DE2903156A1

DE2903156A1 - Verfahren und vorrichtung zur verarbeitung eines audiosignals

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Publication number: DE2903156A1
Application number: DE19792903156
Authority: DE
Inventors: Kenkichi Tsukamoto
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-01-31
Filing date: 1979-01-27
Publication date: 1979-09-06
Also published as: DE2903156C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung
eines Audiosignals Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Verarbeitung eines Ton-, flörfrequenz-oder Audiosignals.
Einleitend sei bemerkt, daß gemäß-der Erfindung ein vollkommen neuartiges Prinzip für die Ton-, Horfrequenz-oder Audio-Technik geschaffen wird.
Unter dem Ausdruck Verarbeitung11 werden all diese nigen Schritte und Behandlungen verstanden, denen ein Audiosignal ausgesetzt ist, während es verschiedenartige Signalwege durchläuft. Der fragliche Ausdruck umfaßt insbesondere alle Schritte oder Behandlungen, denen ein Audiosignal binsichtlich akustischer und mechanischer Schwingungsvorgänge ausgesetzt ist, und zwar auch als elektrisches Signal, nachdem das eigentliche Tonsignal durch ein Mikrofon oder dgl. in ein solches elektrisches Signal umgeformt ist, das dann übertragen, verstärkt, gesteuert, moduliert, demoduliert, durch Rundfunk ausgesendet, empfangen, aufgezeichnet oder wiedergegeben wird, und anschließend das elektrische Signal durch einen Lautsprecher oder dgl1 in eine akustische Schwingung oder Schall schwingung umgeformt wird.
Bei der Verarbeitung eines Audiosignals, insbesondere bei der Verarbeitung eines Audiosignals zur Aufzeichnung und Wiedergabe mit hoher Qualität, wird im allgemeinen das ursprungliche analoge Audiosignal so benutzt, wie es ist, oder das fragliche Signal wird einer irnpulscodemodulation (PCZ) unterzogen0 Eine der Bedingungen zur Aufzeichnung und Wiedergabe des Audiosignals mit hoher Qualität ist die Übertragung der Schwingungsform oder der momentanen Signalwerte mit hoher Genauigkeit, und es besteht die strenge Forderung, daß die Schalldruckfrequenzcharakteristik eben oder flach verläuft und die Verzerrung gering ist, weil man annimmt, daß von dem Signal der Schalldruck (die Schalldruckamplitude) selbst Träger der Audioinformation ist.
Es ist allerdings bekannt, daß bei der abwechselnden Verwendung verschiedener Verstärker, die in bezug auf ihr Frequenzverhalten gemäß der Beurteilung der Schalldruckunterscheidungsschwelle einer Person auf der Grundlage eines üblichen akustischen Prinzips als vollkommen miteinander gleich betrachtet werden, unterschiedliche Klangqualitäten festgestellt werden können. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache kann angenommen werden, daß das übliche oder konventionelle Prinzip, nämlich daß die Wiedergabe eines Schalldrucks der genauen Ubertragung der Audio-Information entspricht, falsch ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zur Verarbeitung eines Audiosignals und eine entsprechende Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens zu schaffen.
Nach dem neuartigen erfindungsgemäßen Prinzip wird von einer Differenzschaltung mit einem Widerstandselement und einem Kapazitätselement ein Differenzsignal gewonnen, das die Differenz zwischen einem zugeführten Audiosignal bzw. einem Audioeingangssignal und einem Signal darstellt, das gegenüber dem Audiosignal eine geringfügige Phasenverschiebung aufweist. Das gewonnene Differenzsignal wird verwendet, um das Audiosignal so zu verarbeiten, daß Schallereignisse oder Klånge gewonnen werden, die in einem hohen Maße dem ursprünglichen Signal getreu sind.
Das erfindungsgemäße Prinzip sowie bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Kurvenform zur Erläuterung der Eigenschaften eines die Erfindung betreffenden Signals, Fig. 2 und 3 Vektordiagramme und Kennlinien zur Erläuterung der Eigenschaften des die Erfindung betreffenden Signals, Fig. 4 bis 8 Schaltbilder zur Erläuterung verschiedenartiger Ausführungsformen der Erfindung, Fig. 9 eine Kurvenform zur Erläuterung verschiedenartiger die Erfindung betreffender Signale, Fig. 10 ein Vektordiagramm, das ein vergrößertes Differenzsignal darstellt, Fig. 11 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig. 12 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung, Fig. 13 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und Fig. 14 ein Vektordiagramm zur Darstellung der Eingangs- und Ausgangsbeziehung der Schaltung nach der Fig. 13.
Die Erfindung wurde unter der Voraussetzung entwickelt, daß die Audio-Information, die für den Hörsinn des Menschen am wichtigsten ist, von Schalldruckschwankungen innerhalb einer extrem kurzen Zeitperiode getragen wird, obgleich man bisher angenommen hat, daß die Audio-Information von der Größe oder dem Betrag des Absolutwertes des Schalldruckes getragen wird. Falls die Schalldruckschwankungen oder Schalldruckveränderungen gestört oder deformiert werden, und zwar in einem noch so geringen Ausmaß, nimmt ein Mensch unterschiedliche Töne oder Klänge wahr. Folglich ist es wesentlich, daß bei der Übertragung ein Signal, das Schwankungen oder Veränderungen im Schalldruck zeigt, nicht gestört oder beeinträchtigt wird. Es soll in einer solchen Form übertragen werden, bei der die Audio-Information des Signals am wenigsten Schaden leidet.
