DE602005005948T2

DE602005005948T2 - Audiosignal-verbesserung

Info

Publication number: DE602005005948T2
Application number: DE602005005948T
Authority: DE
Inventors: Kristof Van Reck
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2005-01-10
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2025-01-11
Also published as: CN101061744B; JP4949854B2; KR101120550B1; EP1707027A2; WO2005069679A2; ATE392116T1; JP2007522493A; CN101061744A; US20070274538A1; DE602005005948D1; EP1707027B1; US7729497B2; KR20060123495A; WO2005069679A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Audiosignalverbesserung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Verbessern der wahrgenommenen Qualität eines Audiosignals.
Es ist durchaus bekannt, Audiosignale zu verbessern, beispielsweise dadurch, dass der eine Frequenzbereich mehr verstärkt wird als ein anderer. Auf diese Weise ist es möglich, höhere und tiefere Frequenzen "anzuheben" die typischerweise als weniger laut erfahren werden als Frequenzen im Mittenbereich. Es hat sich aber herausgestellt, dass viele Wandler nicht imstande sind, hohe und tiefe Frequenzen auf einem merkbaren Schallpegel zu rendern, ohne dass dadurch Verzerrung eingeführt wird. Dies ist insbesondere ein Problem für niedrige Audiofrequenzen oder "Bass"-Frequenzen.
Es wurde bereits vorgeschlagen, ein Audiosignal dadurch zu verbessern, dass Harmonische der Bassfrequenzen hinzugefügt werden, wie beispielsweise in dem US Patent 6.111.960 beschrieben. Die Verbesserungssignale werden von einem Harmonischengenerator erzeugt und danach zu dem (verstärkten) ursprünglichen Audiosignal hinzugefügt. Die hinzugefügten Harmonischen werden als ein verstärktes Basssignal wahrgenommen. Es wurde weiterhin vorgeschlagen, Subharmonische des Audiosignals hinzuzufügen um den Eindruck von Bassverbesserung zu schaffen.
Obschon das Hinzufügen von Harmonischen oder Subharmonischen eine wesentliche Verbesserung des Audiosignals bedeutet, sind manche Zuhörer nicht ganz zufrieden mit den erhaltenen verbesserten Audiosignalen, da diese Techniken durch den angewandten Verstärkungsregelmechanismus in einige Audiosignale Artefakte einführen können.
Deswegen ist es u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese und andere Probleme des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren und eine Anordnung zum Verbessern von Audiosignalen zu schaffen, wobei im Wesentlichen keine Artefakte oder Verzerrung eingeführt wird.
Deswegen schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbesserung eines Audiosignalen, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

– das Filtern des Audiosignals zum Selektieren eines Frequenzbereichs,
– das Aufteilen des Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs in Zeitsegmente, und
– das Skalieren des Audiosignals in jedem Zeitsegment zum Steigern des Schallpegels des Audiosignals in dem genannten Frequenzbereich,

