DE2903156C2 - Verfahren zum Minimieren von Änderungen in der Audio-Information bei der Übertragung eines Audiosignals und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Differenzbildung ein Ausgangssignal gewonnen wird. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung handelt es sich jedoch um einen »Auslöscher« zum Erfassen beweglicher Ziele. Die der Erfindung zugrunde liegende Problematik ist dort nicht angesprochen. Es ist auch keine Aussage über die Größe der Verzögerungszeit im Vergleich zu der Frequenz des betrachteten Nutzsignals gemacht.

Das erfindungsgemäße Prinzip sowie bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt

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,

F i g. 4 bis 8 Schaltbilder zur Erläuterung verschiedenartiger Ausführungsfonnen der Erfindung,

K i g. y eine Kurvenlorm 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 Ausführungsbeispiels 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 Schalldrucks geTagen wird. Falls die Scliaüdruckschwankungen 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 .Frfindung 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 F i g. la hervorgeht, wird für ein extrem kurzes Zeitintervall T in einer Kurvenform W ·> eine Sekante l\ 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 h wird von dieser Störung oder Deformation D

to nicht beeinträchtigt. Wenn man allerdings 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 Signal wert liefert somit das übliche oder konventionelle Verfahren eine vollständig unterschiedliche Information.

Macht man hingegen von dem Differenzsignal Gebrauch, kann dieser Nachteil vermieden werden.

indpm 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

2"> (Information) des Signals so klein wie möglich machen. Als nächstes sollen die Eigenschaften des Differenzsignals erläutert werden. Die F · g. 2 zeigt die Beziehungen in der Phase und in der Amplitude /wischen einem analogr ' Signal S, einem analogen Signal 5'. das dem analogen Signal Sum 5 μβ nacheilt, und einem Signal AS an, das man als Differenz zwischen diesen beiden Signalen (AS=S-S') erhält. Für den Zweck der Untersuchung der Eigenschaften, des Differenzsignals werden vier Frequenzen betrachtet, und zwar

)5 20 000 Hz. 2000 Hz. 200 Hz und 20 Hz.

In der Fig. 2a sind die Verhältnisse für 20 000Hz dargestellt. Das Signal S hat eine Amplitude von »1«. und das Signal 5'eilt dem Signal 5 um 5 μ5 (36") nach. Die Differenz zwischen den beiden Signalen 5 und S'

jo bildet das Differenzsignal AS. Das Differenzsignal AS eilt dem ursprünglichen Signal Sum 72° nach, unc¹ seine Amplitude beträgt 0,61804. Im Falle der F i g. 2b hat das ursprüngliche Signal Seine Frequenz von 2000 Hz und eine Amplitude von »1«. Das Signal S'eilt dem Signal S um 5μ5 (3.6°) nach. Das Differenzsignal AS zwischen diesen beiden Signalen eilt dem ursprünglichen Signal S um 88,2° nach und hat eine Amplitude von 0,0628215. also etwa '/io der Amplitude des Differenzsignals ZlSim Falle von 20 000 Hz. Der Fall, bei dem das ursprüngliche

so Signal Sein 200-Hz-Signal mit einer Amplitude von »1« ist, zeigt die F i g. 2c. Die Nacheilung um 5 μ5 entspricht hier 0,36°. Das Differenzsignal AS eilt dem ursp: .mgiichen Signal Sum 89,82° nach. Die Amplitude des Signals AS beträgt 0,00628317. In der Fig. 2d ist schließlich der Fall für 20 Hz dargestellt Das ursprüngliche Signal S hat eine Amplitude von »1«. Die Nacheilung von 5μ5 entspricht 0,036°. Das Differenzsignal AS eilt dem ursprünglichen Signal S um 89,98° nach und hat eine Amplitude von 0,000628318. Die gleichen Verhältnisse sind in der F i g. 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 F i g. 4 dargestellt.

Bezüglich einer Zeitkonstanten r gilt allerdings die folgende Bedingung:

Bedingung:

2/,

wobei 'die Abtastperiode und/, die Abtastfrequenz ist. Wenn die Grenzfrequenz / der Differenzschaltung der Gleichung

R =

2 -/ C
genügt, erhalt man die folgende Beziehung:

1 1

Ri =

2 rf 2/

Somit gilt:

/, = nf_c.

