DE2711299C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Rundumton-Übertragungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere ein solches, daß es einem Hörer ermöglicht, von sich über 360 Grad Azimut erstreckenden Quellen kommenden Schall zu unterscheiden. Solche Systeme werden im folgenden als Grundschallsysteme bezeichnet. Die Erfindung ist auch auf Rundumton-Übertragungssysteme derart anwendbar, die es dem Hörer zusätzlich ermöglichen, Schall von in verschiedenen Höhen befindlichen Quellen zu unterscheiden.

Die DE-OS 22 04 668 und die DE-OS 25 12 287 betreffen Rundumton-Übertragungssysteme, bei denen ein Kanal ein sog. Rundstrahlsignal und der andere Kanal ein sog. Azimut- oder Phasensignal überträgt, deren relative Phase gleich plus oder minus dem Azimutwinkel ist und dessen Verstärkung sich mit der Richtung nicht ändert. Die beiden Kanäle können auch Signale übertragen, die lineare Kombinationen des Rundstrahlsignals und des Phasensignals sind. Systeme, die diese Art der Codierung verwenden, werden als drehsymmetrisch bezeichnet.

In der US-PS 38 56 992 und US-PS 39 06 156 ist ein System dieser Art beschrieben, bei dem ein dritter Kanal zur Verbesserung der Lokalisierung zugefügt wurde. Im Falle einer Schallplattenaufzeichnung überträgt dieser Kanal eine Modulation eines oder mehrerer Ultraschall-Hilfsträger, während der erste der beiden Kanäle direkt auf die beiden Rillenwände aufgezeichnet wird. Im Falle von FM-Rundfunkt ist der dritte Kanal ein AM-Signal mit unterdrücktem Hilfsträger auf einem anderen Hilfsträgersignal. Daher kann der dritte Kanal einen beschränkten Frequenzbereich und/oder maximalen Amplitudenpegel haben und für Rauschen und andere Störungen empfindlicher als die anderen beiden Kanäle sein. Daher sollte die relative Verstärkung des dritten, dem Decoder zugeführten Kanal ohne wesentliche nachteilige Wirkung auf die Schallokalisierung verringert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine exakte räumliche Reproduktion des aufgezeichneten bzw. übertragenen Schalles möglich ist, wobei die relative Verstärkung des dritten, dem Decoder zugeführten Kanals über einen Teil des Frequenzbandes oder über das gesamte Frequenzband verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsarten sind in den Unteransprüchen angegeben.

In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß alle Azimutwinkel in der gleichen Richtung, d. h. entweder im Gegenuhrzeiger- oder im Uhrzeigersinn gemessen werden.

Die Erfindung schafft ein System, bestehend aus einem Codierer, der mehrere Übertragungskanalsignale erzeugt, die sich aus komplexen linearen Kombinationen von Komponenten eines Rundumsignals, Signalkomponenten mit Verstärkungen gleich dem Cosinus des codierten Tonazimutwinkels und Signalkomponenten mit Verstärkungen gleich dem Sinus des codierten Tonazimutwinkels zusammensetzen, das sich dadurch auszeichnet, daß der Codierer eine Phasen-Amplituden-Matrix zur Erzeugung des ersten, zweiten und dritten Übertragungskanalsignals aufweist, wobei das erste und zweite Übertragungskanalsignal zusammen nicht rotationssymmetrisch sind und das dritte Übertragungssignal der Art ist, daß eine zweite Phasen-Amplituden-Matrix, die zu der ersten invers ist, drei aus dem ersten, zweiten und dritten Übertragungssignal wiedergewonnene Signale erzeugt, von denen das erste eine Rundstrahlverstärkung und das zweite und dritte eine Verstärkung gleich dem Cosinus bzw. Sinus des codierten Azimutwinkels ist, und auch in Abwesenheit des dritten Übertragungssignals am Eingang der inversen Matrix drei modifizierte wiedergewonnene Signale der Art erzeugt, daß der Realteil des Verhältnisses der komplexen Verstärkung des zweiten wiedergewonnenen Signals zu der komplexen Verstärkung des ersten wiedergewonnenen Signals und der Realteil des Verhältnisses der komplexen Verstärkung des dritten wiedergewonnenen Signals zu der komplexen Verstärkung des ersten wiedergewonnenen Signals die orthogonalen Komponenten eines Vektors sind, der in Richtung des codierten Azimutwinkels für wenigstens drei vorbestimmte Azimutwinkel weist, die sich wenigstens über 180 Grad erstrecken.

Eine Einrichtung zur Wiedergabe azimutaler Richttonsignale, die durch ein System nach einem der vorhergehenden Ansprüche übertragen oder aufgezeichnet werden, bestehend aus einem Decoder zur Erzeugung von Speisesignalen aus mehreren Übertragungskanalsignalen, die an einer bestimmten Hörstelle über Lautsprecher Schalldruck und einen akustischen Geschwindigkeitsvektor hervorrufen, zeichnet sich dadurch aus, daß bei jeder Tonfrequenz der durch die Komponenten des komplexen akustischen Geschwindigkeitsvektors, der eine 90-Grad-Phasenbeziehung zu den Komponenten des Schalldruckes hat, in eine decodierte Azimutwinkelrichtung weist, die im wesentlichen gleich der codierten Azimutwinkelrichtung für alle codierten Azimutwinkel ist.