(I) Nach der Erfindung wird ein Audiosignal mit einem Differenzsignal verarbeitet, das die Differenz zwischen einem Audioeingangssignal und einem Signal ist, dessen Phase gegenüber dem Audioeingangssignal geringfügig verschoben ist, d.h. einem Signal, das eine geringe Zeitverzögerung oder Zeitvoreilung aufweist. Dieses Differenzsignal zeigt einen Signalschwankungsprozentsatz innerhalb der verzögerten oder voreilenden Zeit an und tastet kontinuierlich die Veränderungen oder Schwankungen mit der Zeit ab.
Die Ausdrücke Abtastung, "Abtastfrequenz" und "Abtastzeit" werden in Übereinstimmung mit der verzögerten oder vorgerückten Zeit verwendet.
Da die Veränderungs- oder Schwankungswerte eines Audiosignals in einer extrem kurzen Zeit gegeben sind, stellt das Differenzsignal eine Signalkurvenform mit dem Neigungswert einer Sekante der Signalkurvenform für eine extrem kurze Zeit dar.
Kurz gesagt hat das Differenzsignal die folgenden Vorteile: Wie es aus der Fig. 1a hervorgeht,wird für ein extrem kurzes Zeitintervall T in einer Kurvenform W eine Sekante 11 in Übereinstimmung mit dem Differenzsignal zu dieser Zeit bestimmt. Es wird angenommen, daß die Kurvenform eine Störung oder Deformation D während dieses kurzen Zeitintervalls T erfährt. Die Sekante l1 wird von dieser Störung oder Deformation D nicht beeinträchtigt. Wenn man allderdings das konventionelle Verfahren zur Übertragung von Signalwerten mit hoher Genauigkeit anwenden würde, käme es zu einer Übertragung der Störung oder Deformation in der Weise, wie sie vorliegt. Im Hinblick auf Veränderungen oder Schwankungen im Signalwert liefert somit das übliche oder konventionelle Verfahren eine vollständig unterschiedliche Information.
Nacht man hingegen von dem Differenzsignal Gebrauch, kann dieser Nachteil vermieden werden, indem man die Abtastzeit innerhalb eines Bereiches einstellt, während dem Information übertragen werden kann und dennoch ein Signal kaum gestört oder beeinträchtigt wird. Weiterhin kann man den prozentualen Verlust von Schwankungen oder Veränderungen (Information) des Signals so klein wie möglich machen.
Als nächstes sollen die Eigenschaften des Differenzsignals erläutert werden. Die Fig. 2 zeigt die Beziehungen in der Phase und in der Amplitude zwischen einem analogen Signal S, einem analogen Signal S', das dem analogen Signal S um 5/us nacheilt, und einem Signal A S an, das man als Differenz zwischen diesen beiden Signalen (aS 5 - St) erhält. Für den Zweck der Untersuchung der Eigenschaften des Differenzsignals werden vier Frequenzen betrachtet, und zwar 20000 Hz, 2000 Hz, 200 Hz und 20 Hz.
In der Fig. 2a sind die Verhältnisse für 20000 Hz dargestellt. Das Signal S hat eine Amplitude von 11111, und das Signal S r eilt dem Signal S um 5/us (360) nach. Die Differenz zwischen den beiden Signalen S und S' bildet das Differenzsignal # S. Das Differenzsignal'5 eilt dem ursprünglichen Signal S um 720 nach, und seine Amplitude beträgt 0,61804. Im Falle der Fig. 2b hat das ursprüngliche Signal S eine Frequenz von 2000 Hz und eine Amplitude von 'r1". Das Signal st eilt dem Signal S um 5/us (3,60) nach.
Das Differenzsignal S zwischen diesen beiden Signalen eilt dem ursprünglichen Signal S um 88,20 nach und hat eine Amplitude von 0,0628215, also etwa 1/10 der Amplitude des Differenzsignals/2 5 im Falle von 20000 Hz. Der Fall, bei dem das ursprüngliche Signal S ein 200-Hz-Signal mit einer Amplitude von 1" ist, zeigt die Fig. 2c. Die Nacheilung um 5/us entspricht hier 0>360. Das Differenzsignal AS eilt dem ursprünglichen Signal S um 89,820 nach. Die Amplitude des Signals # S beträgt 0,00628317. In der Fig. 2d ist schließlich der Fall für 20 Hz dargestellt. Das ursprüngliche Signal S hat eine Amplitude von "i". Die Nacheilung von 5/us entspricht 0,0360. Das Differenzsignal 5 eilt dem ursprünglichen Signal S um 89,980 nach und hat eine Amplitude von 0,000628318. Die gleichen Verhältnisse sind in der Fig. 3 kontinuierlich dargestellt. Eine Kurve C gibt die Phase (in Grad) und eine im wesentlichen gerade Linie C2 gibt die Amplitude (in dB) des Differenzsignals in Abhängigkeit von der Frequenz an.
(II) Ein derartiges Differenzsignal kann man mit Hilfe einer nachfolgend beschriebenen Differenzschaltung gewinnen. Diese Differenzschaltung ist einer Differenzierschaltung mit einem Widerstand R und einem Kondensator C ähnlich und in der Fig. 4 dargestellt. Bezüglich einer Zeitkonstanten g gilt allerdings die folgende Bedingung: Bedingung: wobei T die Abtastperiode und fs die Abtastfrequenz ist.
Wenn die Grenzfreauenz f der Differenzschaltunz der Gleichung R Beziehung: -c genügt, erhält man die folgende Somit gilt: fs = tfc-Folglich kann man durch Einstellen der Abtastfrequenz auf einen Wert vom riisfachen bis 10fachen einer hohen Schwellwertfrequenz frc erreichen, daß sich die Abtastfrequenz hinreichend dem theoretischen Wert des Differenzsignals nähert. Die Werte R und C kann man aus dieser Abtastfrequenz (oder der Grenzfrequenz der Differenzschaltung) bestimmen. Wenn beispielsweise die Wiedergabe eines Audiosignals bis zu 20000 Hz erforderlich ist, sollte die Abtastfrequenz größenordnungsmäßig 64000 Hz bis 640000 Hz betragen.
In der folgenden Tabelle 1 sind Amplituden und Phasenverschiebungen von Ausgangs signalen der in der Fig. 4 dargestellten Differenzschaltung sowie Fehler von den oben erwähnten theoretischen Werten in bezug auf verschiedenartige Frequenzen für den Fall von fc = 63661,97723 Hz angegeben.

