DE3904648A1 - Verfahren und anordnung zur unterdrueckung von unerwuenschten spektren bei einer digitalen dynamikexpansion - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Unterdrückung bzw. Abschwächung von unerwünschten Spektren bei einer Dynamikexpansion von digitalisierten komprimierten Signalen.

In der älteren deutschen Patentanmeldung P 38 15 079 ist ein digitaler Dynamikexpander beschrieben. Und zwar soll dieser Dynamikexpander dazu verwendet werden, auf einem Speichermedium aufgezeichnete komprimierte Analogsignale nach einer Analog-Digital-Umsetzung zu expandieren. Voraussetzung für dieses Verfahren ist ein digitaler Expander, der diejenige Kompressorfunktion, die bei der vorangegangenen analogen Komprimierung benutzt worden ist, sowohl statisch als auch dynamisch einwandfrei wieder rückgängig macht, der also einen geeigneten analogen Expander in Digitaltechnik nachbildet.

Ein Expander kann ein Originalsignal, so wie es vor der Kompression beschaffen war, nur bis auf gewisse Restfehler restaurieren. Am Ausgang eines analogen Expanders äußern sich solche Fälle durch das Auftreten vornehmlich ungeradzahliger harmonischer Spektralanteile, die aber z. B. bei Tonsignalen vom Ohr nicht als sehr störend empfunden werden. Es ändert sich durch diese harmonische Spektren nur geringfügig die Klangfarbe der Tonsignale. Dagegen entstehen bei einer digitalen Expansion nichtharmonische Spektren, die sehr störend sein können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur digitalen Dynamikexpansion anzugeben, wobei unerwünschte Spektren unterdrücken bzw. abgeschwächt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird nun die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines digitalen Dynamikexpanders,

Fig. 2 ein Spektraldiagramm,

Fig. 3, 4, 5 verschiedene Varianten für die Veränderungen der Abtastfrequenz in einem Dynamikexpander und

Fig. 6 einen Expander-Meßpfad mit Mitteln zur Veränderung der Abtastfrequenz.

Das in Fig. 1 wiedergegebene Blockschaltbild bezieht sich auf einen nach der Erfindung ausgeführten digitalen Dynamikexpander. Von einer Eingangsklemme Eo zweigen Zweige 1, . . . , l, l + 1, . . . , L ab, deren Eingänge mit E 1, . . . , El, El + 1, . . . , EL bezeichnet sind. Die Zweige, von denen nur der Zwweig l im Detail dargestellt ist, weisen alle die prinzipiell gleiche Struktur auf, unterscheiden sich aber im allgemeinen durch verschiedene Parameter, die vor allem das jeweilige dynamische Verhalten bestimmen. Außerdem sind die an den Eingängen vorgesehene Filter FS, FM zur Aufteilung von Teilfrequenzbändern auf die unterschiedlichen Zweige unterschiedlich.

Das Filter FS und/oder FM kann aus kaskadierten oder parallelgeschalteten Teilfiltern bestehen. Es kann als digitales Rekursiv-Filter in kanonischer Struktur (vgl. Göckler, H: Einstellbare Digitalfilter für die Tontechnik, ntz Archiv, Band 7 [1985], Heft 3, S. 47-57, Bild 2) oder in Zustandsraumstruktur (vgl. deutsche Patentanmeldungen 35 22 411, 35 22 412, 35 22 413 und 34 39 977) ausgeführt sein.

Jeder Zweig teilt sich an einem Abzweig Ab auf in einen Signalpfad S und einen Meßpfad M. Im Signalpfad S wird zunächst mit dem Filter FS die Zweigsignaltrennung vorgenommen. Mit einem als Stellglied arbeitenden Signalpfadmultiplizierer SM wird das zu expandierende Signal bewertet (verstärkt, abgeschwächt etc.) und zwar mit Hilfe der Stellgröße SG, die hier in den zweiten Eingang des Signalpfadmultiplizierers SM aus dem Meßpfad M mündet und letztlich aus dem Signal vom Eingang El abgeleitet ist. Eine weitere Multiplikation mit einer Konstanten ks in einem Abgleichmultiplizierer Ms dient Abgleichzwecken.