Bekanntlich ist die Schallgeschwindigkeit eines entfernten Tons dem Zeitdifferential des Schalldruckes dieses Tons proportional und die Wirkung der Differentiation ist die Anhebung hoher Frequenzen mit 6 dB/Oktave, begleitet von einer 90°-Phasenverschiebung. Daher entspricht die zuvor erwähnte 90°-Phasenbeziehung einer 0°- oder 180°-Phasenbeziehung für elektrische Signale, die für den akustischen Druck und die akustische Geschwindigkeit charakteristisch sind.

Der Decoder hat vorzugsweise eine sog. "modifizierte inverse Matrix", bestehend aus einer Phasen-Amplituden- Matrix, die zur Phasen-Amplitudenmatrix des Codierers invers ist, modifiziert durch Verstärkungsfaktoren, die frequenzabhängig sein können. Diese Faktoren können Eins sein, so daß die Amplitudenmatrix der Decodiereinrichtung exakt invers zur Amplitudenmatrix der Codiereinrichtung ist.

Die "modifizierte inverse Matrix" kann auch so ausgebildet sein, daß sie weitere Ausgangssignale wie ein viertes Ausgangssignal liefert, das gleich dem Signal ist, das für den um 90° phasenverschobenen akustischen Druck charakteristisch ist. Die Matrix kann auch so modifiziert sein, daß die Ausgangssignale reelle lineare Kombinationen der zuvor erwähnten Matrixausgangssignale sind.

Vorzugsweise ist der Codierer so ausgebildet, daß der Vektor, der sich aus den modifizierten wiedergewonnenen Signalen ergibt, in Richtung des codierten Azimutwinkels für sechs bestimmte Winkel weist, die symmetrisch zu einer Bezugsrichtung angeordnet sein können. Vorzugsweise sind diese sechs Azimutwinkel zu zwei orthogonalen Bezugsrichtungen symmetrisch. Zweckmäßigerweise betragen die Winkel 0°, 60°, 120°, 180°, -60° und -120°. Weiterhin wird vorgeschlagen, daß der Codierer derart ausgebildet ist, daß das erste und zweite Übertragungskanalsignal Töne darstellen, denen ein Azimutwinkel R dadurch zugeordnet ist, daß die jeweiligen komplexen Verstärkungen das gleiche reale oder komplexe Vielfache von L _Verstärkung und R _Verstärkung sind, die gegeben sind durch:

oder Σ _Verstärkung und Δ _Verstärkung , die gegeben sind durch

Σ _V = a + c cos R + je sin R, Δ _V = jb + jd cos R + f sin R,

wobei j (= √) eine 90°-Phasenverschiebung darstellt und a, b, c, d, e und f reale Verstärkungen sind und das dritte Übertragungskanalsignal eine Verstärkung T _V hat, die gegeben ist durch

T _V = q (jg + jh cos R - sin R)

wobei q eine komplexe Verstärkung ungleich Null ist und g und h reale Verstärkungen sind. Für die nachfolgende Bezugnahme werden die Größen u und v wie folgt definiert:

Wenn bei solchen Codiersystemen R in -R, j in -j und L _V und R _V vertauscht werden, werden die folgenden Gleichungen abgesehen von einer möglichen Änderung der Gesamtphase von T nicht geändert. Daher werden solche Systeme im folgenden als "Codiersysteme mit Links/ Rechts-Symmetrie" bezeichnet.

Bei einem solchen Codiersystem mit Links/Rechts-Symmetrie sind die sechs vorbestimmten Azimutwinkel vorzugsweise symmetrisch um zwei orthogonale Bezugsrichtungen angeordnet und haben die Werte R = 0, ±R′, 180°±R′ und 180°. In diesem Falle sind die Verstärkungen g und h derart, daß:

In dem besonderen Fall, wenn die sechs vorbestimmten Azimutwinkel 0°, 60°, 120°, 180°, -60° und -120° sind, sind die Verstärkungen g und h gegeben durch:

Bei vielen praktischen Systemen wurde festgestellt, daß diese Werte von g und h durch die folgenden Formeln gut angenähert werden:

Bei Codiersystemen der Erfindung sollte der Koeffizient g von den obigen Werten nicht mehr als 50% und der Koeffizient h nicht mehr als 25% abweichen.

Die Eingangssignale für die Codiereinrichtung können von einer Mikrophonanordnung abgegeben werden, die eine Matrix hat und wenigstens drei Zwischensignale erzeugt, von denen das erste ein Rundstrahlsignal bestehend aus der Summe aller Azimutschallquellen mit gleichen Verstärkungen, das zweite die Summe der Signale aller Azimutschallquellen, von denen jedes eine Verstärkung proportional dem Cosinus seines jeweiligen codierten Azimutwinkels, und das dritte die Summe der Signale aller Azimutschallquellen ist, von denen jedes eine Verstärkung proportional dem Sinus seines jeweiligen codierten Azimutwinkels ist.