Durch Aufteilung des Audiosignale in Zeitsegmente, definiert durch Nulldurchgänge des Audiosignals, ist es möglich, das Signal in jedem Zeitsegment ohne Einführung einer wesentlichen Verzerrung zu skalieren. Durch Skalierung des Signals je Zeitsegment kann eine sehr genaue Skalierung erzielt werden, wodurch der Schallpegel des Audiosignals gesteigert wird, während Signalverzerrung vermieden wird. Durch Anwendung dieser Skalierung je Zeitsegment nur auf einen selektierten Frequenzbereich, ist es möglich, den Schallpegel dieses Frequenzbereichs gegenüber dem restlichen Teil des Audiosignals zu steigern.
Es sei bemerkt, dass Skalierung von Audiosignalen unter Anwendung von Zeitsegmenten, definiert durch Nulldurchgänge, an sich aus dem US Patent US 5.672.999 bekannt ist. Das Skalieren aber nach US 5.672.999 erfolgt zu einem ganz anderen Zweck: und zwar zur Vermeidung von "Beschneiden", d. h. zur Vermeidung der Signalverzerrung verursacht durch Audiosignale mit einer Amplitude, die zu groß ist und die abwärts skaliert werden soll. Dagegen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Audiosignalamplitude, die typischerweise aufwärts skaliert werden soll um bestimmte Signalanteile zu verbessern. Auch die Beschneidungsvermeidungsanordnung nach US 5.672.999 skaliert alle Frequenzen des Audiosignals, während das Verfahren und die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung nur die Signalanteile eines selektierten Frequenzbereichs skaliert.
Als weiteres Beispiel des Standes der Technik wird das Dokument WO9926454 genannt. Dieses Dokument beschreibt ein Audioverbesserungssystem, insbesondere ein Bassverbesserungssystem, wobei das linke und rechte Audiosignal eines Stereo-Audiosystems in einem Tiefpassfilter gefiltert werden. Das gefilterte Signal wird einem Spitzendetektor und über einen Verstärker einem Nulldurchgangsdetektor zugeführt. Der Nulldurchgangsdetektorausgang wird einem Triggereingang einer monostabilen Schaltungsanordnung derart zugeführt, dass diese Schaltungsanordnung jeweils getriggert wird, wenn das Ausgangssignal des Tiefpassfilters durch Null geht. Impulse von 150 Millisekunden werden von der monostabilen Schaltungsanordnung erzeugt, wenn diese getriggert wird, wodurch eine Anzahl parallel vorgesehener Filter zu "läuten" ("ringing") anfangen, wodurch harmonische Frequenzen erzeugt werden. Diese harmonischen Frequenzen werden in Verstärkern verstärkt, die mit dem Bandpassfilter assoziiert sind, wobei die Verstärker eine Verstärkung gleich zwei aufweisen. In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Verstärkungsregelung durch automatische Verstärkungsregelungsblöcke, die mit den Bandpassfiltern assoziiert sind.
Bei der vorliegenden Erfindung entsprechen die Grenzen der Zeitsegmente Nulldurchgängen des Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs, damit Signalverzerrungen oder die Einführung unerwünschter Harmonischen vermieden wird. Selbstverständlich könnte ein beliebiges Zeitsegment mehrere Teile enthalten, wobei jeder Teil durch zwei Nulldurchgänge begrenzt wird, wobei dadurch das Zeitsegment sich über einen oder mehrere Nulldurchgänge erstreckt. Es wird aber bevorzugt, dass jedes Zeitsegment durch zwei aufeinander folgende Nulldurchgänge des gefilterten Audiosignals definiert wird. In der bevorzugten Ausführungsform liegen folglich keine Nulldurchgänge innerhalb eines Zeitsegmentes und alle Nulldurchgänge definieren Zeitsegmentbegrenzungen. Dies ermöglicht eine genauere Skalierung der Audiosignale, da die Zeitsegmente möglichst klein sind, während sie den Vorteil der durch Nulldurchgänge definierten Begrenzungen beibehalten.
Dadurch ist es selbstverständlich möglich, einen einzigen Skalierungsfaktor auf alle oder eine Anzahl Zeitsegmente anzuwenden, wodurch auf diese Art und Weise eine im Wesentlichen einheitliche Skalierung geschaffen wird. Es wird aber bevorzugt, dass der Schritt der Skalierung des Audiosignals einen bestimmten Skalierungsfaktor für jedes Zeitsegment erfordert. Das heißt, für jedes Zeitsegment wird ein neuer Skalierungsfaktor bestimmt. Selbstverständlich kann der numerische Wert dieses Skalierungsfaktors dem eines anderen Zeitsegmentes identisch sein. Ein einzelner Skalierungsfaktor für jedes Zeitsegment ermöglicht eine sehr gut definierte und genaue Skalierung des Audiosignals.
Es können verschiedene Typen Skalierungsfaktoren benutzt werden. In einer praktischen Ausführungsform erfordert der Skalierungsschritt einen konstanten Skalierungsfaktor. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass dies einfach und dennoch effektiv ist. In anderen Ausführungsformen aber erfordert der Skalierungsschritt einen variablen Skalierungsfaktor, d. h. einen Skalierungsfaktor, der mit der Amplitude des Signals variiert. Dadurch kann der Skalierungsfaktor beispielsweise mit der Amplitude abnehmen, wobei eine größere "Anhebung" ("boost") der Signale niedrigerer Amplitude als der Signale höherer Amplitude angewandt wird. Ein derartiger Skalierungsfaktor kann entweder linear oder nicht linear sein. Vorteilhafte nicht lineare Skalierungsfaktoren können eine quadratische oder kubische Funktion erfordern.
Die oben beschriebene Skalierung wird auf einen selektierten Frequenzbereich des Audiosignals angewandt. Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise den nachfolgenden Verfahrensschritt:

– das Kombinieren des skalierten Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs und des Restes des Audiosignals des vorhergehend nicht selektierten Frequenzbereichs.

Dies schafft ein kombiniertes Ausgangssignal, wobei der verbesserte Teil des Audiosignals und der restliche Teil des Audiosignals vorhanden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung weiterhin die nachfolgenden Verfahrensschritte:

– das Vergleichen des kombinierten Audiosignals mit einem Schwellenwert, und
– das Einstellen der Amplitude des Audiosignals, wenn die Schwelle überschritten wird.

