kleine Hinterkeulen ( — 23,9 dB) in den angrenzenden Bereichen. Die $

90¹-Trennung beträgt 12,6 dB. Bei einem Wert von m gleich 1.0 erscheint die Nullstelle bei beiden 90°-Verschiebungen und bei 180°. Es sind jedoch bemerkenswerte Amplituden (-■ Ϊ 1,3 dB) bei etwa 180° in jeder Richtung vom 0°-Maximum aus gesehen vorhanden. Anders als beim Drei-Kanal-Fall berührt die Art der Eingabe des

Faktors m die beiden Grundübertragungssignale nicht, so daß entweder die Einführung in der Kodiereinrich- SJj

tung. der Dekodiereinrichtung oder bei beiden erfolgen kann. Die sich für den Hörer durch die Wahl von m |i

ergebenden Faktoren sind ähnlich wie beim Drei-Kanal-Fall, und dem Hörer kann die Möglichkeit geboten 40 Jji

werden, diesen Faktor im Bereich von 0,33 bis 1,0 einzustellen. Dabei werden die Größen 7Vund Tq ohne die .Jj

Faktor-m-Dämpfung übertragen, unmittelbar vor der Dekodierung gedämpft und danach durch Anwendung der v]

konjugierten Funktion, wie bereits erläutert, dekodiert. Eine noch vorteilhaftere Anwendung der durch Verän- ^

derung des Faktors m in Gleichung (7) erreichten Effekte kann in Verbindung mit einer Reduzierung des &

erforderlichen Frequenzbereichs für die beiden zusätzlichen Kanäle ohne Einfluß auf die Wiedergabe erzielt 45 _:ii

werden. ■§

Fig. Il zeigt ein Gesamtsystem zur Kodierung, Übertragung und Dekodierung mit vier Übertragungskanä- £ij

len gemäß der Erfindung, wobei die Eingangs-Schallquellensignale mit Sm. S& usw. und die Ausgangs-Wieder- ;| gabesignale mit Ρφ\. Ρφι usw. bezeichnet sind und jedes Eingangs- und jedes Ausgangssignal jeweils durch die Angabe eines Azimutwinkels gekennzeichnet ist (Die Azimutwinkel werden in diesem Falle von der Bezugsrich-

tung zur Rechten des Hörers aus im Gegenuhrzeigersinne gemessen, so daß der dem Winkel -^- entsprechende

Additionsfaktor, der in den bisher verwendeten Ausdrücken auftaucht zur vereinfachten Darstellung der tatsächlichen Rechts-Links-Symmetrie als der Matrix inhärent erscheint) Bei der Bildung des TV-Übertragungs-Signals werden sämtliche Schallquellensignale ohne Phasenänderung lediglich additiv gemischt Zur Bildung des T/-Übertragungskanal-Signals wird jedes Schallquellensignal phasenverschoben, um für jede seiner Frequenzkomponenten eine Phasennacheilung in bezug auf die entsprechende 7>Komponente zu erhalten, die dem schailquellenseitigen Azimutwinkel (entweder tatsächlich oder synthetisch erzeugt) bei unveränderter Amplitude entspricht Das zusätzliche Übertragungssignal Tt wird in identischer Weise wie das 7j-ÜbertragungssignaI erzeugt, außer daß die Richtung der Phasenverschiebung umgekehrt ist Das Γρ-Übertragungssignal wird in gleicher Weise erzeugt wie das 7> oder TrÜbertragungssignal, außer daß jeder Phasenverschiebungswinkel verdoppelt wird. Vor der Übertragung werden die Tq- und 7VÜbertragungssignale bandpaßgefiltert, um ihren Inhalt auf einen mittleren Frequenzbereich, beispielsweise von 130 Hz bis 3 kHz, zu begrenzen. Da die Band-Paßfilterung der zusätzlichen Übertragungssignale inhärent weitere Phasenverschiebungen im Durchlaßband erzeugt werden für die 7> und 7>Übertragungssignale Phasenausgleicher vorgesehen, um die gewünschten Phasenrelationen in den Signalen beim Übertragen zu gewährleisten. (Der Ausdruck »übertragen«, wie er hier verwendet wird, schließt selbstverständlich die verschiedenen Arten von Aufzeichnung oder Signalspeicherung für eine spätere Wiedergabe, etwa für Schallplattenwiedergabe und Tonbänder, als auch die unmittelbare

Übertragung über Medien wie FM-Rundfunkübertragung ein.)