Folglich kann man durch Einstellen der Abtastfrequenz auf einen Wert vom /rfachen bis lOfachen einer hohen Schwellwertfrequenz f_K erreichen, daß sich die Abtastfrequenz hinreichend dem theoretischen Wert des Differenzsignals nähert. Die Werte R und C kann

ίο man aus dieser Abtastfrequenz (oder der Grenzfrequenz der Differenzschaltung) bestimmen. Wenn beispielsweise die Wiedergabe eines Audiosignals bis zu 20 000 Hz erforderlich ist. sollte die Abtastfrequenz größcnordnungsmäßig 64 000 Hz bis 640 000 Hz betra-

i'. gen.

In der folgenden Tabelle I sind Amplituden und Phasenverschiebungen von Ausgangssignalen der in der Hg. 4 dargestellten Diffcrenzschaltung sowie Fehler von den oben erwähnten theoretischen Werten in bezug auf verschiedenartige Frequenzen für den Fall von /;. = 63 661.97723 Hz angegeben.

Tabelle I	Frequenz Hz	200	2000	20 000
	20
		89,82°	88,2°	72°
Phasenverschiebung	89,982°	89,8200°	88,2006°	72,5594°
Theoretischer Wert	89,9820°	+0,00000061°	+0.00059184°	+0,55940554°
Berechneter Wert	+0,00000002°
Fehler		-44.0364	-24,0378	-4,1798
Amplitude	-64,0364 (dB)	-44,0364	-24,0407	-4,4452
Theoretischer Wert	-64,0364 (dB)	etwa 0	+0,00286	+0.26543
Berechneter Wert	etwa 0 (dB)
Fehler

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 F i g. 4 äquivalent sind. Eine Reihe solcher Schaltungen ist allgemein bekannt (vgl. »Audio Amplifier Design and Adjustment«, veröffentlicht von Kindai Kagakusha). Es sind beispielsweise Schaltungen mit Widerständen R\ und R₂ sowie einer Spule L bekannt, wie es in der F i g. 5 dargestellt ist Die F i g. 6 zeigt eine Schaltung mit einem aktiven Element nämlich einem Transistor Q, sowie einem Widerstand R und einer Spule L

Das oben erwähnte Differenzsignal AS kann man nach einem Verfahren gewinnen, bei dem ein nacheilendes Signal 5' einmal gebildet wird und dann die Differenz zwischen dem Signal 5' und dem ursprünglichen Signa! 5 erzeugt wird (AS=S- S^ Die Differenz (S-S') kann man mit einem Differenzverstärker 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. Das heißt, wenn man aie ioigcrde Bedingung in bezug auf eine Zeitkonstante r verwirklicht, kann man ein beachtenswert effektives nncheilendes Signal erhalten:

wobei f_s die Abtastfrequenz, Taxe. Abtastperiode und f^ die erforderliche hohe Schwellwertfrequenz ist.
Die folgende Tabelle 2 zeigt Vergleiche zwischen Ausgangswerten der Schaltung nach der F i g. 7a und den theoretischen Werten nacheilender Signale bei einer Abtastperiode von 5 μ^.

	9	Frequenz Hz 20	29 03 156	2000	10	20000
Tabelle 2		0,036 0,0359 -6,52 x 10'9		3,6 3,5952 -4,76 x		36 32,1419 -3,85
	1 0,9999 -1,71 x IO~5	200	1 0,9980 -1,71 x		1 0,8467 -1.44
Phasenverschiebung (°) Theoretischer Wert Berechneter Wert Fehler	0,36 0,3599 -4,73 x 10'6	ΙΟ"2
Amplitude (dB) Theoretischer Wert Berechneter Wert Fehler	1 0,9999 -1,71 x 10 "4	10 2

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 3b" bei

20 000Hz auftritt und daß die oben erwähnte Bedingung erfüllt ist, wobei ein Signal gebildet wird, das um 5 μβ nacheilt.

