DE3311647C2 - Verfahren zum Übertragen eines Zusatzsignals in einem stereofonen Nutzsignal - Google Patents

Verfahren zum Übertragen eines Zusatzsignals in einem stereofonen Nutzsignal

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DE3311647C2 DE19833311647 DE3311647A DE3311647C2 DE 3311647 C2 DE3311647 C2 DE 3311647C2 DE 19833311647 DE19833311647 DE 19833311647 DE 3311647 A DE3311647 A DE 3311647A DE 3311647 C2 DE3311647 C2 DE 3311647C2
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Abstract

Zur Übertragung eines Zusatzsignals in einem stereofonen Nutzsignal ohne hörbare Beeinflussung des Nutzsignals wird vorgeschlagen, sendeseitig die Differenz der niederfrequenten Anteile des Rechts- und des Linkssignals zu unterdrücken und das Zusatzsignal mit der Summe der niederfrequenten Anteile des Rechts- und des Linkssignals zu matrizieren und das matrizierte Rechtssignal dem restlichen Anteil des Rechtssignals und das matrizierte Linkssignal dem restlichen Anteil des Linkssignals jeweils additiv zuzusetzen. Empfangsseitig werden die in beiden stereofonen Kanälen übertragenen Signale unter Gewinnung des Zusatzsignals dematriziert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist aus der WO-OS 82/01 970 bekannt.
Zum Übertragen einer Zusatzinformation in einem Tonkanal isl es bekannt (DE-OS 23 33 524), die Zusatzinformation frequenzmäßig versetzt gegenüber der Nulzinformation zu übertragen, wodurch jedoch die Übertragungsbandbreite erhöht oder die Bandbreite des linken oder rechten stereofonen Nutzsignals verringert wird. Für ein stereofones Nutzsignal ist es ferner ;iiis der gleichen l.iicralursielle bekannt, beispielsweise im l.iiiks.sigiial einen l'ie<|iien/bcreieh niisziispurcn und darin die Zusatzinformation zu übertragen. Lmpfangsscitig wird der ausgesparte Frequenzbereich durch den im entsprechenden Frequenzbereich des Rechtssignals liegenden Anteil aufgefüllt. Falls jedoch in dem ausgesparten Frequenzbereich die Links- oder Rechtssignale größere AmDÜtudenunterschiede aufweisen, treten in dem aufgefüllten Frequenzbereich Signalverzerrungen auf, welche sich sowohl auf die Klangfarbe als auch auf die Richtungsabbildung auswirken können.
Es ist ferner aus der WO-OS 82/01 970 bekannt, die tieffrequenten Anteile des Seitensignals zu unterdrükken und in die so gebildete Frequenzlücke das Zusalzsignal einzufügen. Das Zusatzsignal besteht aus mehreren Tönen, welche gegenphasig den restlichen Anteilen des Rechts- und des Linkssignals vor deren Stereor.;atrizierung zugesetzt werden. Empfangsseitig werden die Töne mit schmalbandigen Filtern abgetrennt Wegen der dennoch erforderlichen Bandbreite der Filter, z. B. infolge des Frequenzversatzes bei der Übertragung, darf ein bestimmter minimaler Frequenzabstand der Töne nicht unterschritten werden, was die übertragbare Informationsmenge beschränkt Eine weitere Beschränkung der übertragbaren Informationsmenge ergibt sich durch die Einschwingzeit der schmalbandigen Filter.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber
darin, eine Übertragung eines Zusatzsignals in einem stereofonen Nutzsignal ohne hörbare Beeinflussung des Nutzsignals mit einer höheren Informationsdichte zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 und 7 schematische Schaltbilder von sendeseitigen Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
F i g. 1A den allgemeinen Aufbau einer bei der Einrichtung nach Fig. I verwendeten Matrixschaltung;
Fig.2 und 8 schematische Schaltbilder von empfangsseitigcn Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig.3 eine entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene Frequcn/belegung mit Scitensignal und Zusatzsignal in einem steriofoncn Tonkanal;
F i g. 4 eine vergrößerte Darstellung der Frequenzbelegung gemäß F i g. 3 für das Zusatzsignal;
Fig.5 ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der sendeseitigen Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche gegenüber der Ausführungsform nach F i g. 1 durch einen Kompressor ergänzt ist, und
Fig.6 ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der empfangsseitigen Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche gegenüber der Ausführungsform nach F i g. 2 durch einen Datendiskriminator ergänzt ist.
