DE3806416A1 - Verfahren zur reduzierung sog. vorechos bei der uebertragung und/oder speicherung von akustischen signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Redu­ zierung sog. Vorechos bei der Übertragung und/oder Spei­ cherung von akustischen Signalen und insbesondere von Musiksignalen durch digitale Codierverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Datenreduktion von akustischen Signalen sind verschie­ dene Verfahren vorgeschlagen worden, die mit einer Trans­ formation in den Frequenzbereich (DE-PS 33 10 480) oder einer Aufteilung in verschiedene Frequenzbänder arbeiten.

Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß statt einzelnen Ab­ tastwerten codierte Werte übertragen werden, die aus einer Reihe von Abtastwerten durch Filterung oder Transformation und nachfolgende Verarbeitung gewonnen werden. Bei der Decodierung im Empfänger eines solchen Übertragungsverfah­ rens beeinflußt so jeder einzelne übertragene Wert eine ganze Zahl von Werten im Zeitbereich. Die durch Quanti­ sierung von Werten im Frequenzbereich hervorgerufenen Störungen betreffen daher immer mehrere Werte im Zeit­ bereich. Wenn mehr Abtastwerte betroffen sind, als zu 1 ms gehören, kann es zu einem hörbaren Störgeräusch kommen, das als Vorecho bezeichnet wird und im Folgenden anhand eines Beispiels erläutert wird:

Fig. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Signals, das zum Anschlagen einer Triangel als Soloinstrument gehört. Aus einer Periode fast völliger Stille (bis auf evtl. Mikro­ phonrauschen) heraus steigt die Signalamplitude innerhalb weniger als 1 ms auf fast Vollaussteuerung:

Fig. 2 zeigt dasselbe Signal, nachdem es mit einer Trans­ formationscodierung codiert und rekonstruiert wurde. Das erzeugte Fehlersignal (Signal von Fig. 2 minus Signal von Fig. 1) ist in Fig. 3 zu sehen. Man erkennt, daß das Feh­ lersignal sich über eine Blocklänge (hier ca. 10 ms) er­ streckt. Im Bereich des Triangelanschlags ist das Fehler­ signal klein im Verhältnis zum Originalsignal und dadurch nicht hörbar. Vor dem Anschlag ist jedoch das Fehlersignal über etliche Millisekunden größer als das Originalsignal und deshalb als sogenanntes "Vorecho" hörbar:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben be­ schriebenen Vorechos bei der Rekonstruktion eines Signals so weit zu vermindern bzw. auszulöschen, daß sie nicht mehr hörbar sind.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in zwei Teilschritten gelöst:

In einem ersten Schritt wird aus dem Originalsignal und/ oder dem rekonstruierten Signal eine "Vorechobedingung" errechnet: In einem zweiten Schritt wird in der Einheit, in der das Signal rekonstruiert wird, (sog: Empfänger des Codierverfahrens) bei Auftreten der Vorechobedingung das empfangene Signal so gefiltert, daß das Vorecho vermindert bzw. ausgelöscht wird.

Hierzu muß der Sender eines Codierverfahrens möglichst genau erkennen, wann ein Vorecho hörbar sein könnte und diese Bedingung dem Empfänger signalisieren. Der Empfänger eines Codierverfahrens muß die übertragenen Informationen über Vorechobedingungen dazu verwenden, Vorechos zu ver­ mindern oder auszulöschen.

Diese Trennung bringt eine Reihe von Vorteilen. Solange keine Vorechobedingung erkannt wurde, geschieht auch keine Veränderung umd damit evtl. Verfälschung des Signals. Die getrennte Berechnung der Vorechobedingung ermöglicht es, die Hauptlast der Berechnung auf den Senderteil zu verla­ gern. Bei Anwendungen, bei denen ein Sender vielen Empfän­ gern gegenübersteht, wie z. B. bei Rundfunkübertragungen, ergibt sich damit insgesamt eine Senkung des Aufwands. Eine Filterung des Ausgangssignals für den Fall einer Vorechobedingung verbindet eine geringstmögliche Änderung des Signals sowie geringen Aufwand für die Verminderung oder Auslöschung von Vorechos mit guter Unterdrückung von störenden Vorechos. Besonders hervorzuheben ist, daß außer der Signalisierungsinformation keine weitere Erhöhung der Datenrate zur Unterdrückung von Vorechos nötig ist.