Dies bietet eine Kontrolle des verbesserten Signals und vermeidet "Beschneidung" des Signals. Auf diese Art und Weise kann das Audiosignal, das in einem vorhergehenden Schritt aufwärts skaliert wurde, in diesem weiteren Schritt um Signalverzerrung zu vermeiden (gewissermaßen) abwärts skaliert werden. Es wird bevorzugt, dass die Amplitude des Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs eingestellt wird. Es wäre möglich, die Amplitude des ganzen Audiosignals einzustellen, d. h. des selektierten (und skalierten) Frequenzbereichs und des restlichen Teils des Audiosignals, aber dies würde zu einen Abwärtsskalierung des restlichen Teils des Audiosignals führen, was im Allgemeinen nicht erwünscht ist. Dadurch, dass nur das Audiosignal des selektierten Frequenzbereichs eingestellt wird, kann eine außerordentliche Verbesserung kompensiert werden.
Es ist möglich, verschiedene Zeitsegmente zu vergleichen und einzustellen, oder sogar das ganze Audiosignal, und zwar im Wesentlichen simultan. Es wird aber bevorzugt, dass die Schritte des Vergleichs der Amplitude des kombinierten Audiosignals und eines Schwellenwertes, und der Einstellung der Amplitude des kombinierten Audiosignals je Zeitsegment durchgeführt wird. Dies ermöglicht eine genauere Einstellung und vermeidet, dass viele Zeitsegmente gleichzeitig abwärts skaliert werden.
Obschon der selektierte Frequenzbereich beliebig gewählt werden kann, ist in einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der selektierte Frequenzbereich ein Bass-Frequenzbereich. Die vorliegende Erfindung schafft ein sehr vorteilhaftes Verfahren einer Bassanhebung bzw. "Bass-Boost". Bass-Audiofrequenzen liegen im Allgemeinen in dem Bereich von 0 Hz bis etwa 300 Hz, obschon andere Bereichsbegrenzungen auch angewandt werden können, beispielsweise 20 Hz–200 Hz oder 30 Hz–150 Hz.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann auf vorteilhafte Art und Weise den weiteren Verfahrensschritt der Verzögerung von Signalanteilen anderer Frequenzbereiche aufweisen. D. h. derjenige Teil des Audiosignals, der nicht von dem selektierten Frequenzbereich ist, kann verzögert werden um Verarbeitungsverzögerung in dem selektierten Frequenzbereich zu kompensieren. Dies gewährleistet, dass die Frequenzanteile des selektierten Frequenzbereichs und diejenigen der restlichen Frequenzbereiche im Wesentlichen simultan vorhanden sind.
Die vorliegende Erfindung schafft ebenfalls eine Anordnung zum Verbessern eines Audiosignals, wobei die Anordnung die nachfolgenden Elemente umfasst:

– Filtermittel zum Filtern des Audiosignals zum Selektieren eines Frequenzbereichs,
– Teilungsmittel zum Aufteilen des Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs in Zeitsegmente, und
– Skalierungsmittel zum Skalieren des Audiosignals in jedem Zeitsegment zum Steigern des Schallpegels des Audiosignals in dem genannten Frequenzbereich,