Die in Fig. 1 veranschaulichte Einrichtung zum sendeseitigen Einmischen eines Zusatzsignals Z in ein stereofones Tonsignal, bestehend aus dem Linkssignal L und dem Rechtssignal R, umfaßt einen Coder 30, der von einer Stereosignalquelle 10 über deren Ausgänge 11 und
W) 12 gespeist wird. Die Coderausgänge 31, 32 führen zu einer nicht näher definierten Strecke 50, beispielsweise einer Riindliinküberiiagungsstiecke (einschließlich Kabelübertragung) und/oder einem Tonaufzeichnungsgerät (Band, Platte). Als Stereosignalquelle 10 kommt bei-
b5 spielsweise das Mischpult eines Tonstudios in Betracht, ebenso ein Band- oder Plattenwiedergabegerät sowie ein Stereomikrofon (einschließlich Kunstkopf).
Der in Fig. 1 mit strichpunktierter Umrandung ver-
anschaulichte Coder 30 enthält für jeden Signalausgang 11, 12 der Stereosignalquelle 10 eine Frequenzweiche 21/22 bzw. 23/24, die jeweils aus einem Hochpaß 21 bzw. 24 und einem Tießpaß 22 bzw. 23 besteht. Alle Filter 21 bis 24 weisen die gleiche Grenzfrequenz auf, die im Falle des in F i g. 3 veranschaulichten, wirklichkeitsnahen Beispiels 100 Hz beträgt.
Die Ausgangssignale der Tiefpässe 22 und 23 sind mit Lu(= niederfrequenter bzw. unterer Anteil des Linkssignals L) bzw. mit R11 (= niederfrequenter bzw. unterer Anteil des Rechtssignals R) bezeichnet, während die Ausgangssignale der Hochpässe 21 und 24 mit L0 (= restlicher bzw. oberer Anteil des Linkssignals L) bzw. mit Ro (= restlicher bzw. oberer Anteil des Rechtssignals R) bezeichnet sind.
Die Ausgangssignale Lu und Ra der Tiefpässe 22, 23 werden in einer ersten Addierstufe 25 zu dem Summensignal (Lu + Ru) summiert und anschließend einer Matrixschaitung 26 zugeführt, welcher ferner das einzumischende Zusatzsignal Z von einer Zusatzsignalquelle 40 zugeführt wird. Der in F i g. 1A dargestellte, allgemeine Aufbau der Matrixschaltung 26, wie er aus »Rundfunktechnische Mitteilungen«, Jahrgang 25 (19&1), Seite 159, Bild 2, bekannt ist, besteht aus den Matrixglicdcrn Λ,β,γ und δ, die eine Signalverknüpfung gemäß folgender Gleichung bewirken:
Ln, = Oc(Lu + Ru) + Rm = ß(La + Ru) +
(1) (2)
Die Matrixglieder ex, ß, y und δ sind lineare Netzwerke, die teilweise (beispielsweise für λ und δ) auch die Übertragungsfunktion 1 haben können.
Das von der Quelle 40 erzeugte Zusatzsignal Z besitzt, wie aus Fig.3 ersichtlich ist, eine im Vergleich zum Nutzsignal (= Seitensignai Sywesentiich geringere Amplitude, beispielsweise eine um etwa 60 dB bezogen auf Vollaussteuerung kleinerer Amplitude. Ein Beispiel für die Frequenzbelegung des Zusatzsignals Z ist in F i g. 4 dargestellt, auf die bei der Erörterung der Ausführungsbeispiele gemäß F i g. 5 und 6 noch näher eingegangen werden soll.