Tabelle 3	Frequenz Hz	200	2000	20 CKX)
	20
		0,36	3.6	36
Phasenverschiebung (°)	0,036	0,3600	3.6001	36
Theoretischer Wert	0,0360	etwa 0	etwa 0	ptwa 0
Berechneter Wert	etwa 0
Fehler		1	1	1
Amplitude (dB)	1	0,9999	0.99937	0.93548
Theoretischer Wert	0,99999	-0.00005	-0.00541	-0.57922
Berechneter Wert	etwa 0
Fehler

Bezüglich der Schaltung nach der F i g. 7 geht aus den jo Tabellen 2 und 3 hervor, daß der Phasenwert und der Amplitudenwert miteinander bezüglich des theoretischen Verzögerungssignals 5' 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 obengenannte 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 AS das ursprüngliche Signal 5 zu erhalten, wird das Differenzsignal mit dem sehr kurzen Zeitintervall Tintegriert So kann man das ursprüngliche Signal S mit Hilfe einer künstlichen Schaltung (Integrationsschaltung) erhalten, wie in der F i g. 8 dargestellt ist Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei der Differenzschaltung der Ausgangswert »0« ist, eo wenn die Frequenz »0« ist, so daß dementsprechend bei der entgegengesetzten Schaltung 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 /« hinzufügt.

Wenn die Abtastfrequenz 200 kHz beträgt und die niedrige Schwellwertfrequenz fr, gleich 20 Hz ist. haben die Schaitungskonstanten der in der Fig. 8 dargestellten Schaltung die folgenden Werte:

Π = Ι9 990Ω, ο=Ι0Ω. Γ₃ = Γ4 = 6000Ω.
Ci = 0.25 μΡ und C₂ = 0,416 μΡ.

Für die oben eriäuterten 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 Differenzsigna! durch eine Integrierschaltung oder eine künstliche Schaltung unmittelbar vor der Wiedergabe

als .Vi:.JIereigiHS über verschiedenartige Wege oder eine geeignete Vorstufe in ein Audiosignai umgewandelt wird, erhält man folglich ein Wiedergabesignal, das dem ursprünglichen Signal beträchtlich ähnlicher ist. in dem Aufzeichnungsgerät werden somit das Mischen und die Aufzeichnung mit dem Differenzsignal ausgeführt, und das Diffcrenzsignal wird auf einem Band oder einer Auf/.eichnungsplatte 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 darüber hinaus 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 ^pulscodemodulation.

(Ill) Selbst wenn man das ursprüngliche Signal 5und das Vcrzögerungssignal S'einigema! erhöht, besteht das Ergebnis led'^lich darin, daß ihre Pegel gleichförmig zunehmen. Erhöht man aber andererseits das Differenzsignal zlSum 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 Differenzsignil 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 F i g. 9 dargestellten verschiedenartigen Kurven augenscheinlich.

An Hand der F»g. 10 wird erläutert, daß man eine Vielzahl von Verfahren in Betracht ziehen kann, um ein Signal zu gewinnen, das man durch Erhöhen des Differenzsignals AS um den Faktor_K_erhäh. Da^wie^ in der Fig. 10b dargestellt ist, OC=OA +AC=OB + W?, kann man ein Signal Φ mit einer verstärkten Komponente erhalten, was durch die folgende Gleichung zum Ausdruck gebracht ist:

Φ = S+ 4AS= S'+ 5AS

Da in ähnlicher Weise OD= OA + AD= OB+ BD, kann man Φ = 5-3AS= S'— 2AS erhalten. Im allgemeinen gilt: <P = S+KAS=S+(K+\)AS, wobei ΚφΟ 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: <i>=—S'+AS und

In der

Fig. 10b ist OB=S'und CB=—_rS'. In der Fig. 10c ist OB= S'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 F i g. 11 Bezug genommen. Das Differenzsignal AS wird von einer Differenzschaltung 60 abgenommen, die das Differenzsignal AS direkt aus dem ursprünglichen Signal S ableitet Eine Einstelleinheit 61, die eine Phasenumkehrschaltung und eine Entzerrerschaltung enthält, liefert ein Signal S/K. Diese Signale ziSund S/K werden mit Hilfe einer Additionsschaltung (oder Differentialschaltung) 62 in ein gewünscntes Signal S+KAS gebracht. Die Differenzschaltung 60 ist so aufgebaut, wie es aus den F i g. 4 bis 6 hervorgeht.