Auf vorteilhafte Art und Weise sind die Aufteilungsmittel dazu vorgesehen, jedes Zeitsegment durch zwei aufeinander folgende Nulldurchgänge des gefilterten Audiosignals zu definieren.
Eine Anordnung nach der vorliegenden Erfindung kann aus einem Audio(stereo)-Verstärker, einem Heimkinosystem, einem Anzeigesystem oder einem beliebigen anderen geeigneten Audiogerät bestehen.
Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin ein Audiosystem mit einer Anordnung, wie oben definiert.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Anordnung zum Verbessern von Audiosignalen nach der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Anordnung zum Verbessern von Audiosignalen nach der vorliegenden Erfindung,
3 eine detaillierte schematische Darstellung der Skalierungseinheit der Anordnung nach den 1 und 2,
4a–c eine schematische Darstellung von Audiowellenformen, wie diese bei der vorliegenden Erfindung angewandt werden,
5 eine schematische Darstellung eines Verfahren zum Verbessern von Audiosignalen nach der vorliegenden Erfindung.
Die in 1 nur als nicht beschränkendes Beispiel dargestellte Anordnung 1 umfasst eine Filtereinheit 2 zum Filtern des Audiosignals zum Selektieren eines Frequenzbereichs, eine Segmentierungseinheit 3 zum Aufteilen des Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs in Zeitsegmente, und eine Skalierungseinheit 4 zum Skalieren des Audiosignals in jedem Zeitsegment zur Steigerung des Schallpegels des Audiosignals in dem genannten Frequenzbereich. In der dargestellten Ausführungsform sind die nachfolgenden fakultativen Einheiten auch vorhanden: eine Kombiniereinheit 5, eine Vergleichseinheit 6, eine Einstelleinheit 7 und eine Verzögerungs-/Filtereinheit 8. Obschon es möglich ist, die Anordnung 1 unter Anwendung analoger Techniken zu implementieren, wird vorausgesetzt, dass die Anordnung 1 zur digitalen Verarbeitung von Audiosignalen vorgesehen ist und dass die Audiosignale als Abtastwerte in digitaler Form geliefert werden. Es dürfte einleuchten, dass eine an sich bekannte Abtast-und-Halteeinheit zu der Anordnung 1 hinzugefügt werden könnte, wenn das Audiosignal nur in analoger Form vorhanden wäre.
Die Filtereinheit 2 selektiert einen Frequenzbereich, der einer Signalverbesserung nach der vorliegenden Erfindung ausgesetzt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der selektierte Frequenzbereich Bassfrequenzen, beispielsweise Frequenzen in einem Bereich von 0 Hz bis etwa 300 Hz, obschon andere Frequenzbereiche ebenfalls möglich sind, beispielsweise von 20 Hz bis etwa 150 Hz 200 Hz. Es hat sich herausgestellt, dass die vorliegende Erfindung insbesondere zum Schaffen einer "Tiefenanhebung" geeignet ist, d. h. zur Verbesserung der niedrigeren Frequenzen eines Audiosignals, obschon die Frequenzen im Mittenbereich oder höhere Frequenzen gewünschtenfalls auch angehoben werden können.
Das gefilterte Audiosignal des selektierten Frequenzbereichs wird durch eine Segmentierungseinheit 3 in Zeitsegmente aufgeteilt, wobei diese Einheit nach der vorlie genden Erfindung einen Nulldurchgangsdetektor umfasst. Derartige Detektoren sind an sich bekannt. Nach der vorliegenden Erfindung wird das gefilterte Audiosignal in Segmente aufgeteilt, die durch Nulldurchgänge begrenzt werden. Dies ist in 4a dargestellt, wobei eine Audiosignalwellenform A derart dargestellt ist, dass diese Nulldurchgänge Z hat. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein Segment S durch zwei nebeneinander liegende Nulldurchgänge definiert, obschon Segmente sich über Nulldurchgänge hinaus erstrecken können und beispielsweise durch jeden ersten und dritten Nulldurchgang definiert wird. Die durch benachbarte Nulldurchgänge definierten relativ kleinen Segmente ermöglichen eine genauere Skalierung und eine weitere Verarbeitung des Audiosignals. Es kann vorteilhaft sein, ein minimales Zeitsegment zu definieren und eine minimale Anzahl Abtastwerte in jedem Segment zu gewährleisten, wobei ein Segment kleiner als die minimale Größe mit einem angrenzenden Segment kombiniert wird.
Die Skalierungseinheit 4 skaliert jedes Segment des Audiosignals. Obschon es möglich ist, den gleichen Skalierungsfaktor (F) auf jedes Segment anzuwenden, wendet die bevorzugte Ausführungsform ein jedes Segment einen einzelnen Skalierungsfaktor (F) an, oder sogar auf jeden Abtastwert, wie nachstehend noch näher erläutert wird. Die Skalierungseinheit 4 skaliert typischerweise das Audiosignal des selektierten Frequenzbereichs: die Amplitude des Signals (d. h. der Antastwerte) wird typischerweise derart gesteigert, dass das gesamte Audiosignal angehoben wird. In dem vorliegenden Beispiel werden die Bassfrequenzen des Audiosignals "angehoben".
Das verbesserte Audiosignal des selektierten (hier: Bass) Frequenzbereichs wird der Kombinationseinheit 5 zugeführt, in der es mit dem Rest des Audiosignals kombiniert wird. Das heißt, die Frequenzen, die nicht von dem Filter 2 durchgelassen wurden, werden über die Verzögerungseinheit oder zusätzliche Filtereinheit 8 der Kombiniereinheit 5 zugeführt. Diese Einheit 8 wird vorzugsweise durch ein komplementäres Filter gebildet, das diejenigen Frequenzen weiterleitet, die von dem Filter 2 gesperrt werden. In dem vorliegenden Beispiel kann das Filter 2 ein Tiefpassfilter sein, während das Filter 8 ein Hochpassfilter sein kann. Die Filter 2 und 8 können nahezu die gleichen Grenzfrequenzen haben. Auf alternative Art und Weise ist die Einheit 8 ein Allpassfilter, das eine Verzögerung für alle Frequenzen darstellt, um eine Verzögerung in dem parallelen Zweig der Einheiten 2, 3 und 4 zu kompensieren. Es können Ausführungsformen vorgestellt werden, wobei die Einheit 8 nur als Durchverbindung gilt.