Die Matrixschaltung 26 führt mit ihrer Ausgangsleilung 27 zu einer zweiten Addierstufe 29, welche das « matrizierte Linkssignal Ln, mit dem restlichen bzw. oberen Anteil L0 des Linkssignals L addiert und das resultierende Summensignal L0 + Ln, dem Coderausgang 31 zuführt. Ferner führt die Matrixschaltung 26 mit ihrer Ausgangsleitung 28 tj einer dritten Addierstufe 20, wel- so ehe das matrizierte Rechtssignal Rn, mit dem restlichen bzw. oberen Anteil R0 des Rechtssignals R addiert und das resultierende Summensignal R0 + Rn, dem Coderausgang 32 zuführt.
Das über die Strecke 50 übertragene Signalpaar (Lo + Lm) und (Ro + Rm) wird am Ausgang der Strecke 50 über jeweils zugeordnete Leitungen 51 bzw. 52 einem Decoder 70 zugeführt, der in F i g. 2 mit strichpunktierter Umrandung veranschaulicht ist. Der Decoder 70 weist zwei Frequenzweichen 61/62 und 63/64 aus jeweils sinem Hochpaß 61 bzw. 64 und einem Tiefpaß 62 bzw. 63 auf, wobei die für alle Filter 61 bis 64 gleiche Grenzfrequenz mit der Grenzfrequenz der coderseitigen Filter 21 bis 24 übereinstimmt. Die Filter 61 bis 64 trennen die eingangsseitigen Summensignale (L0 + Ln,), (R0 + Rn,) in die Signalkomponenten L0, Ln, Rn Rn, auf, d. h., sie machen die Wirkung der coderseitigen Addierstufen 29 und 20 rückgängig. Die matrizierten Linksund Rechtssignale Ln, Rm an den Ausgängen der Tiefpässe 62 und 63 werden einer Dematrixschaltung 65 zugeführt, welche bezüglich der coderseitigen Matrixschaltung 26 invers aufgebaut ist, d. h„ deren Wirkung rückgängig macht, wie im einzelnen in >>Rundfunktechnischen Mitteilungen«, 25.Jahrgang (1981), Seite Ϊ60. Gleichungen (3) und (4) angegeben ist
Das dematrizierte Signal L1, + Ru auf der Ausgangsleitung 66 der Demalrixschallung 65 wird den vierten und fünften Addierstufen 68 und 69 zugeführt, während das dematrizierte Signal (= Zusatzsignal) Z auf der Ausgangsleitung 67 der Dematrixschaltung 65 unmittelbar dem Decoderausgang 73 zur weiteren Signalverarbeitung (in Fig.2 nicht weiter dargestellt) zugeführt wird.
Die vierte Addierstufe 68 addiert das Signal Lu + R11 mit dem restlichen bzw. oberen Anteil L0 des Linkssignals L am Ausgang des Hochpasses 61 und führt das resultierende Summensignal L + Ru dem Decoderausgang 71 ru. In gleicher Weise addiert die fünfte Addierstufe 69 das Signal Lu + Ru mit wm restlichen bzw. oberen Anteil R0 des Rechtssignais R 3m Ausgang des Hochpasses 64 und führt das resultierende Summensignal R + /.„dein Dccoderausgang72/u. Der Umstand, daß an den Decoderausgängen 71 und 72 neben dom Linkr- bzw. Rechtssignal L bzw. R noch deren niederfrequente Anteile (beispielsweise unterhalb 100 Hz) anliegen, bedeutet, daß die Links- und Rechtssignale unterhalb der Grenzfrequenz der Filter 21 bis 24 bzw. 61 bis 64 identisch sind, was jedoch im stereofonen Hörbild vom Hörer nicht wahrgenommen werden kann.
