DE69330935T2 - System zur Verarbeitung von Audiosignalen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein System zum Verarbeiten eines Audiosignals zum Verringern der darin enthaltenen Störsignale. Das System verfügt über eine Quelle für ein Audiosignal in elektrischer Form, eine erste Filtergruppe zum Unterteilen des Audiosignals in mehrere Unterbandsignale in verschiedenen Frequenzbändern, einen Detektor für jedes Unterbandsignal zum Erfassen des zugehörigen Audiosignalpegels und eine Komprimiereinrichtung zum Komprimieren jedes Unterbafldsignals auf Grundlage des zugehörigen erfassten Audiosignalpegels sowie eine zweite Filtergruppe zum Komprimieren der komprimierten Unterbandsignale zum Erzeugen eines rekonstruierten Audiosignals.
• Ein ähnliches Störsignal-Verringerungssystem ist in US-4,630,302 (Kryter K. D.) beschrieben. Dieses Dokument offenbart eine Hörhilfe-Vorrichtung, die zwischen typischen Hintergrund-Störsignalen von niedrigem Pegel und Sprachsignalen durch Auswerten von Amplitudenschwankungen im Verlauf der Zeit unterscheidet und aus dieser Auswertung ein Signal zur automatischen Verstärkungsregelung herleitet. Sprachsignale werden stärker als Störsignale verstärkt, um ein zeitweiliges Maskieren von Sprachsignalen durch Störsignale zu verhindern. Das obige Dokument nennt auch Ausführungsformen mit zwei oder mehr Signalpassbändern.
• Die in US-4,630,302 beschriebene Lösung modifiziert den Dynamikbereich des eintreffenden Signals zweckbedingt, um die Funktion als Hörhilfe zu optimieren.
• EP 0 248 713 beschreibt ein Störsignal-Verringerungssystem mit einer oder mehreren Korrekturschaltungen mit kaskadenförmig verbundenen Anpassfiltern. Die in EP 0 248 713 beschriebene Lösung ist für einen Kompromiss zwischen dem Funktionsvermögen und der Anzahl von Filtern optimiert.
• EP 0 343 792 beschreibt ein Störsignal-Dämpfungsverfahren für Mobiltelefone oder eine ähnliche Einrichtung. Das Audioband wird in vier Unterbänder unterteilt, und die Pegel in den Unterbändern werden mit Bezugspegeln verglichen. Signale in den Unterbändern unter diesen Bezugspegeln werden unterdrückt.
• Alle insoweit beschriebenen Lösungen sind für Anwendungen mit hoher Wiedergabetreue nicht geeignet, da bei ihnen die Verringerung von Störsignalen mit hörbaren Änderungen des Dynamikbereichs oder der Frequenzcharakteristik einhergeht.
• Ein System hoher Wiedergabetreue zum Verringern von Störsignalen in einem Audiosignal ist als Störsignal-Dämpfungssystem Dolby SR bekannt, bei dem fünf unabhängig steuerbare Störsignal-Dämpfungskanäle dazu verwendet werden, das Signal/Rauschsignal-Verhältnis gesondert in fünf verschiedenen Frequenzbändern zu verbessern. So wird der Wiedergabebereich des Tonwiedergabesystems in fünf Bereiche unterteilt, von denen jeder gesondert verarbeitet wird. Das Grundprinzip des Dolby-Störsignal-Dämpfungssystems besteht darin, das Signal/Rauschsignal-Verhältnis so zu verbessern, dass das Audiosignal während der Aufzeichnung um so stärker verstärkt wird, je niedriger der Pegel desselben ist. Diese Prozedur, bei der der Dynamikbereich des Audiosignals eingeengt wird, wird als Kompression bezeichnet. Ein auf diese Weise komprimiertes Audiosignal muss bei der Wiedergabe expandiert werden, wobei der Dynamikbereich desselben beinahe wieder in den ursprünglichen Bereich wiederhergestellt wird. Der Vorteil des Verfahrens besteht in der Schwächung von Störsignalen in der Übertragungsstrecke oder der Aufzeichnungseinrichtung um ungefähr 10 dB. Der Hauptnachteil des Dolby-Systems besteht darin, dass Störsignale vom System nur bei der Wiedergabe von Audiosignalen geschwächt werden können, die gemäß dem betroffenen System komprimiert wurden. Außerdem ist die Unterteilung der Frequenzbänder, wenn eine derartige Unterteilung verwendet wird, sehr grob.