Weiterbildungem der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Eine Rekonstruktion des Signals schon im Sender ermöglicht den direkten Vergleich zwischen Originalsignal und rekon­ struierten Signal und damit die direkte Bewertung des Fehlersignals. So können hörbare Vorechos genau ermittelt werden. Aus dem Originalsignal alleine oder dem rekon­ struierten Signal alleine könnte nur sehr viel ungenauer bestimmt werden, wann ein hörbares Vorecho zu erwarten ist.

Die Aufteilung des Signals in Teilblöcke erlaubt eine Signalisierung von Vorechobedingungen, die genau an die Eigenschaftem des menschlichen Gehörs angepaßt ist. Er­ fahrungsgemäß ist ein Vorecho evtl. hörbar, wenn es 1 ms an Dauer übersteigt. Wenn die Vorechobedingung für ent­ sprechend kürzere Teilblöcke berechnet werden, dann ist nur für den Teilblock, in dem die Signalenergie stark ansteigt, keine Vorechobedingung mehr feststellbar.

Wenn das Signal vor dem Eintreten eines Klangereignisses, das zu einem hörbaren Vorecho führen kann (z.B. Anschlag einer Triangel) nicht verschwindend klein war, sondern nur von geringerer Amplitude und mit hohem Anteil von Tönen niederer Frequenz, dann könnte der Vergleich von Fehler­ signal mit Originalsignal dazu führen, daß ein Vorecho nicht erkannt, aber trotzdem hörbar ist. Da ein steiler Übergang (Anschlag) im Zeitbereich einen hohen Energiean­ teil bei hohen Frequenzen hat, ergibt ein Vergleich mit nur einem hochpaßgefilterten Originalsignal eine höhere Sicherheit zum Erkennen von störenden Vorechos.

Da aber ein hochpaßgefiltertes Signal wie jedes gefil­ terte Signal im zeitlichen Verlauf der Amplitude vom ur­ sprünglichen Signal abweichen kann, werden Vorechobedin­ gungen nach beiden Methoden, also nach Vergleich der Ener­ gie des Fehlersignals mit der des Originalsignals und mit der des hochpaßgefilterten Signals, gesetzt.

Da Vorechos jeweils für einen ganzen verarbeiteten Block eines Codierverfahrens auftreten, ist zu erwarten, daß bei Berechnung der Vorechobedingung in Teilblöcken immer für eine Folge von Teilblöcken eine Vorechobedingung angezeigt wird. Dies kann in zweierlei Hinsicht ausgenutzt werden. Zum einen braucht nicht für jeden Teilblock einzeln die Information zum Empfänger übertragen werden, ob eine Vor­ echobedingung erkannt wurde, sondern für einen Block nur die Anzahl und der Anfang der Teilblöcke, für die dies der Fall ist. Zum anderen kann eine Schwelle zur Verhinderung "falscher" Vorechobedingungen eingebaut werden. Wenn in einem Signalabschnitt der Anteil von Teilblöcken mit be­ rechneter Vorechobedingung zu klein ist, dann wird vermu­ tet, daß sozusagen "Fehlalarm" vorlag und dem Empfänger kein zu verminderndes Vorecho signalisiert. Beispielsweise wird in einem LC-ATC-Coder eine Vorechobedingung nur aner­ kannt, wenn vom Beginn eines Blockes bis zu einem be­ stimmten Punkt 90% der Teilblöcke eine Vorechobedingung anzeigen.

Die Filterung des Signals im Empfänger kann auf unter­ schiedliche Weise geschehen.

Die einfachste und mit dem geringsten Aufwand verbundene Methode ist es, die Werte, für die der Sender eine Vor­ echobedingung angezeigt hat, auf den Wert 0 zu setzen, d.h. zu löschen. Diese Methode ist gleichzeitig für Sig­ nale wie das Anschlagen einer Triangel, die aus sehr ge­ ringer Signalamplitude heraus ansteigen, sehr effektiv. Bei solchen Signalen wird durch das Löschen von Werten kein hörbarer Signalanteil mitgelöscht, jedoch das Vorecho vollständig ausgelöscht.