Tabelle 1

Frequenz Hz 20 200 2000 20000

Theoretischer 89,982° 89,82° 88,2° 72°

Wert

Berechneter 89,9820° 89,8200° 88,2006° 72,5594°

Wert

Fehler +0,00000002° +0.00000061° +0,00059184° +0,55940554°

Theoretischer -64,0364(dB) -44,0364 -24,0378 -4,1798

Wert

Berechneter -64,0364(dB) -44,0364 -24,0407 -4,4452

Wert

Fehler etwa 0 (dB) etwa 0 +0,00286 +0,26543

Aus der Tabelle 1 geht hervor, daß für die Differenzschaltung der Amplitudenwert und der Phasenwert miteinander in bezug auf das theoretische Differenzsignal übereinstimmen.

Die oben erläuterte Schaltung zum Gewinnen eines Signals, das einem solchen Differenzsignal angenähert ist, kann durch irgendeine Schaltung ersetzt werden, sofern diese Schaltung Phasen- und Amplituden-Frequenz-Kennlinien aufweist, die derjenigen der Schaltung nach der Fig. 4 äquivalent sind. Eine Reihe solcher Schaltungen ist allgemein bekannt (vgl. ??Audio Amplifier Design and Adåustment", veröffentlicht von Kindai Kagakusha). Es sind beispielsweise Schaltungen mit Widerständen R1 und R2 sowie einer Spule L bekannt, wie es in der Fig. 5 dargestellt ist.
Die Fig. 6 zeigt eine Schaltung mit einem aktiven Element, nämlich einem Transistor Q, sowie einem Widerstand R und einer Spule L.
Das oben ençähnte DifferenzsignalnS kann man nach einem Verfahren gewinnen, bei dem ein nacheilendes Signal S' einmal gebildet wird und dann die Differenz zwischen dem Signal S' und dem ursprünglichen Signal S erzeugt wird ca S = S - 5'). Die Differenz (S - S') kann man mit einem Differentialverstärker oder einem Addierer berechnen.
Verschiedenartige Mittel, wie eine Verzögerungsleitung, eine Verzögerungsschaltung und ein Magnetkopf, sind bekannt, um das nacheilende Signal S' aus dem ursprünglichen Signal S zu erhalten. Die gleiche Wirkung wird allerdings dadurch erzielt, indem man die folgende Bedingung auf eine passive Schaltung nach der Fig. 7 anwendet. D.h., wenn man die folgende Bedingung in bezug auf eine Zeitkonstanze verwirklicht, kann man ein beachtenswert effektives nacheilendes Signal erhalten: wobei fs die Abtastfrequenz, T die Abtastperiode und frc die erforderliche hohe Schwellwertfrequenz ist.
Die folgende Tabelle 2 zeigt Vergleiche zwischen Ausgangswerten der Schaltung nach der Fig. 7a und den theoretischen Werten nacheilender Signale bei einer Abtastperiode von 5/us.

Tabelle 2

Frequenz HZ 20 200 2000 20000

Theoretischer 0,036 0,36 3,6 36

Wert

Berechneter 0,0359 0,3599 3,5952 32,1419

Wert

Fehler -6,52 x 10-9 -4,73 x 10-6 -4,76 x 10-2 -3,85

Theoretischer 1 1 1 1

Wert

Berechneter 0,9999 0,9999 0,9980 0,8467

Wert

Fehler -1,71 x 10-5 -1,71 x 10-4 -1,71 x 10-2 -1,44

Die folgende Tabelle 3 zeigt Ausgangswerte und theoretische Werte verzögerter Signale der Schaltung nach der Fig. 7b, in der die Schaltungskonstanten so bestimmt sind, daß eine Phasendifferenz von 360 bei 20000 Hz auftritt und daß die oben erwähnte Bedingung erfüllt ist, wobei ein Signal gebildet wird, das um 5/us nacheilt.

Tabelle 3

Frequenz Hz

Theoretischer 0,036 0,36 3,6 36

Wert

Berechneter 0,0360 0,3600 3,6001 36

Wert

Fehler etwa 0 etwa 0 etwa 0 etwa 0

Theoretischer 1 1 1 1

Wert

Berechneter 0,99999 0,9999 0,99937 0,93548

Wert

Fehler etwa 0 -0,00005 -0,00541 -0,57922

Bezüglich der Schaltung nach der Fig. 7 geht aus den Tabellen 2 und 3 hervor, daß der Phasenwert und der Amplitudenwert miteinander bezüglich des theoretischen Verzögerungssignals S' übereinstimmen. Dieses Verzögerungssignal kann man mit irgendeiner Schaltung gewinnen, sofern diese die Phasen- und Amplituden-Frequenz-Kennlinien aufweist, die mit denjenigen der Schaltungen nach -der Fig. 7 äquivalent sind. Eine Vielzahl solcher Schaltungen sind bekannt (vgl. die oben genannte Veröffentlichung).

Die erwähnten Schaltungen können auch in Kaskade miteinander verbunden werden, falls es erforderlich ist.
Sie können aber auch lediglich als Verzögerungsschaltungen Anwendung finden.
Um aus dem Differenzsignal iS das ursprüngliche Signal S zu erhalten, wird das Differenzsignal mit dem sehr kurzen Zeitintervall T integriert. So kann man das ursprüngliche Signal S mit Hilfe einer künstlichen Schaltung (Integrationsschaltung) erhalten, die eine zu der erläuterten Differenzschaltung entgegengesetzte Schaltung aufweist, wie es in der Fig. 8 dargestellt ist. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei der Differenzschaltung der Ausgangswert "0" ist, wenn die Frequenz "0" ist, so daß dementsprechend bei der entgegengesetztenSchaltung der Ausgangswert unendlich werden muß, wenn die Frequenz "0" ist. Eine solche künstliche Schaltung existiert jedoch nicht. Die in Aussicht genommene Schaltung kann man dadurch erhalten, daß man eine phasenkorrigierende Schaltung mit einer niedrigen Schwellwertfrequenz fg hinzufügt.
Wenn die Abtastfrequenz 200 kHz beträgt und die niedrige Schwellwertfrequenz f gleich 20 Hz ist, haben die Schaltungskonstanten der in der Fig. 8 dargestellten Schaltung die folgenden Werte: r1 = 19990#, r2 = 10#, r3 = r4 = 6000# C1 = 0,25µF und C2 = 0,416µF.
Für die oben erläuterten Ausführungsbeispiele ist es wesentlich, daß innerhalb des Hauptfrequenzbandes von 20 bis 2000 Hz die Phasenlinearität (direkt proportionale Beziehung) genau eingehalten wird. Ein ausreichendes Ergebnis wird dadurch erzielt, daß der Konvergenzbereich (wo der Phasenwert dem Frequenzwert proportional ist) einer Schaltung (verschiedenartige Schaltungen sind in der oben erwähnten Veröffentlichung mit Kurven A bis E beschrieben) mit einer Konvergenzkennlinie korrigiert wird, so daß die ideale Kurve eine Asymptote wird.
Aus den obigen Erläuterungen geht hervor, daß bei der Verarbeitung von Audio-Information unter Verwendung des Differenzsignals die Information kaum gestört oder beeinträchtigt wird. Mit einem Verfahren, bei dem die Differenzschaltung direkt mit einem Mikrofon verbunden ist oder die Kennlinie eines Mikrofons in äquivalenter Weise die Eigenschaft der Differenzschaltung umfaßt, um das Audiosignal in ein Differenzsignal umzuformen, und bei dem dann das Differenzsignal durch eine Integrierschaltung oder eine künstliche Schaltung unmittelbar vor der Wiedergabe als Schallereignis über verschiedenartige Wege oder eine geeignete Vorstufe in ein Audiosignal umgewandelt wird, erhält man folglich ein Wiedergabe signal, das dem ursprünglichen Signal beträchtlich ähnlicher ist. In dem Aufzeichnungsgerät werden somit das Mischen und die Aufzeichnung mit dem Differenzsignal ausgeführt, und das Differenzsignal wird auf einem Band oder einer Aufzeichnungsplatte aufgezeichnet. Wenn das Differenzsignal über Rundfunk ausgestrahlt wird, wird das Differenzsignal von der allgemeinen Ton- oder Audioanlage verarbeitet. Man erhält dann Schallereignisse oder Klänge, die eine außerordentlich gute Qualität haben.
Da darüberhinaus ein Signal gehandhabt wird, dessen Amplitude klein ist, kann man die zugehörige Anlage mit relativ geringer Leistung betreiben. Weiterhin kann es sich bei dem Differenzsignal selbst um ein Signal handeln, das einer Impulsmodulation unterzogen wurde, beispielsweise einer Impulscodemodulation.
(III) Selbst wenn man das ursprüngliche Signal S und das Verzögerungssignal S' einigemal erhöht, besteht das Ergebnis lediglich darin, daß ihre Pegel gleichförmig zunehmen. Erhöht man aber andererseits das Differenzsignal um um einen Faktor K (K ist irgendeine Zahl mit Ausnahme von "0" und 1"), wird die Differenz verstärkt oder angehoben. Das bedeutet, daß die Veränderungs- oder Schwankungskomponente verstärkt wird. Mit dem Differenzsignal kann man einen Vorgang verstärken, der Information trägt, die von einem gewöhnlichen Signal nicht getragen-werden kann. Dennoch wird das Signal kaum gestört oder beeinträchtigt, wenn es mit dem Fall verglichen wird, bei dem das Differenzsignal gehandhabt wird, wie es ist. Die obigen Ausführungen werden unter Bezugnahme auf die in der Fig. 9 dargestellten verschiedenartigen Kurven augenscheinlich.
An Hand der Fig. 10 wird erläutert, daß man eine Vielzahl von Verfahren in Betracht ziehen kann, um ein Signal zu gewinnen, das man durch Erhöhen des Differenz signals #S um den Faktor K erhält. Da, wie es in der Fig. 10b dargestellt ist, t = XA + 2 = 03 + 2, kann man ein Signal & mit einer verstärkten Komponente erhalten, was durch die folgende Gleichung zum Ausdruck gebracht ist: = S + 4 #S = S' + 5 #S Da in ähnlicher Weise OD = OA + AD = OB t BD, kann man 4 = S - 3#S S = S' - 2 A S erhalten. Im allgemeinen gilt: = S + K#S = S + (K + 1 )S, wobei K + 0. oder 1.
Somit ist es lediglich notwendig, KAS zu erhalten.
Man kann daher das Ganze mit dem Faktor K mit Hilfe eines Verstärkers multiplizieren, um folgendes zu erhalten: #= #S' + #S und # = # S - # S. In der Fig. 10b ist OB = S1 und CB = # S'. in der Fig. 10c ist OB = ' und BC = # S'.
Das Signal, das wie oben beschrieben das verstärkte Differenzsignal enthält, kann man mit Hilfe des folgenden Verfahrens gewinnen. Dazu wird auf die Fig. 11 Bezug genommen. Das Differenzsignal S wird von einer Differenzschaltung 60 abgenommen, die das Differenzsignal s direkt aus dem ursprünglichen Signal S ableitet. Eine Einstelleinheit 61, die eine Phasenumkehrschaltung und eine Entzerrerschaltung enthält, liefert ein Signal S/K. Diese Signale #S und S/K werden mit Hilfe einer Additionsschaltung (oder Differentialschaltung) 62 in ein gewünschtes Signal S+K#S gebracht. Die Differenzschaltung 60 ist so aufgebaut, wie es aus den Fig. 4 bis 5 hervorgeht.
Wenn man eine in der Fig. 12 dargestellte Schaltung unter Verwendung einer solchen Umformerschaltung wie oben beschrieben ausbildet, kann man den Verstärkungs- oder Anhebungs- bzw. Betonungsvorgang erhalten, der auf dem Prinzip des in der Fig. 10b dargestellten Diagramms beruht. Bei der Schaltungsanordnung nach der Fig. 12 erscheint das Signal st am Ausgang einer Umwandlungs- oder Umformerschaltung 90 entsprechend der Fig. 7, und das Ausgangssignal -S erscheint am Ausgang einer Phasenumkehrschaltung 91. Diese beiden Signale werden Einstelleinheiten 92 bzw. 93 zugeführt, um die Signale (1 + #S' bzw. -5' zu erhalten. Anschließend erfolgt eine Addition In einem Addierer 94. Am Ausgang des Addierers 94 erscheint dann ein Signal: (1 + #)S' - S = S' - S + # S' = #S + # S'.
Für den Fall K> 0, steht mit der in der Fig. 13 dargestellten Schaltungsanordnung eine wirksame künstliche Schaltung zur Verfügung.
Das Signal mit dem angehobenen Differenzsignal kann man mit Hilfe einer Schaltung von der in der Fig. 13a dargestellten Art erhalten.
Wenn man in dieser Schaltung(R1 + R2yR2 = b und 2 tfCR1 = s setzt, kann man bekanntlich die Amplitudenphasencharakteristik D der Schaltung durch die folgende Beziehung ausdrücken: Die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal D dieser Schaltung und dem Eingangssignal S ist in der Fig. 14 dargestellt. In bezug auf das Eingangssignal S (OB) hat das Ausgangssignal D (t ) der Schaltung eine Amplitude und eine Phase, wie es durch die obigen Gleichungen mit den Konstan-.
ten b und s angegeben ist. Wenn man sich andererseits einen in die Figur eingezeichneten Kreis mit einem Radius OB ( = 1) mit dem Mittelpunkt 0 vorstellt, schneidet die Verlängerung einer geraden Linie AB, die die Enden der Vektoren OA und OB miteinander verbindet, den gedachten Kreis an einer StelleD. Ein Vektor OD gibt das Verzögerungssignal SX wieder, und tB =As (Differenzsignal)..
Wenn man somit die Werte b und s durch Auswahl der Schaltungskonstanten festlegt, erhält man ein bestimmtes Ausgangssignal, und das Differenzsignal mit einer vorbestimmten Abtastzeit (entsprechend der Phasendifferenz zwischen den Signalen S und S) wird in Übereinstimmung mit diesem besonderen Ausgangssignal festgelegt. Das bedeutet, daß das Ausgangssignal der Schaltung eine latent angehobene Komponente hat, die man durch Erhöhung des Differenzsignals um einige Male erhält.
Wenn man die Werte C und R1 so bestimmt, daß sie dem folgenden Ausdruck genügen, und den Wert R2 ebenfalls festlegt, kann man die Ergebnisse der nachfolgenden Tabelle 4 entnehmen: und In dieser Tabelle 4 ist die Amplitude des ursprünglichen Signals S gleich 1111!, und die Phase ist angegeben in Grad unter Bezugnahme auf das ursprüngliche Signal.