Wenn man eine in de- F i g 12 dargestellte Schaltung unter Vo._wencj_ung einer solchen Umformerschaltung wie eben beschrieben ausbildet, kann man den Verstärkungs- oder Anhebungs- bzw. Betonungsvorgang erhalten, der auf dem Prinzip des in der F i g. i0b dargestellten Diagramms beruht Bei der Schaltungsan-Ordnung nach der Fig. 12 erscheint das Signal S' 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 Einstellein-

^l!> heilen 92 bzw. 93 zugeführt, um die Signale (1 + —)S'

bzw. -S' zu erhalten. Anschließend erfolgt ein 3 Addition in einem Addierer 94. Am Ausgang des AHHierfrs 94 ei scheint dann ein Signal:

M ι _!_ \ C c_ C C , ' et Ac-. 1 f>/

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

F ig. 13a dargestellten Art erhalten.
Wenn man in dieser Schaltung (R\ + R₂)IR₂ = b und

2ti(CR\ = 5setzt, kann man bekanntlich die Amplitudenphasencharakteristik D der Schaltung durch die folgende Beziehung ausdrucken:

D= b

1 + b²+s²

■ < tan

(b- \)s
b + s² ■

Die Beziehung zwischen dem Ausgan^ssignal D dieser Schaltung und dem Eingangssignal S ist in der Fig. 14 dargestellt. In bezug auf das^ Eingangssignal S(OB) hat das Ausgangssignal D (ÖÄ) der Schaltung eine Amplitude und eine Phase, wie es durch die obigen Gleichungen mit den Konstanten b und s angegeben ist. Wenn man sich andererseits einen in die Figur eingezeichneten Kreis mit einem Radius OB(=\) mit dem Mittelpunkt 0 vorstellt, schneidet die Verlängerung einerjjeraden Linie AB, die die Enden der Vektoren Ö~Ä und OB miteinander verbindet den gedachten Kreis an einer Stelle D. Ein Vektor ÖD gibt das Verzögerungssignal S'wiederund DÖ=4S(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 Sund 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 R\ so bestimmt daß sie dem folgenden Ausdruck genügen, und den Wert /?2 ebenfalls festlegt kann man die Ergebnisse der nachfolgenden Tabelle 4 entnehmen:

Ä, S

und

R, =

2(K-I)'

In dieser Tabelle 4 ist die Amplitude des ursprünglichen Signals S gleich »1«, und die Phase ist angegeben in Grad unter Bezugnahme auf das ursprüngliche Signal.