Es ist deutlich, daß die Grund-Übertragungssignalpaare Tr und Tl odnr 7> und Ta jedes Schallquellensignal mit einer Bezugsphase und einer Azimut-Erkennungsphase enthalten, die sich von der Bezugsphase um einen Phasenwinkel unterscheidet, der gleich dem Azimutwinkel der Schallquelle ist. Dies ist ohne weiteres für den Fall der Signale 7> und Tj erkennbar, von denen das eine lediglich die Bezugsphasenkomponente und das andere iediglich die Azimut-Identifizierungskomponente enthält. Bei der anderen Form der paarweisen Übertragungssignale ist ge.iau die gleiche Signalinformation enthalten, obgleich Linear-Operationen erforderlich sind, um die einzelnen Signalkomponenten zu trennen. Das dritte Übertragungssignal 7> enthält jedes Schallquellensignal mit einer ralativen Phase, die gleich, jedoch entgegengesetzt zur Azimut-Identifizierungsphase liegt, und das

ίο vierte Übertragungssignal Tq wird in gleicher Weise gebildet wie die Übertragungssignale T, oder T₁, außer daß die Phase sich von der Bezugsphase um einen verdoppelten Phasenwinkel für die entsprechende Schallquelle unterscheidet.

Die allgemeine Ausführungsform entsprechend der Übersichtsdarstellung nach F i g. 11 ist selbstverständlich auf Rundfunkübertragung, Aufzeichnung oder irgendein anderes Hörprogramm-Wiedergabemedium anwendbar. Sie führt insbesondere dort zu besonderen Vorteilen, wo die erforderliche oder zur Verfugung stehende Übertragungsbandbreite ein Problem darstellt, da der begrenzte Frequenzbereich der zusätzlichen Übertragungssignale eine Anpassung an begrenzte Bandbreiten-Anforderung im Vergleich zu herkömmlichen quadrophonen Systemen ermöglicht, bei denen die gleichen vier Übertragungskanäle jeweils für die Wiedergabesignale an dem dem jeweiligen Kanal zukommenden Ort verwendet werden. Die Nützlichkeit der vier kodierten ubertragungssignaie für verschiedene Aufzeichnungs- und FM-übertragungsvertahren, die bisher fur die letztgenannte Art der Übertragung vorgeschlagen wurde, ist ersichtlich, und es sei darauf hingewiesen, daß die Wiedergabe in der Zeichnung mit einer unmittelbaren Einspeisung der Übertragungssignale in den Dekodierabschnitt sehr schematisch ist, da die als direkte Verbindungen angegebenen Strecken normalerweise die Erzeugung und Wiedererzeugung einer Aufzeichnung oder FM-Übertragung beinhalten, bei der Multiplex-Technik

für die zusätzlichen Übertragungssignale angewendet wird. (Es ist evident, daß die Signale Ts und Tj nach F i g. 11 normalerweise durch Tl und Tk bei der Aufzeichnungseinrichtung ersetzt werden, da sich hierfür diese Form besser eignet).

Bei einer bevorzugten Anwendung des Systems nach F i g. 11 für die FM-Rundfunkübertragung werden die beiden Grundübertragungssignale als Summen- und Differenzsignale einer herkömmlichen mono-kompatiblcn Stereo-Rundfunkübertragung übertragen. Die zusätzlichen Ubertragungssignaie modulieren eine Tastfrequenz von 9,5 kHz und werden miteinander multiplex-verschachtelt, um als zusammengesetztes Modulationssignal

eines -y-phasenverschobenen 38-kHz-Trägers zu dienen, der in herkömmlicher Weise wie bei der bekannten quadrophonen Rundfunk-FM-Übertragung verwendet wird, wobei jedoch bisher eine einwandfreie Übertragung wegen der Bandbreitenerfordernis nicht möglich war. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die vier Übertragungssignale (unter Verwendung der Tl- und Γκ-Signale als Grund-Stereokanalsignale) anstelle der lautsprecherbezogenen Übertragungssignale der Vier-Kanal-Plattenwiedergabesysteme verwendet, die im »Journal of the Audio Engineering Society«, Band 59, Seite 576 beschrieben sind.

