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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung zum
Wiederherstellen von PCM (Puls-Code-Modulation)-digitalen Audiosignalen,
die auf einem Aufzeichnungsmedium, z.B. einer Kompaktdisk, aufgezeichnet
sind.
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Die
Aufzeichnungsfrequenzen eines digitalen Audiosignals bzw. Digital-Audiosignals,
das auf einem Aufzeichnungsmedium, z.B. einer Kompaktdisk, (CD)
oder einem Digital-Audioband
(DAT), aufgezeichnet werden soll, sind durch das Abtasttheorem darauf
begrenzt, kleiner als die Hälfte
der Abtast- bzw. Samplingfrequenz zu sein, um eine Faltungsverzerrung
zu vermeiden.
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Typischerweise
können
menschliche Ohren einen einzelnen Ton (reiner Klang) bis zu 20 kHz
erkennen und daher ist die Abtastfrequenz 44,1 kHz für CD-Aufnahmen
und 48 kHz für
DAT-Aufnahmen.
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Es
ist nun durch verschiedene Probleme bekannt, dass die Eliminierung
einer Hochfrequenzkomponente aus einem Audiosignal mit einem Filter,
der eine Filtercharakteristik mit einem scharfen Abschneiden zum
Blocken von Frequenzen höher
als 20 kHz aufweist, unerwünschte
Ergebnisse in einem wiederhergestellten Klang erzeugt, und ebenfalls,
dass Klingeleffekte, die in der Wellenformantwort auf ein Signal
mit Hochfrequenzkomponenten, wie z.B. einem Impuls, ausgebildet
sind, die Wiederherstellbarkeit von Wellenformen verschlechtern
werden.
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In
Electronic Components & Applications,
Vol. 8, No. 3, 1988, ist eine PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung
mit einem FIR-Tiefpassfilter als ein erster Oversampling- bzw. Überabtastungsabschnitt und
ein Linear-Interpolator
und eine Sample-And-Hold-Schaltung bzw. Abtast-Und-Halteschaltung
als ein zweiter Oversampling-Abschnitt
offenbart.
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In
IEEE Communications Magazine, Vol. 23, No. 2, Feb. 1985 ist eine
Nullinterpolationsschaltung mit Vierfach-Oversampling, einem Digital-Tiefpassfilter
und einer Abrundungs- bzw. Vervollständigungsschaltung offenbart.
In 12 erklärt diese Druckschrift Oversampling "als ob" ein Schritt eines
Null-Einsetzens einer Filterung vorausgeht.
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In
Philips Technical Review, Vol. 40, 1982, pp. 174–179, D. Goedhart u.a., "Digital-to-analog
conversion in playing a Compact-Disc" wird ein Digital-Analog-Konverter zur
Verwendung in der letzten Stufe in der Reihe von Operationen an
dem Signal in einem CD-System diskutiert. 4 dieser
Druckschrift zeigt zwei Wege der Implementierung eines Oversampling-FIR-Filters.
Nur in 4a werden zusätzliche
Nullen durch den FIR-Filter erzeugt, während er die 44,1 kHz-Abstastungen
bzw. -Samples bei 176,4 kHz taktet. Die praktische Implementierung
aus 4b führt keine zusätzlichen
Nullen ein.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung bereitzustellen, die
in der Lage ist, natürliche
Klänge,
welche kaum durch Eliminierung einer Hochfrequenzkomponente mit
einem üblichen
scharfen Abschneidefilter erreicht werden, wiederherzustellen, und
eine bessere Wellenformantwort auf ein Hochfrequenzträgersignal,
wie z.B. einen Impuls. ohne Verursachung unerwünschter Klingeleffekte bereitzustellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung
gemäß Anspruch
1 vorgestellt.
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Folglich
ermöglicht
die PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung,
dass ein PCM-Digital-Audiosignal zu einem n-fachen der Abtastfrequenz
multipliziert und, nachdem zusätzliche
Abtastpunkte mit Nullsignalen interpoliert werden, mit dem FIR-Digitalfilter
splinefunktionsinterpoliert wird. In der Folge kann ein natürlicherer
Klang aus dem Ausgabeaudiosignal der Vorrichtung im Vergleich zu üblichen
scharfen Abschneidetiefpassfilterungen mit einem herkömmlichen
scharfen Abschneidetiefpassfilter wiederhergestellt werden.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft
und mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Wiedergabevorrichtung ist, die keine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
Blockdiagramm eines FIR-Digitalfilters der Vorrichtung, die in 1 gezeigt
ist, ist;
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3 ein
Wellenformdiagramm ist, das die Impulsantwort einer Splinefunktion
zeigt;
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4 eine
Liste ist, die eine Reihe von Koeffizienten für die FIR-Digitalfilter zeigt;
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5 ein
Diagramm ist, das eine Nullinterpolationstätigkeit und eine Interpolationstätigkeit
mit einer Splinefunktion in der Wiedergabevorrichtung zeigt; und
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6 ein
Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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1 zeigt
eine PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung,
in der ein PCM-Digital-Audiosignal, das von einem Aufzeichnungsmedium
ausgelesen wird bzw. ist, an einen Eingangsanschluss EIN angelegt wird.
