DE3806411A1 - Verfahren zur uebertragung eines tonsignals und eines zusatzsignals - Google Patents

Verfahren zur uebertragung eines tonsignals und eines zusatzsignals

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Description

Bei der Übertragung eines Tonsignals, z.B. bei der Aufzeich­ nung, besteht oft die Notwendigkeit, zusammen mit dem Tonsi­ gnal ein Zusatzsignal zu übertragen. Dieses Signal soll ei­ nerseits vom Tonsignal nicht trennbar, jedoch getrennt vom Tonsignal auswertbar und andererseits bei der Tonwiedergabe nicht hörbar sein und auch sonst keine Verschlechterung der Tonwiedergabe bewirken. Ein solches Zusatzsignal kann z.B. zur Indikation und Steuerung bestimmter Funktionen oder Um­ schaltungen auf der Wiedergabeseite dienen oder auch als Kennsignal für eine automatische Kopiersperre bei Aufzeich­ nungsgeräten dienen.
Es ist bekannt, innerhalb der NF-Bandbreite des Tonsignals einen Frequenzbereich auszusparen und aus dem Fehlen von Si­ gnalen in diesem Frequenzbereich eine Stellgröße abzuleiten. Bei dieser Lösung wird jedoch durch das Fehlen bestimmter Frequenzen die Tonqualität bei der Wiedergabe beeinträch­ tigt.
Es ist auch bekannt, außerhalb der NF-Bandbreite einen Pilot­ träger zu übertragen, der gegebenenfalls zusätzlich in der Amplitude moduliert ist. Diese Lösung erfordert jedoch eine erhöhte Bandbreite für das gesamte Signal. Außerdem ist dort der Pilotträger von dem Tonsignal trennbar und kann gegebe­ nenfalls beseitigt werden. Das ist besonders nachteilig, wenn das Zusatzsignal bei Recordern eine Kopiersperre auslö­ sen soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zusatzsignal zusätzlich zum Tonsignal derart zu übertragen, daß das Zu­ satzsignal vom Tonsignal nicht einfach trennbar, jedoch ge­ trennt auswertbar und bei der Tonwiedergabe nicht hörbar ist und auch ansonsten keine Beeinträchtigung der Qualität der Tonwiedergabe bewirkt.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Er­ findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Aufgrund psychoakustischer Phänomene ist ein Signalanteil eines Tonsignals, der frequenzmäßig in der Nähe eines wesent­ lich größeren Signalanteils liegt, bei der Wiedergabe nicht hörbar. Ebenso sind Signalanteile mit geringer Amplitude, die innerhalb einer Zeit von etwa 10 ms auf einen Signalan­ teil hoher Amplitude in derselben Frequenzgruppe folgen, auf­ grund einer zeitlichen Nachverdeckung nicht hörbar. Ein Ver­ fahren, bei dem diese Tatsachen zur Verringerung der erfor­ derlichen Bitzahl bei einer digitalen Übertragung ausgenutzt werden, ist näher beschrieben in der DE-OS 35 06 912. Die Erfindung geht nun von folgender Überlegung aus. Wenn inner­ halb einer Frequenzgruppe Anteile niedriger Amplituden, die an sich zu dem Tonsignal gehören, ohne Beeinträchtigung der Tonwiedergabe weggelassen werden können, so muß es auch mög­ lich sein, derartige Anteile mit niedriger Amplitude, die an sich nicht zum Tonsignal gehören, ohne Beeinträchtigung der Tonwiedergabe in das Signal einzufügen. Durch die erfindungs­ gemäße Lösung werden also die genannten psychoakustischen Tatsachen für eine zusätzliche Signalübertragung ausgenutzt. Eine Beeinträchtigung der Tonwiedergabe tritt dabei über­ haupt nicht auf, weil das erfindungsgemäß eingefügte Signal aufgrund psychoakustischer Gesetze nicht hörbar ist.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen aus fol­ genden Schritten.
  • 1. Innerhalb des NF-Frequenzbandes wird eine schmale Fre­ quenzgruppe ausgewählt, die sehr oft und möglichst lan­ ge Signale mit nennenswerter Amplitude enthält. Das ist Voraussetzung, da das erfindungsgemäße Zusatzsignal klein sein muß gegenüber der Amplitude des in derselben Frequenzgruppe vorhandenen Tonsignals. Eine derartige Frequenzgruppe liegt vorzugsweise im Bereich von 100 Hz-4 kHz, weil in diesem Bereich die Grundwellen und energiereiche Oberwellen der häufigsten Sprach- und Musiksignale liegen.
  • 2. Innerhalb der Frequenzgruppe wird eine schmale Bandbrei­ te gewählt, die kleiner als die Gruppenbandbreite oder gleich dieser ist. Innerhalb dieser geringen Bandbreite wird der Pegel des Nutzsignals, also des Tonsignals ge­ messen. Bei einer Frequenzgruppe bei 1 kHz ist z.B. die Gruppenbandbreite 150 Hz.
  • 3. Es wird ein Zusatzsignal gebildet, dessen Frequenz in­ nerhalb der Gruppenbandbreite liegt und dessen Bandbrei­ te, die gegebenenfalls durch eine zusätzliche Modulati­ on bedingt ist, kleiner als die Gruppenbandbreite oder gleich dieser ist. Ein derartiges Zusatzsignal ist z.B. eine Sinusschwingung mit einer Frequenz von 1 kHz, die ggf. durch eine zusätzliche Modulation zwischen 950 und 1050 Hz getastet sein kann.
  • 4. Die Amplitude des Zusatzsignals wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Amplitude des Tonsignals innerhalb der Gruppenbandbreite so moduliert, daß ein Amplituden­ abstand von ca. 26 dB nicht unterschritten wird. Durch Ausnutzung der sogenannten zeitlichen Nachverdeckung kann die Amplitude des Zusatzsignals nach einer Tonsi­ gnalkomponente mit entsprechend großer Amplitude inner­ halb eine Zeitraumes von 10 ms langsam abklingen. Die Amplitude des Zusatzsignals muß also nicht auf null ab­ fallen, wenn die Amplitude des zugehörigen Tonsignals auf null fällt.
  • 5. Das so gebildetet Zusatzsignal wird dem eigentlichen Tonsignal zugefügt, wobei in jedem Zeitpunkt der genann­ te Mindest-Pegelabstand von ca. 26 dB sichergestellt ist. Dieser Pegelabstand gewährleistet aufgrund psycho­ akustischer Erkenntnisse, daß das Zusatzsignal bei der Wiedergabe unhörbar bleibt.
Für die Auswertung des Zusatzsignals aus dem Gesamtsignal gibt es verschiedene Kriterien. Die Auswertung erfolgt zu­ nächst frequenzselektiv mit einem sogenannten Korrelations­ empfänger, der eine extrem frequenzselektive Auswertung er­ möglicht. Diese Frequenzselektion ist möglich, weil die Fre­ quenz des Zusatzsignales bekannt ist. Als weiteres Kriterium kann eine Modulation des Zusatzsignals ausgenutzt werden, z.B. eine Amplituden- oder Frequenzmodulation. Da per Defini­ tion das Zusatzsignal einen bestimmten Pegelabstand von 26 dB gegenüber dem Tonsignal innerhalb der Frequenzgruppe hat, kann auch die Amplitude als Auswertkriterium dienen. Ein Signalanteil, der zwar die Frequenz des Zusatzsignals, aber eine wesentlich höhere Amplitude hat, als es dem Ab­ stand von 26 dB entspricht, ist mit großer Wahrscheinlich­ keit kein Zusatzsignal, sondern eine Komponente des Nutzsi­ gnals und wird daher nicht berücksichtigt. Um eine sichere Auswertung des Zusatzsignals zu ermöglichen, ist es zweckmä­ ßig, über einen bestimmten Zeitraum mehrere Messungen vorzu­ nehmen und erst dann die Anwesenheit des Zusatzsignals als gegeben anzunehmen, wenn mehrere aufeinanderfolgende Messun­ gen übereinstimmend ein Positiv-Ergebnis zur Anwesenheit des Zusatzsignals ergeben.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar zur Über­ tragung eines Kennsignals für einen Kopierschutz bei Auf­ zeichnungsgeräten. Das beruht darauf, daß das Zusatzsignal aus dem Gesamtsignal nicht entfernt werden kann. Es reicht auch in diesem Fall, wenn das Zusatzsignal erst nach länge­ rer Prüfzeit in der Größenordnung von mehreren Sekunden oder Minuten einwandfrei erkannt wird. Denn eine Aufnahme ist selbst dann wertlos, wenn sie erst nach einigen Minuten abge­ brochen oder unterbrochen wird. Das Zusatzsignal ist auch als Quellenkennung, zur Kennzeichnung des zum Tonsignal gehö­ renden Senders, zur Angabe der Herstellerfirma eines Gerätes oder Aufzeichnungsträgers oder auch zur Angabe der jeweili­ gen Nr. eines Aufzeichnungsträgers wie z.B. einer CD-Platte anwendbar. Das Zusatzsignal kann auch eine einfache Modulati­ on für eine Information wie z.B. eine Zeitansage oder sonsti­ ge relativ einfache Informationen enthalten. Das Zusatzsi­ gnal kann auch Umschaltfunktionen bei der Wiedergabe auslö­ sen, z.B. eine Umschaltung einer Entzerrung, Ein- oder Aus­ schaltung einer Expanderschaltung im Zusammenhang mit einem Kompandersystem und dgl.
Wenn das Zusatzsignal bei einem Recorder als Kopierschutz dient und bei seinem Vorhandensein den Aufnahmeweg abschal­ tet, ist folgende Weiterbildung vorteilhaft. In dem Recorder wird gemessen, ob überhaupt in der Frequenzgruppe, in der das Zusatzsignal liegen müßte, ein Signal vorhanden ist. Wenn in dieser Frequenzgruppe über einen längeren Zeitraum von mehreren Sekunden oder Minuten überhaupt kein Signal festgestellt ist, so ist dieses ein Indiz dafür, daß in die­ ser Freqzenzgruppe manipuliert, also zwecks Aufhebung der Kopiersperre das Zusatzsignal zusammen mit dem Nutzsignal beseitigt worden ist. Aus diesem Kriterium, daß in der Fre­ quenzgruppe überhaupt kein Signal über längere Zeit vorhan­ den ist, kann dann auch eine Schaltspannung zur Betätigung der Kopiersperre abgeleitet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläu­ tert. Darin zeigen
Fig. 1 Kurven zur Erläuterung der psychoakustischen Verdeckungseigenschaften,
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild für die Sendeseite und
Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild für die Auswertung des Zusatzsignals.
Fig. 1 zeigt die Mithörschwellen von Testtönen, die durch Schmalbandrauschen mit Mittenfrequenz von 1 kHz, der Gruppen­ bandbreite von 160 Hz und mit Schallpegeln LG von 100, 80, 40 und 20 dB verdeckt werden. Diese Figur ist näher beschrie­ ben in dem Buch "Das Ohr als Nachrichtenempfänger" von Prof. Zwicker und Prof. Feldtkeller, 1967, Seite 59-60. Jeweils Signale mit einer Amplitude LT und einer Frequenz fT unter­ halb der für einen Rauschpegel dargestellten Kurve sind durch Verdeckungseffekte nicht hörbar. Bei einem Nutzsignal­ pegel von 80 dB kann also z.B. ein Zusatzsignal mit einer Frequenz und einer Amplitude entsprechend dem Punkt P über­ tragen werden. Die in Fig. 1 dargestellte psychoakustische Erkenntnis wird zur Übertragung des Zusatzsignals ohne merk­ bare Beeinträchtigung des Tonsignals ausgenutzt.
In Fig. 2 steht an der Klemme 1 ein analoges oder digitales NF-Signal T. Daraus wird mit dem Bandfilter 2 eine Frequenz­ gruppe, bei der das Zusatzsignal übertragen werden soll, aus­ gewertet. Das Ergebnis gelangt über den Gleichrichter 3 und das Siebglied 4 als modulierende Spannung Um auf den Modul­ ator 5. Der Generator 6 erzeugt eine Sinusspannung mit einer Frequenz innerhalb der genannten Frequenzgruppe, also vor­ zugsweise einer Frequenz in der Mitte des Durchlaßbereiches des Bandfilters 2. Diese Sinusspannung wird in dem Modulator 5 entsprechend der Amplitude des Tonsignalanteils T innerhalb der Frequenzgruppe durch Um moduliert, derart, daß die Ampli­ tude mit steigender Spannung Um zunimmt. Das so gewonnene Signal wird in dem Dämpfungsglied 6 um 26 dB im Pegel abge­ senkt und gelangt als Zusatzsignal Z auf die Addierstufe 7. In der Addierstufe 7 wird das Zusatzsignal Z dem Tonsignal T additiv hinzugefügt, so daß an der Klemme 8 das Summensignal T+Z für die Übertragung oder Aufzeichnung zur Verfügung steht. Das Zusatzsignal Z kann zusätzlich in der Amplitude, der Frequenz oder der Phase moduliert, z.B. zwischen ver­ schiedenen Werten dieser Parameter umgetastet sein. Die Modu­ lation erfolgt so, daß die Bandbreite des Zusatzsignals Z nicht größer ist als die Bandbreite der mit dem Filter 2 aus­ gewählten Frequenzgruppe.