Wie oben bereits erwähnt, werden das skalierte Audiosignal des selektierten Frequenzbereichs und das nicht skalierte Audiosignal der restlichen Frequenzen in der Kombiniereinheit 5 kombiniert um ein kombiniertes verbessertes Audiosignal zu bilden. Dieses kombinierte Audiosignal kann zu einem geeigneten Wandler, wie einem Lautsprecher, ausgeliefert werden, möglicherweise nach Verstärkung durch einen geeigneten Verstärker. In der bevorzugten Ausführungsform nach 1 aber wird eine zusätzliche Verstärkungssteuerprüfung durchgeführt. Dazu wird das kombinierte Audiosignal einer Vergleichseinheit 6 zugeführt, und zwar zum Vergleichen des Audiosignals mit einer Schwelle. Wenn das Signal die Schwelle in einem Segment überschreitet, sendet die Vergleichseinheit 6 einen entsprechenden Einstellfaktor zu der Einstelleinheit 7 um den Audiosignalpegel zu reduzieren. Die Einstelleinheit 7 kann einen an sich bekannten Multiplizierer umfassen zum Multiplizieren des kombinierten Audiosignals mit einem Einstellfaktor, der durch die Vergleichseinheit 6 ermittelt worden ist.
Selbstverständlich können andere Anordnungen zur Vermeidung außergewöhnlicher Signalpegel verwendet werden. In einer (nicht dargestellten) alternativen Ausführungsform wird der Eingang der Vergleichseinheit 6 mit dem Ausgang der Filtereinheit 8 anstelle mit dem Ausgang der Kombiniereinheit 5 gekoppelt, damit das Audiosignal der restlichen Frequenzen empfangen wird, das mit dem skalierten Audiosignal kombiniert werden soll. Der von der Vergleichseinheit 6 erzeugte Einstellfaktor kann danach der Skalierungseinheit 4 zugeführt werden um die Skalierung unmittelbar zu beeinflussen. In einer derartigen Ausführungsform kann typischerweise auf die Einstelleinheit verzichtet werden.
In der Ausführungsform nach 2 liegt die Einstelleinheit 7 zwischen dem Ausgang der Skalierungseinheit 4 und dem Eingang der Kombiniereinheit 5. Der Eingang der Vergleichsanordnung 6 ist mit dem Ausgang der Kombiniereinheit 5 gekoppelt, wie bei der Ausführungsform nach 1. Diese Anordnung schafft eine Rückkopplungsschleife zur Verstärkungsregelung. Es sei bemerkt, dass es bei digitalen Signalverarbeitungsanordnungen möglich ist, Abtastwerte neu zu verarbeiten, so dass Signalanteile, welche die Amplitudenschwelle der Vergleichsanordnung 6 überschreiten, abwärts skaliert werden können, und zwar sie von der Anordnung nach 2 ausgeliefert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Skalierungseinheit 4 ist in 3 detailliert dargestellt. Die Einheit 4 ist dargestellt um einen Multiplizierer 43 zum Multiplizieren des Audiosignals mit einem Skalierungsfaktor F zu umfassen, der durch die Skalierungsfaktor einheit 42 bestimmt wird. Eine Pegeldetektionseinheit 41 bestimmt den maximalen Signalpegel für jedes Zeitsegment des Signals, vorzugsweise von jedem Abtastwert, und führt den Signalpegel der Skalierungsfaktoreinheit 42 zu, die einen geeigneten Skalierungsfaktor F bestimmt. Die Pegeldetektionseinheit 41 kann an sich bekannt sein, während die Skalierungsfaktoreinheit 42 auf geeignete Art und Weise durch einen Halbleiterspeicher mit einer Nachschlagtabelle gebildet sein kann. Der Skalierungsfaktor F kann anfangs gleich Eins sein und kann in Reaktion auf das Ausgangssignal der Pegeldetektionseinheit 41 verringert werden.
Die Wirkungsweise der Anordnung 1 ist in den 4a–c schematisch dargestellt, wobei eine Wellenform A in 4a derart dargestellt ist, dass diese mehrere Nulldurchgänge Z hat. Die Wellenform A wird vorzugsweise durch das Filter 2 nach den 1 und 2 erzeugt und enthält nur Frequenzen des selektierten Frequenzbereichs. Die Segmentierungseinheit 3 verteilt die Wellenform A in Segmente S, die je durch Nulldurchgänge Z begrenzt werden (der Deutlichkeit der Figur halber sind nur zwei Segmente S dargestellt). Die Pegeldetektionseinheit 41 der Skalierungseinheit 4 bestimmt danach den maximalen Signalwert M in jedem Segment, wie in 4b dargestellt. Dieser maximale Wert M wird danach verwendet um den Skalierungsfaktor F zu ermitteln, was zu einer aufwärts skalierten Wellenform B führt, wie in 4c dargestellt. Es sei bemerkt, dass die Zahlen auf den horizontalen Achsen in den 4a–c sich auf Abtastzahlen beziehen, während die Zahlen auf den vertikalen Achsen normalisierte Signalpegel angeben.
Es sei bemerkt, dass bei der vorliegenden Erfindung alle Signalabtastwerte zwischen zwei Nulldurchgängen mit dem gleichen Skalierungsfaktor multipliziert werden. Dadurch behält die Wellenform die ursprüngliche Form bei und wird nicht verzerrt. Es sei weiterhin bemerkt, dass weil jedes Segment im Wesentlichen einzeln verarbeitet wird, die von der Anordnung 1 nach der vorliegenden Erfindung gelieferte Signalverbesserung im Wesentlichen unmittelbar ist.