Probleme ergeben sich bei dieser Löschung von Signalwer­ ten, wenn das Originalsignal einen Gleichanteil enthält oder tieffrequente Signalanteile, deren Löschen eine hör­ bare Änderung zwischen Originalsignal und rekonstruiertem Signal ergeben würde. Um auch in diesen Fällen eine be­ friedigende Verminderung bzw. Auslöschung von Vorechos ohne störende Nebeneffekte zu erzielen, muß ein erheblich höherer Aufwand getrieben werden.

Im Sender schon wird berechnet, wie die Signalenergie über den Frequenzbereich verteilt ist. Wie das geschieht, soll anhand eines Beispiels erklärt werden. Das Signal wird in überlappende Teilblöcke von z.B. 5 ms Dauer unterteilt. Die Teilblöcke werden mit einer Fensterfunktion (z.B. Hanningfenster) multipliziert und mit einer schnellen Fouriertransformation in den Frequenzbereich transfor­ miert. Vom Spektrum wird durch Quadrieren und Summation von Real- und Imaginaerteil das Leistungsspektrum errech­ net, das die Verteilung der Signalenergie über den Fre­ quenzbereich angibt. Durch Summation aller Werte wird die Gesamtenergie berechnet. Als gewünschter Anteil der Sig­ nalenergie, der trotz Filterung erhalten bleiben soll, sei 90% angenommen. Es werden deshalb beginnend von niedrigen Frequenzen die Werte des Leistungsspektrums aufsummiert, bis der Wert von 0,9 mal der vorher errechneten Gesamt­ energie erreicht ist. Die Frequenz, bei der das der Fall ist, wird Tiefpaßpunkt genannt und ist die Frequenz, ab der im Empfänger die Tiefpaßfilterung stattfindet.

Im Empfänger wird sinnvollerweise während des Betriebs fortlaufend nicht nur die normale Rekonstruktion, sondern auch die tiefpaßgefilterte Version berechnet. Bei Auftre­ ten einer Vorechobedingung muß der Empfänger dann nur das Ausgangssignal von der normalen Rekonstruktion auf die tiefpaßgefilterte Version umstellen. Die Tiefpaßfil­ terung ist eine Veränderung des Signals, die damit eigene, typische Störungen erzeugen kann. Im Normalfall eines Vorechos sind diese Störungen deutlich geringer als die im ungefilterten Signal vorhandenen.

Die erfindungsgemäßen Vorteile und Auswirkungen werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:

Fig. 1 das Orginalsignal eimer Triangel,

Fig. 2 das rekonstruierte Signal mit "Vorecho",

Fig. 3 das Fehlersignal, d.h. der Unterschied zwischen Orginalsignal und rekonstruiertem Signal mit Vorecho,

Fig. 4 das gefilterte Ausgangssignal, und

Fig. 5 das gefilterte Ausgangssignal mit gelöschtem Vorecho.

Fig. 4 zeigt das gefilterte Ausgangssigmal bei dem schon in den Fig. 1 bis 3 als Beispiel verwendeten Anschlag einer Triangel. Es ist deutlich zu sehen, daß zwar das in Fig. 2 zu sehende Vorecho gelöscht ist, aber ein neues, tieferfrequentes Störsignal erzeugt wird.

Die Erfindung ermöglicht ein weitergehendes Löschen von Vorechos in einem derartigen Fall. Dazu wird im Sender schon die tiefpaßgefilterte Ausgangsversion des rekon­ struierten Signals berechnet und die Leistung des dazuge­ hörigen Fehlersignals mit der des Originalsignals ver­ glichen. Wenn die Filterung ab der Tiefpaßfrequenz immer noch zu Störungen führt, die insgesamt die Signalleistung übersteigen, dann wird wie im einfacheren Verfahren das Ausgangssignal auf den Wert 0 gesetzt. Das Ergebnis ist in Fig. 5 zu sehen: das Vorecho ist komplett gelöscht und nicht mehr hörbar.