Die Verarbeitung jedes der vier Übertragungssignale in der Dekodier-Einrichtung (die beispielsweise einem FM-Empfänger zugeordnet ist) erfolgt vor der Addition zur Bildung jedes Wiedergabesignals konjugiert zur Behandlung bei der Erzeugung dieses Übertragungssignals, außer daß die Winkel der Phasenverschiebung den Orten der Lautsprecher statt denen der Schallquellen entsprechen. Das 7>Signal ist in der Phase wiederum unverändert und dient weiterhin als Bezugsphase, wobei seine Eignung für diesen Zweck wiederum durch die Bezugsphasen-Verschiebungen beibehalten bleibt, die für den Betrieb der phasenunabhängigen Phasenschieber

erforderlich sind, die bei den anderen Übertragungssignalen verwendet werden. Für eine Schallquelle mit gleichem Azimutwinkel wie der Wiedergabelautsprecher sind die geänderten Ausgangssignale der vier Übertragungssignale alle in Phase und direkt addierbar.

Als letzten Schritt der Erzeugung der Wiedergabesignale wird jedes Wiedergabesignal durch einen Amplituden-Egalisierer bzw. ein dämpfendes Bandfilter geschickt, das im allgemeinen zu dem bei der Bildung der Hilfskanalsignale verwendeten Bandpaßfilter komplementär ist, außer für die Größe der Dämpfung. In dem durch die Bandpaßfilter vollkommen unbeeinflußten Frequenzbereich dämpfen die Egalisierer oder Entzerrer das jeweilige Signal um 3 dB und die Kompensation der Leistungsbeiträge der zusätzlichen Übertragungssignale wird für die angrenzenden oberen und unteren Dämpfungsbereiche der bei der Übertragung eingesetzten Bandpaßfilter in ähnlicher Weise bewirkt Eine besondere Flankensteilheit der Bandpaßfilter-Kennlinien und der entsprechenden Entzerrer-Filter-Kennlinien ist aus später noch zu erläuternden Gründen nicht erforderlich.

Die numerischen Werte der Kodiermatrix und der Dekodiermatrix und der Gesamt-Wiedergabematrix (für Frequenzen des voll übertragenen Mittenbereichs) sind für jene Bedingungen in F i g. 12 wiedergegeben, die den bisher bei herkömmlicher Vierspur-Wiedergabe benutzten entsprechen, wobei jeder Übertragungskanal einem speziellen Lautsprecher bei der »2 plus 2«-Lautsprecheranordnung zugeordnet ist. Zum besseren Verständnis der mit der Kompatibilität mit bereits bestehenden monauralen und stereophonen Wiedergabeeinrichtungen verbundenen Gesichtspunkte als auch zur Verdeutlichung der Beziehung zwischen den beiden Grundübertragungssignalen und den zusätzlichen Übertragungssignalen entsprechend der Erfindung, werden die Kodier- und Dekodiermatrizen mit in dieser Hinsicht getrennten Matrix-Elementen wiedergegeben. In ähnlicher Weise wird aus Gründen der besseren Verständlichkeit die Gesamt-Wiedergabematrix, wie gezeigt, in nicht vereinfachter Form wiedergegeben, aus der die meisten Terme bei der Erweiterung verschwinden, wie sich bei einer genaueren Untersuchung ergibt Wie gezeigt, erscheinen benn Verschwinden alier anderen Koeffizienten in der Gesamt-Wiedergabematrix die einzelnen Signalfrequenzen, die in den Signalen Tt und Tq ungedämpft sind, nur in einem einzigen Lautsprecher, da die anderen drei Lautsprecher in jedem Fall mit dem Nuilsteüenwert

biau'schlagt werden, wie zuvor erwähnt. Da alle Wiedergabesignale dieses Typs in Bezugsphase liegen, ist die Wiedergabe dieser Frequenzen genau die gleiche wie im Falle der Direktübertragung jedes Lautsprechersignals von der entsprechenden Schallquelle aus.