Tabelle 4	Signal	Frequenz Hz	200	2000	20000
	D	20	Amplitude Phase	Amplitude Phase	Amplitude Phase
	BA	Amplitude Phase	1,0001 0,6615	1,0132 6,5221	1,7320 30,000
b	DB	1,0000 0,0662	0,0115 89,67	0,1153 86,70	1,0000 60,00
	BA/DB	0,0012 89,97	0,0115 89,67	0,1153 86,70	1,0000 60,00
	Abtastzeit	0,0012 89,97	1,0	1,0	1,0
3 ,	D	1,0	9,189	9,179	8,333
	BA	9,193	1,0002 1,0247	1,0237 10,04	2,2361 41,81
	DB	1,0000 0,1025	0,0179 89,74	0,1787 87,44	1,6330 65,90
	BA/DB	0,0018 89,97	0,0089 89,74	0,0894 87,44	0,8165 65,90
	Abtastzeit	0,0009 89,97	2,0	2,0	2,0
ς	(usec)	2,0	7,118	7,113	6,693
J	D	7,118
	BA		1,0003 1,2990	1,0337 12,655	2,6458 48,590
	DB	1,0000 0,1230	0,0227 89,78	0,2266 87,84	2,121 69,30
	BA/DB	0,0023 89,98	0,0076 89,78	0,0755 87,84	0,7071 69,30
	Abtastzeit	0,0008 89,98	3,0	3,0	3,0
η	^usec)	3,0	6,015	6,013	5,751
	D	6,022
	BA		1,0004 1,5273	1,0435 14,79	3,0000 53,13
	DB	1,0000 0,1528	0,0267 89,81	0,2665 88,09	2,530 71,57
	BA/DB	0,0027 89,98	0,0067 89,81	0,0666 88,09	0,6325 71,57
	Abtastzeit	0,0007 89,98	4,0	4,0	4,0
9	D	4,0	5,305	5,303	5,121
	BA	5,300	1,0005 1,6300	1,0483 15,74	3,1623 54,90
	DB	1,0000 0,1631	0,0285 89,82	0,2845 88,19	2,7137 72,45
	BA/DB	0,0028 89,98	0,0063 89,82	0,0632 88,19	0,6030 72,45
	Abtastzeit	0,0006 89,98	4,5	4,5	4,5
	D	4,5	5,033	5,031	4,875
	BA	5,033	1,0006 1,8628	1,0602 17,85	3,5355 58,41
	DB	1,0000 0,1864	0,0325 89.84	0,3251 88,38	3,1300 74,21
	BA/DB	0,0033 89,98	0,0057 89,84	0,0565 88,38	0,5443 74,21
	Abtastzeit	0,0006 89,98	5,75	5,75	5,75
I? S	(usec)	5,75	4,502	4,500	4,387
1 L· ,.J	D	4,502
	BA		1,0050 5,6533	1,4141 44,43	10,00 78,58
	DB	1,0000 0,5672	0,0990 89,94	0,9900 89,43	9,8509 84,29
	BA/DB	0,0099 89,99	0,0020 89,94	0,0200 89,43	0,1990 84,29
	Abtast/eit iusec)	0,0002 89,99	49,5	49,5	49,5
100		49,5	1.592	1,591	1,586
	1,592

Nach Oberprüfung der Ergebnisse in der Tabelle 4 kann man verstehen, daß ΒΑ/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 ΒΑ/DB wird untersucht, indem die Tabelle 1 und die F i g. 14 in Betracht gezogen werden, und zwar unter der Bedingung, daß das Signal D durch die folgende Gleichung gegeben ist:

D= S+KAS Mit

K =

d.h. 2(K-I)+1=6, kann man verstehen, daß K-\=BA/DB.

Wenn man b durch Auswahl der Schaltungskonstanten festlegt, kann man ein um einen Faktor

b+ 1

= K

erhöhtes 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 m,~n bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen das 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 nähen. Wenn die Dämpfung, die das Signal zukünftig erfahren kann, abschätzbar ist. besteht die Möglichkeit, das Signal um den geschätzten Dämpfungswert anzuheben, bevor es übertragen wird.

Weiterhin können beispielsweise ein Mikrofon, ein Tonabnehmer oder ein Lautsprecher so ausgebildet sein, daß sie eine Kennlinie aufweisen, die die Eigenschaft einer äquivalenten Schaltung beinhaltet, die gleichermaßen 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 EntzeiTerschaltung, 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 2000Hz 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 Fsind in der erwähnten Veröffentlichung beschrieben) mit einer Konvergenzkennlinie 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 gestöit oder beeinträchtigt wird. Da das angehobene oder verstärkte Differenzsignal die Leistungspegelkomponente 5 oder 5'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 »Schaltung« auch äquivalente Schaltungen oder Ersatzschaltungen umfassen soll und daß diese Schaltungen auch mechanischer Natur sein können, beispielsweise mechanische Schwingsysteme. Das Differenzsignal kann einer Impulsmodulation, beispielsweise einer Impulscodemodulation, unterzogen werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Minimieren von Änderungen in der Audio-Information bei der Übertragung eines Audiosignals durch ein mehrere Stufen enthaltendes Audiosystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Audiosignal am Ausgang einer Stufe des Audiosystems abgenommen wird, daß aus diesem Audiosignal ein Differenzsignal abgeleitet wird, das der Differenz zwischen dem abgenommenen Audiosignal und einem Signal entspricht, das gegenüber dem abgenommenen Audiosignal im gesamten Audiofrequenzbereich von 20 bis 20 000 Hz in der Phase geringfügig um einen frequenzproportionalen t5 konstanten Phasenwinkel verschoben ist, und daß das Differenzsignal an den Eingang der nächsten Stufe des Audiosystems gelegt wird.

