DE3440615C1 - Verfahren zum Übertragen und Speichern von Tonsignalen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

• Eine in der DE-OS 33 15 519 beschriebene Möglichkeit dazu besteht darin, die bei den breitbandig kompandierenden Systemen verwendete Preemphase, die im analogen Bereich vor dem A/D-Wandler liegt, variabel zu gestalten. Dadurch wird sozusagen ein variables analoges Filter vor den A/D-Wandler gesetzt, das je nach spektralem Gehalt des zu übertragenden Tonsignales so eingestellt werden kann, daß der nachfolgende A/D-Wandler (der eventuell auch gleich komprimieren kann) optimal arbeiten kann. Die Information über die jeweilige Einstel- lung des variablen Filters (bzw. variablen Preemphase) wird über einen zweiten Übertragungskanal an den Empfgänger übertragen und ermöglicht dort die Einstellung eines (eventuell komprimierenden) D/A-Wandlers und eines nachfolgenden, bereits im analogen Bereich liegenden variablen Filters (bzw. einer variablen Deemphase). Die Gesetzmäßigkeit, die dabei zu einer weiteren Reduktion der Übertragungsbitrate ausgenutzt wird, ist unter anderem der Verdeckungseffekt des menschlichen Gehörs, auch wenn dies nicht explizit dargestellt wird.
• Nach E. Zwicker und R. Feldtkeller: »Das Ohr als Nachrichtenempfiinger«, besitzt das menschliche Gehör die Eigenschaft, Störgeräusche, die sich spektral in der Nähe eines maskierenden Nutzsignales befinden und eine gewisse (durch die jeweilige Mithörschwelle beschriebene) Amplitude nicht überschreiten, nicht wahrzunehmen. Demzufolge trägt auch ein Rauschen, das sich in dem durch das Nutzsignal verdeckten Frequenzbereich und Amplitudenbereich befindet, nicht zu einer subjektiven Störempffndung bei. Aus diesem Grund darf das Quantisierungsrauschen in den durch das Nutzsignal verdeckten Frequenzbereichen einen höheren Pegel als in anderen Frequenzbereichen aufweisen.
• Weiterhin besitzt das menschliche Gehör die Eigenschaft, Störgeräusche, die in ihrer spektralen Amplitude unterhalb der Ruhehörschwelle des Gehörs liegen, nicht wahrzunehmen. Das heißt, daß auch ein Quantlsierungsrauschen, das unterhalb der Ruhehörschwelle liegt, nicht gehört werden kann, und deshalb auch nicht zu einer Störempfindung führt.
• Diese beiden Eigenschaften des menschlichen Gehörs können dazu genutzt werden, bei einer Übertragung von Tonsignalen Übertragungs-Kapazität zu sparen. Dazu ist lediglich eine geeignete frequenzmäßige Färbung des Quantlsierungsrauschens in Abhängigkeit von der zeitlichen spektralen Zusammensetzung des Tonsignals vorzunehmen.
• Bei den bisher bekannten Verfahren wurde dies, wie bereits erwähnt, durch eine variable Filterung des Nutzsignales vor der A/D-Wandlung bzw. nach der D/A-Wandlung erreicht.
• In vlelen Übertragungsfällen sollen jedoch Tonsignale übertragen (oder gespeichert) werden, die bereits in digitaler Form vorliegen. Das ist aber mit den bekannten Verfahren nur durch eine nochmalige A/D-Wandlung vor der variablen Filterung im analogen Bereich und eine nachfolgende A/D-Wandlung möglich, wodurch jedoch das Tonsignal in seinen Geräuschwerten verschlechtert wird, ganz abgesehen von dem erforderlichen Aufwand.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darln, ein Verfahren zur Bitratenreduktion bei der Übertragung von digitalisierten Tonsignalen zu finden, welches es erlaubt, von bereits vorhandenen digitalen Tonsignalen auszugehen, und diese in der digitalen Ebene so zu bearbeiten, daß bei der Übertragung die gewünschte Bitratenreduktion vorgenommen werden kann, ohne daß sich dadurch die Störempfindung, hervorgerufen durch Quantisierungsrauschen wesentlich erhöht. Die Bearbeitung des digitalen Tonsignales soll dabei unter Berücksichtigung der Eigenschaften des menschlichen Gehörs so erfolgen, daß das Quantisierungsrauschen eine solche frequenzmäßige Färbung erhält, daß es in seiner Störwirkung möglichst gering erscheint.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Im folgenden ist die Erfindug anhand eines Ausführungsbeisplels gemäß den Fig. 1 bis 4 näher erläutert. In den Figuren zeigt Fig. 1 ein verallgemeinertes Blockschaltbild der sender- und emptängerseitigen Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; F 1 g. 2 ein detailliertes Blockschaltbild der Einrichtung nach Fig. 1 mit den notwendigen Teilen zur Erzeugung eines Steuersignals für die varialen digitalen Filter; Fi g. 3 eine vorteilhafte Ausgestaltung eines variablen digitalen Filters; Fig. 4 ein Detail eines vorteilhaften variablen digitalen Filters.
• Bei der Einrichtung nach Fig. 1 wird das analoge Tonsignal, sofern es noch nicht in digitaler Form vorliegt, mittels eines A/D-Wandlers 1 digitalisiert.