• Der Artikel "Subband coding of digital audio signals without loss of quality" von R. N. J. Veldhuis et al. in ICASSP 89, Multidimensional signal processing Audio & Electroacoustics MA, Vol. 3, Glasgow beschreibt ein Bitverringerndes Audiocodiersystem, das die durch das Codieren eingeführten Störsignale minimiert. Das in diesem Artikel beschriebene System kann solche Störsignale nicht verringern, die vor dem Codieren bereits im Audiosignal existieren.
• Die US-Patente 4,896,362 und 5,105,463 lehren ein System, bei dem ein digitales Audiosignal in Unterbänder ungefähr der kritischen Bandbreite aufgeteilt werden, um die Störsignal-Maskierungskurve des menschlichen Hörsystems durch Entfernen des maskierten Abschnitts des Signals zu nutzen. Das endgültige Ziel des Systems besteht darin, das Signal innerhalb jedes Unterbands mit der minimalen Anzahl von Bits neu zu quantisieren, so dass das Quantisierungsrauschen nicht hörbar ist. Aus dem US-Patent 4,882,762 ist ferner ein System bekannt, bei dem ein Audiosignal Frequenz-selektiv so komprimiert wird, dass das Kompressionsverhältnis für jedes der Frequenzbänder unabhängig ausgewählt wird. Diese Systeme sind jedoch dazu vorgesehen, Hintergrund-Störsignale zu dämpfen, wie sie in einem Audiosignal vorhanden sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Störsignal-Schwächungssystem mit hoher Wiedergabetreue zu schaffen, das auch zur Verwendung bei Audiosignalen geeignet ist, die nicht zuvor gefiltert oder verarbeitet, z. B. komprimiert, wurden. Dies wird durch das System des Anspruchs 1 erfüllt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Kompressor so ausgebildet ist, dass er das Signal in seinem Band schwächt, wenn der zugehörige Detektor erkannt hat, dass das momentane Audiosignal im Frequenzband fehlt, wobei das Audioband in Unterbänder unterteilt wird, die nicht breiter als die kritischen Bänder des menschlichen Hörsystems sind.
• Ein wesentlicher Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, das Audiosignal in Frequenzbänder zu unterteilen, die sogenannte kritische Bänder sind, oder in Komponenten hiervon, wobei aus diesen Komponenten die kritischen Bänder durch geeignete Kombinationen erzeugt werden können. Es werden hierbei die Haupteigenschaften des menschlichen Hörsystems verwendet, z. B. der Maskierungseffekt und die Eigenschaft der dazu gehörenden kritischen Bänder. Der Maskierungseffekt des menschlichen Hörsystems betrifft die Fähigkeit, dass ein Ton die Erkennung und das Hören eines Signals mit niedrigerem Pegel in der Nähe des Tons unterdrückt. Allgemein gesagt, wird das spektrale Band, in dem Töne mit niedrigerem Pegel unterdrückt werden, als kritisches Band bezeichnet. Eine genauere Definition des kritischen Bands ist der Frequenzbereich des Störsignals, in dem Töne auftreten, die zur Maskierung eines Tons beitragen, der frequenzmäßig mittig im Störsignalband liegt. Ein Maskierungseffekt existiert auch in der Zeitdomäne. Dies wird als nicht-simultanes Maskieren bezeichnet. Dann kann ein Maskierungssignal einen Ton maskieren, der vor und nach dem Signal selbst auftritt. Die Zeitperiode für diese Maskierungseffekte ist sehr kurz, weniger als 100 ms.