2. Verfahren zum Minimieren von Änderungen in der Audio-Information bei der Übertragung eines Audiosignals durch ein mehrere Stufen enthaltendes Audiosystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Audiosignal am Ausgang einer Stufe des Audiosystems abgenommen wird, daß aus diesem Audiosignal und einem Signal, das gegenüber dem abgenommenen Audiosignal in der Phase um eine sehr kurze Zeitspanne verschoben ist, ein Differenzsignal gebildet wird, daß durch Anheben des Differenzsignals um einen Faktor K ein angehobenes Differenzsignal gebildet wird und daß das genannte Signal oder das Differenzsignal mit dem angehobenen Differenzsignal vektoriell addiert wird, wobei A irgendeine Zahl mit Ausnahme von 0 und 1 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor K duj h Feststellen der Dämpfung bestimmt wird, die das abgenommene Audiosignal bereits erfahren hat oder noch erfahren wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine das Differenzsignal bildende Schaltungsanordnung (F i g. 4) mit zwei Eingangsanschlüssen zum Anlegen eines von einer vorangegangenen Stufe stammenden Audiosignals, zwei Ausgangsanschlüssen zum Bereitstellen des Differenzsignals für eine nachkommende Stufe, einem zwischen den einen Eingangsanschluß und den einen Ausgangsanschluß geschalteten Kapazitätseiement (C in Fig.4) und einem zwischen die Ausgangsanschlüsse geschalteten Widerstandselement (R in Fig.4), deren Zeitkonstante gleich Ui der als Abtastperiode des Differenzsignals bezeichneten Phasenverschiebungszeit ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ein phasenverschobenes Signal bildende Schaltungsanordnung (Fig. 7a), die eine Eingangsseite mit zwei Eingangsanschlüssen, eine Ausgangsseite mit zwei Ausgangsanschlüssen, ein zwischen den einen Eingangsanschluß und den einen Ausgangsanschluß geschaltetes Widefstandselement (R in F i g. 7a) und ein zwischen die Ausgangsanschlüsse geschaltetes Kapazitätselement (C in Fig. 7a) aufweist, deren Zeitkonstante gleich der als Abtastperiode des Differenzsignals bezeichneten Phasenverschiebungszeit ist, eine Einstelleinheit (61), die die Pegel des ursprünglichen Audiosignals und des Ausgangssignals der das phasenverschobene Signal bildenden Schaltungsanordnung einander gleich macht, und einen Addierer (62), der aus dem ursprünglichen Audiosignal und dem Ausgangssignal der das phasenverschobene Signal bildenden Schaltungsanordnung das Differenzsignal bereitstellt,

6, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (Fig. 13a), die eine zwischen den einen von zwei Eingangsanschlüssen urd den einen von zwei Ausgangsanschlüssen geschaltete Parallelschaltung aus einem Kapazitätselement (Cm Fig. 13a) mit einem Wert von C und aus einem ersten Widerstandselement (R\ in Fig. 13a) mit einem Wert R\ aufweist und die ein zwischen die beiden Ausgangsanschlüsse geschaltetes Widerstandselement (Rt in F i g. 13a) mit einem Wert von R₂ enthält, wobei die Werte C und R_t so festgelegt sind, daß sie der folgenden Beziehung genügen:

Λ, S -/2(K- I) + 1

in der J_1x. eine hohe Schwellwertfrequenz und K irgendeine Zahl mit Ausnahme von 0 bis 1 ist, und wobei der Wert R₁ so festgelegt ist, daß er der folgenden Beziehung genügt:

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung, die ein zwischen einen von zwei Eingangsanschlüssen und einen von zwei Ausgangsanschlüssen geschaltetes Widerstandselement und ein zwischen die beiden Ausgangsanschlüsse geschaltetes Kapazitätselement aufweist, das eine Zeitkonstante hat, die gleich der als Abtastfrequenz des Differenzsignals bezeichneten Phasenverschiebungszeit ist, v»obei die Schaltungsanordnung ein voreilendes oder tin nacheilendes Signal liefert, mit dessen Hilfe ein angehobenes Differenzsignal gebildet wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung, die eine zwischen einen von zwei Eingangsanschlüssen und einen von zwei Ausgangsanschlüssen geschaltete Reihenschaltung aus einem Widerstandselement und einem Induktivitätselement und ein zwischen die beiden Ausgangsanschlüssc geschaltetes Kapazitätselement aufweist, das eine Zeitkonstante hat. die gleich der als Abtastfrequenz des Differenzsignals bezeichneten Phasenverschiebungszeit ist.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch !,gekennzeichnetdurch Eingangsanschlüsse zur Abnahme des Audiosginais vom Ausgang einer Stufe des Audiosystems, eine Differenzsignalbildungsschaltung zur Ableitung eines Differenzsignals aus dem abgenommenen Audiosignal, wobei das Differenzsignal im wesentlichen der Differenz zwischen dem abgenommenen Audiosignal und einem Signal entspricht, das gegenüber dem abgenommenen Audiosignal im gesamten Audiofrequenzbereich von 20 bis 20 000Hz in der Phase geringfügig um einen frequenzprcportionalen konstanten Phasenwinkel verschoben ist, und Ausgangsanschlüsse zur Zufuhr

des abgeleiteten Differenzsignals zum Eingang der nächsten Stufe de-, Audiosystems.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Minimieren von Änderungen in der Audio-Information bei der übertragung eines Audiosignals durch ein mehrere Stufen enthaltendes Audiosystem und befaßt sich mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die bisher bekannte Technik zum Minimieren von Änderungen in der Audio-Information bei der Übertragung eines Audiosignals legt größten Wert darauf, daß die Amplitude der Audiosignale möglichst getreu übertragen wird. Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen streben daher an, daß auf dem Audiosignalübertragungsweg die Signalamplitude eine möglichsi geringe Verzerrung erfährt. So konnte beispielsweise bei hochwertigen Audio- oder Tonfrequenzverstärkern der Klirrfaktor auf etwa 0,001% abgesenkt werden. Dies reicht jedoch für die Zwecke einer getreuen Wiedergabe von Schallereignisren nicht immer aus.

Bei der Verarbeitung eines Audiosignals, insbesondere bei der Verarbeitung eines Audiosignals zur Aufzeichnung und Wiedergabe mit hoher Qualität, wird im allgemeinen das ursprüngliche analoge Audiosignal so benutzt, wie es ist, oder das fragliche Signal wird einer Impulscodemodulation (PCM) unterzogen.

Unter dem Ausdruck »Verarbeitung« werden hier all diejenigen Schritte und Behandlungen verstanden, denen ein Audiosignal ausgesetzt ist, während es verschiedenartige Signalwege durchläuft Insbesondere sind alle Schritte oder Behandlungen gemeint, denen ein Audiosignal hinsichtlich akustischer und mechanischer Schwingungsvorgänge ausgesetzt ist, und zwar auch als elektrisches Signal, nachdem das Schallsignal durch ein Mikrofon oder dergleichen in ein elektrisches Signal umgeformt worden ist, das dann beispielsweise übertragen, verstärkt, gesteuert, moduliert, demoduliert, durch Rundfunk ausgesendet, empfangen, aufgezeichnet und abgetastet wird sowie anschließend durch einen Lautsprecher oder dergleichen wieder in eine akustische Schwingung oder Schallschwingung umgeformt werden kann.

Eine der Bedingungen zur Erzielung einer Aufzeichnung und Wiedergabe hoher Qualität ist, wie bereits eingangs erläutert, daß die Schwingungsform oder der momentane Amplitudenweri des Audiosignals mit großer Genauigkeit übertreffen wird. Beim Stand der Technik besteht daher die strenge Forderung, daß die Schalldruckfrequenzcharakteristik eben oder flach verläuft und die Verzerrung gering ist, weil man annimmt, daß der Schalldruck (die Schalldruckamplitude) selbst Träger der Audio-Information ist.