• Anschließend wird es einem variablen digitalen Filter 2 zugeführt, welches in Abhängigkeit vom Kurzzeitspektrum 101 des digitalisierten Tonsignals am Filtereingang gesteuert wird. Diese Steuerung erfolgt in der Weise, daß niederpegelige spektrale Nutzsignalanteile gegenüber hochpegeligen spektralen Mutzsignalanteilen so in ihrem Pegel angehoben werden, daß das resultierende Spektrum ungefähr auf ein »weißes« Spektrum 102a eingeebnet, oder einem Spektrum 102b entsprechend einer in Fig. 5 dargestellten Bewertungsfunktion angeglichen wird, die einer inversen Funktion der Ruhehörschwelle des menschlichen Gehörs entspricht. Das so gefilterte digitalisierte Tonsignal besitzt nun auch für diejenigen spektralen Tonsignalanteile, die -ursprünglich nur mit kleinen Amplituden im Spektrum vertreten waren eine große Amplitude. Der nachfolgende digitale Kompressor 3 kann diese spektralen Signalanteile mit der optimalen Auflösung, also einer feineren Auflösung, als dies für ein ungefiltertes Signal der Fall wäre, quantisieren. Der digitale Kompressor 3 arbeitet beispielsweise nach dem eingangs erwähnten NiCAM-Verfahren, bei welchem eine breitbandige Kompression des digitalisierten Tonsignals von z. B. 16 auf 10 Bit Wortlänge pro Abtastwert erfolgt, wobei ein Skalenfaktor erzeugt wird, der angibt, in welchem Amplitudenbereich sich das digitalisierte Tonsignal befindet.
• Das die jeweilige Übertragungsfunktion des variablen digitalen Filters 2 steuernde, digitale Steuersignal wird zusammen mit den komprimierten Abtastwerten des Tonsignals und den Skalenfaktoren des Kompressors 3 über eine Übertragungsstrecke oder ein Speichermedium geführt und an den Empfänger übertragen.
• Am Eingang des Empfängers befindet sich ein digitaler Expander 4, welcher die Wirkung des Kompressors 3 rückgängig macht und die expandierten Abtastwerte einem bezüglich des Filters 2 inversen Filter 5 zuführt.
• Das variable digitale Filter 5 formt die expandierten Abtastwerte frequenzmäßig so, daß das Spektrum 105 des digitalisierten Tonsignals wieder dem ursprünglichen Spektrum 101 entspricht. Das Quantisierungsrauschen des digitalisierten Tonsignals wird jedoch (je nach Angleichung des Spektrums auf der Übertragungsstrecke auf ein ebenes Spektrum oder ein solches in Form der in Fig. 5 dargestellten Bewertungskurve) spektral so gefärbt, wie es mit den Spektren 106a bzw. 106b qualitativ dargestellt ist. Ein derartig gefärbtes Quantisierungsrauschen 106a, 106b wird durch das Nutzsignal besser verdeckt als ein annähernd weißes Quantisierungsrauschen 103, welches bei der Kompression im Kompressor 3 entsteht, und bei einem Breitbandkompander (aufgrund der fehlenden signalabhängigen frequenzmäßigen Filterung) auch vor bzw. hinter dem D/A-Wandler noch mit derselben Form und Amplitude existieren würde.
• Das digitale Steuersignal zur Steuerung der Übertragungsfunktion des variablen digitalen Filters 2 läßt sich mittels der in F i g. 2 dargestellten Anordnung erzeugen.
• Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird das digitalisierte Tonsignal hinter dem A/D-Wandler 1 mit n Filtern, von denen der Einfachheit halber nur drei dargestellt sind, 7a, 7b 7c und n Spitzenwertgleichrichtern 8a, 8b, 8c auf sein Spektrum hin untersucht. Die gewonnenen Pegel an den Ausgängen der Spitzenwertgleichrichter 8a, 8b, 8c werden mit n Quantisierern 9a, 9b. 9c in m Pegelklassen eingeteilt, welhe mit n Speichergliedern 10a, lOb, 10c für x Abtastwerte festgehalten werden. Auf diese Weise wird dem digitalisierten Tonsignal für jeden untersuchten Frequenzbereich und für ein festgelegtes Zeitintervall (entsprechend den x Abtastwerten) eine bestimmte Pegelklasse zugeteilt.
• Diese Pegelklasseninformationen werden dem variablen digitalen Filter 2 in Form von 1g2 (m) Bit breiten Steuersignalen zugeführt, so daß das Filter 2 das durch die Verzögerungsschaltung 11 um x Abtastwerte verzögerte, digitalisierte Tonsignal geeignet filtern kann. Die Einteilung in Zeitintervalle verringert ebenfalls die zu übertragende Information an den Empfänger, da für jedes Zeitintervall nur einmal eine Steuerlnformation übertragen werden muß, die angibt, welche Übertragungsfunktion im Filter 5 verwendet werden soll.
• Die Realisierung eines variablen digitalen Filters mit n mal m umschaltbaren Übertragungsfunktionen kann z. B.
• durch ein oder mehrere biquadratische digitale Filter erfolgen, bei denen die Koeffizienten umgeschaltet werden. Es kann aber auch durch n Teilfilter realisiert werden, wie in Fig. 3 der Einfachheit halber für drei unterschiedliche aufeinanderfolgende Teilfilter 2a, 2b, 2c mit den Übertragungsfunktionen 21a, 21b, 21c, dargestellt ist. Die Teilfilter 2a, 2b, 2c erzeugen dann zusammen die gewünschten Übertragungsfunktionen. Jedes dieser Teilfilter 2a, 2b, 2c kann dabei, wie in Fig.4 dargestellt ist, seinerseits wieder aus mehreren gleichartigen Filterelementen 2a2, 2a4, 2a6 niederer Ordnung bestehen, die durch Einschalten bzw. Nichteinschalten in den Signalweg die verschiedenen Kurvenzüge der Übertragungsfunktionen 21a, 21b, 21c von Fig. 3 erzeugen.
• Die eventuell verwendeten Verzögerungselemente 2al, 2a3, 2a5 sorgen beim Herausschalten eines Filterelementes 2a2, 2a4, 2a6 aus dem Signaiweg dafür, daß keine Abtastwerte verlorengehen.

Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Übertragen und Speichern von digitalisierten Tonsignalen, bei dem zur Bitratenreduktion das Tonsignal an die Eigenschaften des Übertragungskanals angepaßt wird, gekennzeichnet durch Filterung des digitalisierten Tonsignais, - auf der Sendeseite mit Hilfe eines variablen digitalen Filters, dessen Übertragungsfunktion in Abhängigkeit von den Eigenschaften des angelegten digitalisierten Tonsignales gesteuert wird, und - auf der Empfangsseite mit Hilfe eines weiteren variablen digitalen Filters, welches eine zu dem ersteren Filter inverse Übertragungsfunktion aufweist, wobei die Information zur Einstellung des weiteren Filters auf die Empfangsseite mit übertragen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der variablen digitalen Filter durch ein digitales Steuersignal erfolgt, welches aus einer endlichen Anzahl verschiedener Übertragungsfunktionen jeweils eine Übertragungsfunktion auswählt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das digitalisierte Tonsignal in Zeitintervalle von x Abtastwerten eingeteilt wird, und für jedes dieser Zeitintervalle jeweils ein Steuersignal für die verwendeten variablen digitalen Filter erzeugt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Filterung des digitalisierten Tonsignals näherungsweise danach erfolgt, daß das Nutzsignal auf der Übertragungsstrecke für betrachtete Zeitintervalle ein weißes Spektrum aufweist.
5. 5. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Filterung des digitalisierten Tonsignais danach erfolgt, daß das Spektrum des digitalisierten Tonsignais auf der Übertragungsstrecke einer frequenzmäßigen Bewertungsfunktion angenähert wird, die einer inversen Funktion zur Ruhehörschwelle des menschlichen Gehörs entspricht.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Steuersignal für die variablen digitalen Filter dadurch gewonnen wird, daß das digitalisierte Tonsignal - mit n Filtern parallel gefiltert, und - mit n Spitzenwertgleichrichtern unter Erzeugung von n Pegeln für n spektrale Bereiche gleichgerichtet wird, daß ferner die n Pegel - mit n Quantlslerern quantisiert, und mit - n Speicherglieder für x Abtastwerte festgehalten werden, so daß für jeden der n untersuchten Frequenzbereiche und ein betrachtetes Zeitintervall von x Abtastwerten des Tonsignales ein digitales Steuerwort entsteht.
7. 7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als varlables digitales Filter sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite ein oder mehrere biquadratische digitale Filter vorgesehen sind, bei denen die verschiedenen Übertragungsfunktionen durch verschiedene Koeffizientensätze realisiert sind.
8. 8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als variables digitales Filter sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite aufeinanderfolgende Teilfilter vorgesehen sind, von denen jedes Teilfilter seinerseits aus mehreren Filtergliedern niederer Ordnung besteht, welche jeweils zur Realisierung einer bestimmten Übertragungsfunktion in den Signalweg des digitalisierten Tonsignais schaltbar sind.

   Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

   Ein solches Verfahren ist aus »ntz«, 1979, Bd. 32, Heft 9, S. 603 bis 607 bekannt. Dabei werden bei der Übertragung digitalisierte Abtastwerte der Tonsignale in komprimierter Form übertragen. Auf diese Weise ist es möglich, im Übertragungskanal Kapazität zu sparen, ohne die subjektive Störempfindung durch Quantislerungsrauschen wesentlich zu erhöhen.

   Verschiedene Verfahren sind zur digitalen Kompression gebräuchlich. Eine große Gruppe dieser Verfahren bearbeitet die Tonsignale breitbandig, das heißt nicht frequenzselektiv. Sowohl das sogenannte Momentanwert-Kompandierungsverfahren, als auch das unter dem Namen NICAM bekanne Blockwert-Kompandierungsverfahren (beschrieben u. a. in BBC Research Department Report 1973/41), erreichen dabei die gewünschte Kompression der Übertragungsbitbreite folgendermaßen: Der gesamte Amplitudenbereich wird in k Bereiche unterteilt und die Auflösung des Signales für jeden Bereich einzeln festgelegt. Zweckmäßigerweise wählt man dabei die Auflösung feiner in den Bereichen kleiner Signale und umgekehrt. Man erreicht dadurch einen über weite Amplitudenbereiche konstanten Störabstand SIN.

   Auf der Übertragungsstrecke werden dann letztlich nur die komprimierten Abtastwerte und der jeweils gültige Skalenfaktor übertragen, welcher angibt, in welchem der k Amplitudenbereiche sich das Tonsignal befindet.

   Durch die Einführung einer festen Preem- und Deemphase vor dem Kompressor bzw. nach dem Expander werden solche Systeme in der Regel noch besser an die spektrale Langzeitstatistik von Tonsignalen angepaßt.

   Dennoch erlauben diese breitbandigen Kompressionsverfahren ohne eine größere Verringerung der Tonsignalqualität nur eine Kompression auf etwa 10 Bit Übertragungswortlänge. Für viele Signalübertragungs- und Speicherfälle ist ein aus dieser Übertragungswortlänge resultierender Bitstrom jedoch noch zu groß.

   Aus diesem Grunde wurde nach einer Möglichkeit gesucht, eine weitere Reduktion dieses Bitstromes vorzunehmen, ohne die subjektive Störempfindung durch Quantisierungsrauschen in größerem Maße zu erhöhen.