Die Eingangssignale für die Codiereinrichtung können auch durch mehrere unabhängige monophone Signalquellen und eine Amplitudenmatrix-Mischeinrichtung erzeugt werden, die drei oder mehr Zwischensignale erzeugt, von denen das erste aus der Summe aller monophonen Signale mit gleichen Verstärkungen, das zweite aus der Summe aller monophonen Signale nach Verstärkung mit einer Verstärkung proportional dem Cosinus seines jeweiligen codierten Azimutwinkels und das dritte aus der Summe aller monophonen Signale nach Verstärkung mit einer Verstärkung proportional dem Sinus seines jeweiligen codierten Azimutwinkels besteht.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß die Eingangssignale aus vier Signalen LB, LF, RF und RB bestehen, die Schall links hinten, links vorne, rechts vorne und rechts hinten darstellen, und daß eine Amplitudenmatrix vorhanden ist, die drei Zwischensignale W, X und Y erzeugt, die gegeben sind durch:

W = m [k _F ^-1 (LF + RF) + lk _B ^-1 (LB + RB)] X = n [(LF + RF) - l (LB + RB)] Y = n [(LF - RF) + l (LB - RB)]

wobei m und n größer als Null und k _F , k _B und l positive Verstärkungen der Art sind, daß

Wenn u = 0 und v = ±1, ist das System rotationssymmetrisch.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Codier- und Decodiereinrichtung und

Fig. 2 ein Blockschaltbild, aus dem eine Form der Decodiereinrichtung in Fig. 1 genauer hervorgeht.

In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß alle Azimutwinkel in Gegenuhrzeigerrichtung gemessen werden.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Rundumton-Übertragungssystem, bei dem die Eingangssignale W, X und Y auf einen Codierer 10 gegeben werden und die codierten Signale Σ, Δ und T über ein System 12 zu einem Decoder 14 übertragen werden, der eine "modifizierte inverse Matrix" hat, die Ausgangssignale W′, X′ und Y′ erzeugt, sowie eine Ausgangsmatrix 16, der Ausgangssignale erzeugt, um nach geeigneter Verstärkung Lautsprecher zu speisen. Das System 12 kann aus einem Aufzeichnungs- und einem Wiedergabegerät oder einem Sender und einem Empfänger bestehen. Es ist ersichtlich, daß die Komponenten des Systems 12 örtlich und/oder zeitlich getrennt werden können, und daß Signale, die sie durchlaufen, einer Dämpfung, Bandbegrenzung und/oder anderen Modifizierungsformen unterworfen werden können, so daß die Signale, die auf den Decoder gegeben werden, Σ′, Δ′ und T′ sind.

Das Eingangssignal W ist ein Rundstrahlsignal, während die Signale X und Y Verstärkungen proportional dem Cosinus und dem Sinus des codierten Schallazimutwinkels R haben, der von einer ersten Bezugsrichtung aus gemessen ist.

Der Codierer 10 ist so ausgebildet, daß er entsprechend den folgenden Codiergleichungen arbeitet:

wobei j (= √) eine 90°-Phasenverschiebung darstellt und a, b, c, d, e, f, g, h und i gleiche Verstärkungen sind und q eine komplexe Verstärkung ungleich Null ist.

Die inverse Matrix 14 führt die Funktion der folgenden Decodiergleichungen durch:

k₁ und k₂ sind positive Verstärkungen und k₃ und t reale Verstärkungen, wobei t die Verstärkung des dritten Kanals ist. Alle diese Verstärkungen können frequenzabhängig und so gewählt sein, daß die verschiedenen Aspekte der subjektiven Wiedergabe optimiert werden. Die Verstärkung k₃ ist eine Richtvorspannungsverstärkung, wie sie in der DE-OS 26 49 525 beschrieben ist.

Wenn die Ausgangsmatrix 16 Signale für eine Lautsprecheranordnung an den Eckpunkten eines regelmäßigen Polygons erzeugen soll, sind die Ausgangssignale der Art, daß an Lautsprecher bei einem Azimutwinkel Φ, gemessen von einer Bezugsrichtung aus, mit einem Signal P _Φ gespeist wird, das gegeben ist durch:

P _Φ = W′ + 2X′ cos Φ + 2Y′ sin Φ

Es ist zu beachten, daß, bevor die Signale P _Φ erzeugt werden, die Signale X′ und Y′ über einen RC-Hochpaßfilter geleitet werden können, um den Lautsprecherabstand auszugleichen, wie in der DE-OS 25 12 287 beschrieben ist.

Für "rechteckige" Lautsprecheranordnungen (Lautsprecher an den Eckpunkten eines Rechtecks) mit Lautsprecherazimutwinkeln Φ, 180°-Φ, -180°+Φ und -Φ können die jeweiligen Lautsprecherspeisesignale P _90°-Φ , P _90°+Φ , P _-90°-Φ und P _-90°+Φ sein, wie in der DE-OS 25 12 287 beschrieben ist.

Verschiedene Codiermatrizen, bei denen die sechs vorbestimmten Winkel 0°, ±60°, ±120° und 180° sind, werden nun beispielsweise beschrieben. Die ersten drei davon sind sogenannte JT-Systeme, bei denen

Eine Alternative zu den vorbeschriebenen JT-Systemen ist das sogenannte HT-System, das auf dem BBC-2-Kanal-Matrix- H-Codiersystem beruht, und bei dem

u = -0,170 v = +1,473

Die Werte der verschiedenen Koeffizienten a bis i der Codiermatrix und die entsprechenden Koeffizienten a′ bis i′ der entsprechenden inversen Matrix für die Systeme 45JT, 55JT, 65JT und HT sind in der folgenden Tabelle I gezeigt.

Tabelle I

Die Faktoren 2 in der Tabelle I ergeben sich aus den Faktoren 2 in dem vorherigen Ausdruck für P _Φ . Der auftretende Schallazimutwinkel, der durch solche Decoder für eine Verstärkung t zwischen 0 und 1 erzeugt wird, stimmt entsprechend der Makita-Lokalisierungstheorie mit dem codierten Azimutwinkel bis aus 2° überein. Für t = 0 und t = 1 ergeben solche Decoder Azimutwinkel entsprechend der Makita-Theorie gleich den codierten Azimutwinkeln für die sechs vorbestimmten Richtungen 0°, ±60°, ±120° und 180°.

Die Parameter k₁, k₂, k₃ und t in den vorherigen Decodiergleichungen haben bevorzugte Werte in Abhängigkeit von der Anzahl der verfügbaren Kanäle, der Kompliziertheit des Decoders und davon, ob die Frequenzabhängigkeit der Schallokalisierung durch das menschliche Ohr berücksichtigt wird. In dem speziellen Fall, wenn alle drei Kanäle für die vollen Bandbreiten verfügbar sind, kann k₁ = k₂ = t = 1 und k₃ = 0 gesetzt werden. Wenn W′ eine Richtverstärkung 1 hat, hat X′ eine Richtverstärkung cos R und Y′ eine Richtverstärkung sin R. Es wurde festgestellt, daß zufriedenstellende decodierte azimutale Ergebnisse entsprechend der Makita-Lokalisierungstheorie erhalten werden können, wenn:

wobei Re "Realteil von" bedeutet. Wenn somit die Ausgangsmatrix 16 (Fig. 1) eine in geeigneter Weise aufgebaute Amplitudenmatrix ist, wird ein im wesentlichen richtiger Azimutwinkel unabhängig von den Werten von k₁, k₂, k₃ und t erhalten, solange k₁<0, K₂<0 und -0,2<t<1,4. Zum Beispiel ist für eine regelmäßige polygonale Anordnung von wenigstens vier Lautsprechern, jeder auf einem Azimutwinkel Φ, das Speisesignal für jeden Lautsprecher gegeben durch:

P _Φ = W′ + 2X′ cos Φ + 2Y′ sin Φ

wie zuvor erläutert wurde.

Wenn somit die Ausgangsmatrix 16 eine in geeigneter Weise aufgebaute Amplitudenmatrix ist, die eine geeignete Lautsprecheranordnung speist, werden im wesentlichen richtige Makuta-Azimutwinkel unabhängig von den Werten von k₁, k₂, k₃ und t erhalten, solange k₁, k₂ < 0 und -0,2 < t< 1,4.

Beispiele geeigneter Werte für diese Parameter zur JT- System-Codierung sind die folgenden, wobei ein halber Kanal ein Kanal ist, der nur für einen Teil des erforderlichen Frequenzbandes zur Verfügung steht.

Psychoakustisch ausgeglichener 3-Kanal-Decodierer:
k₁ = k₂ = t = 1, k₃ = 0 bei Frequenzen «400 Hz,
k₁ = 1,2247, k₂ = 0,8660, t = 1, k₃ = 0 bei Frequenzen «400 Hz.
2-Kanal-Decoder in Grundform k₁ = k₂ = 1, t = k₃ = 0.
Psychoakustisch ausgeglichener 2-Kanal-Decodierer
t = 0 und
k₁ = 0,6592, k₂ = 1,2807, k₃ = 0,1545 bei Frequenzen «400 Hz,
k₁ = k₂ =1, k₃ = 0,4175 bei Frequenzen »400 Hz.
2,5-Kanal-Decodierer in Grundform
k₁ = k₂ = t = 1, k₃ = 0 bei Frequenzen, für die drei Kanäle zur Verfügung stehen,
k₁ = k₂ = 1,1454, k₃ = 0, t = 0, wenn zwei Kanäle zur Verfügung stehen.
2,5-Kanal-Decodierer mit gleichmäßiger Richtverstärkung
k₁ = k₂ = t = 1, k₃ = 0, wenn drei Kanäle zur Verfügung stehen,
k₁ = k₂ = 1,2162, k₃ = 0,5077, wenn zwei Kanäle zur Verfügung stehen.

Die Verstärkung ist innerhalb von 0,52 dB hinsichtlich der Richtung gleichmäßig.

Psychoakustisch ausgeglichener 2,5-Kanal-Decoder
k₁ = k₂ = t = 1, k₃ = 0 bei Frequenzen «400 Hz,
k₁ = 1,2247, k₂ = 0,8660, k₃ = 0, t = 1 bei Frequenzen »400 Hz, wenn drei Kanäle zur Verfügung stehen.
k₁ = k₂ = 1,2162, k₃ = 0,5077, t = 0 bei HF, wenn zwei Kanäle zur Verfügung stehen.
2-Kanal-Decodierer in Grundform mit gleichmäßiger Richtverstärkung:
k₁ = 1, k₂ = 1,15, k₃ = 0,3622, t = 0.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Decoders der zuvor beschriebenen Art. Die empfangenen Signale Σ′ und Δ′ werden auf Phasenkompensationsschaltungen 20 und 22 gegeben, während das Eingangssignal T′ auf eine Schaltung mit einer relativen Verstärkung t gegeben wird. Die Ausgangssignale der Schaltungen 20, 22 und 24 werden auf eine WXY-Schaltung gegeben, der von der in der DE-OS 25 12 287 beschriebenen Art ist, der mit einer Phasen-Amplitudenmatrix versehen sein kann und der vier Ausgangssignale w, x, y und -jw erzeugt. Wenn die Verstärkung t des Kanals T 1 ist, hat das Signal w eine Rundstrahlverstärkung, die Signale x und y haben Verstärkungen, die von dem Cosinus und Sinus des Azimutwinkels des codierten Signals abhängen, und das Signal -jw ist bis auf eine 90°-Phasennacheilung gleich dem Signal w.

Die WXY-Schaltung kann eine Phasen-Amplitudenmatrix sein, die zu der Codiermatrix invers ist, jedoch mit einem zusätzlichen Ausgangssignal versehen ist, das dem Ausgangssignal w gleich, jedoch um 90° phasenverschoben ist.

Die Ausgangssignale der WXY-Schaltung 26 werden auf Verstärker 28, 30, 32 und 34 gegeben, die das Signal w mit der Verstärkung k₁, die Signale x und y mit der Verstärkung k₂ und das Signal -jw mit der Verstärkung k₃ verstärken. Das Ausgangssignal -jwk₃ des Verstärkers 34 wird mit dem Ausgangssignal yk₂ des Verstärkers 32 in einem Addierer 36 kombiniert, um eine Richtungsvorspannung durchzuführen, die in der DE-OS 26 49 525 beschrieben ist, um das Signal Y′ zu erzeugen. Die Signale W′ (= wk₁) und X′ (= xk₂) werden von den Verstärkern 28 und 30 erzeugt und alle drei Signale W′, X′ und Y′ werden auf die Ausgangsmatrix 16 gegeben, die die Form einer Amplitudenmatrix hat und Signale für eine zuvor beschriebene Lautsprecheranordnung erzeugt.

Wie zuvor beschrieben wurde, können die Verstärkungen k₁, k₂, k₃ und t frequenzabhängig sein, in welchem Falle die von den Verstärkern 28, 30, 32 und 34 hervorgerufenen Phasenverschiebungen einander angepaßt sein müssen, und die Phasenkompensationsschaltungen 20 und 22 so ausgebildet sind, daß sie eine Phasenverschiebung gleich der der Verstärkerschaltung 24 erzeugen. Zum Beispiel kann die Schaltung 24 ein Filter mit der komplexen Frequenzkennlinie:

sein, wobei die Zeitkonstante z. B. 75 µsec beträgt. Hierbei sind die Phasenkompensationsschaltungen 20 und 22 Allpaßnetzwerke mit den komplexen Frequenzkennlinien:

Die oben angegebenen Werte für k₁, k₂, k₃ und t sind für jedes System geeignet, das die angegebenen Werte für u und v in JT-Systemen hat.

Die verschiedenen Stufen des Decoders in Fig. 2 können so geändert werden, daß die Verstärkungen an anderen Stellen bewirkt werden, vorausgesetzt, daß der Gesamtvorgang ungeändert bleibt. Zusätzlich können die Signalwege von X′ und Y′ RC-Hochpaßfiltern mit -3dB-Frequenzen im wesentlichen gleich 54/d Hz enthalten, wobei d der Abstand in Metern der Lautsprecher von einem Bezugspunkt in dem Hörfeld ist, um unerwünschte Einwirkungen auf die Schallokalisierung durch die Krümmung des Schallfeldes vom Lautsprecher aus infolge endlicher Hörabstände auszugleichen.

Eine allgemein angewandte Methode zur Codierung von gerichtetem Schall auf vier Kanäle (die mit LB, LF, RF und RB bezeichnet sind), ist die sog. "paarweise Mischung", durch die einem auf den Azinutwinkel R codierten Schall die in der Tabelle II für jeden der vier Kanäle angegebenen Verstärkungen zugeordnet werden.

Tabelle II

Es ist nicht möglich, Rundstrahlsignale (d. h. Signale mit einer Richtverstärkung gleich 1) aus diesen Signalen zu erhalten, jedoch können die Signale W, X und Y mit ausreichender Genauigkeit für die Zwecke der Erfindung dadurch erhalten werden, daß:

wobei 0,707 k _F 1 und 0,707 k _B 1 und:

obwohl die Codierung unter Verwendung dieser Signale für alle Azimutwinkel nicht völlig richtig ist, können die Koeffizienten k _B und k _F so gewählt werden, daß bestimmte ausgewählte Azimutwinkel richtig codiert werden. Die aus W, X und Y abgeleiteten codierten Signale, die so erhalten werden, können dann gemäß der Erfindung decodiert werden.

Eine die Höhe einer Schallquelle betreffende Information kann jedem 3-Kanal-System dadurch beigegeben werden, daß ein vierter Kanal Ω zugefügt wird, der die erforderliche Zusatzinformation enthält. Unter Verwendung der obigen Schreibweise haben die vier Kanäle Richtverstärkungen, die gegeben sind durch

wobei s eine komplexe Verstärkung für den Kanal Q und η der Höhenwinkel gegenüber der Horizontalen ist. Diese Information kann dann für die horizontale Wiedergabe unter Verwendung der zuvor beschriebenen Decoder aus den Signalen in den ersten drei Kanälen unter Vernachlässigung des Kanals Q erhalten werden.

Eine Wiedergabe unter Berücksichtigung der Höhe kann durch Verwendung einer geeigneten Lautsprecheranordnung dadurch erhalten werden, daß die Signale W′, X′ und Y′ aus den Signalen Σ, Δ und T abgeleitet werden, wie zuvor beschrieben wurde, wobei k₁ = k₂ = 1, k₃ = 0, t = 1, so daß ihre Richtverstärkungen 1, cos R cos η und sin R cos η sind, und daß weiterhin das Signal Z′ = s ^-1 Q abgeleitet wird, das die Richtverstärkung sin η hat. Für regelmäßige "polyedrische" Lautsprecheranordnungen wird der Lautsprecher mit Richtcosinus p _i , q _i und r _i mit dem Signal:

k′₁W′ + k′₂p _i X′ + k′₂q _i Y′ + k′₂r _i Z′

gespeist, wobei k′₁ und k′₂ positive Verstärkungen sind, die sich mit der Frequenz ändern können. Diese Verstärkungen können z. B. k₁ = 1 und k′₂ = 3 für Frequenzen wesentlich unter 400 Hz und k′₁ = √ und k′₂ = √ für Frequenzen wesentlich über 400 Hz betragen.

Im allgemeinen können die decodierten Signale W′, X′, Y′ und Z′ aus Σ, Δ, T, Q durch eine Phasen-Amplituden- Matrix derart abgeleitet werden, daß

≅ cos R cos η : sin R cos η : sin η

wodurch eine im wesentlichen korrekte Richtwiedergabe entsprechend der Makita-Schallokalisierungs-Theorie sichergestellt wird. Zum Beispiel können W′, X′, Y′ wie bei irgendeinem der vorher beschriebenen 3-Kanal-Decoder erzeugt und Z′ kann so gewählt werden, daß es ein geeignetes reales Vielfaches von s ^-1 Q ist.

Im Falle der Wiedergabe über eine "kubische" Anordnung von acht Lautsprechern an den Eckpunkten eines Kubus in Richtungen mit Richtcosinus p′′, q′′, r′′ gleich ±p′, ±q′, ±r′ für bestimmte Werte p′, q′, r′ sind die zugehörigen Lautsprecherspeisesignale:

für positive Koeffizienten k′₁, k′₂. Die Ausgangsmatrix solch eines "kubischen" Decoders kann wie die in der DE-OS 25 12 287 beschriebene sein.

Bei jeder Ausführungsform können die Signale L und R anstelle der Signale Σ und Δ übertragen werden, wobei die Beziehung zwischen beiden Signalpaaren folgende ist:

In ähnlicher Weise können die Phasen-Amplitudenmatrizen bzw. WXY-Schaltungen der Decoder so aufgebaut sein, daß sie die Signale L und R anstelle der Signale Σ und Δ verarbeiten.

Alle Verstärkungen, Phasenverschiebungen, Filter und Matrixkreise können in anderer Weise angeordnet, in mehrere Stufen aufgeteilt und/oder kombiniert sein und Gesamtverstärkungen oder -phasenverschiebungen, die parallele Signalwege gleich beeinflussen, können eingeführt werden, um die Gesamtarbeitsweise der Codierer oder Decoder zu ändern. Wenn die Decoderverstärkungen k₁, k₂, k₃ nicht frequenzabhängig sind, können Teile des Decoders nach einer gewünschten Filterung der Eingangssignale Σ′, Δ′ oderΣ′, Δ′, T′ oder L′, R′ oder L′, R′, T′ als einzige feste Phasen-Amplituden-Matrix ausgebildet werden.

Claims (19)

1. Rundumton-Übertragungssystem, mit einem Codierer, dessen Ausgangssignale komplexe Linearkombinationen von Komponenten eines Rundstrahlsignals, von Signalkomponenten mit Verstärkungen, die gleich dem Cosinus des Azimutwinkels des codierten Tons und von Signalkomponenten mit Verstärkungen, die gleich dem Sinus des Azimutwinkels des codierten Tons sind, und über einen ersten, einen zweiten und einen dritten Übertragungskanal einem Decodierer zugeführt werden, dessen Ausgangssignale einer Lautsprecheranordnung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale des ersten und zweiten Übertragungskanals Verstärkungen aufweisen, die jeweils unabhängige Linearkombinationen von Σ _gain und Δ _gain sind, die gegeben sind durch: Σ _gain = a + c cos R + je sin R,
Δ _gain = jb + jd cos R + f sin R,worin R der den Schallquellen zugeordnete Azimutwinkel ist, wobei j = √ für eine 90-Grad-Phasenverschiebung steht und a, b, c, d, e und f reelle Verstärkungen sind, derart, daß für Azimutwinkel R′ des codierten Tones, die einer Anzahl von vorherbestimmten Richtungen entsprechen, folgende Gleichungen erfüllt sind: und 1-(u/v)² cos² R′ positiv ist und das Paar (u, v) keinen der Werte (0, 1) und (0, -1) annimmt, daß das Signal des dritten Übertragungskanals eine Verstärkung T _gain aufweist, welche gegeben ist durch:T _gain = q (jg + jh cos R + (- sin R)), wobei q eine von 0 verschiedene komplexe Verstärkung ist, j = √, g und h reelle Verstärkungen,und daß der Decoder eine Phasen-Amplituden- Matrix (14) aufweist, welche die Übertragungskanalsignale in Ausgangssignale umwandelt, die der Lautsprecheranordnung zugeführt werden, welche an einem vorherbestimmten Ort für den Hörer einen Schalldruck und einen Vektor der Schallschnelle erzeugt, derart, daß bei jeder Tonfrequenz der Vektor, welcher von den Komponenten des komplexen Vektors der Schallschnelle gebildet ist, die in einer Quadratur-Phasenbeziehung zu den Komponenten des Schalldrucks stehen, in einer Richtung orientiert ist, die im wesentlichen gleich ist dem Azimutwinkel des codierten Tons für eine Anzahl von bezüglich einer Referenzrichtung vorherbestimmten Richtungen.

2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden- Matrix (14) die Übertragungskanalsignale in Ausgangssignale umwandelt, die dem einem Azimutwinkel Φ zugeordneten Lautsprecher zugeführt werden, wobei die Signale von der Form sind, P _ψ = [a′ k₁ + 2b′ k₂j cos ψ + (2g′ k₂-a′ k₃)j sin ψ]′ + [c′ k₁j + 2d′ k₂j cos ψ + (2h′ k₂ + c′ k₃) sin ψ]′ + t [e′ k₁ + 2f′ k₂j cos ψ + (2i′ k₂ + e′ k₃) sin ψ] q ^-1 T′wobei Φ = ψ bei Aufstellung der Lautsprecher auf den Eckpunkten eines regelmäßigen Polygons und ψ = 90 Grad - Φ′, 90 Grad + Φ, -90 Grad - Φ′ und -90 Grad + Φ für die jeweiligen Azimutwinkel Φ = Φ′, 180 Grad - Φ′, -180 Grad + Φ′ und -Φ′ bei Aufstellung der Lautsprecher auf den Eckpunkten eines Rechtecks ist, wobei k₁, k₂ positive Verstärkungen sind, k₃ eine reelle Verstärkung ist, t eine Verstärkung derart ist, daß -0,2 kleiner t kleiner 1,4 ist, und wobei die reellen Verstärkungen a′, 2b′, c′, 2d′, e′, 2f′, 2g′, 2h′, 2i′ zu den Verstärkungen a, b, c, d, e, f, g, h, i der Codiergleichungen durch die Matrixgleichung in Beziehung stehen und wobei q die komplexe Verstärkung des Signals T in den Codiergleichungen ist und Σ′, Δ′, T′ den Signalen Σ, Δ, T bzw. den Signalen L+R, L-R, T proportional sind, und wobei die Signale des ersten und zweiten Übertragungskanals komplexe Verstärkungen aufweisen, die entweder A Σ _gain und A Δ _gain oder AL _gain und AR _gain betragen, wobei:L _gain = 1/2 Σ _gain + 1/2 Δ _gain ,
R _gain = 1/2 Σ _gain - 1/2 Δ _gain und A ein reeller oder komplexer Multiplikator ist.

3. Übertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden- Matrix (14) die Übertragungskanalsignale in Ausgangssignale P ψ umwandelt, wobei a′ = 0.9857, 2b′ = 0.5228, c′ = 0.1058,
2d′ = -1.0785, e′ = 0.1667, 2f′ = -1.0000,
2g′ = 0.1846, 2h′ = 1.1148, 2i′ = -0.9428.

4. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden- Matrix (14) die Übertragungskanalsignale in Ausgangssignale P ψ umwandelt, wobei a′ = 0.9876, 2b′ = 0.4418, c′ = 0.0575,
2d′ = -1.0450, e′ = 0.1667, 2f′ = -1.0000,
2g′ = 0.1030, 2h′ = 1.0647, 2i′ = -0.9428.

5. Übertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden- Matrix (14) die Übertragungskanalsignale in Ausgangssignale P ψ umwandelt, wobei a′ = 0.9876, 2b′ = 0.3654, c′ = 0.0040,
2d′ = -1.0181, e′ = 0.1667, 2f′ = -1.0000,
2g′ = 0.0265, 2h′ = 1.0195, 2i′ = -0.9428.

6. Übertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden- Matrix (14) die Übertragungskanalsignale in Ausgangssignale P ψ umwandelt, wobei a′ = 0.9744, 2b′ = 0.2956, c′ = 0.2129,
2d′ = -1.4286, e′ = 0.0839, 2f′ = -1.4549,
2g′ = 0.0603, 2h′ = 1.0131, 2i′ = -0.9877.

7. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden-Matrix (14) die Übertragungskanalsignale in Ausgangssignale umwandelt, derart, daß der Vektor, der von den Komponenten des komplexen Vektors der Schallschnelle gebildet ist, die eine Quadratur-Phasenbeziehung zu den Komponenten des Schalldrucks aufweisen, in Richtung des Azimutwinkels des codierten Tons für sechs vorbestimmte Winkel weist, die relativ zu einer Bezugsrichtung symmetrisch angeordnet sind.

8. Übertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Winkel bezüglich zweier einander orthogonaler Bezugsrichtungen symmetrisch sind.

9. Übertragungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Winkel 0 Grad, 60 Grad, 120 Grad, 180 Grad, -60 Grad und -120 Grad betragen.

10. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer eine Phasen-Amplituden-Matrix (10) umfaßt, welche die Eingangssignale, die von Wandlern kommen, umwandelt in Signale des ersten, zweiten und dritten Übertragungskanals.

11. Übertragungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden- Matrix (10) des Codierers Signale des ersten und zweiten Übertragungskanals erzeugt, die jeweils komplexe Verstärkungen aufweisen von entweder A Σ _gain und A Δ _gain oder AL _gain und AR _gain , wobei L _gain = 1/2 Σ _gain + 1/2 Δ _gain ,
R _gain = 1/2 Σ _gain - 1/2 Δ _gain und A ein reeller oder komplexer Multiplikator ist.

12. Übertragungssystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen- Amplituden-Matrix (10) des Codierers so ausgebildet ist, daß sie Signale für den ersten, zweiten und dritten Übertragungskanal bildet, derart, daß

13. Übertragungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden- Matrix (10) des Codierers so ausgebildet ist, daß sie Signale für den ersten, zweiten und dritten Übertragungskanal bildet, derart, daß a = 0.9530, b = -0.3029, c = 0.2554, d = 0.8034,
e = 0.0661, f = 0.9593, g = -0.1716, h = 1.0000 und
i = -1.0000.

14. Übertragungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden- Matrix (10) des Codierers so ausgebildet ist, daß sie Signale für den ersten, zweiten und dritten Übertragungskanal bildet, derart, daß a = 0.9694, b = -0.2457, c = 0.2191, d = 0.8643,
e = 0.1104, f = 1.0036, g = -0.1716, h = 1.0000 und
i = -1.0000.

15. Übertragungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden- Matrix (10) des Codierers so ausgebildet ist, daß sie Signale für den ersten, zweiten und dritten Übertragungskanal bildet, derart, daß a = 0.9829, b = -0.1842, c = 0.1725, d = 0.9203,
e = 0.1645, f = 1.0412, g = -0.1716, h = 1.0000 und
i = -1.0000.

16. Übertragungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden- Matrix (10) des Codierers so ausgebildet ist, daß sie Signale für den ersten, zweiten und dritten Übertragungskanal bildet, derart, daß a = 0.9915, b = -0.1305, c = 0.2030, d = 0.6580,
e = -0.1305, f = 0.9915, g = -0.0733, h = 0.6873 und
i = -1.0000.

17. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Amplituden-Matrix (10) des Codierers Eingangssignale empfängt, die von einer Mikrophonanordnung abgeleitet werden, die wenigstens drei Zwischensignale erzeugt, von denen das erste ein Rundstrahlsignal ist, welches aus der Summe aller Azimutschallquellen mit gleicher Verstärkung zusammengesetzt ist, das zweite die Summe der Signale aller Azimutschallquellen, von denen jedes eine Verstärkung proportional zum Cosinus des Azimutwinkels des codierten Tons aufweist, und das dritte die Summe der Signale aller Azimutschallquellen ist, von denen jedes eine Verstärkung proportional dem Sinus des Azimutwinkels des codierten Tones aufweist.

18. Übertragungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale des Codierers von mehreren unabhängigen monophonen Signalquellen und einer Amplituden- Matrix-Mischeinrichtung erzeugt werden, wobei das erste Zwischensignal die Summe aller monophonen Signale mit gleicher Verstärkung enthält, das zweite Zwischensignal die Summe aller monophonen Signale, von denen jedes einer Verstärkung proportional dem Cosinus des Azimutwinkels des codierten Tons unterworfen wurde und das dritte die Summe aller monophonen Signale enthält, von denen jedes einer Verstärkung proportional dem Sinus des Azimutwinkels des codierten Tons unterworfen wurde.

19. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale von Vorrichtungen abgeleitet werden, die vier Signale LB, LF, RF und RB erzeugen, entsprechend den Schallrichtungen links hinten, links vorne, rechts vorne und rechts hinten, und daß eine weitere Amplituden-Matrix vorhanden ist, die drei Zwischensignale W, X und Y erzeugt, die gegeben sind durch: W = m [k _F ^-1 (LF + RF) + lk _B ^-1 (LB + RB)],
X = n [(LF + RF) - l (LB + RB)],
Y = n [(LF - RF) + l (LB - RB)],wobei m und n größer als 0 sind und k _F , k _B , und l positive Verstärkungen sind, derart, daß2^-1/2 k _F 1,
2^-1/2 k _B 1,
2^-1/2 l 2^1/2.