DE69133522T2

DE69133522T2 - Apparatur zur Wiedergabe von Audio-digitalen PCM-Signalen

Info

Publication number: DE69133522T2
Application number: DE69133522T
Authority: DE
Inventors: c/o Pioneer Tokorozawa Plant Tsunao Tokorozawa- City Hasegawa
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1991-01-31
Filing date: 1991-12-31
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2012-01-01
Also published as: EP0497060A3; EP0497060B1; EP0497060A2; JP3194752B2; JPH057130A; DE69133522D1; US5461604A

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung gemäß Anspruch 1 vorgestellt.
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.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein Blockdiagramm einer Wiedergabevorrichtung ist, die keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Blockdiagramm eines FIR-Digitalfilters der Vorrichtung, die in 1 gezeigt ist, ist;
3 ein Wellenformdiagramm ist, das die Impulsantwort einer Splinefunktion zeigt;
4 eine Liste ist, die eine Reihe von Koeffizienten für die FIR-Digitalfilter zeigt;
5 ein Diagramm ist, das eine Nullinterpolationstätigkeit und eine Interpolationstätigkeit mit einer Splinefunktion in der Wiedergabevorrichtung zeigt; und
6 ein Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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 5_n–1, Koeffizientenvervielfachern bzw. -multiplizierern 6₀ bis 6_n–1 und einen Addierer 7, wie in 2 gezeigt, auf. Die Verzögerer 5₁ bis 5_n–1 sind miteinander in Reihe geschaltet und jeder von ihnen ist zwischen den Eingängen von zwei benachbarten Multiplizierern 6₀ und 6₁,... oder 6_n–2 und 6_n–1 eingeschoben. Der Addierer 7 ist zum Summieren der Ausgangssignale der Multiplizierer 6₀ bis 6_n–1 eingerichtet und mit dem Ausgang des Filters 2 verbunden. Die Koeffizientenmultiplizierer 6₀ bis 6_n–1 der Filters 2 haben jeweils Koeffizienten ϕ₀ bis ϕ_n–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.
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:
Wenn h ein Abtastintervall und ξ_L eine Knotensequenz ist, wird die B-Spline zweiter Ordnung enthalten aus:
wobei,
Wenn der diskrete Wert S(t_K) und die Impulsantwort _[S]ϕ(t) ist, wird die Faltung der Splinefunktion zweiter Ordnung ausgedrückt durch:
Die Impulsantwort _[S]ϕ(t) der Splinefunktion zweiter Ordnung wird nun berechnet aus:
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.
Weitere Details der Splinefunktion sind z.B. in "Spline function and its applications" von K. Ichida und F. Yoshimoto, Kyoiku Publishing abgebildet.
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.
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.
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.
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.
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.
Obwohl der D/A-Konverter in der PCM-Digital-Audiosignal-Wiedergabevorrichtung einer jeden Ausführungsform installiert ist, kann er separat außerhalb der Wiedergabevorrichtung angeordnet sein.
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.

Claims

Wiedergabevorrichtung für ein digitales PCM-Audiosignal zur Wiederherstellung bzw. Wiedergabe eines digitalen PCM-Audiosignals einer Abtast- bzw. Samplingfrequenz (f_s), das von einem Aufnahmemedium ausgelesen ist bzw. wird, mit: einem FIR Digitalfilter (2); Mitteln zum Multiplizieren des Ausgabesignals des FIR Digitalfilters (2) auf g mal n mal der Samplingfrequenz, wobei g ganzzahling und nicht kleiner als zwei und n ganzzahlig und nicht kleiner als zwei ist; und einem weiteren Digitalfilter (9), der dazu ausgebildet ist, das multiplizierte Ausgabesignal der Mittel zum Multiplizieren des Ausgabesignals des FIR Digitalfilters zu filtern, wobei die Vorrichtung dadurch gekenn zeichnet ist, dass sie ferner aufweist: Mittel (1) zum Multiplizieren des gelesenen digitalen PCM-Audiosignals auf n mal die Samplingfrequenz, so dass Daten, die das digitale Audiosignal repräsentieren, an originalen Abtast- bzw. Samplingpunkten übermittelt werden, und Null-Signale zusätzlichen bzw. Extrasamplingpunkten zugeordnet sind bzw. werden; wobei der FIR Digitalfilter (2) dazu ausgebildet ist, das multiplizierte digitale Audiosignal bei n mal der Samplingfrequenz (f_s) abzutasten; wobei der FIR Digitalfilter (2) eine begrenzte, nicht-unendliche Reihe von Werten, die die Impulsantwort in einer Spline-Funktion m-ter Ordnung widerspiegeln, wobei m ganzzahlig und nicht kleiner als zwei ist, als Multiplikationskoeffizienten aufweist, um ein Ausgabesignal einschließlich einer Hochfrequenzkomponente zu erhalten, die größer oder gleich der halben Samplingfrequenz (f_S) des gelesenen digitalen PCM-Audiosignals ist; wobei die Mittel (8) zum Multiplizieren des Ausgabesignals des FIR Digitalfilters dazu ausgebildet sind, die Extrasamplingpunkt-Nullsignale zuzuweisen, um das Ausgabesignal des FIR Digitalfilters (2) einschließlich der Nullsignale auszugeben; und wobei der weitere Digitalfilter ein Tiefpassfilter (9) niedriger Ordnung mit einer Frequenzantwort, welche eine moderate bzw. gemäßigte Kurve zur Eliminierung eines hohen Grades an harmonischen Komponenten aufweist, ist.