Bei einer Kompaktdiskaufnahmen wird ein Digital-Audiosignal von
einer Kompaktdisk mit einem Tonabnehmer (nicht gezeigt) ausgelesen,
EFM (Acht-Zu-Vierzehn-Modulation)-demoduliert und Fehler werden
vor der Abgabe an den Anschluss EIN korrigiert. Der Eingangsanschluss
EIN ist mit einer Nullinterpolationsschaltung 1 verbunden,
in der das Eingangs-Digitalsignal auf das Vierfache der Abtastfrequenz
fs multipliziert und die Interpolation derartig durchgeführt wird,
dass Daten an den ursprünglichen
44,1 kHz Abtastpunkten übermittelt
werden, während
Nullsignale mit den zusätzlichen
Abtastpunkten, die andere als die Originalabtastpunkte sind, verknüpft werden.
Der Ausgangsanschluss der Nullinterpolationsschaltung 1 ist
mit einem FIR-Digitalfilter 2 verbunden. Der FIR-Digitalfilter 1 (2)
weist eine Reihe von Verzögerungen
bzw. Verzögerern
51 bis 5n–1,
Koeffizientenvervielfachern bzw. -multiplizierern 60 bis
6n–1 und
einen Addierer 7, wie in 2 gezeigt,
auf. Die Verzögerer
51 bis 5n–1 sind
miteinander in Reihe geschaltet und jeder von ihnen ist zwischen
den Eingängen von
zwei benachbarten Multiplizierern 60 und
61,... oder 6n–2 und
6n–1 eingeschoben.
Der Addierer 7 ist zum Summieren der Ausgangssignale der
Multiplizierer 60 bis 6n–1 eingerichtet
und mit dem Ausgang des Filters 2 verbunden. Die Koeffizientenmultiplizierer
60 bis 6n–1 der
Filters 2 haben jeweils Koeffizienten ϕ0 bis ϕn–1,
welche die Impulsantwort der Splinefunktion darstellen. Der Ausgabeanschluss
des FIR-Digitalfilters 2 ist mit einem D/A-Konverter 3 verbunden,
in dem das Digital-Audiosignal von Filter 2 in eine analoge
Form bei einer Frequenz von 4fs, die gleich ist zum Vierfachen der
Abtastfrequenz fs, konvertiert wird. Das analoge Audio- bzw. Analog-Audiosignal von dem
D/A-Konverter 3 wird anschließend an den Ausgangsanschluss
AUS übertragen.
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Die
Impulsantwort der Splinefunktion in dem FIR-Digitalfilter
2 wird nun erklärt werden.
Angenommen, dass die Splinefunktion mit einer Reihe von Abtastpunkten,
die an gleichen Intervallen ξλ
L beabstandet
sind, verknüpft
ist, wird die Splinefunktion S(t) ausgedrückt, indem ein B-Spline
[b]ϕ
L(t) verwendet wird, also:
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Wenn
h ein Abtastintervall und ξ
L eine Knotensequenz ist, wird die B-Spline
zweiter Ordnung enthalten aus:
wobei,
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Wenn
der diskrete Wert S(t
K) und die Impulsantwort
[S]ϕ(t) ist, wird die Faltung der
Splinefunktion zweiter Ordnung ausgedrückt durch:
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Die
Impulsantwort
[S]ϕ(t) der Splinefunktion
zweiter Ordnung wird nun berechnet aus:
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Es
versteht sich, dass die Impulsantwort [S]ϕ(t)
durch Substitution der Gleichung (2) für die Gleichung (4) gegeben
ist und deren Wellenform in 3 gezeigt
ist. Oversampling in dem FIR-Digitalfilter wird durch Abtasten der
Eingangsdaten an den Abtastpunkten der Impulsantwort durchgeführt, oder
spezifischer bei einer höheren
Abtastfrequenz als der Originalfrequenz h. Der FIR-Digitalfilter
hat Koeffizienten, die mit der Impulsantwort korrespondieren, und
kann daher eine Operation durchführen,
die gleich einer Interpolation unter Verwendung der Splinefunktion
ist.
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Weitere
Details der Splinefunktion sind z.B. in "Spline function and its applications" von K. Ichida und F.
Yoshimoto, Kyoiku Publishing abgebildet.
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Der
FIR-Digitalfilter 2, der in 2 gezeigt
ist, ist zum Ausführen
der Oversampling-Aktionen bei einer Abtastfrequenz des Vierfachen
der Frequenz fs eingerichtet und enthält die Koeffizienten, wie in 4 gezeigt. Obwohl
die Gleichung (4) eine Kette von unbegrenzten bzw. unendlichen Pulsen
darstellt, können
sie abgeschnitten werden, wenn ein Fehler vernachlässigbar
ist. 4 zeigt, dass die Gleichung bis zu n = 61 berechnet
ist, was dem FIR-Digitalfilter
ermöglicht,
eine 61-schrittige Filteraktion durchzuführen. Es versteht sich, dass
n nicht auf 61 beschränkt
ist.