Es ist allerdings bekannt, daß bei der abwechselnden Verwendung verschiedener Verstärker, die hinsichtlich ihres Frequenzverhaltens aufgrund üblicher akustischer Prinzipien als vollkommen miteinander gleich betrachtet werden, unterschiedliche Klangqualitäten haben können, Unter Berücksichtigung dieser Tatsache kann angenommen werden, daß das übliche oder konventionelle Prinzip, nämlich daß die Wiedergabe des Schalldrucks einer getreuen Darstellung der Audio-In-Ormation entspricht, falsch sein mag. Der Erfindung liegt dalier die Aufgabe zugrunde, die in einem Audiosignal enthaltene Audio-Information im Vergleich zu der herkömmlichen Übertragung des Audiosignals mit möglichst genauer Amplitude noch getreuer und ungestörter zu übertragen.

Die nach der Erfindung vorgeschlagene Lösung stellt eine völlige Abkehr von der bisher benutzten Technik zur Übertragung von Audiosignajen dar und besteht grundsätzlich darin, daß anstelle des ursprünglichen Audiosignals ein Differenzsignal oder ein angehobenes Differenzsignal übertragen wird, das man prinzipiell dadurch gewinnt, daß zwischen dem ursprünglichen Audiosignal und einem Signal, das gegenüber dem ursprünglichen Audiosignal in der Phase um eine geringe Zeitspanne verschoben ist die Differenz gebildet wird. Es hat sich gezeigt, daß man mit solchen Differenzsignalen musikalische Vorgänge mit höchster Reinheit und Wiedergabegüte übertragen kann, ohne daß vor der eigentlichen Wiedergabestufe eine Integration des Differenzsignals erforderlich ist und ohne daß bei der Übertragung des Signals die Audio-Information von Störungen beeinträchtigt wird, wie es sonst bei der Übertragung von herkömmlichen -. udiosignalen in herkömmlichen Audiosystemen der Fai; is".

Gemäß einer ersten Lösung zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren im einzelnen dadurch aus, daß das Audiosignal am Ausgang einer Stufe des Audiosystems abgenommen wird, daß aus diesem Audiosignal ein Differenzsignal abgeleitet wird, das der Differenz zwischen dem abgenommenen Audiosignal und einem Signal entspricht, das gegenüber dem abgenommenen Audiosignal im gesan.ten Audiofrequenzbereich von 20 bis 20 000 Hz in der Phase geringfügig um einen frequenzproportionalen konstanten Phasenwinkel verschoben ist, und daß das Differenzsignal an den Eingang der nächsten Stufe des Audiosystems gelegt wird.

Gemäß einer zweiten Lösung ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß das Audiosignal am Ausgang einer Stufe des Audiosystems abgenommen wird, daß aus diesem Audiosignal und einem Signal, das gegenüber dem abgenommenen Audiosignal in der Phase um eine sehr kurze Zeitspanne verschoben ist, ein Differenzsignal gebildet wird, daß durch Anheben des Differenzsignals um einen Faktor K ein angehobenes Differenzsignal gebildet wird und daß das genannte Signal oder das Differenzsignal mit dem angehobenen Differenzsignal vektoriell addiert wird, wobei K irgendeine Zahl mit Ausnahme von 0 und 1 ist.

Eine Ausgestaltung der zweiten Lösung ist dem Anspruch 3 entnehmbar.

Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können verschiedenartige Ausführungsformen annehmen, wie den Gegenständen der Ansprüche 4 bis 9 entnehmbar ist. Im Prinzip wird von einer Differenzbildungsschaltung mit wenigstens einem Widerstandselement und wenigstens einem Kapazitätselement oder lnduktiv^:;ätselement Gebrauch gemacht. Das gewonnene Differenzsignal wird verwendet, um das Audiosignal so ?u übertragen, daß nach entspre-

bo chender Umformung Schallereignisse oder Klänge gewonnen werden, d.e in einem hohen Maße dem ursprünglichen Schallsignal getreu sind.

Aus der Druckschrift »IRE Transactions on Circuit Theory«, No. 2, vol. CT4, 1957, Seiten 41-53, ist zwar bereits aus der Fig. 2 eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der ein Eingangssignal um eine vorbestimmte Zeit verzögert wird sowie aus dem verzögerten S'gnal und dem ursnrünelirhpn Pin^n™*-;—ι -'—>-