DE4135747C2 - Verfahren zur Übertragung mehrkanaliger Tonsignale über störbehaftete Kanäle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-PS 36 38 922 bekannt. Anwendungsgebiete solcher Verfahren sind insbesondere der digitale Hörrund­ funk und andere digitale Tonübertragungssysteme. Jedoch auch bei anderen Übertragungs- bzw. Modulationsarten mit ähnlichen Bedingungen sind Anwendungen mit entsprechenden Anpassungen möglich.

Bekannte Verfahren zur Fehlerkorrektur und/oder Verschleie­ rung bei störbehafteter, insbesondere digitaler Übertragung verlieren schnell ihre Wirksamkeit, wenn wegen zu häufiger oder zu lang andauernder Störungen die Fehler nicht mehr behebbar sind (vgl. Rundfunktechnische Mitteilungen, Jg. 28 (1984) H. 1, S. 23 bis 27).

Das aus der DE-PS 36 38 922 bekannte Verfahren verschleiert Fehlerzustände durch Einfügung einer beträchtlichen Verzögerungszeit in einem von zwei Übertragungswegen, die auf der Empfangsseite wieder ausgeglichen wird, wobei im Falle nicht korrigierbarer Störungen ein gestörter Signal­ abschnitt, z. B. des linken Signals, durch einen zeitgleichen ungestörten Signalabschnitt aus dem voreilen­ den bzw. verzögerten anderen Kanal des stereofonen Gesamt­ signals ersetzt wird.

Dieses Verfahren verhindert zwar bei einer entsprechenden Störung eine unerwünschte Stummschaltung des gesamten Über­ tragungssystems, setzt jedoch einen hohen Korrelationsgrad bei den übertragenen Stereosignalen voraus, da im Störungs­ fall ein Links-Signal durch ein Rechts-Signal und umgekehrt ersetzt wird, so daß für die Dauer des Ersatzes (Concealment) die Information des jeweils anderen Kanals verloren geht.

Diese Voraussetzung trifft jedoch nur auf einen kleineren Teil üblicher Rundfunkprogramme zu (vorwiegend für sinfonische Musik und aktuelle Wortsendungen). Für einen größeren Anteil des Programmaterials (Pop-Musik) gilt sie nicht, so daß hier nicht nur die Richtungsinformation, sondern auch Basisinformation verlorengehen und deshalb mit deutlichen Qualitätsverlusten im Störungsfall gerechnet werden muß.

Außerdem entstehen mit abnehmendem Korrelationsgrad der Signale auch Probleme an den Übergangsstellen der einzuset­ zenden Signalteile aus dem jeweils anderen Kanal.

Die genannten Nachteile treffen auch für die Anwendung in Übertragungssystemen mit mehr als zwei Tonkanälen zu, da hier ein noch größerer Teil der Informationen verlorengeht.

Allgemein bekannt ist die Einfügung einer Phasendifferenz von 90° zwischen den Stereosignalen Links und Rechts zur Erzielung eines pegelmäßig ausgewogenen kompatiblen Summen­ signals. Ebenfalls bekannt sind analoge Übertragungsverfah­ ren zur hochfrequenten Übertragung der zweikanaligen Rund­ funkstereofonie (z. B. das sog. Pilottonverfahren), bei denen zum Zwecke der Erzielung der Mono-Kompatiblität im Basisband das Summensignal M = A + B und über einen zusätz­ lichen Hilfsträger das Differenzsignal S = A - B übertragen werden.

Diese Verfahren weisen jedoch keinerlei fehlerkorrigierende Eigenschaften auf. Auch sind bei ihrer Anwendung störungs­ mindernde Auswirkungen nicht bekanntgeworden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Verbesserung der Störbefreiung gegenüber dem Verfahren der eingangs erwähnten Art unabhängig von der Programmart zu erzielen und dabei die Probleme an den Übergangsstellen von einzufügenden Signalteilen zu vermeiden. Dabei sollten auch Anwendungsmöglichkeiten für mehr als zwei Übertra­ gungskanäle berücksichtigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Phasendifferenz sollte vorteilhaft mit annähernd 90° gewählt werden.