In Fig. 3 wird das gemäß Fig. 2 erzeugte Summensignal T+Z einem Bandfilter 9 zugeführt, das extrem schmalbandig selektiv auf die Frequenz des Zusatzsignals Z gegebenenfalls einschließlich seiner Seitenbänder abgestimmt ist. Das so frequenzselektiv herausgefilterte Zusatzsignal Z gelangt über den Gleichrichter 10 auf die Stufe 11, die bei Vorhan­ densein von Z an der Klemme 12 eine Schaltspannung Us lie­ fert. Us kann bei Anwesenheit von Z im übertragenen Signal eine Schaltfunktion ausüben, vorzugsweise in einem Aufzeich­ nungsgerät eine Kopiersperre betätigen. In der Schaltung 11 kann das Zusatzsignal Z nach den erläuterten Kriterien ausge­ wertet werden. Für die Schaltung nach Fig. 3 kann ein Korre­ lationsempfänger verwendet werden, wie er in dem Buch von H.D. Lüke "Signalübertragung", Springer Verlag, Kapitel 7.2, näher beschrieben ist.

Claims (11)

1. Verfahren zur Übertragung eines Tonsignals (T) und ei­ nes Zusatzsignals (Z), das bei der Wiedergabe des Tonsi­ gnales nicht hörbar und vom Tonsignal getrennt auswert­ bar ist, insbesondere zur Indikation oder Steuerung von Funktionen, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzsi­ gnal (Z) innerhalb einer Frequenzgruppe (1 kHz ± 150 Hz) des Tonsignals (T) mit einem gegenüber dem jeweili­ gen Pegel des Tonsignals (T) in dieser Frequenzgruppe so geringen Pegel zugesetzt oder übertragen wird, daß es bei der Wiedergabe aufgrund psycho-akustischer Ver­ deckungseffekte nicht hörbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzsignal (Z) nur dann zugesetzt oder übertragen wird, wenn der Pegel des Tonsignals (T) innerhalb der Frequenzgruppe einen für die Verdeckung ausreichenden Schwellwert übersteigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Amplitude und Frequenz des Zusatzsignals (Z) so gewählt sind, daß es jeweils unterhalb der Mithörschwelle für das in der Frequenzgruppe vorhandene Tonsignal (T) liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel des Zusatzsignals (Z) sich in einem Pegelab­ stand (26 dB) kontinuierlich mit dem Pegel des Tonsi­ gnals (T) ändert.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzsignal (Z) eine Sinusschwingung oder eine Sum­ me von Sinusschwingungen mit mehreren in der Frequenz­ gruppe liegenden Frequenzen ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude, Frequenz und/oder die Phase des Zusatzsi­ gnals moduliert ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Zusatzsignals (Z) nach einem hohen Pegel im Tonsignal (T) unter Ausnutzung des zeitlichen Nachverdeckungseffektes über einen Zeitraum von ca 10 ms abklingt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzgruppe in einem für die Qualitätsempfindung von Sprache und Musik wichtigen Bereich (100 Hz ... 4 kHz) des NF-Frequenzbandes liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die frequenzselektive Auswertung des Zusatzsignals (Z) ein Korrelationsempfänger vorgesehen ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Gesamtsignals (T+Z) auf Anwesenheit des Zusatzsignals (Z) über einen längeren Zeitraum (mehrere Minuten) wiederholt erfolgt und erst bei mehreren über­ einstimmenden Positiv-Ergebnissen die durch das Zusatz­ signal (Z) zu betätigende Funktion ausgelöst wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung des Zusatzsignals für eine Kopiersperre in einem Recorder daraus, daß innerhalb der Frequenz­ gruppe über längere Zeit kein Nutzsignal (T) vorhanden ist, eine Schaltspannung zur Sperrung oder sonstigen Beeinträchtigung des Aufnahmeweges des Recorders abge­ leitet wird.
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