Die in den F i g. 5 und 6 dargestellten Erweiterungen der Grundschaltungen nach Fig. 1 und 2 dienen zur Einmischung bzw. Verarbeitung des in Fig.4 veranschaulichten Zusatzsigna's Z. Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, umfaßt das Zusatzsvgnal Z einen feststehenden Ton der Frequenz fQ sowie zwei Töne der Frequenzen /Ί und fi, die jeweils zwischen unteren und oberen, gestrichelt eingezeichneten Werten variiert werden, und zwar abhängig von dem zu übertragenden Analogwert des zugeordneten Datums D1 bzw. D 2 (vgl. F i g. 5), wobei aer Analogwert der Frequenzdifferenz (fa—f\) bzw. (fi—fo) entspricht. Beispielsweise wird für die Frequenz i, der Wert 53 Hz, für die Frequenz F\ der Bereich 42 bis 48 Hz und für die Frequenz f< ilcr Rercich 55 bis 61 II/ gewählt (F ig. 4).
Ferner umfaßt das Zusatzsignul einen Ton der l'requenz f, welche unterhalb des unteren Wertes (/. B. 42 Hz) der Frequenz f\ liegt und eine Verstärkung der durch die Überlagerung der Frequenzen /|„ f\ b/.w. f,H Λ heryorgerufenen Schwebungen bewirkt. Hierdurch läßt sich die Hörbarkeit des Zusnizsignals Z noch stärker reduzieren.
«iu·; Erzeugung des in Fig.4 dargestellten Zusa!/.signals Z umfaßt die Zusatzsignalquelle 40 gemäß F i g. 5 eine analoge Datenquelle 41, deren zwei analoge Ausgangsdaten Di und D 2 einem Zusatzsignalformer 42 zugeführt werden. Der Signalformer 42 wandelt die Daten Dl und DI entsprechend deren Analogwerte in zugeordnete Frequenzen f\ bzw. /2 um, wobei D1 der Frequenzdifferenz (fä—f\) und D 2 der Frequenzdiffe» renz fä—fo) zugeordnet ist
Zur empfangsseitigen Verarbeitung dieses Zusatzsignals Z ist der Decoderausgang 73 (F i g. 2) mit einem in Fig.6 gestricheh umrandeten Datendiskriminator 90 verbunden, der die Freqyen/differen/en in die Daten D\ und D 2 rückwandclt Der Diskriminator 90 weist hierzu drei AFC Filter 91,92,93 auf, die eingarrgsseitig
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mit dem Decodeiausgang 73 verbunden sind. Die Kilter Falle der Verwendung des Kompressors 80) summiert. 91, 92, 9 J sind auf die Frequenzen f\ bzw. L bzw. f2 Dieses Summcnsignal wird zusammen mit dem MonosigciuiiLS Fig.4 abgestimmt, su daß an den Ausgängen gnal/MeinerSummen-und Differenzdematrixschaltung tier I iitcr 91,92, 4} Töne mit den entsprechenden Fre- 38 zugeführt, welche invers bezüglich der Matrixschalc|iicn/un anliegen. Dk Ausgänge der Filter 91,92 führen 5 tung 33 aufgebaut ist. Die Dematrixschaltung 38 und die zu einem FreqiUMiz/Spannungsumsctzcr 94. während Addierstufe 37 bilden ihrerseits die strichpunktiert anclie Ausgänge der Filier 92 und 93 zu einem Frequenz/ gedeutete Matrixschaltung 39 zum Matrizieren des Zu-Spannungsumsctzcr 95 führen. Der Umsetzer 94 bildet satzsignals Z mit der Summe der (im Monosignal M die Frequenzdifferenz /Ό-Λ= Δ(\ und wandelt diese enthaltenen) niederfrequenten Anteile Rn, Lu des Frequenzdifferenz in die Spannung U\ entsprechend to Rechts- und des Linkssignals R bzw. L dem Analogwert des Datums D 1 um. In dementspre- Das am Ausgang 31 des Coders 30 auftretende Signal chender Weise bildet der Umsetzer 95 die Frequenzdif- hat die Form ferenz f2—fo — Af2 und wandelt diese Frequenzdifferenz in die Spannung U2 entsprechend dem Analogwert L + R + (L0-R0 + Z) des Datums D 2 um. 15 = 2 L0 + Ln + R11 + Z