Einfache Empfangseinrichtungen können auch ohne empfangs­ seitigen Ausgleich der Phasenverschiebung ausgeführt sein. Ein einkanaliger Empfänger gibt nur eines der übertragenen matrizierten Signale als vollwertiges kompatibles Monosignal wieder.

Die Erfindung findet Anwendung bei der vorzugsweise digitalen Übertragung von mehrkanaligen, einander zugeord­ neten Tonsignalen für Rundfunk und Fernsehprogramme, insbe­ sondere im Digitalen Hörrundfunk (DAB), für Zweikanal­ stereofonie aller Aufnahmesysteme sowie für die mehrkana­ lige Tonübertragung für großformatige bzw. hochauflösende Fernsehsysteme und andere.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber dem Stand der Technik bestehen darin, daß aufgrund der speziel­ len Signalbehandlung (Phasenverschiebung und Matrizierung) in jedem der übertragenen Kombinationssignale alle wesent­ lichen Komponenten der Eingangssignale enthalten sind, so daß im Störungsfall das "Ersatzsignal" keine grundlegenden Informationsdefekte aufweist. Dabei wird bei Ausblendung des gestörten Kanals das jeweils verbleibende Signal kontinuierlich weiter übertragen, so daß Ein- und Ausblend­ vorgänge für weitere Signale und die dabei entstehenden Störeinflüsse entfallen.

Weiterhin tritt im Störungsfall zwar ein Lokalisationsver­ lust bei der Wiedergabe ein, die Abbildung des Ersatz­ signals erfolgt jedoch nicht als exaktes Mittensignal, sondern aufgrund des in diesem Fall verbleibenden Phasen­ versatzes als diffuse Abbildung, ohne Erzeugung eines "falschen" Richtungseindruckes.

Weitere Vorteile ergeben sich für abgerüstete Varianten der Empfangseinrichtung.

Vorteilhaft ist außerdem auch die uneingeschränkte Anwend­ barkeit des Verfahrens für Tonsysteme mit mehr als zwei Übertragungskanälen.

Das Verfahren ist gleichermaßen auch bei analoger oder gemischt analog/digitaler Übertragung anwendbar.

Die Erfindung und ihre Wirkungsweise wird anhand einer Figur an einem Anwendungsbeispiel für ein zweikanaliges Übertragungssystem näher erklärt, wie es für den digitalen Hörrundfunk geeignet ist.

Den beiden von der Stereosignalquelle 1 gelieferten Quellensignalen A (linkes Stereo-Signal) und B (rechtes Stereo-Signal) wird zunächst eine im gesamten NF- Frequenzbereich konstante Phasendifferenz aufgeprägt. Die erforderlichen Breitband-Phasendrehglieder 2 können, wie dargestellt, in bekannter Weise so in beide Übertragungs­ wege eingeschaltet sein, daß sich als resultierender Phasenfrequenzgang eine frequenzunabhängige Phasendifferenz zwischen beiden Wegen ergibt. Es ist aber auch möglich, jeweils nur eines der beiden Signale A bzw. B in der Phase zu beeinflussen.

Anschließend werden aus den beiden phasenverschobenen Signalen AQ, BQ in einem Matrizierer 3 die linearen Kombinationen

Q1 = AQ + BQ und

Q2 = AQ - BQ

gebildet. Diese beiden Verfahrensschritte werden nachfolgend als Quadratur-Matrizierung bezeichnet. Die beiden Signale Q1 und Q2 enthalten aufgrund der voran­ gegangenen Behandlung weitgehend pegelgleiche Anteile der Quellsignale A und B, unabhängig von der zufälligen Pegel­ verteilung dieser Signale, wie sie bei natürlichem Stereo- Programmaterial vorherrscht. Sie sind deshalb optimal für einen gegenseitigen Ersatz zur Verdeckung von zeitweiligen Übertragungsfehlern geeignet.

Um dies zu ermöglichen, wird in bekannter Art mittels eines sendeseitigen Verzögerungsgliedes 4 eines der beiden Signale vor der Aussendung um eine beträchtliche Zeit verzögert, die mindestens so lang sein muß, wie die Störzeit, die von dem Verfahren noch ohne vollständige Unterbrechung der Übertragung (etwa in der Größenordnung bis zu 1 s) überdeckt werden soll.