Es können verschiedene Typen Skalierungsfaktoren angewandt werden. Der Skalierungsfaktor F kann konstant sein. Dies ist in der Tabelle 1 dargestellt, wobei die Signalwerte X (Amplituden der Wellenform A nach 4a) mit dem Skalierungsfaktor F multipliziert wird, und zwar zum Erzielen neuer Signalwerte Y (Amplituden der Wellenform B nach 4c), Wie ersichtlich, steigern die neuen Signalwerte Y linear mit den Signalwerten X. Tabelle 1 (konstanter Faktor F):

Zahl	X	F = 1	Y = X·F
1	0.0	1.0	0.0
2	0.1	1.0	0.1
3	0.2	1.0	0.2
4	0.3	1.0	0.3
5	0.4	1.0	0.4
6	0.5	1.0	0.5
7	0.6	1.0	0.6
8	0.7	1.0	0.7
9	0.8	1.0	0.8
10	0.9	1.0	0.9
11	1.0	1.0	1.0

Auf alternative Weise kann der Skalierungsfaktor variabel sein, typischerweise variierend mit den Signalwerten X um einen größeren Skalierungsfaktor auf kleinere Signalwerte anzuwenden. Ein Beispiel ist in der Tabelle 2 dargestellt, wobei der Skalierungsfaktor F mit den Signalwerten X variiert: F = 2 – X. Tabelle 2:

Zahl	X	F= 2 – X	Y = X·F
1	0.0	2.0	0.00
2	0.1	1.9	0.19
3	0.2	1.8	0.36
4	0.3	1.7	0.51
5	0.4	1.6	0.64
6	0.5	1.5	0.75
7	0.6	1.4	0.84
8	0.7	1.3	0.91
9	0.8	1.2	0.96
10	0.9	1.1	0.99
11	1.0	1.0	1.00

In dem Beispiel der Tabelle 3 ist der Skalierungsfaktor F eine quadratische Funktion des Signalwertes X: F = 3 – 3X + X². Dies führt zu einer noch stärkeren Skalierung kleiner Signalwerte. Tabelle 3:

Zahl	X	F = 3 – 3X + X²	Y = X·F
1	0.0	3.00	0.000
2	0.1	2.71	0.271
3	0.2	2.44	0.488
4	0.3	2.19	0.657
5	0.4	1.96	0.784
6	0.5	1.75	0.875
7	0.6	1.56	0.936
8	0.7	1.39	0.973
9	0.8	1.24	0.999
10	0.9	1.11	0.999
11	1.0	1.00	1.000

In noch einer anderen Ausführungsform ist der Skalierungsfaktor F eine kubische Funktion der Signalwerte X, wie in der Tabelle 4 dargestellt: F = 4 – 6X + 4X² – X³. Tabelle 4:

Zahl	X	F = 4 – 6X + 4X² – X³	Y = X·F
1	0.0	4.000	0.000
2	0.1	3.439	0.344
3	0.2	2.952	0.590
4	0.3	2.533	0.760
5	0.4	2.176	0.870
6	0.5	1.875	0.936
7	0.6	1.624	0.974
8	0.7	1.417	0.992
9	0.8	1.248	0.998
10	0.9	1.111	0.999
11	1.0	1.000	1.000

Die oben stehenden Skalierungsfaktorenb haben alle die gemeinsame Charakteristik, dass sie immer mit einem zunehmenden Wert von X zunehmen. Dies ist nicht wesentlich und es lassen sich Ausführungsformen bedenken, bei denen der Skalierungsfaktor zunächst zunimmt und danach allmählich abnimmt, wie in der Tabelle 5 dargestellt, wobei F = 3 – 2X. Tabelle 5:

Zahl	X	F = 3 – 2X	Y = X·F
1	0.0	3.0	0.00
2	0.1	2.8	0.28
3	0.2	2.6	0.52
4	0.3	2.4	0.72
5	0.4	2.2	0.88
6	0.5	2.0	1.00
7	0.6	1.8	1.08
8	0.7	1.6	1.12
9	0.8	1.4	1.12
10	0.9	1.2	1.08
11	1.0	1.0	1.00