Tabelle 4

Frequenz Hz 20 200 2000 20000

b Signal Amplitude Phase Amplitude Phase Amplitude Phase Amplitude Phase

D 1,0000 0,0662 1,0001 0,6615 1,0132 6,5221 1,7320 30,000

BA 0,0012 89,97 0,0115 89,67 0,1153 86,70 1,0000 60,00

3 DB 0,0012 " 0,0115 " 0,1153 " 1,0000 "

BA/DB 1,0 1,0 1,0 1,0

Abtastzeit 9,193 9,189 9,179 8,333

(µsec.).

D 1,0000 0,1025 1,0002 1,0247 1,0237 10,04 2,2361 41,81

BA 1,0018 89,97 0,0179 89,74 0,1787 87,44 1,6330 65,90

5 DB 0,0009 " 0,0089 " 0,0894 " 0,8165 "

BA/DB 2,0 2,0 2,0 2,0

Abtastzeit 7,118 7,118 7,113 6,693

(µsec.)

D 1,0000 0,1230 1,0003 1,2990 1,0337 12,655 2,6458 48,590

BA 0,0023 89,98 0,0227 89,78 0,2266 87,84 2,121 69,30

7 DB 0,0008 " 0,0076 " 0,0755 " 0,7071 "

BA/DB 3,0 3,0 3,0 3,0

Abtastzeit 6,022 6,015 6,013 5,751

(µsec.)

Fortsetzung

Frequenz Hz 20 200 2000 20000

b Signal Amplitude Phase Amplitude Phase Amplitude Phase Amplitude Phase

D 1,0000 0,1528 1,0004 1,5273 1,0435 14,79 3,0000 53,13

BA 0,0027 89,98 0,0267 89,81 0,2665 88,09 2,530 71,57

9 DB 0,0007 " 0,0067 " 0,0666 " 0,6325 "

BA/DB 4,0 4,0 4,0 4,0

Abtastzeit 5,300 5,305 5,303 5,121

(µsec.)

D 1,0000 0,1631 1,0005 1,6300 1,0483 15,74 3,1623 54,90

BA 0,0028 89,98 0,0285 89,82 0,2845 88,19 2,7137 72,45

10 DB 0,0006 " 0,0063 " 0,0632 " 0,6030 "

BA/DB 4,5 4,5 4,5 4,5

Abtastzeit 5,033 5,033 5,031 4,875

(µsec.)

D 1,0000 0,1864 1,0006 1,8628 1,0602 17,85 3,5355 58,41

BA 0,0033 89,98 0,0325 89,84 0,3251 88,38 3,1300 74,21

12.5 DB 0,0006 " 0,0057 " 0,0565 " 0,5443 "

BA/DB 5,75 5,75 5,75 5,75

Abtastzeit 4,502 4,502 4,500 4,387

(µsec.)

Fortsetzung

Frequenz Hz 20 200 2000 20000

b Signal Amplitude Phase Amplitude Phase Amplitude Phase Amplitude Phase

D 1,0000 0,5672 1,0050 5,6533 1,4141 44,43 10,10 78,58

BA 0,0099 89,99 0,0990 89,94 0,9900 89,43 9,8509 84,29

100 DB 0,0002 " 0,0020 " 0,0200 " 0,1990 "

BA/DB 49,5 49,5 49,5 49,5

Abtastzeit 1,592 1,592 1,591 1,586

(µsec.)

Nach Überprüfung der Ergebnisse in der Tabelle 4 kann man verstehen, daß BA/DB für alle Frequenzen gleich ist, wohingegen die Abtastzeit die Abtastzeit für alle Frequenzen im wesentlichen gleich ist, und die Amplituden-Frequenz-Kennlinie im wesentlichen flach oder eben verläuft und die Phasen-Frequenz-Kennlinie im wesentlichen richtungsmäßig eine proportionale Relation aufweist. Eine derartige Schaltung ist somit wirksam.

Die Relation zwischen b und BA/DB wird untersucht, indem die Tabelle 1 und die Fig. 14 in Betracht gezogen werden, und zwar unter der Bedingung, daß das Signal D durcWieölgende Gleichung gegeben ist: D = S + KA Mit K = b + 1 , d.h. 2(K - 1) + 1 = b, kann man 2 verstehen, daß K - 1 = BA/DB.
Wenn man b durch Auswahl der Schaltungskonstanten festlegt, kann man ein um einen Faktor b+l = K erhöhtes 2 oder angehobenes Differenzsignal erhalten. Das bedeutet, daß man das Signal einschließlich des um den Faktor K angehobenen Differenzsignals durch Bestimmung von b und folglich der Schaltungskonstanten erhalten kann.
Da man gemäß der Erfindung das oben beschriebene Signalinkrement erhalten kann, ist es bei der Verarbeitung eines Audiosignals möglich, falls eine Dämpfung durch das Signal festgestellt oder geschätzt wird, das Signal um das Ausmaß der Dämpfung anzuheben, so daß das gedämpfte Signal sich dem ursprünglichen Signal bei der Wiedergabe nähert.
Wenn die Dämpfung, die das Signal zukünftig erfahren kann, abschätzbar ist, besteht die Möglichkeit, das Signal um den geschätzten Dämpfungswert anzuheben, bevor es über tragen wird.
Weiterhin können beispielsweise ein Mikrofon, ein.
Tonabnehmer oder ein Lautsprecher so ausgebildet sein, daß sie eine Kennlinie auSweisen, die die Eigenschaft einer äquivalenten Schaltung beinhaltet, die gleicher maßen den Signalinkrementvorgang ausführt. Schließlich kann man auch in Anbetracht einer zu erwartenden Signaldämpfung ein angehobenes oder verstärktes Signal auf einer Aufzeichnungsplatte oder einem Magnetband aufzeichnen. Schließlich kann auch eine Entzerrerschaltung, die zur Wiedergabe einer Schallplatte oder eines Magnetbandes erforderlich ist, so konstruiert sein, daß sie eine Kennlinie hat, aufgrund der die angehobene Komponente subtrahiert wird.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das ursprüngliche Audiosignal angehoben. Es ist auch möglich, daß das Differenzsignal, das man von der Differenzschaltung erhält, übertragen wird, wie es ist, und daß die Anhebung oder Erhöhung vorgenommen wird, wenn das Signal vor der Ansteuerung eines Lautsprechers demoduliert wird.
Wie bereits erwähnt, ist es für die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele wesentlich, daß im Hauptfrequenzband von 20 bis 2000 Hz die Phasenlinearität (direkte proportionale Beziehung) genau eingehalten wird. In dieser Beziehung kann man ein ausreichendes Resultat dadurch erhalten, daß der Konvergenzbereich (wo der Phasenwert dem.
Frequenzwert proportional ist) einer Schaltung (verschiedenartige Schaltungen mit Kurven A bis E sind in der erwähnten Veröffentlichung beschrieben) mit einer Konvergen-zkennlinie so korrigiert, daß die idealen Kurven zu einer Asymptote werden.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß bei der Handhabung von Audio-Information mittels des Differenzsignals die Information kaum gestört oder beeinträchtigt wird. Da das angehobene oder verstärkte Differenzsignal die Leistungspegelkomponente S oder S' enthält, kann es direkt einen Lautsprecher ansteuern, um Schallsignale zu erhalten. Folglich kann man ein Wiedergabesignal, das dem ursprünglichen Signal wesentlich ähnlicher ist, gemäß einem Verfahren gewinnen, bei dem die anhebende oder verstärkende Differenzschaltung direkt mit einem Mikrofon verbunden ist oder die Kennlinie eines Mikrofons in äquivalenter Weise die Eigenschaft der Differenzschaltung beinhaltet, um das Audiosignal in das angehobene Differenzsignal umzuformen, das'dann über verschiedenartige Signalwege als Schall abgegeben werden kann.
In der Aufzeichnungsanordnung werden das Mischen und das Aufzeichnen mit dem angehobenen Differenzsignal vorgenommen. Somit wird das angehobene Differenzsignal auf dem Band oder der Aufzeichnungsplatte aufgezeichnet.
Falls eine Rundfunkanlage das angehobene Differenzsignal aussendet oder überträgt und die allgemeinen Audioanordnungen die Verarbeitung mit dem angehobenen Differenzsignal vornehmen, kann man Schallereignisse erhalten, die eine beachtlich hohe Qualität aufweisen.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß der Ausdruck 1?Schaltung11 auch äquivalente Schaltungen oder Ersatz schaltungen umfassen soll und daß diese Schaltungen auch mechanischer Natur sein können, beispielsweise mechanische Schwingsysteme. Das Differenzsignal kann einer Impulsmodulation, beispielsweise einer Impulscodemodulation, unterzogen werden.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Verarbeiten eines Audiosignals, dadurch gekennzeichnet, daß das Audiosignal mit einem Differenzsignal verarbeitet wird, das die Differenz zwischen dem Audiosignal und einem Signal darstellt, das gegenüber dem Audiosignal um eine extrem kurze Zeitspanne außer Phase ist.