Die Berechnung der tiefpaßgefilterten Version kann auf besonders elegante Art durchgeführt werden, wenn dazu ausgenützt wird, daß die übertragenen Werte eines Trans­ formationscodierverfahrens oder eines Teilbandcodierver­ fahrens schon bestimmten Frequenzbereichen entsprechen: Es müssen zur Durchführung der Filterung nur noch die zu den zu filternden Frequenzen gehörenden Werte zu 0 oder auf einen sehr kleinen Wert gesetzt werden. Diese Werte können nach der zum Codierverfahren gehörenden Methode (z.B. Rücktransformation) rekonstruiert werdem. Damit kann z.B. bei Realisierung des Verfahrens mittels eines Digitalrech­ ners schon vorhandener Programmcode zur Rekonstruktion des Signals ausgenutzt werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Reduzierung sog. Vorechos bei der Über­ tragung und/oder Speicherung von akustischen Signalen und insbesondere von Musiksignalen durch digitale Codierver­ fahren, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt aus dem Originalsignal und/oder dem rekonstruierten Signal eine "Vorechobedingung" errechnet wird und, daß in einem zweiten Schritt in der Einheit, in der das Signal rekonstruiert wird, (sog. Empfänger des Codierver­ fahrens) bei Auftreten der Vorechobedingung das empfangene Signal so gefiltert wird, daß das Vorecho vermindert bzw. ausgelöscht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen einer Vorechobe­ dingung bereits im Sender das Signal rekonstruiert wird, und daß die Vorechobedingung aus dem Vergleich des Origi­ nalsignals mit einem Fehlersignal, das die Differenz von Originalsignal und rekonstruiertem Signal ist, gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich von Originalsig­ nal und Fehlersignal in Teilblöcken mit einer Dauer von 1 ms Länge durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Teilblocks 0,5 ms betragt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vergleich ein gefiltertes Originalsignal verwendet wird, das lediglich höherfrequen­ te Anteile des Signals enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vergleich das Originalsig­ nal und ein gefiltertes Originalsignal, das lediglich höherfrequente Anteile des Signals enthält, verwendet werden, und daß die Vorechobedingung aus beiden Verglei­ chen berechnet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorechobedingung erfüllt ist, wenn der Vergleich der Werte eines Teilblocks ergibt, daß die Energie des Fehlersignals größer als die Energie des Originalsignals oder des gefilterten Originalsignals des Blocks ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorechobedingung für ein Teilstück des Signals nur angenommen wird, wenn die Zahl der Vorechobedingung in Teilblöcken über einer Schwelle liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten einer Vorechobe­ dingung für ein Signalstück die zu diesem Signalstück gehörenden rekonstruierten Werte im Empfänger auf den Wert 0 gesetzt, d.h. gelöscht werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Sender berechnet wird, bis zu welcher Frequenz ein großer Anteil der Signalenergie vorhanden ist, daß im Empfänger neben der normalen Rekonstruktion ein weiteres Ausgangssignals berechnet wird, das tiefpaß­ gefiltert ist und somit keine Energieanteile bei Frequen­ zen enthält, für die auch im Originalsignal nur wenig Energie vorhanden ist, und daß bei Auftreten der Vorecho­ bedingung statt des normal rekonstruierten Signals das tiefpaß-gefilterte Signal als Ausgangssignal verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der große Anteil der Signal­ energie 90% und der geringe Anteil der Signalenergie 10% betragen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekonstruktion sendersei­ tig sowohl gemäß Anspruch 9 als auch gemäß Anspruch 10 erfolgt und daß nach Vergleich mit dem Originalsignal dem Empfänger bei Auftreten der Vorechobedingung mitgeteilt wird, welches Verfahren den kleineren Fehler liefert.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nötige Filterungen des Signals durch Berechnung einer Fouriertransformation und Löschen von Frequenzbereichskoeffizienten durchgeführt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der gefilterten Version des Ausgangssignals dadurch erfolgt, daß vom Co­ dierverfahren übertragene Werte, die zu Frequenzen gehö­ ren, die herausgefiltert werden sollen, zu 0 oder auf einen sehr kleinen Wert gesetzt werden und aus diesen Werten das Signal nach der zum Codierverfahren gehörenden Methode (z.B. inverse Transformation) rekonstruiert wird.