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In
der PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung der vorliegenden
Erfindung wird ein PCM-Digital-Audiosignal der Abtastfrequenz fs,
das aus einem Aufzeichnungsmedium ausgelesen wird bzw. ist, in Intervallen
von ¼ durch
die Nullinterpolationsschaltung 1, in der die resultierenden
zusätzlichen
Abtastpunkte mit Nullsignalen interpoliert werden, überabgetastet.
Spezieller wird das PCM-Digital-Audiosignal der Abtastfrequenz fs,
welches eine abgetastete Form, die in 5a gezeigt
ist, aufweist, durch die Nullinterpolationsschaltung verarbeitet,
in der die Daten an den ursprünglichen
Abtastpunkten direkt übermittelt
werden und Nullsignale mit den drei zusätzlichen Abtastpunkten (die
schwarzen in 5b gezeigten Kreise)
verknüpft
werden, welche an gleichen Intervallen von ¼ fs in jede Periode 1/fs,
wie in 5b gezeigt, angeordnet sind.
Das interpolierte PCM-Digital-Audiosignal von der Nullinterpolationsschaltung 1 wird
dann in eine Form, die in 5c ge zeigt
ist, durch den FIR-Digitalfilter 2 unter Verwendung einer
Splinefunktions-Interpolationstechnik überabgetastet. Das splinefunktions-interpolierte
PCM-Digital-Audiosignal von dem FIR-Digitalfilter 2 wird
an den D/A-Konverter 3 übermittelt,
wo es vor der Übermittlung
vom Ausgangsanschluss AUS in seine analoge Form konvertiert wird.
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Die
Splinefunktion erzeugt eine Reihe von Differenzialkoeffizienten,
die mit den Abtastpunkten verknüpft
sind, und wenn deren Ordnungszahl niedrig ist, wird die Konvergenz
in einem Signal erhöht,
wie es in der Form eine Impulsantwort in 3 gezeigt
ist, was weniger Klingeleffekte erzeugt. Das Signal, das unter Verwendung
der Splinfunktion interpoliert ist, enthält eine Hochfrequenzkomponente,
die höher
als fs/2 ist, so dass es einen natürlichen Wiederherstellungsklang
erzeugen kann, der kaum mit einer herkömmlichen, intensiv scharfen
Abschneidefiltervorrichtung erreicht wird.
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6 zeigt
eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in der eine zusätzliche Nullinterpolationsschaltung 8 mit
dem Ausgang des FIR-Digitalfilters 2 der PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung,
die in 1 gezeigt ist, verbunden ist. Ein Ausgabesignal
von der Nullinterpolationsschaltung 8 wird durch einen
Tiefpassfilter (LPF) 9 an einen D/A-Konverter 10 gefüttert. Die
Nullinterpolationsschaltung 8 ist zum Multiplizieren des
splinefunktions-interpolierten PCM-Digital-Audiosignals der Abtastfrequenz
4fs mit dem Zweifachen zu 8fs der Abtastfrequenz und zum Interpolieren
der zusätzlichen
Abtastpunkte mit Nullen eingerichtet. Der LPF 9 ist ein
Digital-Tiefpassfilter
niedriger Ordnung (z.B. vierter Ordnung oder darunter) mit einer Frequenzantwort,
die flach unter der Frequenz fs ist und zur Eliminierung einer harmonischen
Komponente hohen Grades allmählich
abfällt.
In der Folge können
die Abtastfrequenzen höher
als jene der Vorrichtung, die in 1 gezeigt
ist, erhöht
werden und die Interpolation unter Verwendung einer Splinefunktion
hoher Ordnung wird mit weniger Berechnungsaktionen und einer geringeren
Geschwindigkeit der arithmetischen Operation durchgeführt werden.
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Obwohl
die Nullinterpolationsschaltung 1 Multiplikationen mit
dem Vierfachen der Abtastfrequenz fs und die Nullinterpolationsschaltung 8 Multiplikationen
mit dem Zweifachen der Abtastfrequenz 4 fs gemäß den Ausführungsformen
durchführt,
ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Multiplikationen beschränkt. Jedoch
sollte die Anzahl der Abtastpunkte zumindest verdoppelt werden.
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Obwohl
der D/A-Konverter in der PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung einer jeden Ausführungsform
installiert ist, kann er separat außerhalb der Wiedergabevorrichtung
angeordnet sein.
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Wie
zuvor dargestellt, ermöglicht
die PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung,
ein PCM-Digital-Audiosignal
auf ein n-faches der Abtastfrequenz zu multiplizieren, und, nachdem
zusätzliche
Abtastpunkte mit Nullsignalen interpoliert wurden, mit dem FIR-Digitalfilter
eine Splinefunktionsinterpolation durchzuführen. Folglich können natürlichere
Wiederherstellungsklänge
im Vergleich zu üblichen
scharfen Abschneidefilterungen mit einem konventionellen scharfen
Abschneidefilter erhalten werden. Auch kann ein Signal, das eine Hochfrequenz
trägt,
wie z.B. ein Impuls, verarbeitet werden, ohne Klingeleffekte in
der Wellenformantwort zu verursachen.