• Normale Audiosignale (Sprache, Musik) sind keine schmalbandigen Signale. Daher ist ihre Fähigkeit, als Maskierungsmittel zu wirken, größer als die eines reinen Tons. Wenn Schallleistung in einem bestimmten Frequenzband existiert, wirkt sie als Maskierungsmittel für jegliches Störsignal in diesem Band. Diese Störsignale können von Natur aus für den Aufzeichnungsvorgang vorhanden sein, oder sie können auf einer nicht optimalen Funktion eines Schallwiedergabesystems beruhen.
• Wenn im kritischen Band, in das das Frequenzband durch die Filtergruppen beim erfindungsgemäßen System unterteilt wird, kein Audiosignal vorhanden ist, kann dieses Band ohne jede hörbare Änderung im tatsächlichen Signal geschwächt werden. Die hörbare Änderung ist die, dass die Störsignale geschwächt oder als verschwunden erscheinen. Der Wert Dämpfungsrate/Zeit wird durch den Vor- oder Nachmaskierungseffekt bestimmt. Da sich der tatsächliche Signalinhalt beim erfindungsgemäßen System nicht ändert, führt die Störsignalschwächung zu keinerlei Pegeländerungen des tatsächlichen Signals, d. h., dass kein zugehöriger "Pumpeffekt" im Schallpegel oder im Störsignalpegel existiert.
• Nachfolgend wird das erfindungsgemäße System unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der die Figur ein prinzipielles Blockdiagramm des erfindungsgemäßes Schallwiedergabesystems zeigt, detaillierter beschrieben.
• In der Figur steht die Bezugszahl 1 für eine Tonquelle, die eine beliebige herkömmliche Quelle für ein Audiosignal in elektrischer Form sein kann, wie ein Mikrofon, ein Tuner, ein Bandrecorder, ein CD-Spieler oder dergleichen. Von der Audiosignalquelle 1 wird das Audiosignal zu einer Filtergruppe 2 geleitet, die es in mehrere Frequenzbänder unterteilt, die sogenannten kritischen Bändern des menschlichen Hörsystems entsprechen. Jedes Unterbandsignal wird zu einem Detektor 3 geleitet, der den Pegel des Audiosignals in diesem Frequenzband erfasst und auf Grundlage dieses Pegels eine Komprimiereinrichtung 4 steuert, der das Unterbandsignal ebenfalls zugeführt wurde. So verfügt jedes Unterbandsignal über seinen eigenen Detektor 3 und seine eigene Komprimiereinrichtung 4.
• Der Steuerungseffekt betreffend die Komprimiereinrichtung durch den Detektor 3 beim Betrieb der Komprimier/Expandier-Einrichtung kann nach Bedarf variiert werden. Z. B. ist es bei optimalen Hörbedingungen am vorteilhaftesten, wenn der Detektor 3 die Komprimier/Expandier-Einrichtung 4 auf solche Weise steuert, dass dann, wenn im fraglichen Frequenzband ein Audiosignal fehlt, die Komprimiereinrichtung das Signal dieses Bands so schwächt, dass es nicht hörbar ist. So können Störsignale im durch die Audiosignalquelle 1 erzeugten Audiosignal in diesem Frequenzband vollständig beseitigt werden, ohne dass irgendeine Auswirkung auf das Audiosignal selbst bestehen würde. Wenn der Detektor 3 das Vorliegen eines Audiosignals in diesem Frequenzband erkennt, wird die Komprimiereinrichtung 4 so angesteuert, dass sie das Audiosignal in keiner Weise beeinflusst.
• Die von den Komprimiereinrichtungen 4 für alle kritischen Frequenzbänder erzeugten Signale werden an eine Rekonstruktionsfiltergruppe 5 geleitet, die sie kombiniert, um ein rekonstruiertes Audiosignal 6 zu erzeugen. In dieser Situation enthält das rekonstruierte Audiosignal 6 keinerlei Störsignale mehr, außer in den kritischen Frequenzbändern, die auch Audiosignale enthalten. Da das Audiosignal in den meisten Fällen das bei derselben Frequenz auftretende Störsignal überdecken kann, erscheint das rekonstruierte Audiosignal als beinahe störungsfrei. In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, dass das Audiosignal sogar der modernsten Audiosignalquellen, wie eines CD-Spielers, eine ziemliche Menge an Störsignalen enthalten kann, wenn die Aufzeichnung, aus der die CD komprimiert wurde, eine ziemliche Menge an Störsignalen enthielt. Dies ist selbstverständlich insbesondere bei älteren Aufzeichnungen der Fall.
• Bei nicht optimalen Hörbedingungen, z. B. in einem Fahrzeug, kann das erfindungsgemäße Schallwiedergabesystem auch so angewandt werden, dass die Komprimiereinrichtungen 4 so ausgebildet sind, dass sie das Audiosignal komprimieren, wenn der Audiosignalpegel niedrig ist. Dies führt selbstverständlich zu einer Verzerrung der Dynamik des Audiosignals, wobei jedoch der Gesamteffekt verbessert wird, wie er in lauten Umgebungen, z. B. in einem Fahrzeug erzielbar ist, da dann sogar Signale niedriger Frequenz hörbar gemacht werden können.
• Die oben beschriebenen Betriebsabläufe können auch in solcher Kombination verwendet werden, dass die kritischen Bänder, die ein Audiosignal enthalten, komprimiert werden, und die kritischen Bänder, die kein Audiosignal enthalten, geschwächt werden, um die Störsignale in diesen Bändern zu beseitigen. So ist es mit dem erfindungsgemäßen System möglich, in einem Schallwiedergabesystem erzeugte Störsignale und auch von Natur aus in einer Aufzeichnung enthaltene Störsignale zu entfernen. Störsignale können auch trotz der Tatsache entfernt werden, dass der Dynamikbereich des Audiosignals komprimiert wird.
• Das erfindungsgemäße System zum Verarbeiten eines Audiosignals wurde nur durch eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben, und es ist zu beachten, dass die Blöcke gemäß der Erfindung mittels Vorrichtungslösungen realisiert werden können, die voneinander stark verschieden sind, ohne dass vom durch die beigefügten Ansprüche definierten Schutzumfang abgewichen wird. Z. B. kann der Detektor zum Erfassen des Pegels des Audiosignals im kritischen Band oder des Fehlens des Signals auf viele verschiedene Arten realisiert werden, von denen einige bei bekannten Störsignal-Schwächungssystemen angewandt wurden.

Claims (2)

1. System zum Verarbeiten eines Audiosignals zum Verringern der in ihm enthaltenen Störsignale, mit einer Quelle (1) für ein Audiosignal in elektrischer Form, einer ersten Filtergruppe (2) zum Unterteilen des Audiosignals in mehrere Unterbandsignale in verschiedenen Frequenzbändern, einem Detektor (3) für jedes Unterbandsignal zum Erfassen des zugehörigen Audiosignalpegels, und einer Komprimiereinrichtung (4) zum Komprimieren jedes Unterbandsignals auf Grundlage des zugehörigen erfassten Audiosignalpegels, und einer zweiten Filtergruppe (5) zum Kombinieren der komprimierten Unterbandsignale zum Erzeugen eines rekonstruierten Audiosignals (6), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Filtergruppe (2) so ausgebildet ist, dass sie den Schallfrequenzbereich in Bändern mit einer Breite unterteilt, die die Verarbeitung des Signals innerhalb der kritischen Bänder des menschlichen Hörsystems ermöglichen, und dass jede Komprimiereinrichtung (4) so ausgebildet ist, dass sie das Signal in ihrem Band schwächt, wenn der zugehörige Detektor (3) erfasst hat, dass momentan ein Audiosignalpegel in diesem Frequenzband fehlt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Komprimiereinrichtung (4) so ausgebildet ist, dass sie das Audiosignal in ihrem Band komprimiert, wenn der erkannte momentane Audiosignalpegel niedrig ist.