Die Matrix-Koeffizienten nach Fig. 12 sind selbstverständlich nicht direkt entweder auf Signale anwendbar, deren Frequenzen in den Tr und T<?-Übsrtragungssignalen gedämpft werden, oder auf Signale, die für die Azimut-Richtungen anders kodiert werden ah es den vier gleichbeabstandet aufgestellten Lautsprechern entspricht. Unter Berücksichtigung der bisherigen Ausführungen ergibt sich, daß Frequenzen, die vollständig außerhalb des Filterdurchlaßbereichs (und des entsprechenden Entzerrer-Dämpfungsbandes) liegen, nur in dem Grund-Zwei-Kanal-System übertragen und wiedergegeben werden. Fig. 13 zeigt in Polardiagrammdarstellung die Amplituden- und Phasenwinkel einer Wiedergabe über ein Vier-Kanal- und ein Zwei-Kanal-System als ■? Funktion des Winkels zwischen dem Lautsprecherort und dem Schallquellenort. Zusätzlich zeigt die Figur in gestrichelter Linienführung die Amplitude der Wiedergabe einer typischen »Übergangsw-Frequenz-Komponente, d. h. einer Frequenzkomponente, die im Teil-Dämpfungsbereich (und nachfolgendem relativen Verstärkungsbereich) liegt und einem Zwischen- oder Teilwert von m entspricht. Eine scharfe Definition der in den Signalen 7V und Ti (oder Ti. und Tr, wenn diese Form angewendet wird) übertragenen Frequenzbänder ist damit nicht erforderlich, so daß einfach aufgebaute Filter verwendet werden können, und nicht Filter mit scharfen Begrenzungsflanken erforderlich sind.

Aus F i g. 13 ist ersichtlich, daß die schmalen Rückwärtskeulen des vollen Vierkanal-Diagramms in Gegenphasc zum entsprechenden Teil bei Zweikanalübertragung liegen, obgleich die Phasen beider Muster in Bereichen von weniger als 90° Unterschied zwischen dem Schallquellen-Azimutwinkel und dem Lautsprecher-Azimut liegen. Die bereits erwähnte Begrenzung auf ein Maximum von 90° Phasendifferenz bei diametral gegenüberstehenden La< '.Sprechern bleibt offensichtlich beibehalten, so daß sich k<;ine einschränkenden Effekte beim psychoakustischen Höreindruck ergeben.

Hörversuche ergaben, daß die Wiedergabe von Programm-Material, das die bandbreitenbegrenzten Übertragungssignale gemäß diesen Gesichtspunkt der Erfindung aufwies, hinsichtlich des psychoakustischen Eindrucks mindestens genauso gut war, wie die bei herkömmlichen Systemen mit vier diskreten Kanälen mit voller Bandbreite. Es ergibt sich kein nennenswerter Verlust an Richtungsinformation durch die Frequenzbegrenzung in den zusätzlichen Übertragungssignalen, da die psychoakustische Erfassung der Azimut-Richtung in keiner Weise von den sehr niedrigen Frequenzen oder von Frequenzen abhängt, deren Wellenlänge klein im Vergleich zu den Abmessungen des menschlichen Kopfes ist. Schallquellen, die tatsächlich oder scheinbar von Positionen zwischen den Lautsprecherorten aus abstrahlen, konnten durch kritische Hörer hinsichtlich ihrer Richtung besser identifiziert werden als bei herkömmlicher Vier-Kanal-Wiedergabe, die normalerweise solche Signale in gleicher Phase und gleichbewerteter Amplitude in zwei benachbarten Lautsprechern wiedergibt, um einen solchen Schall zu simulieren. Zumindest bei vielen Hörern erscheint die Phasen- und Amplituden-Verteilung anderer Lautsprecher bei der Wiedergabe psychoakustisch nützlich, um eine präzisere Identifikation der Orte synthetisierter Schallbilder zwischen den Lautsprechern zu ermöglichen, als dies bei den Amplituden-Verhältnissen möglich ist, die sich in benachbarten Lautsprechern bei herkömmlicher Vier-Kanal-Quadrophonie-Praxis I ergibt. Es liegt daher durchaus im Rahmen der Erfindung und zweckmäßiger Überlegungen, das System etwa | nach Fig. 11 für die Herstellung von Vierspur-Bandaufzeichnungen od.dgl. zu verwenden (wobei dann selbstverständlich die Einrichtungen zur Bandbreitenbegrenzung und der kompensierender Entzerrung weggelassen werden können).