Da die Matrixschaltung 26 phasenabhängige Glieder = 2 L0 + Lm\ ix, β, ό, γ (F i g. IA) aufweist, ist das Zusatzsignal Z. gegenüber Griippenlaüizsiüiiusrschicdfii! der einzelnen mit/? Ro ™ /?sundi.-s· = !— -t- R- ■+■ 7-
stereofonen Kanäle empfindlich. Bei der Summen- und
Differenzbildung in der Dematrixschaltung 65 wird in 20 wobei gemäß Gleichung (1) gilt:* = ];y= 1. diesem Falle das Nulzsignal nicht mehr vollständig gegenüber dem Zusatzsignal unterdrückt, wodurch im Er- Das am Ausgang 32 des Coders 30 auftretende Signal gcbnis das Nutzsignal als Störung bezüglich des Zusatz· hat die Form signals wirkt. Hinzu kommt, daß insbesondere bei Tonbandgeräten als Strecke 50 der Rauschabstand des Zu- 25 L + R -(L0-R1, + Z) satzsignals bei dem Pegel von -6OdB bezogen auf = 2 R1, + L11 + R11-Z Vollsteuerung relativ gering st. was die Auslcsbarkeii = ?R,, + Rn,; des Zusalzsignals noch weiter verschlechtern kann. Aus
diesen Gründen ist es günstig, zwischen dem Ausgang mit L — L,, = L11 und Rn, = Lu + Rn Z,
der Zusüizsignalqucllc 40 und dem Zusatzsignaleingang jo
der Matrixschaltung 26 (Fig. 1) einen Kompressor 80 wobei gemäß Gleichung (2) gilt:/? = \;d = —1. vorzusehen, wie in F i g. 5 mit strichpunktierter Umrandung veranschaulicht ist. Bei der in F i g. 8 dargestellten, auf die übertragenen
Der Kompressor 80 ist im dargestellten Beispielsfalle Signale gemäß F i g. 7 angepaßten Ausführungsform der gemäß Fig. 5 eingangsseitig mit Links- und Rechtssi- 35 empfangsseitigen Einrichtung zur Durchführung des ergnalen L R der Ausgänge 11.12 der Stereosignalquelle findungsgemäßen Verfahrens umfaßt der Decoder 70 10 gekoppelt, welche in einer Addierstufe 81 summiert eine Dematrixschaltung 65a in Form einer Subtrahierwerden. Das Summationssignal wird in einer Bewer- stufe, deren invertierender Eingang (—) mit der das Situngscinrichtung 82 einer noch näher zu erläuternden gnal2 R0 + Rm führenden Leitung 52 und deren nichtin-Frequenzbewertung unierzogen. Anschließend wird in 40 vertierender Eingang ( + ) mit der das Signal 2 L0 + Lm einem Hüllkurvenformer 83 die Hüllkurve des bewerte- führender Leitung 51 verbunden sind. Die Decoderauslen Summationssignals gewonnen. Die Hüllkurve des gänge 71,72 sind unmittelbar mit den Leitungen 51 bzw. bewerteten Summationssignals wird einem Amplitu- 52 verbunden, da davon ausgegangen wird, daß das Zudcnmodulator 84 zugeführt, um das Zusatzsignal Z der satzsignal Z, welches an den Decoderausgängen 71, 72 Zusaizsignalquclle 40 in dessen Amplitude zu modulie- 45 vorhanden ist, unhörbar ist. Mit der Dematrixschaltung ren. Das ΛΜ-modulierte Zusai/signal Z' wird der Ma- 65a wird am Decoderausgang 73 ein Signal entspreirixschaliung 2b im Coder 30 anstelle des Zusatzsignals chend folgender Gleichung gebildet: '/. zuiiL-führi. Die erwähnte Frequcnzbcwertung des
Sunimaiionssignals erfolgt in der Weise, daß der Pegel (L + L„ + R — R1, + Z)- (L — L0 + R + R„ — Z)
des moduliertet Zusatzsignals Z' abhängig von den Ver- 50 = 2 L„ — 2 R1, + 2 Z deckungseigenschaftcn des Nutzsignals angehoben