Schließlich werden alle Zweigsignale, also alle Signale an den Expanderausgängen A 1, . . . , Al, Al + 1, . . . , Al mittels eines digitalen Addierers Ad aufsummiert zur Bildung des digital expandierten Gesamtsignales A am Ausgang Ao.

Im Meßpfad M erfolgt hinter dem Abzweig Ab eine weitere Bandbegrenzung im Filter FM. Dessen Ausgangssignal speist einen der Eingänge eines Meßpfadmultiplizierers MM, der in einem Regelkreis R liegt. Zu Abgleichzwecken wird das Ausgangssignal des Meßpfadmultiplizierers MM mit einer Konstanten km in einem Abgleichmultiplizierer Mm bewertet. Es folgt eine Betragsbildungsoperation (Unterdrückung des Vorzeichens) in einem Betragsbilder B, danach in einem Addierer A 1 die Addition einer Korrekturkonstanten und weiterhin ist innerhalb des Regelkreises R ein Amplitudenbegrenzer SL vorgesehen, dem ein Logarithmierer LM folgt. Durch den Übergang von der linearen in die logarithmische Wertedarstellung (lin/log) wird erreicht, daß die Expanderkennlinie im logarithmischen Bereich linear ist. Die erste Operation im logarithmischen Wertebereich ist eine pegelabhängige Verstärkung in einem nichtlinearen Übertragungsglied NLV. Danach folgt ein Addierer A 2 zur Addition einer Größe Io und schließlich ein Integrierer, der in einer Integrierer-Regelstrecke einen Amplitudenbegrenzer Sz und in einer Rückführung Rf zu einem Addierer A 3 ein Verzögerungsglied T′ aufweist. In einem zum Meßpfadknoten MM zurückgeführten Rückkopplungszweig des Regelkreises R wird das Ausgangssignal des Integrierers mit -a bewertet oder gewichtet. Als Gewichtungsmittel M 1 dient wieder ein Multiplizierer. Diesem folgt ein Delogarithmierer DG, durch welchen die Signale wieder in den linearen Wertebereich zurücktransformiert werden (log/lin-Wandlung), also entsprechend der inversen Operation zur linear/logarithmischen Wandlung in dem Logarithmierer LM. Die Ausgangssignale des Delogarithmierers DG dienen innerhalb des Regelkreises R im Meßpfad als Stellgröße, werden also dem Meßpfadmultiplizierer MM zugeführt.

Aus dem Ausgangssignal des Integrierers und damit des Regelkreises R wird außerdem die Stellgröße SG für den Signalpfad S abgeleitet durch Bewertung mit a · (n - m )/m in einem Gewichtungsmittel M 2 mit nachfolgender Delogarithmierung in einem Delogarithmierer D 2, der demjenigen in den Rückkopplungszweiges des Regelkreises R im Meßpfad M entspricht. Die Parameter n und m bestimmen das statische Verhalten, also die Steilheit n/m der Verstärkungskennlinie des digitalen Expanders. Mit der Wahl des Parameters a kann das dynamische Verhalten des digitalen Expanders festgelegt werden.

Die Anordnung arbeitet so, daß bei konstantem Eingangspegel am Eingang El am Ausgang des Regelkreises R ein von Abtastwert zu Abtastwert konstant bleibendes Signal entsteht, also auch die Stellgröße SG konstant bleibt. Allerdings sind diese Signale pegelabhängig, so daß durch den Signalpfadmultiplizierer SM größere Signalpegel im Signalpfad S stärker angehoben werden als kleinere Signalpegel (oder kleinere Signalpegel stärker abgesenkt werden als größere), was ja der Sinn eines Expanders ist. Bei Pegelaufwärts- oder -abwärtssprüngen am Eingang El müssen sich am Ausgang der Regelstrecke R bestimmte Übergangsverhaltensweisen zeigen, damit in dem Signalpfadknoten, der durch den Signalpfadmultiplizierer SM gebildet ist, wieder das gewünschte ursprüngliche Signal entsteht, wie es vor der Kompression vorhanden war. Dabei muß berücksichtigt werden, welches Übergangsverhalten der Kompressor hatte, der das Eingangssignal erzeugt hat, das nun analog/digital-gewandelt am Eingang Eo vorliegt. Dieses Übergangsverhalten des Kompressors ist in der Regel unterschiedlich, abhängig davon, ob es sich um einen Aufwärts- oder Abwärts-Pegelsprung handelt. Bei Aufwärtssprüngen ist die Übergangszeit sehr kurz (Millisekundenbereich) und beim Abwärtssprung relativ lang (Sekundenbereich). Damit der in Fig. 1 gezeigte Expander ein dynamisches Verhalten zeigt, das an das Verhalten des zugehörigen Kompressors angepaßt ist, ist in der Regelstrecke unter anderem das nichtlineare Übertragungsglied NLV vorgesehen, das eine pegelabhängige Verstärkung im logarithmischen Wertebereich bewirkt. Diese bestimmt zusammen mit dem nachgeschalteten Integrierer das dynamische Verhalten des Expanders bei Aufwärtssprüngen des Pegels. Für das dynamische Verhalten bei Abwärtssprüngen, also für das sogenannte Ausschwingen sorgt vornehmlich die Konstante Io, die mit dem Addierer A 2 zugeführt wird.

Vorangehend ist exemplarisch ein Ausführungsbeispiel für einen digitalen Dynamikexpander, wie er z. B. der deutschen Patentanmeldung P 38 15 079 zugrundeliegt, beschrieben worden. Die nachfolgend ausgeführten Maßnahmen zur Unterdrückung bzw. Abschwächung von störenden Spektren lassen sich auf diesen beschriebenen Dynamikexpanders aber auch auf jede ihm gegenüber abgewandelte Ausführungsform anwenden.

Bei der Signalverarbeitung in einem digitalen Dynamikexpander werden auch nichtlineare Operationen durchgeführt, wie im beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die Betragbildung B und die nichtlineare Verstärkung NLV. Solche nichtlineare Operationen sind die Ursache für die Entstehung von Oberschwingungen, welche in einem nichtharmonischen Verhältnis zum Nutzsignalspektrum stehen und daher störend wirken. Welche Störspektren durch den digitalen Dynamikexpander entstehen, soll anhand des Spektrumdiagramms S in Fig. 2 dargelegt werden. Hier ist mit f _A die Abtastfrequenz gemeint, mit der die Signale nach der digitalen Dynamikexpansion üblicherweise weiterverarbeitet werden. Diese Abtastfrequenz f _A soll nachfolgend als Normalabtastfrequenz bezeichnet werden. Das Nutzspektrum, d. h. das Spektrum des zu expandierenden Signals, ist mit f ₁ bezeichnet. Liegt beispielsweise ein Signal mit der Frequenz f ₁ am Eingang El des Dynamikexpander an, so entstehen aus dieser Frequenz f ₁ im Meßpfad M hauptsächlich durch die Betragsbildung B die harmonischen Frequenzen 2kf ₁ (k = 1, 2, . . . ). Diese im Ausgangssignal SG des Meßpfades M enthaltenen Spektren werden in dem Multiplizierer SM des Signalpfadknotens mit dem noch ungestörten Eingangssignal der Frequenz f ₁ gemischt. Dadurch entstehen die Spektren

f _k = 2kf ₁ + f ₁ = (2k + 1)f ₁.

Im Falle einer analogen Dynamikexpansion stören diese Spektren nur wenig, da sie grundsätzlich zum Nutzspektrum f ₁ harmonisch liegen. Steht aber bei einer digitalen Dynamikexpansion die Abtastfrequenz innerhalb des Expanders in einem nichtharmonischen Verhältnis zu der Frequenz f ₁, so ergeben sich nichtharmonische Spiegelfrequenzen

(f _A - 3 f ₁, 2 f _A - 5 f ₁, . . .)

aufgrund der periodischen Natur der Spektren abgetasteter Signale. D. h. die vornehmlich ungeradzahligen Harmonischen (2k + 1)f ₁ der Eingangssignalfrequenz f ₁ spiegeln sich an der (halben und ganzen) Abtastfrequenz bzw. Vielfachen davon. Durch die Spiegelungen werden gerade die oberhalb der halben Abtastfrequenz liegenden harmonischen Sprektren (2k + 1)f ₁ zu nichtharmonischen Spektren umgeformt. Es soll nun eine Maßnahme ergriffen werden, welche zu einer Unterdrückung bzw. möglichst starken Abschwächung dieser störenden nichtharmonischen Spektren führen. Gemäß der Erfindung besteht eine solche Maßnahme darin für die digitale Dynamikexpansion eine Abtastfrequenz f _A′ zu verwenden, die höher ist als die Normal-Abtastfrequenz f _A.

Für die Festlegung des Verhältnisses f _A′/f _A sind folgende Gesichtspunkte ausschlaggebend:

• 1. Aus realisierungspraktischen Gründen wird f _A′/f _A im allgemeinen (aber nicht notwendig) eine ganze Zahl < 1 sein.
• 2. f _A′/f _A ist so groß zu wählen, daß die an ganzzahligen Vielfachen der halben (f _A′/2) und der ganzen (f _A′) Abtastfrequenz gespiegelten nichtharmonischen Störspektren so kleine Amplitudenwerte aufweisen, daß ihre Störung noch tolerierbar oder vernachlässigbar ist. Die Voraussetzung dafür, daß die Amplituden der harmonischen Oberschwingungen mit der Ordnungszahl im allgemeinen abnehmen, ist gegeben.

Gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Blockschaltbild wird ein zunächst noch analoges komprimiertes Signal von einem Analog-Digital-Umsetzer A/D mit einer Abtastfrequenz f _A′, die höher ist als die Normalabtastfrequenz f _A, in ein digitales Signal umgewandelt und dieses mit der erhöhten Abtastfrequenz f _A′ digital expandiert. Als digitaler Dynamikexpander EXP kommt hierfür z. B. eine in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung in Frage. Am Ausgang Ao des Dynamikexpanders EXP wird das die erhöhte Abtastfrequenz f _A′ aufweisende expandierte Signal einem Dezimationsfilter DF zugeführt. Dieses Dezimationsfilter DF bewirkt eine Herabsetzung der Abtastfrequenz f _A′ auf die Normalabtastfrequenz f _A′ mit der die nachfolgende digitale Signalverarbeitung erfolgt.

Wie die Fig. 4 zeigt, kann das komprimierte Analog-Signal in dem Analog-Digital-Umsetzer A/D auch mit einer Abtastfrequenz f _A′′, die geringer, größer oder gleich der Normalabtastfrequenz f _A ist, umgesetzt werden. Ein anschließendes Interpolationsfilter IF erhöht die Abtastfrequenz f _A′′ auf f _A′, mit der dann die Expansion des Signals im digitalen Dynamikexpander EXP durchgeführt wird. Das Ausgangssignal des Expanders EXP wird in seiner Abtastfrequenz in einem bereits erwähnten Dezimationsfilter DF von f _A′ auf f _A herabgesetzt.

Interpolationsfilter und Dezimationsfilter sind im R. E. Crochiere, L. R. Rabiner: Multirate Digital signal processing. Prentice Hall Inc. Englewood Cliffs, N. J., 1983 beschrieben.

Es ist vorteilhaft, bei einem in Fig. 1 dargestellten digitalen Dynamikexpander, die Erhöhung der Abtastfrequenz von f _A′′ auf f _A′ (f _A′ < f _A) erst nach dem Eingangsfilter FS vorzunehmen. Denn eine niedrige Abtastfrequenz des vom Filter zu verarbeitenden Signals verlangt einen geringeren Filteraufwand. Deshalb ist das Interpolationsfilter IF, wie die Fig. 5 zeigt, dem Eingangsfilter FS nachgeschaltet. Die Herabsetzung der Abtastfrequenz des Expanderausgangssignals von f _A′ auf f _A in einem Dezimationsfilter DF erfolgt zweckmäßig am Ausgang des Addierers Ad, welcher die Teilfrequenzbändern zugeordneten Ausgangssignale mehrerer parallel geschalteter Expandereinheiten addiert. Somit erspart man den Einsatz von je einem Dezimationsfilter am Ausgang A 1, Al, Al + 1 . . . Al einer jeden einzelnen Expandereinheit.

Eine weitere Verbesserung hinsichtlich einer Unterdrückung von Störspektren läßt sich dadurch erzielen, daß speziell für den Regelkreis R im Meßpfad M die Abtastfrequenz gegenüber der Abtastfrequenz f _A′ im Signalpfad S auf f _A′′′ < f _A′ erhöht wird. Wie die Fig. 6 zeigt, ist zu diesem Zweck dem Filter FM im Meßpfad M ein Interpolationsfilter IF 1 nachgeschaltet, welches die Abtastfrequenz f _A′ auf f _A′′′ heraufsetzt. Nach dem Regelkreis R erfolgt durch ein Dezimationsfilter DF 1 wieder eine Verminderung der hohen Abtastfrequenz f _A′′′ auf die sonst im Expander verwendete niedrigere Abtastfrequenz f _A′.

Claims (7)

1. Verfahren zur Unterdrückung bzw. Abschwächung von unerwünschten Spektren bei einer Dynamikexpansion von digitalisierten komprimierten Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß bei der digitalen Dynamikexpansion eine höhere Abtastfrequenz verwendet wird als bei der anschließenden digitalen Weiterverarbeitung der expandierten Signale.

2. Anordnung zur Unterdrückung bzw. Abschwächung von unerwünschten Spektren in einem digitalen Dynamikexpander (EXP), dadurch gekennzeichnet, daß erste Mittel (IF) vorhanden sind, welche die Abtastfrequenz der zu expandierenden Signale gegenüber der Normalabtastfrequenz (f _A), mit der die Signale nach der Expansion weiterverarbeitet werden, erhöhen und daß zweite Mittel (DF) vorhanden sind, welche nach der Expansion die Abtastfrequenz (f _A′) auf die Normalabtastfrequenz (f _A) herabsetzen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Dynamikexpander (EXP) einen Signalpfad (S) und einen Meßpfad (M) besitzt, daß der Meßpfad (M), der vom Signalpfad (S) abzwweigt, einen Regelkreis (R) aufweist, dessen Ausgang in einem im Signalpfad (S) vorhandenen Signalpfadknoten (SM) mündet, daß am Eingang des Signalpfads (S) vor der Abzweigung (Ab) des Meßpfades (M) ein Filter (FS) vorhanden ist, dessen Durchlaßbereich auf das Frequenzband abgestimmt ist, in dem eine Dynamikexpansion erfolgen soll, und daß zwischen das Filter (FS) und die Abzweigung (Ab) Mittel (IF) zur Erhöhung der Abtastfrequenz eingesetzt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Filter (FS) zugeführten Signale eine im Vergleich zur Normalabtastfrequenz (f _A) gleich große oder niedrigere oder höhere Abtastfrequenz (f _A′′) aufweisen.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßpfad (M) die Abtastfrequenz (f _A′′′) der dem Regelkreis (R) zugeführten Signale gegenüber der im Signalpfad (S) verwendeten Abtastfrequenz (f _A′) erhöht ist und daß am Ausgang des in dem Signalpfadknoten (SM) mündenden Meßpfades (M) eine Herabsetzung der Abtastfrequenz (f _A′′′) auf die Abtastfrequenz (f _A′) im Signalpfad (S) erfolgt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Herabsetzung der Abtastfrequenz von einem Dezimationsfilter (DF, DF 1) eingeführt wird.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der Abtastfrequenz von einem Interpolationsfilter (IF, IF 1) ausgeführt wird.