Die beiden zeitlich versetzten Signale Q1 und Q2 werden in das eigentliche Übertragungssystem 5 eingespeist, z. B. in ein Kanalpaar eines digitalen Hörrundfunksystems, das in bekannter Weise störbehaftet ist.

Auf der Empfangsseite wird zunächst die senderseitig erzeugte Verzögerung des Signals Q2 mit einem empfangssei­ tigen Verzögerungsglied 6 für das Signal Q1 mit genau der gleichen Zeitdauer wieder ausgeglichen, so daß beide Signale wieder zeitsynchron an der Fehlererkennung 7 liegen.

Bei ungestörter Übertragung werden Fehlererkennung 7 und Muting 8 ohne Signalbeeinflussung passiert. Der Dematrizierer 9 bildet wiederum lineare Kombinationen

Q1 + Q2 = AQ

Q1 - Q2 = BQ

und die eingangsseitig aufgeprägte Phasendifferenz kann durch inverse Phasenschieber 10 wieder aufgehoben werden.

Damit stehen am Ausgang die beiden Stereosignale A und B in unveränderter Form der Quellensignale A bzw. B zur Verfügung.

Im Falle einer Störung innerhalb des Übertragungssystems 5 erkennt eine Fehlererkennung 7 das jeweils gestörte Signal Q1 bzw. Q2.

Die Behebung bzw. Verdeckung der Störung erfolgt in außer­ ordentlich einfacher Weise dadurch, daß das gestörte Signal für die Dauer der Störung mittels Muting 8 ausgeblendet wird, so daß dem nachfolgenden Matrizierer 9 in diesem Fall nur das ungestörte Signal unbeeinflußt zugeführt wird, dessen Komponenten nach der Dematrizierung dann auf beiden Ausgangsleitungen erscheinen und zwar mit der durch den Phasenschieber 10 aufgeprägten Phasendifferenz. Dadurch werden alle ggf. in den Quellensignalen enthaltenen Signal­ komponenten inhaltlich vollständig, jedoch mit einem diffusen Lokalisierungseindruck wiedergegeben.

Für den normalerweise auszuschließenden Fall, daß die Stör­ zeit länger ist als die eingestellte Verzögerungszeit der Verzögerungsglieder 4 bzw. 6, kann die Übertragung durch gleichzeitiges Ausblenden (Muting) 8 beider Signale unter­ brochen werden bis zum Eintreffen ungestörter Signale.

Eine besonders günstige Pegelverteilung der Komponenten Q1, Q2 der Eingangssignale des Übertragungssystems 5 erhält man, wenn ein Phasenversatz zwischen den Eingangssignalen A, B von etwa 90° erzeugt wird.

In digitalen Übertragungssystemen mit Teilband- Filterbänken, wie sie z. B. in bekannten Systemen zur Bitraten-Reduktion verwendet werden und auch zur Anwendung im digitalen Hörrundfunksystem vorgesehen sind, kann der erforderliche Phasenversatz mit sehr einfachen Mitteln dadurch realisiert werden, daß jedem Teilbandsignal eine (im Verhältnis zur beträchtlichen Verzögerungszeit T sehr kleine) Zeitverzögerung aufgeprägt wird, die sich im Vergleich zum anderen nicht verzögerten Signal als Phasen­ verschiebung auswirkt. Günstig hierfür sind möglichst schmale Teilbandbereiche.

Das Verfahren mittels Quadratur-Matrizierung kann sinngemäß auch für den Fehlerschutz von Übertragungssystemen mit mehr als zwei Tonkanälen (Multichannel Sound) angewendet werden.

Hierzu sollte zunächst eine Aufteilung der benutzten Kanäle in Gruppen mit Tonsignalen vergleichbaren Inhalts erfolgen, also z. B. in eine Gruppe von Kanälen zur Übertragung von Direktsignalen (Frontkanäle), eine Gruppe von Surround- Kanälen usw.

Anschließend kann jede dieser Gruppen, die jeweils zwei oder mehr Kanäle umfassen kann, sinngemäß dem Bearbeitungs­ algorithmus der Quadratur-Matrizierung unterzogen werden. Der Concealment-Schutz bezieht sich dann immer auf alle Signale einer solchen Gruppe, unabhängig von denen in evtl. bestehenden weiteren Gruppen. Das Ziel dieser Unterteilung besteht darin, die Vermaschung der Signale nicht unnötig hoch zu treiben, sowie im Störungsfall die betreffende Concealment-Maßnahme auf Signale vergleichbaren Inhalts zu begrenzen.

Das Prinzip soll am Beispiel eines 3/2 Tonsystems für die HDTV-Übertragung erläutert werden.

Hier sind die verwendeten 5 Tonkanäle definitionsgemäß in die zwei Gruppen
Frontkanäle: L, C, R
Surroundkanäle: SL, SR
unterteilt.

Das Signalpaar der Surroundkanäle kann nach dem gleichen Schema behandelt werden, wie oben für zweikanalige Stereo- Signale beschrieben.

Die Gruppe der drei Frontsignale wird unabhängig davon einer ähnlichen Prozedur unterzogen: Zunächst werden zweck­ mäßigerweise zwei der drei Signale (z. B. L und R) gegenüber dem dritten Signal (C) um 90° phasenversetzt.

Daraufhin werden in einem dreikanaligen Matrizierer lineare Kombinationen der so vorbehandelten Signale gebildet, also z. B.

Q1 = AQ + BQ + C

Q2 = AQ + BQ - C

Q3 = AQ - BQ + C.

Von diesen quadraturmatrizierten Signalen werden zwei um die bekannte Zeit verzögert (z. B. Q2, Q3), das dritte Signal (Q1) wird unverzögert übertragen.

Bei ungestörtem Empfang werden alle genannten Manipula­ tionen im Empfänger wieder rückgängig gemacht, so daß an jedem Ausgangskanal das entsprechende Signal in seiner ursprünglichen Gestalt zur Verfügung steht.

Im Störungsfall werden die jeweils gestörten Kanäle gemutet, so daß nur für die Frontkanäle sowie für die Surroundkanäle jeweils ungestörte Signalkombinationen übrigbleiben, die nach der Dematrizierung auf den entsprechenden Ausgangskanälen erscheinen, versehen mit den verbleibenden Phasenversätzen, welche eine eindeutige (in diesem Fall aber unsinnige) Lokalisation verhindern.

Claims (6)

1. Verfahren zur Übertragung mehrkanaliger Tonsignale über störbehaftete Kanäle, bei dem die Signale zusammengehörender Kanäle zum Ausgleich von Übertragungsfehlern senderseitig mit einer Zeitdifferenz versehen werden und diese Zeitdifferenz empfangsseitg wieder ausgeglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor der senderseitigen Einfügung der Zeitdifferenz eine weitgehend frequenzunabhängige, definierte Phasendifferenz der Eingangssignale und anschließend lineare Kombination dieser gegeneinander phasenverschobenen Signale (Matrizierung durch Summen- und Differenzbildung) erzeugt werden und daß empfangsseitig für die Rückgewinnung der Eingangssignale nach dem Ausgleich der Zeitdifferenz inverse Verfahrensschritte, mindestens zur Dematrizierung und vorzugsweise auch zum Ausgleich der Phasendifferenz eingefügt werden und daß gestörte Abschnitte der matrizierten Signale für die Zeitdauer der Störung auf Null gesetzt werden (Muting).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdifferenz mindestens so groß wie die Störzeit gewählt wird, welche ohne vollständige Unterbrechung der Übertragung überdeckt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Phasendifferenz der Eingangssignale ungefähr 90° beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Übertragung von mehr als zwei zusammengehörenden Tonsignalen Gruppen inhaltlich verwandter Signale gebildet werden und daß jeweils innerhalb einer Gruppe nach der Phasendifferenzbildung lineare Kombinationen aller Signale erzeugt werden und daß mindestens für eine der Kombinationen jeder Gruppe die senderseitige Zeitdifferenz erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der weitgehend frequenzunabhängigen, definierten Phasendifferenz bei digitaler Übertragung der insgesamt zu übertragende Tonfrequenzbereich jedes Kanals in einer Anzahl von Teilfrequenzbändern unterteilt wird und daß jeweils zwischen die Teilbandsignale gleicher Frequenzlage eine definierte, kleine Zeitverzögerung eingefügt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig gleichseitig mit dem Nullsetzen des gestörten Signals ein Pegelausgleich der resultierenden Ausgangssignale erfolgt.