Die gleiche Formel des Skalierungsfaktors F kann für ein ganzes Signal oder nur für ein oder verschiedene Zeitsegmente gelten. Das heißt, aufeinander folgende Zeitsegmente können unter Anwendung verschiedener Skalierungsfaktorformeln skaliert werden. Selbstverständlich werden vorzugsweise verschiedene Skalierungsfaktorformeln in aneinander grenzenden Zeitsegmenten derart gewählt, dass Unterbrechungen vermieden werden.
Wie aus den oben stehenden Tabellen ersichtlich, können die Skalierungsfaktoren, die mit den Signalwerten übereinstimmen, auf geeignete Art und Weise in Nachschlagtabellen gespeichert werden. Auf vorteilhafte Weise enthält die Skalierungsfaktoreinheit 42 nach 3 viele Tabelle, die mit vielen Skalierungsfaktorformeln übereinstimmen, wobei die spezielle Tabelle verwendet wird, die durch den Typ des Audiosignals oder durch geeignete Steuersignale bestimmt wird. Derartige Steuersignale können beispielsweise mit verschiedenen Einstellungen eines Wahlschalters übereinstimmen, wodurch der Benutzer die Möglichkeit hat, einen bestimmten Typ von "Tiefenanhebung" oder eine andere Signalverbesserung zu wählen.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt. Nach dem Start des Verfahrens in dem Schritt 101 ("Anfang") wird der Frequenzbereich in dem Schritt 102 ("Frequenzsegmentierung" oder "Selektion des Frequenzbereichs") selektiert. Dieser selektierte Frequenzbereich wird nach der vorliegenden Erfindung bearbeitet. Alle anderen Frequenzen können gesperrt werden, werden aber vorzugsweise reserviert um mit dem bearbeiteten Signal in dem Schritt 106 kombiniert zu werden.
In dem Schritt 103 ("Zeitsegmentierung" oder "Ermittlung von Zeitsegmenten") wird das Audiosignal des selektierten Frequenzbereichs in Zeitsegmente (S in 4a) aufgeteilt, begrenzt durch Nulldurchgänge (Z in 4a) des Signals. In dem Schritt 104 ("Detektion von Maxima") wird ein maximaler Wert (M in 4b) für jedes Zeitsegment ermittelt. Dieser maximale Wert wird benutzt um einen Skalierungsfaktor F zur Skalierung der Abtastwerte des Audiosignals in dem Schritt 105 ("Skalieren von Abtastwerten") zu ermitteln. In dem Schritt 106 ("Kombination mit anderen Frequenzbereichen") wird das bearbeitete Audiosignal des selektierten Frequenzbereichs mit einem nicht bearbeiteten Audiosignal der restlichen Frequenzbereiche kombiniert, und zwar zum Erzeugen eines kombinierten Ausgangssignals. Das Verfahren endet in dem Schritt 107 ("Ende").
Es sei bemerkt, dass die schematische Darstellung nach 5 einen zeitbegrenzten Satz von Audiosignalabtastwerten voraussetzt. Es ist selbstverständlich möglich, nach der vorliegenden Erfindung in Echtzeit mit einem Audiosignal zu arbeiten, wobei in diesem Fall das Verfahren, wie illustriert, im Wesentlichen wiederholt wird und ständig durchgeführt werden kann.
In dem Fall von Stereo-Audiosignalen ist es vorteilhaft, die Skalierung nach der vorliegenden Erfindung auf ein kombiniertes (linkes + rechtes) Signal anzuwenden, da dies eine Duplikation der Bearbeitung vermeidet. Der Hauptteil der Stereoinformation wird von dem Audiosignal der restlichen Frequenzen beibehalten, wodurch es ermöglicht wird, dass das Audiosignal der selektierten Frequenzen kombiniert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Aufteilung eines Audiosignals in Zeitsegmente, die durch Nulldurchgänge begrenzt werden, ermöglicht, dass das Signal ohne Einführung wesentlicher Artefakte, wie unerwünschter Harmonischen, skaliert wird. Die vorliegende Erfindung hat Vorteile der weiteren Erkenntnis, dass Skalierung eines Audiosignals je Zeitsegment eine sehr effektive und verzerrungsfreien Signalverbesserung, beispielsweise eine "Tiefenanhebung", ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung eignet sich durchaus zur Verwirklichung nicht nur in spezieller Hardware – wie ASIC – sondern auch in Software zum Funktionieren in einem speziellen oder allgemeinen Prozessor. Die Schritte der Verfahren können folglich als Computerprogrammprodukt verwirklicht werden.
Unter Computerprogrammprodukt soll jede physikalische Verwirklichung einer Sammlung von Befehlen verstanden werden, die es ermöglichen, dass ein Prozessor – allgemein oder speziell –, nach einer Reihe von Ladeschritten die Befehle in den Prozessor bekommt, um alle charakteristischen Funktionen einer Erfindung durchzuführen. Insbesondere kann das Computerprogrammprodukt als Daten auf einem Träger, wie beispielsweise einer Disk oder einem Band, als Daten in einem Speicher, als Daten über eine Netzwerkverbindung – verdrahtet oder drahtlos –, oder als Programmcode auf Papier verwirklicht werden. Nebst einem Programmcode können charakteristische Daten, erforderlich für das Programm, auch als Computerprogrammprodukt verkörpert werden.
Es sei bemerkt, dass Terme, die in diesem Dokument verwendet werden, nicht als den Rahmen der vorliegenden Erfindung beschränkend betrachtet werden sollen. Insbesondere die Wörter "enthalten" und "umfassen" sollen Elemente, die nicht speziell genannt werden, nicht ausschließen. Einzelne Schaltungselemente können durch mehrfache Elemente oder durch ihre Äquivalente ersetzt werden.
Es dürfte dem Fachmann einleuchten, dass die vorliegende Erfindung sich nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt und dass im Rahmen der vor liegenden Erfindung, wie in den beiliegenden Patentansprüchen definiert, viele Modifikationen und Hinzufügungen durchgeführt werden können.