Es ist ersichtlich, daß die Prinzipien der Erfindung auch auf höhere Kanalanzahlen ausgedehnt werden können, wobei die beiden Grund-Übertragungssignale Tl und Tr oder Tj- und Tj für die Wiedergabe auf einer Einrichtung beibehalten werden, die nicht in der Lage ist, zusätzliche Übertragungssignale zu verarbeiten.

Zusätzlich zur Hinzufügung solcher zusätzlicher Übertragungssignale zu den zunächst beschriebenen Zwei-Kanal-Systemen, die als »kompatible Zusätze« zu den grundlegenden Zwei-Kanal-Systemen anzusehen sind, lassen sich die Prinzipien der Erfindung auch auf Vielkanalsysteme anwenden, die alle bestimmten Azimutwinkeln in gleicher Weise zugeordnet sind wie die Signale Tl und Tr den Richtungen »links« und »rechts«, d. h. die Signale können entweder unmittelbar oder für andere Lautsprecherpositionen in dekodierter Form wiedergegeben werden.

Zum Verständnis dieses Aspekts der Erfindung sei zunächst ein weiterer theoretischer Gesichtspunkt der bereits beschriebenen grundlegenden Zwei-Kanal-Ausführungen erläutert: Bei der bisherigen Diskussion sind die Azimut winkel Θ und Φ für alle Kanäle als vom gleichen Bezugsazimut aus gemessen angesehen worden. Wie bereits erwähnt, erzeugt dies geringfügig verschiedene Kodierungsfunktionen für die »linken« und »rechten« Übertragungssignalc Tl und Tr, die bei der Erzeugung der Wiedergabesignale für die Lautsprecher bei der gegenüberstehenden Seitenanordnung unverändert bleiben. Wird ein Winkel Θ' für jede Schallquelle zugrundegelegt, der für Tl als »linke« Richtung oder linker Azimutwinkel und für Tr als »rechte« Richtung oder rechter Azimutwinkel gemessen wird, so läßt sich die Kodierfunktion oder der Kodierungskoeffizient für beide Übertragungssignale wie folgt ausdrücken:

1 + cos θ' +ysin &' = 1 + e&'

Aus sofort einleuchtenden Gründen läßt sich dies in folgende Form umschreiben:
yysin<9'

+ οοΒθ'+ ysin<9'

(Dem Leser mag bereits aufgefallen sein, daß diese Wiedergabe nach Bruchteilen oder Anteilen bisher lediglich aus Gründen der einfacheren Darstellung für Anwendungsfalle nicht berücksichtigt wurde, obwohl eine genaue Darstellung dies erfordern würde. Es wurde beispielsweise auf das Fallenlassen eines Vervielfachungsfaktors »2« bei Ableitung der Gleichung (3) aus den Gleichungen (1) und (2) hingewiesen.)

Der obige Ausdruck zur Bildung jedes Ubertragungssignals aus den Schallquellensignalen unter Verwendung der Richtung, eier das Übertragungssignal entspricht als Bezug für den Azimutwinkel der Schallquelle sei als h {&) bezeichnet wobei die Indexangabe die Kodierfunktion für jeden der beiden Kanäle angibt

In ähnlicher Weise läßt sich die Dekodierfunktion f> (Φ') für jedes Übertragungssignal bei der Bildung jedes Wiedergabesignals wie folgt darstellen:

— + "2"COS Φ' —jsm Φ'

worin mit Φ' der Azimutwinkel des Wiedergabesignals in bezug auf die Richtung bezeichnet ist der das Übertragungssignal entspricht Die summierte oder Gesamt-Wiedergabesignalfunktion wird selbstverständlich durch diese Änderung des bei der Kodierung und Dekcdierung verwendeten Bezugspunkts nicht beeinflußt und

bleibt die gleiche wie die Kodierfunktion, außer für das Differenz-Winkelargument ex. Für eine größere Anzahl von Übertragungssignalen, die gleichbeabstandeten Richtungswinkeln entsprechen,

können ähnliche Kodierfunktionen (und konjugierte Dekodierfunktionen) angewendet werden. Für drei Kanäle mit 120"-Abstand lautet die Kodierfunktion:

und die Dekodierfunktion von Φ' ist identisch (die Funktion weist keinen Imaginärteil auf). Die Gesamtwiedergabefunktion ist wiederum identisch mit der Kodierfunktion, abgesehen vom Differenzwinkelargument Es ist ersichtlich, daß diese Gesamtfunktion genau die gleiche wie jene ist die sich beim unmodifizierten kompatiblen Drei-Kanal-System entsprechend der obigen Gleichung (5) ergibt Es läßt sich zeigen, daß die »kompatiblen« und »gleichabständigen« Übertragungssignale jeweils lineare Kombinationen der anderen sind, d. h. voneinan der durch Umkehr der linearen Kombination gewonnen werden können, die keine Änderung des Informations inhalts bewirkt

Für vier Übertragungssignale (primäre Übertragungssignale bei jeweils 90°) ergibt sich die Kodierfunktion für jedes wie folgt:

U(ß') = -j- + cos Φ' + -j-cos2 Θ' + -j- jsm 2 Θ'

wiederum ist die Gesamt-Wiedergabe die gleiche wie bei dem »kompatiblen« Vier-Kanal-System (unverändert), das oben diskutiert wurde und sich aus linearer Transformation ergibt Damit ist ersichtlich, daß der hier erhaltene Bezug auf irgendwelche speziellen Kodierungsgleichungen die jeweiligen linearen Transformationsvarianten einschließt

Diese Kodierung kann selbstverständlich bei der Herstellung von Vierspuraufzeichnungen mit diskreten Signalen angewendet v/erden, die sich mit irgendeiner gewünschten Lautsprecheranordnung wiedergeben lassen, oder die Wiedergabesignale können für die verbesserte Klangbild-Lokalisierung gewöhnlicher Wieder gabeeinrichtungen mit diskreten Kanälen aufgezeichnet werden, wie sie oben in Verbindung mit F i g. 11 erläutert wurden oder auch für andere Zwecke, bei denen keine Monaural- und Stereo-Kompatibilität verlangt wird, wie bei den zuvor erwähnten Ausführungsformen der Erfindung.

Es kann gezeigt werden, da£ eine weitere Ausdehnung dieses speziellen Verfahrens zur Kodierung und Dekodierung gemäß der Erfindung sich auf irgendeine Anzahl η von Übertragungssignalen anwenden läßt, bei denen gleichbeabstandete Azimutwinkel vorgesehen sind, die sich für irgendeine ungeradzahlige Anzahl von Übertragungssignaien durch

= _1 (1.
"V²

"V^{2 2}

und für jede gerade Anzahl von Übertragungssignalen durch

f,(&}- —

ausdrucken läßt.

Es ist ersichtlich, daß die Vielfalt der speziellen Kodier- und konjugierten Dekodierfunktionen, die zur

ö5 Ausführung des Grundgedankens der Erfindung aufstellbar sind, umso größer wird, je größer die verfügbare

Kanalzahl ist. Die beschriebenen Ausführungsformen erläutern jeweils die einfachste Realisierungsmöglichkeil

insbesondere für Übertragungskanäle, deren Anzahl größer als 2 ist. Es lassen sich ohne weiteres komplexere

Funktionen aufstellen, bei denen numerische Faktoren in Koeffizienten verschiedener Komponenten auftreten,

die mehr oder weniger dem einzigen, zuvor erläuterten Faktor m analog sind, und es lassen sich daraus lineare
Kombinationen ableiten.

Dem Fachmann wird die Aufstellung weiterer Vairianten der speziellen Ausführungsform der Erfindung
möglich sein, die hier zur Illustration und Beschreibung ausgewählt wurden. So ergibt sich beispielsweise bei
einem Austausch von/und —./'für irgendeinen Kodier- und Dekodiervorgang ein offensichtliches Äquivalent