wird. Auf diese Weise läßt sich die Genauigkeit der in dem dem Ausgang 73 nachgeschalteten Datendis-
Zusatzsignalübertragung verbessern, ohne dabei die kriminator 90 (Fig.6) werden die oberen bzw. restli-
Hörschwelle des Zusatzsignals zu überschreiten. chen Anteile 2 L0 und 2 R„ des Rechts- und des Linkssi-
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der 55 gnals L bzw. R durch die AFC-Filter 91 bis 93 abgesendeseitigen Einrichtung zur Durchführung des erfin- trennt, so daß das Zusatzsignal 2 Z isoliert an den Ausdungsgemäßen Verfahrens umfaßt der Coder 30 eine gangen der AFC-Filter 91 bis 93 vorliegt
Summen- und Differenzmatrixschaltung 33, welche aus
dem Links- und dem Rechtssignal L bzw. R das Sum- Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
men- bzw. Monosignal M = L + R (Ausgang 34) und 60
das Differenz- bzw. Scitcnsignal S=L-R (Ausgang
J5) bildet. Das Seitensignal S wird durch einen Hochpaß
Ib nach unten hin begrenzt, wobei die Grenzfrequenz
ilcs Hochnasses 36 in bevorzugter Weise etwa 100 Hz
bclräpl. Die oberen bzw. restlichen Anicile^/,, —/?„)dcs t>->
Sciti-nsigiials S - L—R am Ausgang des I lochpasscs 36
werden in einer Addierstufe 37 mit dem Zusatzsignal Z
der Zusatzsignalquelle 40 (bzw. dem Zusatzsignal Z'im

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Obertragen eines Zusatzsignals in einem stereofonen Nutzsignal, bei dem sendeseitig der tieffrequente Anteil des aus der Differenz des Rechts- und Linkssignals bestehenden Seitensignals unterdrückt und in die so gebildete Frequenzlücke das Zusatzsignal eingefügt wird, welches wenigstens aus zwei Tönen besteht, und bei dem empfangsseitig das in der Frequenzlücke des Seitensignals übertragene Zusatzsignal abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfrequenz zwischen den beiden Tönen (F0, f\) der im Zusatzsignal enthaltenen Information entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Ton (fo) des Zusatzsignals (Z) konstant gehalten und der untere Ton (ft) des Zusalzsignal.s (Z) frequenzvariiert wird oder umgekehrt.
I. Verfahre« nadi Anspruch ! tnlcr 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzsignal ('/.) auch bei fehlendem Nutzsignal (S) übertragen wird, wobei der Pegel der Töne des Zusatzsignals (Z) unterhalb von etwa —60 dB bezogen auf Vollaussteuerung gewählt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des frequenzkonstanten Tons (fo) wenigstens ein weiterer, frequenzvariierter Ton (k) bei Vorhandensein eines verdeckenden Nutzsi=-nals (^übertragen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daw die Amplitude(n) des oder der Töne des Zusat/.r,ignals (Z) in Abhängigkeit von dem Pegel des Nutzsignus (S) gesteuert wird (Kompressor 80: F i g. 5).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der pegclabhängigen Steuerung ein Bcwertungsfrequenzgang zugrundegelcgt wird, welcher bei lieffrequenten Nutzsignalpegeln eine stärkere Anhebting als bei höherfrequcnlcn Nutzsignalpegeln bewirk!.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer, frequenzkonstanter Ton (f)den übrigen Tönen (fo, f\, h) zugesetzt wird.
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