2. Vorrichtung zur Verarbeitung eines Audiosignals, gekennzeichnet durch eine ein Differenzsignal bildende Schaltungsanordnung mit einer ersten Schaltung, die zwei Eingangsanschlüsse, zwei Ausgangsanschlüsse, ein zwischen den einen Eingangsanschluß und den einen Ausgangsanschluß geschaltetes Kapaz.itätselement und ein zwischen die Ausgangsanschlüsse geschaltetes Widerstandselement aufweist und deren Zeitkonstante so'gen wählt ist, daß sie gleich 1/2 einer Abtastperiode eines Differenzsignals ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die das Differenz signal bildende Schaltungsanordnung eine Phasen- und Ämplituden-Frequenz-Kennlinie aufweist, die mit derjenigen der ersten Schaltung äquivalent ist.
4. Vorrichtung zur Verarbeitung eines Audiosignals, gekennzeichnet durch eine ein nacheilendes Signal bildende Schaltungsanordnung mit einer ersten Schaltung, die eine Eingangsseite mit zwei Eingangsanschlüssen, eine Ausgangsseite mit zwei Ausgangsanschlüssen, ein zwischen den einen Eingangsanschluß und den einen Ausgangsanschluß geschaltetes Widerstandselement und ein zwischen die Ausgangsanschlüsse geschaltetes Kapazitätselement aufweist und die eine Zeitkonstante hat, die gleich einer Abtastperiode eines Differenzsignals gewählt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n æ e i c h n e t daß die das nacheilende Signal bildende Schaltungsanordnung eine Phasen- und Amplituden-Frequenz-Kennlinie aufweist, die mit derjenigen der ersten Schaltung äquivalent ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die das nacheilende Signal bildende Schaltungsanordnung eine erste Schaltung mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstandselement und einem Induktivitätselement aufweist, daß diese Reihenschaltung zwischen den einen Eingangsanschluß und den einen Ausgangsanschluß geschaltet ist, daß ein Kapazitätselement zwischen die Ausgangsanschlüsse geschaltet ist und daß die erste Schaltung eine Zeitkonstante hat, die gleich einer Abtastperiode eines Differenzsignals gewählt ist.
7, Verfahren zum Verarbeiten eines Audiosignals, dadurch gekennzeichnet, daß ein Audioeingangssignal oder ein erstes Signal, das gegenüber dem Audioeingangssignal um eine extrem kurze Zeitspanne außer Phase ist, vektoriell mit einem angehobenen Differenzsignal addiert wird, das man durch Anheben eines Differenzsignals, das die Differenz zwischen dem Audioeingangssignal und dem ersten Signal darstellt, durch einen Faktor K gewonnen hat, um ein angehobenes Signal vorzusehen, mit dem das Audioeingangssignal verarbeitet wird, wobei K irgendeine Zahl mit Ausnahme von 0 und 1 ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor K durch Feststellen der Dämpfung bestimmt wird, die das Audioeingangssignal erfahren hat oder noch erfahren wird.
9, Vorrichtung zur Verarbeitung eines Audiosignals, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine ein angehobenes Differenzsignal bildende Schaltungsanordnung mit einer ersten Schaltung, die eine zwischen den einen Eingangsanschluß und den einen Ausgangsanschluß geschaltete Parallelschaltung aus einem Kapazitätselement mit einem Wert von C und aus einem ersten Widerstandselement mit einem Wert von N aufweist und die ein zwischen die Ausgangsanschlüsse geschaltetes zweites Widerstandselement mit einem Wert von R2 enthält, wobei die Werte C und R1 so bestimmt sind, daß sie der folgenden Beziehung genügen: in der fhc eine hohe Schwallwertfrequenz ist, und wobei der Wert R2 so festgelegt ist, daß er der folgenden Beziehung genügt:
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die das angehobene Differenzsignal bildende Schaltungsanordnung eine Phasen- und Amplituden-Frequenz-Kennlinie aufweist, die mit derjenigen der ersten Schaltung äquivalent ist.
11. Vorrichtung zur Verarbeitung eines Audiosignals, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung mit einer ersten Schaltung, die ein Widerstandselement, das zwischen einen von zwei Eingangsanschlüssen und einen von zwei Ausgangsanschlüssen geschaltet ist, und ein Kapazitätselement aufweist, das zwischen die beiden Ausgangsanschlüsse geschaltet ist, und die eine Zeitkonstante hat, die gleich einer Abtastfrequenz eines Differenzsignals gewählt ist, wobei die erste Schaltung ein voreilendes oder ein nacheilendes Signal liefert, mit dessen Hilfe ein angehobenes Differenzsignal gebildet wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das angehobene Differenzsignal auf der Grundlage eines voreilenden oder eines nacheilenden Signals gebildet wird, das eine zweite Schaltung liefert, deren Phasen- und Amplituden-Frequenzkennlinie mit derjenigen der ersten Schaltung äquivalent ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung eine Reihenschaltung aus einem Widerstandselement und einem Induktivitätselement aufweist, daß die Reihenschaltung zwischen einen von zwei Eingangsanschlüssen und einen von zwei Ausgangsanschlüssen geschaltet ist, daß ein Kapazitätselement zwischen die beiden Ausgangsanschlüsse geschaltet ist und daß die zweite Schaltung eine Zeitkonstante hat, die gleich einer Abtastperiode eines Differenzsignals gewählt ist.