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Aufnahme und Wiedergabe von richtungsbezogener Schallinformation, bei dem aus einem oder mehreren Schallquellensignalen Sk (k = 1,2,3,...), von denen jedes einen Schall darstellt, der aus einer Richtung kommt, die durch einen auf eine gemeinsame Referenzrichtung bezogenen Aufnahme-Azimutwinkel 6kgekennzeichnet ist, Übertragungssignale T_r{v = 1,2,...) gemäß der allgemeinen Gleichung

gebildet werden, wobei f_r Kodierungskoeffizienten sind, die eine für jedes Übertragungssignal T_r spezifische Funktion des jeweiligen Aufnahme-Azimutwinkels ft bilden, und bei dem aus den Übertragungssignalen T_r für jeden verwendeten Lautsprecher ein Wiedergabesignal Pi (i = 1,2,3_V...) gemäß der allgemeinen Gleichung

ίΣ'"

gebildet wird, wobei g, Dekodierungskoeffizienten sind, die eine für jedes Übertragungssignal T_r spezifische Funktion des Wiedergabe-Azimutwinkels Φ-, des betreffenden Lautsprechers bilden, dadurch gekenn-

zeichnet, daß jeder der Kodierungskoeffizienten f_r im wesentlichen den Werten einer komplexwertigen EinvariabJenfunktion des jeweiligen Aufnahme-Azimutwinkels 6k entspricht, wobei die Phasenverschiebung wenigstens für ein /j. von Null verschieden ist, daß jeder der Dekodierungskoeffizienten g_v im wesentlichen den Werten einer komplexwertigen Einvariablenfunktion des jeweiligen Wiedergabe-Azimutwinkels <P,-entspricht und die komplex-konjugierte Funktion des zugehörigen Kodierungskoeffizienten /, ist [grifPi) = f*r (Φι)]und daß die Kodierungskoeffizienten f_r und damit auch die Dekodierungskoeffizienten g_r so gewählt werden, daß die Wiedergabesignale P» die die allgemeine Form

Pt- - Σ Sk/ΛΘύ gA<t>>)

besitzen, nach der Summation über den Index yder Übertragungssignale T,die spezielle Form
P₁ = Y_d{e)

annehmen, in der jedes Schal: juellensignal S_k mit einem Koeffizienten Ιι(Φ,— θι<) versehen ist, der nur noch eine Einvariablen-Funktion der Azimut-Winkeldifferenzen Φι— 6k (i = 1, 2, ...; k = 1, 2, ...) mit einer 360"-Periodizität ist, einem relativen Maximalwert zustrebt, wenn die Azimut-Winkeldifferenz gegen Null geht, einem relativen Minimalwert zustrebt, wenn die Winkeldifferenz gegen 180° geht, und bezüglich der zwischen 0° und 180° verlaufende Achse symmetrische Werte aufweist

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zwei sowohl mit einer monauralen als auch mit einer stereophonen Wiedergabe kompatible Übertragungssignale 7/. und Tr durch Kodieren von Schallquellensignalen S_k gemäß den Gleichungen

Tl= Σ⁵*Π+*"^θ'⁺·^τ/2()

A

erzeugt und hieraus Wiedergabesignale P, gemäß der Gleichung
Pi= T_L (\ + e-; I*/+*«)) + 7>(l —e-vW + -·"²))

dekodiert werden, wobei ydie Wurzel aus— 1 bedeutet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sowohl mit einer monauralen als auch mil einer stereophonen Wiedergabe kompatible Übertragungssignale Tjund Tj durch Kodieren von Schallquellensignalen 5* gemäß den Gleichungen

_t

i|j 65 erzeugt und hieraus Wiedergabesignale P, gemäß der Gleichung

Pi- T₂-+ r,e-/<*W2)

dekodiert werden, wobei j die Wurzel aus — 1 bedeutet.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Übertragungssignal 7V durch Kodieren von Schallquellensignalen Si gemäß der Gleichung

erzeugt und zu jedem Wiedergabesignal P/der Term Tt ei l*'⁺ -^T/2> addiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes Übertragungssignal Tq durch Kodieren von Schallquellensignalen Sk gemäß der Gleichung

erzeugt und zu jedem Wiedergabesignal P, der Term Tq e~²i(⁰!⁺ ·^τ/2> addiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungssignale Tt bzw. Tq einen wesentlich schmaleren Frequenzbereich besitzen als die Übertragungssignale 71 und Tr bzw. Tz und 7j, und daß bei der Erzeugung von Wiedergabesignalen dieser schmale Frequenzbereich jedes der Wiedergabesignale nach deren Erzeugung individuell und identisch gedämpft wird.