1

7: Aus
6: Vergleichselement

2

6: Vergleichselement
5: Aus

Claims

Verfahren zum Verbessern eines Audiosignals, wobei das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: – das Filtern des Audiosignals zum Selektieren eines Frequenzbereichs, – das Aufteilen des Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs in Zeitsegmente, und – das Skalieren des Audiosignals in jedem Zeitsegment zum Steigern des Schallpegels des Audiosignals in dem genannten Frequenzbereich, wobei die Zeitsegmente durch Nulldurchgänge des gefilterten Audiosignals definiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes Zeitsegment durch zwei aufeinander folgende Nulldurchgänge des gefilterten Audiosignals definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verfahrensschritt der Skalierung des Audiosignals einen bestimmten Skalierungsfaktor für jedes Zeitsegment betrifft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verfahrensschritt der Skalierung einen Skalierungsfaktor betrifft, der für jedes Zeitsegment konstant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Schritt der Skalierung einen Skalierungsfaktor betrifft, der mit der Amplitude des Audiosignals variiert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Verfahrensschritt einen nicht linearen Skalierungsfaktor betrifft, der vorzugsweise eine quadratische oder kubische Funktion betrifft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin den nachfolgenden Verfahrensschritt umfasst: – das Kombinieren des skalierten Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs mit dem Rest des Audiosignals des vorher nicht selektierten Frequenzbereichs.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren weiterhin die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: – das Vergleichen des kombinierten Audiosignals mit einem Schwellenwert, und – das Einstellen der Amplitude des Audiosignals, wenn die Schwelle überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei nur die Amplitude des Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Verfahrensschritte zum Vergleichen der Amplitude des kombinierten Audiosignals und zum Einstellen der Amplitude des Audiosignals je Zeitsegment durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der selektierte Frequenzbereich ein niedriger Frequenzbereich ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt der Verzögerung jedes beliebigen Signalanteils der anderen Frequenzbereiche umfasst.
Anordnung (1) zum Verbessern eines Audiosignals, wobei die Anordnung Folgendes umfasst: – Filtermittel zum Filtern des Audiosignals zum Selektieren eines Frequenzbereichs, – Teilungsmittel (3) zum Aufteilen des Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs in Zeitsegmente, und – Skalierungsmittel (4) zum Skalieren des Audiosignals in jedem Zeitsegment zum Steigern des Schallpegels des Audiosignals in dem genannten Frequenzbereich, wobei die Zeitsegmente durch Nulldurchgänge des gefilterten Audiosignals definiert werden.
Anordnung nach Anspruch 13, wobei die Teilungsmittel (3) dazu vorgese hen sind, jedes Zeitsegment durch zwei aufeinander folgende Nulldurchgänge des gefilterten Audiosignals zu definieren.
Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Skalierungsmittel dazu vorgesehen sind, einen bestimmten Skalierungsfaktor für jedes Zeitsegment zu verwenden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13, 14 oder 15, wobei die Skalierungsmittel dazu vorgesehen sind, einen Skalierungsfaktor zu verwenden, der für jedes Zeitsegment konstant ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Skalierungsmittel dazu vorgesehen sind, einen Skalierungsfaktor zu verwenden, der mit der Amplitude des Audiosignals variiert.
Anordnung nach Anspruch 17, wobei die Skalierungsmittel einen nicht linearen Skalierungsfaktor, vorzugsweise eine quadratische oder kubische Funktion betreffend, verwenden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, die weiterhin Folgendes umfasst: – Kombiniermittel (5) zum Kombinieren des skalierten Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs mit dem Rest des Audiosignals des vorher nicht selektierten Frequenzbereichs.
Anordnung nach Anspruch 19, die weiterhin Folgendes umfasst: – Vergleichsmittel (6) zum vergleichen der Amplitude des kombinierten Audiosignals mit einem Schwellenwert, und – Einstellmittel (7) zum Einstellen der Amplitude des Audiosignals, wenn die Schwelle überschritten wird.
Anordnung nach Anspruch 20, wobei die Einstellmittel (7) dazu vorgesehen sind, nur die Amplitude des Audiosignals des selektierten Frequenzbereichs einzustellen.
Anordnung nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Vergleichsmittel (6) und die Einstellmittel (7) dazu vorgesehen sind, die Amplitude des kombinierten Audiosignals je Zeitsegment zu vergleichen bzw. die Amplitude des Audiosignals je Zeitsegment einzustellen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der selektierte Frequenzbereich ein Bassfrequenzbereich ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 13–24, die weiterhin ein Verzögerungselement (8) zum verzögern der Signalanteile anderer Frequenzbereiche umfasst.
Audioverstärker mit einer Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 13–24.
Audiosystem mit einer Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 13–24.
Computerprogrammprodukt mit Code, der es ermöglicht, dass ein Prozessor das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchführt.