EP1024679A2 - Verfahren zum Dekodieren gestörter Funksignale von Mehrkanal-Audiosendungen - Google Patents

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EP1024679A2
EP1024679A2 EP99124194A EP99124194A EP1024679A2 EP 1024679 A2 EP1024679 A2 EP 1024679A2 EP 99124194 A EP99124194 A EP 99124194A EP 99124194 A EP99124194 A EP 99124194A EP 1024679 A2 EP1024679 A2 EP 1024679A2
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EP
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signal
channels
channel
different
parameters
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EP99124194A
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EP1024679A3 (de
EP1024679B1 (de
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Gerhard Kottschlag
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S3/00—Systems employing more than two channels, e.g. quadraphonic
    • H04S3/002—Non-adaptive circuits, e.g. manually adjustable or static, for enhancing the sound image or the spatial distribution
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S2420/00—Techniques used stereophonic systems covered by H04S but not provided for in its groups
    • H04S2420/07—Synergistic effects of band splitting and sub-band processing
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S5/00—Pseudo-stereo systems, e.g. in which additional channel signals are derived from monophonic signals by means of phase shifting, time delay or reverberation 

Definitions

  • the invention relates to a method for decoding multi-channel audio broadcasts, especially of two-channel stereo audio broadcasts a respective useful signal per channel, for each of the useful signals transmitted frequency spectrum of a signal source by different temporal occurrence and different levels in the different Channels a spatial impression or location information is generated for the corresponding signal source, according to the preamble of claim 1.
  • Radio receiver for multi-channel audio signals should with different signal levels, with level fluctuations of the high-frequency carrier signal and, in the case of radio interference, the low-frequency Play the (audio) original signal as realistically as possible.
  • This also includes the spatial arrangement of the different ones reproduced sound sources.
  • This spatial arrangement will hereinafter also referred to as location information.
  • a multi-channel audio broadcast especially two-channel stereo audio broadcasting is one of them a respective useful signal is provided per channel, for each of the frequency spectrum of a signal source transmitted to the useful signals due to different times and different levels in the different channels a spatial impression or location information is generated for the corresponding signal source.
  • some Reception situations deteriorate the audio quality of a Multi-channel signal, e.g.
  • the strategy described above is particularly promising if the single-channel signal obtained is due to the modulation method used a lower susceptibility to the mentioned interferences having. This is particularly the case with the widely used frequency modulated FM radio (multi-plex signal using the pilot tone method) the case.
  • Methods are also known for processing a mono signal in such a way that that the impression of a spatial distribution of the signal sources arises.
  • the mono signal is broken down into several frequency ranges. This Areas become different in strength and / or with different delays distributed over different audio signal paths (+ reverb or others known measures for producing an artificial surround effect).
  • always going on Splits ultimately lead to continuous functions for Attenuation-over-frequency and delay-over-frequency, each one separate function for each signal path. With discrete frequency ranges their width can be chosen differently, adapted to the Stereo sensitivity of the human ear at different frequencies (e.g. no channel separation for basses, narrow segments for approx. 1kHz, large segments at high frequencies).
  • Conventional stereo decoders are relatively simple and therefore inexpensive. So far with stereo receivers with such stereo decoders method used with mono stereo blend based, like previously explained, only on the control of the channel separation. At occurring faults are switched to single-channel operation very early, whereby any location information that may still be present is no longer reproduced becomes.
  • the known simple stereo decoders have noisy Stereo signals only the choice, the location information entirely or partially discard.
  • the location information is extracted from the useful signals and with this current location information from one the useful signals of all channels containing mono signal an artificial spatial sound by distributing different frequency bands to the number of channels of the multi-channel audio broadcast corresponding channels with different times Delay and / or different levels of attenuation in the different channels is generated.
  • spectral distributions of the Useful signals of the different channels and / or runtime differences or time differences of two or more different spectral components with each other in the respective useful signal of different channels compared.
  • the comparison is for each channel for at least two or more different spectral components parameters for signal attenuation and / or a signal delay is determined and the corresponding Spectral components from one containing the useful signals of all channels Single-channel signal delayed according to the specific parameters and / or damped corresponding to the number of channels of the multi-channel audio broadcast Channels distributed in such a way that for a listener for the corresponding Spectral components produce a spatial sound impression, which essentially a spatial sound impression of the directly reproduced Audio signals of the channels.
  • the Spectral range is divided into several predetermined spectral components, where frequencies of a spectral component when determining the parameters weighted differently.
  • the disturbing impression of a spatially jumping signal source reliably thereby avoided that the predetermined spectral components in the Frequency partially overlap and the frequencies of a spectral component lower in the overlap area to an adjacent spectral component be weighted.
  • the division of the spectral components is expedient depending on the analysis of the useful signals dynamically changed.
  • a message about predetermined ones is given as a weighting function Periods or a summary of a predetermined Period with greater consideration of younger certain parameters.
  • a good prediction of a future spatial location of a signal source is achieved in that for those spectral components in which a Determination of the parameters is not possible, these from neighboring Spectral components interpolated, certain parameters previously weighted if necessary further used, predetermined parameters or parameter functions used and / or random parameters are used.
  • a recipient of the above Type marked according to the invention by an analysis module, which spectral distributions of the useful signals the different channels and / or runtime differences or Transit time differences of two or more different spectral components in the respective useful signal of the different channels compares from the comparison for each channel for at least two or more different spectral components parameters for signal attenuation and / or a signal delay determined in this way, and a surround sound module , which the corresponding spectral components from a the useful signals of all channels containing single-channel signal according to the determined Parameters delayed and / or damped on the number of channels of the Multi-channel audio broadcast corresponding channels distributed such that a Listeners for the corresponding spectral components a spatial Sound impression, which is essentially a spatial Sound impression of the directly reproduced audio signals of the channels corresponds.
  • the analysis module for Each channel has a filter module that contains the respective useful signal or parts of the useful signal in several, in particular four spectral components disassembled.
  • the analysis module points for each spectral component to be evaluated a level detector and one of the number of these spectral components corresponding number of level comparators, each level comparator the levels of an assigned spectral component in several, if necessary compares all channels. Every level comparator is one Signal converter stage downstream, which results from the comparison in the level comparator for each channel of the artificial spatial sound the parameter for signal attenuation and / or the parameter for signal delay certainly.
  • the surround sound assembly has a filter assembly on which a mono signal containing the useful signals of all channels divided into several, in particular five, spectral components, whereby for at least one spectral component is one of the number to be processed Channels corresponding number of attenuator assemblies and / or Delay stages are provided, attenuator assemblies and / or delay stages in accordance with those for this channel and this Spectral component of parameters provided by the analysis module is delayed and / or generate damped output signal. For every channel of the artificial spatial sound, an adder combines the so obtained spectral partial signals.
  • a time offset between the segment of the multi-channel useful signal being analyzed and the segment of the Mono signal has the advantage that one only in the course of the signal segment clearly prominent spatial information even on the design of the spatial sound at the beginning of this signal segment.
  • Useful signals of different channels of the multi-channel audio signal analyzed for their spectral distribution By comparing the Analyzes of different channels determine which spectral components at which point in the room have their origin. This according to the invention determined data to describe the original signal are hereinafter referred to as "location information". While disturbed Reception times are switched to an artificial surround sound or faded out, which is based on the currently from the disturbed Merkanal signal determined location information is designed, that is Spectral components of the mono signal distributed over the different channels so that the impression arises that the spectral components still have theirs Origin at the location determined for this. After the end of the disturbance will be on Multi-channel operation switched back or blinded. The parameters like e.g.
  • Surround sound parameters can be identical to the location information.
  • the location information and / or surround parameters collect data Individual frequencies or the signal components in frequency ranges together.
  • the location information is recorded at certain times or for certain time intervals.
  • the determination of the location information of the multi-channel signal and / or the Surround sound parameters for designing the spatial sound are, for example as continuous functions of the level depending on the Frequency realized.
  • a continuous function of the level depending of the frequency prevents the impression of a fast Relocation of a signal source when the frequency of the source has a range limit exceeds.
  • the frequencies of a jointly processed area flow optionally with different weightings in the calculations (frequency-dependent Evaluation function).
  • the weighting can be in the location information be chosen differently than for the surround parameters. It will Parts of the spectrum examined or edited, which are clearly delineated are or partially overlap. In this for digital signal processing more suitable division into frequency ranges will be neighboring Frequencies recorded with lower weighting, so too here the disturbing impression of a jumping signal source is reliable is avoided.
  • the time difference the spectral components (transit time differences) in the different Channels according to the procedures described above in the location information accepted.
  • different useful signals e.g. rhythmic Pop music
  • location information that has been recorded is not replaced by the next Measurement replaced, but supplemented by a weighting function, e.g. Averaged over longer periods or with greater consideration the recent measurements summarized.
  • a weighting function e.g. Averaged over longer periods or with greater consideration the recent measurements summarized.
  • the analysis of which is insufficient information provides the required location information about the location of the signal origin or surround parameters from neighboring frequency ranges interpolated, previously determined values continue to be used (weighted if necessary), predefined values or functions are used (e.g. these gaps treated as mono, i.e. equally distributed across all channels) and / or (if necessary partially) replaced by random parameters.
  • predefined values or functions are used (e.g. these gaps treated as mono, i.e. equally distributed across all channels) and / or (if necessary partially) replaced by random parameters.
  • the reuse of the last parameters determined from usable signal components and the interpolation from neighboring frequency ranges often allow one good forecast of the future location of the signal source.
  • the division into frequency ranges are variable, for example designed, in particular they are based on the analysis of the useful signal dynamically changed. This procedure enables individual spectral focus of the useful signal as a whole to edit it prevents the splitting and spatial separation of such areas.
  • the useful signal analysis can be smaller for quiet passages Record signal amplitudes.
  • the timing behavior can better match the characteristics the current fault situation, e.g. Frequency of fading drops be adjusted.
  • the event of interference in the single-channel useful signal e.g. Noise
  • can be reacted individually e.g. Reduction of signal levels and / or the channel separation in the high frequency range, so that Noise components not in the one currently used for high-frequency reproduction Channel become particularly audible.
  • a complete multi-channel audio signal contains at any time or smallest time interval and for each individual frequency provides information about the location of the signal generation or via a spatial arrangement of different signal sources regarding a recording microphone and thus regarding the listener.
  • the human ear is unable to complete this wealth of information evaluate. Quickly switch from one channel to another do not usually occur and would otherwise be in full Speed not recorded by the ear.
  • the multi-channel audio signal for example, through noise components when the Signal that loses information, remains enough for a long time Remaining information left to give the ear an acceptable spatial impression to provide.
  • the invention uses this residual information to artificially to restore a spatial sound.
  • the information is still provided even during a fault obtained from the disturbed signal to create the "artificial" surround effect to design according to the currently transmitted location information.
  • the mono signal reaches the Speakers, which is subject to an artificial spatial sound. It there is a detection of those still present in the disturbed signal Location information even in times when the signal is so disturbed is that it is no longer suitable for multi-channel playback, but is not yet as badly disturbed as the location information would have been greatly distorted.
  • a reception quality is in each case on the horizontal axis 10 a multi-channel audio broadcast plotted normalized to one. With “1" the reception quality is optimal, whereas towards the origin of the coordinate system to the reception quality always subsides more strongly until there is no reception at "0".
  • On the respective vertical axis 12 is a channel separation (Fig. 1), a Time resolution (Fig. 2), frequency resolution (Fig. 3) and quality the reproduction of the current location information or the spatial sound plotted normalized to one.
  • the dashed line 14 shows the respective Characteristics of a conventional decoder with cross-fading from stereo to mono if signal interference occurs (mono-stereo blend).
  • the crossed, solid line 16 shows the respective characteristic when using the location information before the occurrence of a Disturbance and no further evaluation of the location information in the useful signal during the disturbance.
  • the solid line 18 shows the respective Characteristic when extracting the location information also from the disturbed Signal, according to the invention.
  • the location information or the location information can be distorted in three parameters be, namely in channel separation, time resolution and frequency resolution.
  • the channel separation (Fig. 1) corresponds to the spatial Separation of the signal sources.
  • the time resolution (FIG. 2) is shown, for example in the maximum speed at which a signal source changes their location.
  • the frequency resolution (Fig. 3) indicates to what extent frequency-similar signal sources localized at different locations can be.
  • the quality of the reproduction of location information (Fig. 4) is expressed simply the product of the three parameters. In This representation is initially ignored that the human Heard the parameters evaluated very differently, and this in turn the frequency, level and other parameters of the signal varies.
  • Figures 1 to 4 show basic for different decoding methods Relationships for the three parameters (Fig. 1 to 3) and the overall quality the reproduction (Fig. 4) depending on the quality of the received signal, which on the horizontal axis 10 in the previously described is applied.
  • This quality can be as S / N ratio can be plotted for other types of interference, such as Shrinkage or multipath reception could be a different scaling make sense.
  • Conventional stereo decoders are relatively simple and thus inexpensive.
  • the previously used with stereo receivers Mono-stereo blend method is based solely on control the channel separation, (line 14). In the event of malfunctions, it is right faded to single-channel operation early, the location information still available are no longer reproduced.
  • the method according to the invention uses as far as possible all those that are still present Information from (line 18).
  • a suitable mix of time and Frequency averaging is based on the resolving power of the human Hearing and the computing power of the signal processing modules.
  • the temporal resolution is initially due to the sluggishness cause hardly any audible loss of quality.
  • the abstract in frequency bands is noticeable in simple systems Falsifications of the location information (arrow 20, fine resolution requires great computing power). If the information content declines you have to further reduce one or both resolutions.
  • the channel separation is only withdrawn when the remaining information available in the signal is no longer sufficient for acceptable audio quality.
  • the Method is particularly suitable for decoding weak, but largely stable signals, i.e. below the "mono" level more conventional Decoder. This area of gain in location information shows Arrow 22.
  • FIG. 5 shows a section of a block diagram of an FM stereo broadcast receiver as a preferred embodiment for an inventive Receiver.
  • An antenna 1010 receives radio frequency signals from radio stations and routes them to a selection and demodulation assembly 1020.
  • this assembly 1020 the signal from a radio station is recorded and the modulation content extracted.
  • An output signal 1021 of this assembly 1020 is the sum signal both stereo channels L + R (left plus right).
  • Another output signal 1022 contains the difference signal of the two channels L-R.
  • a third output 1023 indicates to what extent the signal reception Is subject to interference, whether due to too little or too quickly fluctuating signal strength, multipath reception or other events.
  • the sum signal 1021 arrives at an assembly 1100 for generation an artificial spatial sound.
  • Both the sum signal 1021 and the difference signal 1022 is fed to a stereo decoder 1030, of the two output signals 1031 with the right channel R and 1032 with the left channel L. These two signals arrive an analysis module 1300 for determining the room parameters.
  • the Module 1300 is also connected to signal 1023.
  • the determined Room parameters for signal attenuation and signal delay are over multiple leads 1301 and 1302 to surround module 1100 passed on. There they serve as spatial sound parameters for realistic purposes Replica of the room sound.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment for the surround module 1100.
  • the mono signal (L + R) 1021 is divided into five in a filter assembly 1110 spectral partial signals 1111 to 1115 decomposed, the highest frequency components are emitted via signal 1111, the lowest frequency via signal 1115.
  • Signal 1111 arrives at a first attenuator module 1121, then goes through a first delay stage 1131 and arrives at a first summing point or adder 1141
  • the second path carries the signal 1111 over a second attenuator module 1122 and a second delay stage 1132 to a second Summing point or adder 1142.
  • Signals 1112, 1113 and 1114 are each through two paths through the attenuators 1123 to 1128 and delay stages 1133 to 1138 to the summing points or adders 1141 and 1142.
  • Output lines 1143 and 1144 of the two summing points 1141, 1142 form the outputs of the block 1100 and thus lead to the signals 1101 and 1102.
  • the signal attenuation in the attenuators 1121 to 1128 and the throughput time of the delay stages 1131 to 1138 are via signal buses 1129 and 1139 controlled, which consist of eight lines, one line per module to be controlled. Because man is unable to find the place of origin of low or low frequency tones can be seen in signal division is not required in this frequency range.
  • the signal 1115 is therefore directly at the two summing points or adders 1141 and 1142 headed.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment for the analysis module 1300.
  • the signals 1031 and 1032 coming from the stereo decoder 1030 for the right and left audio channels are in two filter assemblies 1310 and 1320 into four spectral partial signals 1311 to 1314 and 1321 to Disassembled in 1324, with the lowest ones that cannot be localized by human hearing Frequencies are not taken into account.
  • the amplitude of the Signal line 1311 with the highest frequency components of the right channel is determined with a level detector 1331.
  • a resulting signal 1351 reaches a level comparator 1371.
  • a signal conversion stage 1381 generates from the result the comparison four control signals 1401 to 1404 to control the attenuators 1123 to 1128 and delay stages 1133 to 1138 in the Surround module 1100. Corresponding signals and processing stages are available for the signals of the other three spectral components.
  • no filters 1310/1320 are used for individual frequency ranges, instead, a function of the level above the is determined for each channel Frequency, from this a list of a parameter set with characteristic frequencies and associated level values. The frequencies in between can be obtained, for example, by interpolation. Artificial for everyone The channel to be generated is used instead of the assembly 1100, for example an analog multi-stage filter, for example from operational amplifiers, controlled such that it matches the incoming mono signal of these functions / parameters.
  • the levels in the frequency subsegments are measured using a measured over a longer period of time and these courses, for example, in one Ring buffer stored and fed to a correlation stage.
  • This stage determined by various time shifts and subsequent Comparison of the channels for which time shift a pronounced Agreement is demonstrable. This time difference is called information about the origin of the signal used.
  • the one previously described simple level comparison can continue to take place, with a subsequent one Level decides which of the two localization strategies in in this case better information (more credible, more pronounced, constant or other criterion) and processed.
  • the won Location information is in the in assembly 1371 and corresponding Assemblies en low pass provided.
  • the frequency ranges generated in stages 1310 and 1320 are alternatively split into much finer frequency sub-spectra. All sub-spectra with low signal levels are discarded, the remaining parts added to signals that match those after the first Frequency division (e.g. 1311).
  • the levels in the frequency subsegments are in an alternative Embodiment measured over a longer period and this Gradients stored in a ring buffer. At the beginning of a malfunction a signal rise or fall from this record of the level curve calculated that for the duration of the disturbance in the surround parameters is incorporated.
  • the highest peaks in the Frequency spectrum determined. These are called the center frequencies of the filters 1110 used for spectral division.
  • the signal 1023 at the input of module 1040 is alternatively only in the switching direction from stereo to surround sound is switched through immediately.
  • Low pass led so that there is a delay and thus for the artificial duration is limited even at times of good reception Surround sound remains activated.
  • a delay element can be added, e.g. in form of digital FIFO memory.
  • this is the one on the antenna 1010 incoming signal sequence processed in the analysis module 1300, however, the results of the analysis affect a signal segment that was received earlier, according to the offset by the Time Delay.
  • One clearly worked out only in the course of the analysis Location information can thus be applied to the entire signal sequence from the beginning Act.
  • the time offset when fading from the artificial spatial sound to compensate for the reproduction of the original signals are also two inputs of the fade unit 1040, which the signals 1031 and 1031 lead to equip with delay stages of the same timing.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dekodieren von Mehrkanal-Audiosendungen, insbesondere von Zweikanal-Stereo-Audiosendungen, mit einem jeweiligen Nutzsignal pro Kanal, wobei für jedes von den Nutzsignalen übertragene Frequenzspektrum einer Signalquelle durch unterschiedliches zeitliches Auftreten und unterschiedliche Pegel in den unterschiedlichen Kanälen ein räumlicher Eindruck bzw. eine Ortsinformation für die entsprechende Signalquelle erzeugt wird. Hierbei wird während des Empfangs der Mehrkanal-Audiosendung in Zeitabschnitten, in denen der Empfang derart gestört ist, dass eine direkte Mehrkanalwiedergabe nicht mehr möglich ist, die Ortsinformation aus den Nutzsignalen extrahiert und mit dieser aktuellen Ortsinformation aus einem die Nutzsignale aller Kanäle enthaltenden Monosignal ein künstlicher Raumklang durch Verteilen verschiedener Frequenzbänder auf der Kanalzahl der Mehrkanal-Audiosendung entsprechende Kanäle mit jeweils unterschiedlicher zeitlicher Verzögerung und/oder unterschiedlicher Dämpfung der Pegel in den verschiedenen Kanälen erzeugt. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dekodieren von Mehrkanal-Audiosendungen, insbesondere von Zweikanal-Stereo-Audiosendungen, mit einem jeweiligen Nutzsignal pro Kanal, wobei für jedes von den Nutzsignalen übertragene Frequenzspektrum einer Signalquelle durch unterschiedliches zeitliches Auftreten und unterschiedliche Pegel in den unterschiedlichen Kanälen ein räumlicher Eindruck bzw. eine Ortsinformation für die entsprechende Signalquelle erzeugt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Funkempfänger für mehrkanalige Audiosignale, z.B. Stereosendungen, sollen bei unterschiedlichsten Signalpegeln, bei Pegelschwankungen des hochfrequenten Trägersignals und bei Funkstörungen das niederfrequente (Audio-) Ursprungssignal möglichst wirklichkeitsgetreu wiedergeben. Darunter versteht sich auch die räumliche Anordnung der verschiedenen wiedergegebenen Tonquellen. Diese räumliche Anordnung wird nachfolgend auch als Ortsinformation bezeichnet. Bei einer Mehrkanal-Audiosendung, insbesondere Zweikanal-Stereo-Audiosendung, ist dazu einen jeweiliges Nutzsignal pro Kanal vorgesehen, wobei für jedes von den Nutzsignalen übertragene Frequenzspektrum einer Signalquelle durch unterschiedliches zeitliches Auftreten und unterschiedliche Pegel in den unterschiedlichen Kanälen ein räumlicher Eindruck bzw. eine Ortsinformation für die entsprechende Signalquelle erzeugt wird. Bei einigen Empfangssituationen verschlechtert sich die Audioqualität eines Mehrkanalsignals, z.B. bei niedrigen Nutzsignalpegeln und bei Schwund bzw. Mehrwegeempfang. Um in diesen Situationen eine akzeptable Klangqualität weiterhin bereitstellen zu können, wird zur Abhilfe in herkömmlichen Empfängern die Kanaltrennung reduziert, bis hin zum Einkanal-(Mono-)Betrieb. Dies erweckt beim Hörer den Eindruck, alle zuvor im Raum verteilten Signalquellen werden an einem Punkt zusammengerückt. Eine solche Veränderung des ursprünglichen Signals wird bisher als am wenigsten störende Maßnahme bei schwierigen Empfangssituationen akzeptiert.
Die oben beschriebene Strategie ist besonders dann erfolgversprechend, wenn das gewonnene Einkanalsignal aufgrund des verwendeten Modulationsverfahrens eine geringere Anfälligkeit gegenüber den genannten Störeinflüssen aufweist. Dies ist insbesondere beim weit verbreiteten frequenzmodulierten UKW-Rundfunk (Multplexsignal nach dem Pilottonverfahren) der Fall. Hierbei wird die Monoinformation in den niederfrequenten, systembedingt weniger beeinträchtigten Anteilen des Nutzsignals übertragen.
Weiterhin sind Verfahren bekannt, um ein Monosignal so zu bearbeiten, dass der Eindruck einer räumlichen Verteilung der Signalquellen entsteht. Dazu wird das Monosignal in mehrere Frequenzbereiche zerlegt. Diese Bereiche werden unterschiedlich stark und/oder mit unterschiedlicher Verzögerung auf verschiedene Audio-Signalpfade verteilt (+ Hall oder andere bekannte Maßnahmen zur Erzeugung eines künstlichen Raumklang-Effekts). Je aufwendiger diese Bearbeitung erfolgt, desto mehr und engere Frequenzsegmente können unterschieden werden. Immer weitergehende Aufspaltungen führen dabei letztlich zu kontinuierlichen Funktionen für Dämpfung-über-Frequenz und Verzögerung-über-Frequenz, jeweils eine eigene Funktion für jeden Signalpfad. Bei diskreten Frequenzbereichen kann deren Breite unterschiedlich groß gewählt werden, angepasst an die Stereoempfindlichkeit des menschlichen Ohrs bei verschiedenen Frequenzen (z.B. keine Kanaltrennung bei Bässen, enge Segmente bei ca. 1kHz, große Segmente bei hohen Frequenzen).
Herkömmliche Stereodekoder sind verhältnismäßig einfach und damit preiswert aufgebaut. Das bisher bei Stereoempfängern mit derartigen Stereodekodern verwendete Verfahren mit Mono-Stereo-Blend basiert, wie zuvor bereits erläutert, einzig auf der Steuerung der Kanaltrennung . Bei auftretenden Störungen wird sehr früh auf Einkanalbetrieb umgeblendet, wodurch eine ggf. noch vorhandene Ortsinformation nicht mehr wiedergegeben wird. Die bekannten einfachen Stereodekoder haben bei verrauschten Stereosignalen somit nur die Wahl, die Ortsinformation ganz oder teilweise zu verwerfen.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und einen verbesserten Empfänger der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, welches die obengenannten Nachteile deutlich reduziert.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch einen Empfänger der o.g. Art mit den in Anspruch 12 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass während des Empfangs der Mehrkanal-Audiosendung in Zeitabschnitten, in denen der Empfang derart gestört ist, dass eine direkte Mehrkanalwiedergabe nicht mehr möglich ist, die Ortsinformation aus den Nutzsignalen extrahiert wird und mit dieser aktuellen Ortsinformation aus einem die Nutzsignale aller Kanäle enthaltenden Monosignal ein künstlicher Raumklang durch Verteilen verschiedener Frequenzbänder auf die der Kanalzahl der Mehrkanal-Audiosendung entsprechende Kanäle mit jeweils unterschiedlicher zeitlicher Verzögerung und/oder unterschiedlicher Dämpfung der Pegel in den verschiedenen Kanälen erzeugt wird.
Dies hat den Vorteil, dass, obwohl ein Mehrkanaldekoder nach dem Stand der Technik keine Mehrkanaldekodierung mit akzeptabler Qualität mehr vornehmen kann, die in den gestörten Nutzsignalen nach wie vor vorhandene Ortsinformation extrahiert wird und eine Wiedergabe mit einem entsprechenden "künstlichen" Raumklang erfolgt, wobei dieser "künstlich" erzeugte Raumklang im Wesentlichen dem originalen Raumklang entspricht.
Vorzugsweise Weitergestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 11 beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden spektrale Verteilungen der Nutzsignale der verschiedenen Kanäle und/oder Laufzeitunterschiede bzw. Zeitdifferenzen von jeweils zwei oder mehr verschiedenen Spektralanteilen im jeweiligen Nutzsignal verschiedener Kanäle miteinander verglichen. Aus dem Vergleich werden für jeden Kanal für wenigstens zwei oder mehr verschiedene Spektralanteile Parameter für eine Signaldämpfung und/oder eine Signalverzögerung derart bestimmt und die entsprechenden Spektralanteile aus einem die Nutzsignale aller Kanäle enthaltenden Einkanalsignal gemäß den bestimmten Parameter verzögert und/oder gedämpft auf der Kanalzahl der Mehrkanal-Audiosendung entsprechende Kanäle derart verteilt, dass für einen Zuhörer für die entsprechenden Spektralanteile ein räumlicher Klangeindruck erzeugt wird, welcher im Wesentlichen einem räumlichen Klangeindruck der direkt wiedergegebenen Audiosignale der Kanäle entspricht. Dies hat den Vorteil, dass während einer Empfangsstörung nicht auf Einkanalbetrieb geschaltet werden muss und somit nicht der Eindruck entsteht, die Signalquellen würden in der Raummitte zusammenfallen. Die Verfälschung durch den signalabhängig geformten künstlichen Raumklang erscheint dem Hörer weniger störend, als eine Verfälschung durch Monobetrieb. Kurze Störungen werden vom Hörer gar nicht mehr wahrgenommen. Man kann mit kürzeren Zeitkonstanten bzw. -verzögerungen zum Mehrkanalbetrieb zurückkehren, da ein Pulsiereffekt (bei periodischen Störungen scheint die Signalquelle schnell zwischen verschiedenen Orten zu springen) nicht oder in deutlich geringerem Maß auftritt.
Ein unerwünschter Eindruck eines schnellen Ortswechsels einer im Audiosignal wiedergegebenen Signalquelle, wenn die Frequenzen dieser Signalquelle eine Bereichsgrenze zwischen benachbarten Spektralanteilen überschreiten, ist dadurch vermieden, dass die Parameter zur Dämpfung und/oder Verzögerung als stetige Funktion des Pegels/Laufzeitunterschiedes in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt werden.
Für eine digitale Signalverarbeitung ist es besonders geeignet, wenn der Spektralbereich in mehrere vorbestimmte Spektralanteile aufgeteilt wird, wobei Frequenzen eines Spektralanteiles bei der Bestimmung der Parameter unterschiedlich gewichtet berücksichtigt werden. Hierbei wird der störende Eindruck einer räumlich springenden Signalquelle zuverlässig dadurch vermieden, dass sich die vorbestimmten Spektralanteile in der Frequenz teilweise überlappen und die Frequenzen eines Spektralanteiles im Überlappungsbereich zu einem benachbarten Spektralanteil geringer gewichtet werden. Zweckmäßigerweise wird die Aufteilung der Spektralanteile in Abhängigkeit von der Analyse der Nutzsignale dynamisch verändert.
Um zu verhindern, dass kurzzeitige Ereignisse im Nutzsignal einen Raumklang unangemessen stark beeinflussen, werden einmal bestimmte Parameter über die Zeit mittels einer Gewichtungsfunktion ergänzt. Hierbei erfolgt beispielsweise als Gewichtungsfunktion eine Mitteilung über vorbestimmte Zeiträume oder eine Zusammenfassung eines vorbestimmten Zeitraumes unter stärkerer Berücksichtigung jüngerer bestimmter Parameter.
Um Rauschanteile im Nutzsignal von der Gestaltung eines künstlichen Raumklanges fern zu halten, werden bei der Bestimmung der Parameter nur solche Spektralanteile berücksichtigt, die einen vorbestimmten Pegel-Schwellwert oder eine frequenzabhängige Schwellwertfunktion überschreiten. Die innerhalb eines Spektralanteiles bzw. Frequenzbereiches vorhandenen Signalkomponenten beeinträchtigen dadurch eine Ortsbestimmung durch den Vergleich der Nutzsignale verschiedener Kanäle des dominanten Signals nicht mehr.
Eine gute Prognose über einen zukünftigen räumlichen Ort einer Signalquelle wird dadurch erzielt, dass für solche Spektralanteile, in denen eine Bestimmung der Parameter nicht möglich ist, diese aus benachbarten Spektralanteilen interpoliert, zuvor bestimmte Parameter ggf. gewichtet weiter verwendet, vorbestimmte Parameter oder Parameterfunktionen verwendet und/oder Zufallsparameter verwendet werden.
Ferner ist ein Empfänger der o.g. Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Analysebaugruppe, welche spektrale Verteilungen der Nutzsignale der verschiedenen Kanäle und/oder Laufzeitunterschiede bzw. Laufzeitdifferenzen von jeweils zwei oder mehr verschiedenen Spektralanteilen im jeweiligen Nutzsignal der verschiedenen Kanäle miteinander vergleicht, aus dem Vergleich für jeden Kanal für wenigstens zwei oder mehr verschiedene Spektralanteile Parameter für eine Signaldämpfung und/oder eine Signalverzögerung derart bestimmt, und eine Raumklangbaugruppe , welche die entsprechenden Spektralanteile aus einem die Nutzsignale aller Kanäle enthaltenden Einkanalsignal gemäß den bestimmten Parameter verzögert und/oder gedämpft auf der Kanalzahl der Mehrkanal-Audiosendung entsprechende Kanäle derart verteilt, dass ein Zuhörer für die entsprechenden Spektralanteile einen räumlichen Klangeindruck erhält, welcher im Wesentlichen einem räumlichen Klangeindruck der direkt wiedergegebenen Audiosignale der Kanäle entspricht.
Mit diesem Empfänger werden die bereits zuvor genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt.
Vorzugsweise Weitergestaltungen des Empfängers sind in den Ansprüchen 12 bis 17 beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Analysebaugruppe für jeden Kanal eine Filterbaugruppe auf, welche das jeweilige Nutzsignal oder Teile des Nutzsignals in mehrere, insbesondere vier Spektralanteile zerlegt. Die Analysebaugruppe weist für jeden auszuwertenden Spektralanteil einen Pegeldetektor sowie eine der Anzahl dieser Spektralanteile entsprechende Anzahl von Pegelvergleichern auf, wobei jeder Pegelvergleicher die Pegel eines zugeordneten Spektralanteils in mehreren, gegebenenfalls allen Kanälen vergleicht. Jedem Pegelvergleicher ist eine Signalumformerstufe nachgeschaltet, welche aus dem Resultat des Vergleichs im Pegelvergleicher für jeden Kanal des künstlichen Raumklanges den Parameter für Signaldämpfung und/oder den Parameter für Signalverzögerung bestimmt. Die Raumklangbaugruppe weist eine Filterbaugruppe auf, welche ein die Nutzsignale aller Kanäle enthaltendes Mono-Signal in mehrere, insbesondere fünf, Spektralanteile zerlegt, wobei für mindestens einen Spektralanteil eine der Anzahl der zu verarbeitenden Kanläle entsprechende Anzahl von Abschwächerbaugruppen und/oder Verzögerungsstufen vorgesehen ist, wobei Abschwächerbaugruppen und/oder Verzögerungsstufen ein gemäß den für diesen Kanal und diesen Spektralanteil von der Analysebaugruppe bereitgestellten Parametern verzögerts und/oder gedämpftes Ausgangssignal erzeugen. Für jeden Kanal des künstlichen Raumklangs vereinigt je ein Addierer die so gewonnen spektralen Teilsignale.
Ein Zeitversatz zwischen dem gerade analysieren Segment des Mehrkanal-Nutzsignals und dem mit diesen Daten manipulierten Segment des Monosignals hat den Vorteil, dass eine erst im Verlauf des Signalsegments deutlich hervortretende Rauminformation auch schon auf die Gestaltung des Raumklangs zu Beginn dieses Signalsegments wirken kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in
Fig. 1
eine graphische Darstellung der Kanaltrennung in Abhängigkeit von der Empfangsqualität eines empfangenen Signals für verschiedene Dekodierverfahren,
Fig. 2
eine graphische Darstellung der Zeitauflösung in Abhängigkeit von der Empfangsqualität eines empfangenen Signals für verschiedene Dekodierverfahren,
Fig. 3
eine graphische Darstellung der Frequenzauflösung in Abhängigkeit von der Empfangsqualität eines empfangenen Signals für verschiedene Dekodierverfahren,
Fig. 4
eine graphische Darstellung der Reproduktion der aktuellen Ortsinformation bzw. des Raumklangs in Abhängigkeit von der Empfangsqualität eines empfangenen Signals für verschiedene Dekodierverfahren,
Fig. 5
ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Empfängers,
Fig. 6
ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Analysebaugruppe des erfindungsgemäßen Empfängers von Fig. 1,
Fig. 7
ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Raumklangbaugruppe des erfindungsgemäβen Empfängers von Fig. 1 und
Fig. 8
verschiedene spektrale Gewichtungsfunktonen.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden während des Empfangs von Mehrkanalaussendungen Nutzsignale verschiedener Kanäle des Mehrkanal-Audiosignals hinsichtlich ihrer spektralen Verteilung analysiert. Durch Vergleich der Analysen verschiedener Kanäle wird ermittelt, welche Spektralkomponenten an welcher Stelle im Raum ihren Ursprung haben. Diese erfindungsgemäß ermittelten Daten zur Beschreibung des Ursprungssignals werden nachfolgend als "Ortsinformationen" bezeichnet. Während gestörter Empfangszeiten wird auf einen künstlichen Raumklang umgeschaltet bzw. umgeblendet, der anhand der aktuell aus dem gestörten Merkanal-Signal ermittelten Ortsinformationen gestaltet wird, also die Spektralanteile des Monosignals so auf die verschiedenen Kanäle verteilt, so dass der Eindruck entsteht, die Spektralanteile hätten weiterhin ihren Ursprung am hierfür ermittelten Ort. Nach dem Ende der Störung wird auf Mehrkanalbetrieb zurückgeschaltet bzw. -geblendet. Die Kenngrößen, wie z.B. Eckfrequenzen von Teilfrequenzbändern, und Steuersignale zur Gestaltung des künstlichen Raumklanges werden nachfolgend als "Raumklang-Parameter" bezeichnet. Je nach technischer Realisierung können Raumklang-Parameter identisch sein mit den Ortsinformationen. Die Ortsinformationen und/oder Raumklang-Parameter fassen Daten zu Einzelfrequenzen oder die Signalanteile in Frequenzbereichen zusammen. Die Erfassung der Ortsinformationen erfolgt zu bestimmten Zeitpunkten oder für bestimmte Zeitintervalle.
Die Ermittlung der Ortsinformationen des Mehrkanalsignals und/oder die Raumklang-Parameter zur Gestaltung des Raumklangs werden beispielsweise als kontinuierliche Funktionen des Pegels in Abhängigkeit der Frequenz realisiert. Eine kontinuierliche Funktion des Pegels in Abhängigkeit von der Frequenz verhindert den Eindruck eines schnellen Ortswechsels einer Signalquelle, wenn die Frequenz der Quelle eine Bereichsgrenze überschreitet.
Die Frequenzen eines gemeinsam bearbeiteten Bereichs fließen optional mit unterschiedlicher Gewichtung in die Berechnungen ein (frequenzabhängige Bewertungsfunktion). Die Gewichtung kann bei den Ortsinformationen anders gewählt werden, als für die Raumklang-Parameter. Es werden Teile des Spektrums untersucht bzw. bearbeitet, die fest abgegrenzt sind oder sich teilweise überschneiden. Bei dieser für digitale Signalbearbeitung besser geeigneten Aufteilung in Frequenzbereiche werden benachbarte Frequenzen mit geringerer Gewichtung erfasst, so dass auch hier der störende Eindruck einer springenden Signalquelle zuverlässig vermieden wird.
Zusätzlich zur bzw. an Stelle der Analyse von Signalpegeln wird die Zeitdifferenz der Spektralanteile (Laufzeitunterschiede) in den verschiedenen Kanälen nach den oben beschriebenen Verfahren in die Ortsinformationen übernommen. Bei verschiedenen Nutzsignalen (z.B. rhythmusbetonter Popmusik) liefert die Zeitdifferenz zwischen den Kanälen eine zuverlässigere Aussage über den Ort der Signalentstehung und eignet sich daher besser als Ausgangsinformation für die Nachbildung des künstlichen Raumklangs.
Einmal erfasste Ortsinformationen werden alternativ nicht durch die nächste Messung ersetzt, sondern über eine Gewichtungsfunktion ergänzt, z.B. über längere Zeiträume gemittelt oder unter stärkerer Berücksichtigung der jüngeren Messungen zusammengefasst. Somit kann die Erfassung der Ortsinformationen auch kontinuierlich erfolgen. Mit einer Gewichtungsfunktion kann man verhindern, dass kurzzeitige Ereignisse im Nutzsignal den Raumklang unangemessen stark beeinflussen
Bei der Ermittlung der Ortsinformationen werden optional nur solche Spektralanteile berücksichtigt, die einen bestimmten Pegel-Schwellwert bzw. eine frequenzabhängige Schwellwertfunktion überschreiten. Rauschanteile im Nutzsignal werden damit von der Gestaltung des künstlichen Raumklangs ferngehalten. Die innerhalb eines Frequenzbereiches vorhandenen kleinen Signalkomponenten beeinträchtigen ferner nicht mehr die Ortsbestimmung des dominanten Signals.
Für Frequenzbereiche, deren Analyse keine ausreichende Information über den Ort des Signalursprungs liefert, werden die benötigten Ortsinformationen bzw. Raumklang-Parameter aus benachbarten Frequenzbereichen interpoliert, früher ermittelte Werte weiter verwendet (ggf. gewichtet), vordefinierte Werte oder Funktionen genutzt (z.B. diese Lücken als Mono behandelt, also auf alle Kanäle gleich verteilt) und/oder (ggf. teilweise) durch Zufallsparameter ersetzt. Die Weiterverwendung der zuletzt aus brauchbaren Signalanteilen ermittelten Parameter sowie die Interpolation aus benachbarten Frequenzbereichen ermöglichen eine oftmals gute Prognose über den zukünftigen Ort der Signalquelle.
Die Aufteilung in Frequenzbereiche (z.B. Bereichsgrenzen), die Bewertungsfunktionen und/oder Schwellwertfunktionen sind beispielsweise variabel ausgelegt, insbesondere werden sie anhand der Analyse des Nutzsignals dynamisch verändert. Dieses Verfahren ermöglicht es, individuelle spektrale Schwerpunkte des Nutzsignals als Ganzes zu bearbeiten, es verhindert die Aufspaltung und räumliche Trennung solcher Bereiche. Darüber hinaus kann die Nutzsignalanalyse bei leisen Passagen kleinere Signalamplituden erfassen. Das Zeitverhalten kann besser an die Charakteristik der aktuellen Störsituation, z.B. Frequenz der Fading-Einbrüche angepasst werden. Bei Störungen im Einkanal-Nutzsignal, z.B. Rauschen, kann individuell reagiert werden, z.B. Reduzierung der Signalpegel und/oder der Kanaltrennung im Bereich hoher Frequenzen, damit die Rauschkomponenten nicht in dem gerade für die Höhenwiedergabe genutzten Kanal besonders stark hörbar werden.
Auch bei guten Empfangssignalen wird optional vorübergehend oder permanent der künstliche Raumklang beibehalten. In diesen Zeiträumen wird zeitlich überlappend und/oder abwechselnd die Ermittlung der Ortsinformationen und Raumklang-Parameter sowie die Erzeugung des Raumklangs durchgeführt. Es entfallen hierbei die Wechsel von Mehrkanalbetrieb zu Raumklang und zurück, bzw. ihre Zahl wird reduziert. Es entsteht ein harmonischer Raum- und Klangeindruck.
Allen Varianten ist gemeinsam, dass die Verzerrungskomponenten eines gestörten Signals nicht mehr die Signalamplitude beeinflussen und damit den Störabstand reduzieren, sondern es leidet nur noch die Ortsinformation bei schlechter werdendem Signal. Ein vollständiges Mehrkanal-Audiosignal enthält zu jedem Zeitpunkt bzw. kleinsten Zeitintervall und für jede einzelne Frequenz eine Information über den Ort der Signalentstehung bzw. über eine räumliche Anordnung verschiedener Signalquellen bzgl. eines Aufnahmemikrofons und damit bezüglich des Zuhörers. Das menschliche Ohr ist nicht in der Lage, diese Fülle an Informationen vollständig auszuwerten. Schnelle Wechsel von einem Kanal zu einem anderen kommen üblicherweise nicht vor und würden im übrigen in der vollen Geschwindigkeit vom Ohr nicht erfasst. Wenn nun das Mehrkanal-Audiosignal, beispielsweise durch Rauschanteile bei schwächer werdendem Signal, an Information verliert, so bleibt dennoch für lange Zeit genug Restinformation übrig, um für das Ohr einen akzeptablen Raumeindruck bereitzustellen. Die Erfindung nutzt diese Restinformation um künstlich einen Raumklang wieder herzustellen.
Erfindungsgemäß wird auch während einer Störung immer noch Information aus dem gestörten Signal gewonnen, um den "künstlichen" Raumklang-Effekt gemäß der aktuell übertragenen Ortsinformation zu gestalten. Bei kritischen Empfangssituationen gelangt nur das Monosignal zu den Lautsprechern, welches einem künstlichen Raumklang unterworfen ist. Es erfolgt eine Erfassung der auch im gestörten Signal noch vorhandenen Ortsinformationen auch in den Zeiten, in denen das Signal so stark gestört ist, dass es sich nicht mehr zur Mehrkanalwiedergabe eignet, aber wiederum noch nicht so stark gestört ist, als dass auch die Ortsinformation in hohem Maße verzerrt worden wäre. Somit werden die Informationen zur Gestaltung des künstlichen Raumklang-Effekts aus dem weiterhin verfügbaren, wenn auch qualitativ schlechten Mehrkanal-Audiosignal gewonnen.
In Zeiträumen besonders schlechten Empfangs sind die nach diesem Verfahren ermittelbaren Reste der Rauminformation nicht ausreichend,um einen künstlichen Raumklang zu gestalten. In diesen Zeiten wird die Erfassung der Rauminformation vorübergehend unterbrochen und mit den zuletzt ermittelten Werten weitergearbeitet oder eine Umblendung auf Mono-Betrieb durchgeführt.
Zweckmäßigerweise erfolgt bei ausreichender Empfangsqualität eine Mittelung der Messungen über längere Zeiten oder über Frequenzbereiche, um die Rauschanteile im gestörten Signal zu eliminieren. Diesen Zusammenhang zeigen graphisch die Fig. 1 bis 4.
In den Fig. 1 bis 4 ist jeweils auf der horizontalen Achse 10 eine Empfangsqualität einer Mehrkanal-Audiosendung auf eins normiert aufgetragen. Bei "1" ist die Empfangsqualität optimal, wogegen in Richtung auf den Ursprung des Koordinatensystems zu die Empfangsqualität immer stärker nachlässt, bis bei "0" kein Empfang mehr zu verzeichnen ist. Auf der jeweiligen vertikalen Achse 12 ist eine Kanaltrennung (Fig. 1), eine Zeitauflösung (Fig. 2), eine Frequenzauflösung (Fig. 3) und eine Qualität der Reproduktion der aktuellen Ortsinformationen bzw. des Raumklanges jeweils auf eins normiert aufgetragen. Die gestrichelte Linie 14 zeigt die jeweilige Charakteristik eines herkömmlichen Dekoders mit Überblendung von Stereo zu Mono, wenn Signalstörungen auftreten (Mono-Stereo-Blend). Die gekreuzte, durchgezogene Linie 16 zeigt die jeweilige Charakteristik bei Verwendung der Ortsinformation vor dem Auftreten einer Störung und keiner weiteren Auswertung der Ortsinformation im Nutzsignal während der Störung. Die durchgezogene Linie 18 zeigt die jeweilige Charakteristik bei Extrahierung der Ortsinformation auch aus dem gestörten Signal, gemäß der Erfindung.
Die Ortsinformation bzw. die Ortsinformation kann in drei Parametern verzerrt sein, nämlich in der Kanaltrennung, der Zeitauflösung und der Frequenzauflösung. Die Kanaltrennung (Fig. 1) entspricht der räumlichen Trennung der Signalquellen. Die Zeitauflösung (Fig. 2) zeigt sich beispielsweise in der maximalen Geschwindigkeit, mit der eine Signalquelle ihren Ort ändert. Die Frequenzauflösung (Fig. 3) gibt an, in welchem Maß frequenzmäßig ähnliche Signalquellen an unterschiedlichen Orten lokalisiert werden können. Die Qualität der Reproduktion von Ortsinformationen (Fig. 4) ist vereinfacht ausgedrückt das Produkt der drei Parameter. In dieser Darstellung bleibt zunächst unberücksichtigt, dass das menschliche Gehör die Parameter sehr unterschiedlich wertet, und dies wiederum mit der Frequenz, dem Pegel und anderen Parametern des Signals variiert.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen für verschiedene Dekodierverfahren prinzipielle Zusammenhänge für die drei Parameter (Fig. 1 bis 3) und die Gesamtqualität der Reproduktion (Fig. 4) in Abhängigkeit von der Qualität des empfangenen Signals, welche auf der horizontalen Achse 10 in der zuvor beschriebenen Weise aufgetragen ist. Diese Qualität kann als Störabstand aufgetragen werden, bei anderen Störarten, wie beispielsweise Schwund oder Mehrwegeempfang könnte eine andere Skalierung sinnvoll sein. Herkömmliche Stereodekoder sind verhältnismäßig einfach und damit preiswert aufgebaut. Das bisher bei Stereoempfängern verwendete Verfahren mit Mono-Stereo-Blend basiert einzig auf der Steuerung der Kanaltrennung, (Linie 14). Bei auftretenden Störungen wird recht früh auf Einkanalbetrieb umgeblendet, die noch vorhandenen Ortsinformationen werden nicht mehr wiedergegeben.
Bei Weiterverwendung vorheriger Ortsinformationen vor der Störung (Linie 16) ist bereits bei leicht gestörten Signalen die Zeitauflösung auf null reduziert (Fig. 2), so dass zwar ein Raumeindruck beibehalten wird, dieser aber bei länger andauernden Störungen stark von der Original-Information abweichen kann. Die Empfangsstörung wird mit Scheininformationen überbrückt mit der Annahme, dass diese Scheininformation dem tatsächlichen Signal anfänglich sehr nahe kommt. Demgegenüber zeigt sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (Linie 18) auch noch bei starken Störungen ein guter räumlicher Klangeindruck (Fig. 4), der möglichst weitgehend das Originalsignal selbst abbildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt so weit wie möglich alle noch vorhandenen Informationen aus (Linie 18). Ein geeigneter Mix aus Zeit- und Frequenzmittelung orientiert sich am Auflösungsvermögen des menschlichen Gehörs und der Rechenleistung der Signalbearbeitungsbaugruppen. In der Regel wird die zeitliche Auflösung zunächst, wegen der Trägheit des Gehörs kaum hörbare Qualitätseinbußen bewirken. Die Zusammenfassung in Frequenzbänder bedingt jedoch bei einfachen Systemen erkennbare Verfälschungen der Ortsinformation (Pfeil 20, feine Auflösung bedarf großer Rechenleistungen). Bei nachlassendem Informationsgehalt muss man eine oder beide Auflösungen weiter reduzieren. Die Kanaltrennung wird erst zurückgenommen, wenn die im Signal verfügbare Restinformation nicht mehr für eine vertretbare Audioqualität ausreicht. Das Verfahren eignet sich besonders zur Dekodierung von schwachen, aber weitgehend stabilen Signalen, d.h. unterhalb des "Mono"-Pegels konventioneller Dekoder. Diesen Bereich des Zugewinns an Ortsinformation zeigt Pfeil 22.
Figur 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem Blockschaltbild eines FM-Stereo-Rundfunkempfängers als bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Empfänger. Eine Antenne 1010 empfängt Hochfrequenzsignale von Rundfunkstationen und leitet sie an eine Selektions- und Demodulationsbaugruppe 1020 weiter. In dieser Baugruppe 1020 wird das Signal einer Funkstation erfasst und der Modulationsinhalt extrahiert. Ein Ausgangssignal 1021 dieser Baugruppe 1020 ist das Summensignal beider Stereokanäle L+R (links plus rechts). Ein weiteres Ausgangssignal 1022 beinhaltet das Differenzsignal der beiden Kanäle L-R. Ein dritter Ausgang 1023 zeigt an, in welchem Maß der Signalempfang Störungen unterworfen ist, sei es durch eine zu geringe oder schnell schwankende Signalstärke, Mehrwegeempfang oder andere Ereignisse. Das Summensignal 1021 gelangt an eine Baugruppe 1100 zur Erzeugung eines künstlichen Raumklangs. Sowohl das Summensignal 1021, als auch das Differenzsignal 1022 werden einem Stereodekoder 1030 zugeführt, der daraus zwei Ausgangssignale 1031 mit dem rechten Kanal R und 1032 mit dem linken Kanal L erzeugt. Diese beiden Signale gelangen an eine Analysebaugruppe 1300 zur Ermittlung der Raumparameter. Die Baugruppe 1300 ist auch mit dem Signal 1023 verbunden. Die ermittelten Raumparameter für Signaldämpfung und Signalverzögerung werden über mehrere Leitungen 1301 und 1302 an die Raumklangbaugruppe 1100 weitergegeben. Dort dienen sie als Raumklang-Parameter zur wirklichkeitsnahen Nachbildung des Raumklangs.
Über zwei Signale 1101 und 1102 gelangen zwei künstlich aus dem Einkanal-Signal 1021 erzeugte Signale Rs (rechts synthetisch) und Ls (links synthetisch) an eine Überblendeinheit 1040. Auch die Signale 1031 und 1032 werden zur Überblendeinheit 1040 geführt. Das Signal 1023 zur Information über Empfangsstörungen wird ebenfalls zur Überblendeinheit 1040 weiter geleitet. In Abhängigkeit dieses Signals 1023 wird bei schlechter werdendem Empfang von den Signalen 1031 und 1032 auf die synthetischen Signale 1101 und 1102 umgeblendet. Zwei Signale 1041 und 1042 führen die Ausgänge der Überblendeinheit 1040 über zwei Verstärker 1051 und 1052 zu zwei Lautsprechern 1061 und 1062. Die Baugruppen 1030, 1100, 1300, 1040 und 1050 sind beispielhaft in einem digitalen Signalprozessor (DSP) 1500 zusammengefasst werden, wobei die beschriebenen Funktionen insbesondere als Software ausgebildet sind.
Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Raumklangbaugruppe 1100. Das Mono-Signal (L+R) 1021 wird in einer Filterbaugruppe 1110 in fünf spektrale Teilsignale 1111 bis 1115 zerlegt, wobei die höchsten Frequenzanteile über Signal 1111 abgegeben werden, die niederfrequentesten über Signal 1115. Das Signal 1111 gelangt an eine erste Abschwächerbaugruppe 1121, durchläuft danach eine erste Verzögerungsstufe 1131 und gelangt auf einen ersten Summierpunkt bzw. Addierer 1141. Ein zweiter Pfad führt das Signal 1111 über eine zweite Abschwächerbaugruppe 1122 und eine zweite Verzögerungsstufe 1132 zu einem zweiten Summierpunkt bzw. Addierer 1142. Auch die Signale 1112, 1113 und 1114 werden jeweils über zwei Pfade durch die Abschwächer 1123 bis 1128 und Verzögerungsstufen 1133 bis 1138 zu den Summierpunkten bzw. Addierer 1141 und 1142 geführt. Ausgangsleitungen 1143 und 1144 der beiden Summierpunkte 1141, 1142 bilden die Ausgänge des Blocks 1100 und führen somit zu den Signalen 1101 und 1102. Die Signaldämpfung in den Abschwächern 1121 bis 1128 und die Durchlaufzeit der Verzögerungsstufen 1131 bis 1138 werden über Signalbusse 1129 und 1139 gesteuert, die aus jeweils acht Leitungen bestehen, je eine Leitung pro anzusteuernder Baugruppe. Da der Mensch nicht in der Lage ist, den Ursprungsort von tiefen bzw. niederfrequenten Tönen zu erkennen, ist in diesem Frequenzbereich eine Signalaufteilung nicht erforderlich. Das Signal 1115 wird daher direkt an die beiden Summierpunkte bzw. Addierer 1141 und 1142 geleitet.
Figur 7 zeigt ein Ausführgungsbeispiel für die Analysebaugruppe 1300. Die aus dem Stereodekoder 1030 kommenden Signale 1031 und 1032 für den rechten und den linken Audiokanal werden in zwei Filterbaugruppen 1310 und 1320 in vier spektrale Teilsignale 1311 bis 1314 und 1321 bis 1324 zerlegt, wobei die niedrigsten, vom menschlichen Gehör nicht lokalisierbaren Frequenzen nicht berücksichtigt werden. Die Amplitude der Signalleitung 1311 mit den höchsten Frequenzanteilen des rechten Kanals wird mit einem Pegeldetektor 1331 ermittelt. Ein resultierendes Signal 1351 gelangt an einen Pegelvergleicher 1371. Hier wird es mit dem entsprechenden Pegel des linken Kanals verglichen, das über Signal 1321 und einen Detektor 1341 und Leitung 1361 ebenfalls an die Stufe 1371 gelangt ist. Eine Signalumformungsstufe 1381 erzeugt aus dem Resultat des Vergleichs vier Steuersignale 1401 bis 1404 zur Ansteuerung der Abschwächer 1123 bis 1128 und Verzögerungsstufen 1133 bis 1138 in der Raumklangbaugruppe 1100. Entsprechende Signale und Bearbeitungsstufen sind für die Signale der anderen drei Spektralanteile vorhanden.
Zur Analyse der in unterschiedlichen Kanälen übertragenen Signale werden alternativ keine Filter 1310/1320 für einzelne Frequenzbereiche verwendet, sondern man ermittelt je Kanal eine Funktion des Pegels über der Frequenz, daraus eine Auflistung eines Parametersatzes mit Kennfrequenzen und dazugehörigen Pegelwerten. Die Frequenzen dazwischen kann man beispielsweise durch Interpolation erhalten. Für jeden künstlich zu erzeugenden Kanal wird an Stelle der Baugruppe 1100 beispielsweise ein analoges mehrstufiges Filter, beispielsweise aus Operationsverstärkern, derart gesteuert, dass es das zugeleitete Monosignal entsprechend dieser Funktionen/Parameter umformt.
Bei der Filterung und Bestimmung der Parameter für Signaldämpfung und Signalverzögerung wird beispielsweise das Frequenzspektrum in verschiedene Teile aufgeteilt, welche gemäß der in Fig. 8 dargestellten verschiedenen Gewichtungsfunktionen gewichtet werden. Wie sich unmittelbar aus Fig. 8 ergibt, überschneiden sich einige Bereiche. ferner werden in manchen Bereichen Frequenzen in den Randbereichen weniger stark gewichtet als Frequenzen in der Mitte solcher Bereiche.
Alternativ werden die Pegel in den Frequenzteilsegmenten über einen längeren Zeitraum gemessen und diese Verläufe beispielsweise in einem Ringpuffer gespeichert und einer Korrelationsstufe zugeführt. Diese Stufe ermittelt durch verschiedene zeitliche Verschiebungen und anschließenden Vergleich der Kanäle, für welche Zeitverschiebung eine ausgeprägte Übereinstimmung nachweisbar ist. Diese Zeitdifferenz wird als Information über den Ursprungsort des Signals verwendet. Der zuvor beschriebene einfache Pegelvergleich kann dabei weiterhin erfolgen, wobei eine nachfolgende Stufe entscheidet, welche der beiden Lokalisierungsstrategien in diesem Fall eine bessere Information (glaubwürdiger, ausgeprägter, konstanter oder anderes Kriterium) ergibt und weiterverarbeitet wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung zur Mittelung und Gewichtung der gewonennen Ortsinformation ist in der in Baugruppe 1371 und entsprechenden Baugruppen en Tiefpass vorgesehen.
Die in den Stufen 1310 und 1320 erzeugten Frequenzbereiche (z.B. Signal 1311) werden alternativ in viel feinere Frequenzteilspektren aufgespalten. Alle Teilspektren mit geringen Signalpegeln werden verworfen, die restlichen Teile wieder zu Signalen addiert, die denen nach der ersten Frequenzaufteilung (also z.B. 1311) entsprechen.
Wenn eine Lücke im Orts-Signal auftritt, also für diesen Spektralteil in allen Kanälen vorübergehend kein ausreichender Pegel vorliegt, wird die im DSP digital berechnete Tiefpassfunktion für diese Messung angehalten. Bei einer Realisierung in digitaler Hardware werden beispielsweise die verschiedenen Messungen in ein Schieberegister geschrieben. Jede neue Messung erzeugt ein Taktsignal und schiebt bei der Übertragung die älteste aus dem Register. Eine gewichtete Addition aller Registerkomponenten ergibt den Raumklang-Parameter. Für die Dauer einer Lücke im Orts-Signal wird der Takt zum Schieberegister unterbrochen. Alternativ werden zunächst alle Frequenzbereiche mit ausreichenden Informationen berechnet und danach die Lücken in anderen Frequenzbereichen linear aus den Nachbarbereichen interpoliert.
Die Pegel in den Frequenzteilsegmenten werden in einer alternativen Ausführungsform über einen längeren Zeitraum gemessen und diese Verläufe in einem Ringpuffer gespeichert. Zu Beginn einer Störung wird aus dieser Aufzeichnung des Pegelverlaufs ein Signalanstieg bzw. -abfall berechnet, der für die Dauer der Störung weiter in die Raumklang-Parameter eingearbeitet wird.
In einer Weiterführung der Erfindung werden die höchsten Spitzen im Frequenzspektrum ermittelt. Diese werden als Mittenfrequenzen der Filter 1110 zur Spektralaufteilung verwendet.
Das Signal 1023 am Eingang der Baugruppe 1040 wird alternativ nur in der Schaltrichtung von Stereo zum Raumklang sofort durchgeschaltet. Bei der Rückblendung vom Raumklang zum Stereo hingegen über einen Tiefpass geführt, so dass hierbei eine Verzögerung entsteht und somit für begrenzte Dauer auch zu Zeiten guten Empfangs noch der künstliche Raumklang aktiviert bleibt.
Am das Signal 1021 führenden Eingang der Raumklangbaugruppe 1100 kann ein Verzögerungselement hinzugefügt werden, z.B. in Form eines digitalen FIFO-Speichers. Hierdurch wird zwar die gerade an der Antenne 1010 eintreffende Signalsequenz in der Analysebaugruppe 1300 bearbeitet, die Ergebnisse der Analyse wirken aber auf ein Signalsegment, das bereits früher empfangen wurde, entsprechend dem Versatz durch die Zeitverzögerung. Eine erst im Verlauf der Analyse klar herausgearbeitete Ortsinformation kann so auf die gesamte Signalsequenz von Beginn an wirken. Um den Zeitversatz beim Umblenden vom künstlichen Raumklang auf die Wiedergabe der Originalsignale zu kompensieren, sind auch die beiden Eingänge der Umblendeinheit 1040, die die Signale 1031 und 1031 führen, mit Verzögerungsstufen gleichen Zeitverhaltens auszustatten.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Dekodieren von Mehrkanal-Audiosendungen, insbesondere von Zweikanal-Stereo-Audiosendungen, mit einem jeweiligen Nutzsignal pro Kanal, wobei für jedes von den Nutzsignalen übertragene Frequenzspektrum einer Signalquelle durch unterschiedliches zeitliches auftreten und unterschiedliche Pegel in den unterschiedlichen Kanälen ein räumlicher Eindruck bzw. eine Ortsinformation für die entsprechende Signalquelle erzeugt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    während des Empfangs der Mehrkanal-Audiosendung wenigstens in Zeitabschnitten, in denen der Empfang derart gestört ist, dass eine direkte Mehrkanalwiedergabe nicht mehr möglich ist, die Ortsinformation aus den Nutzsignalen extrahiert wird und mit dieser aktuellen Ortsinformation aus einem die Nutzsignale aller Kanäle enthaltenden Monosignal ein künstlicher Raumklang durch Verteilen verschiedener Frequenzbänder auf der Kanalzahl der Mehrkanal-Audiosendung entsprechende Kanäle mit jeweils unterschiedlicher zeitlicher Verzögerung und/oder unterschiedlicher Dämpfung der Pegel in den verschiedenen Kanälen erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    spektrale Verteilungen der Nutzsignale der verschiedenen Kanäle und/oder Laufzeitunterschiede bzw. Zeitdifferenzen von jeweils zwei oder mehr verschiedenen Spektralanteilen im jeweiligen Nutzsignal verschiedener Kanäle miteinander verglichen werden, aus dem Vergleich für jeden Kanal für wenigstens zwei oder mehr verschiedene Spektralanteile Parameter für eine Signaldämpfung und/oder eine Signalverzögerung derart bestimmt und die entsprechenden Spektralanteile aus einem alle Nutzsignal der Kanäle enthaltenden Einkanalsignal gemäß den bestimmten Parameter verzögert und/oder gedämpft auf der Kanalzahl der Mehrkanal-Audiosendung entsprechende Kanäle derart verteilt werden, dass für einen Zuhörer für die entsprechenden Spektralanteile ein räumlicher Klangeindruck erzeugt wird, welcher im Wesentlichen einem räumlichen Klangeindruck der direkt wiedergegebenen Audiosignale der Kanäle entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Parameter zur Dämpfung und/oder Verzögerung als stetige Funktion des Pegels und/oder Laufzeitunterschiedes in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Spektralbereich in mehrere vorbestimmte Spektralanteile aufgeteilt wird, wobei verschiedene Frequenzen oder Frequenzbereiche eines Spektralanteiles bei der Bestimmung der Parameter unterschiedlich gewichtet berücksichtigt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Aufteilung der Spektralanteile in Abhängigkeit von der Analyse der Nutzsignale dynamisch verändert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich die vorbestimmten Spektralanteile in der Frequenz teilweise überlappen und die Frequenzen eines Spektralanteiles im Überlappungsbereich zu einem benachbarten Spektralanteil geringer gewichtet werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    einmal bestimmte Parameter über die Zeit mittels einer Gewichtungsfunktion ergänzt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Gewichtungsfunktion eine Mittelung über vorbestimmte Zeiträume oder eine Zusammenfassung eines vorbestimmten Zeitraumes unter stärkerer Berücksichtigung jüngerer bestimmter Parameter erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    bei der Bestimmung der Parameter nur solche Spektralanteile berücksichtigt werden, die einen vorbestimmten Pegel-Schwellwert oder eine frequenzabhängige Schwellwertfunktion überschreiten.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für solche Spektralanteile, in denen eine Bestimmung der Parameter nicht möglich ist, diese aus benachbarten Spektralanteilen interpoliert, zuvor bestimmte Parameter ggf. gewichtet weiter verwendet, vorbestimmte Parameter oder Parameterfunktionen verwendet und/oder Zufallsparameter verwendet werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    durch Verzögerung der Signalwidergabe ein Zeitversatz zwischen dem analysierten Zeitsegment des Mehrkanal-Nutzsignals und dem mit diesen Daten maipulierten Segment des Monosignals erzielt wird.
  12. Empfänger (100) für Mehrkanal-Audiosendungen mit einem Mehrkanaldekoder, welcher mehrere Nutzsignale verschiedener Kanäle getrennt abgibt,
    gekennzeichnet durch
    eine Analysebaugruppe (1300), welche spektrale Verteilungen der Nutzsignale der verschiedenen Kanäle und/oder Laufzeitunterschiede bzw. Laufzeitdifferenzen von jeweils zwei oder mehr verschiedenen Spektralanteilen im jeweiligen Nutzsignal der verschiedenen Kanäle miteinander vergleicht, aus dem Vergleich für jeden Kanal für wenigstens zwei oder mehr verschiedene Spektralanteile Parameter für eine Signaldämpfung und/oder eine Signalverzögerung derart bestimmt, und
    eine Raumklangbaugruppe (1100), welche die entsprechenden Spektralanteile aus einem die Nutzsignale aller Kanäle enthaltenden Einkanalsignal gemäß den bestimmten Parameter verzögert und/oder gedämpft auf der Kanalzahl der Mehrkanal-Audiosendung entsprechende Kanäle derart verteilt,
    dass ein Zuhörer für die entsprechenden Spektralanteile einen räumlichen Klangeindruck erhält, welcher im Wesentlichen einem räumliche Klangeindruck der direkt wiedergegebenen Audiosignale der Kanäle entspricht.
  13. Empfänger (100) nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    er für jeden Kanal (1031, 1032) eine Filterbaugruppe (1310, 1320) aufweist, welche das jeweilige Nutzsignal in mehrere, insbesondere vier, Spektralanteile (1311 bis 1314, 1321 bis 1324) zerlegt.
  14. Empfänger (100) nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Analysebaugruppe (1300) für jeden Spektralanteil einen Pegeldetektor (1331, 1341) aufweist.
  15. Empfänger (100) nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Analysebaugruppe (1300) eine der Anzahl der Spektralanteile entsprechende Anzahl von Pegelvergleichern (1371) aufweist, wobei ein Pegelvergleicher die Pegel eines zugeordneten Spektralanteils in mindestens zwei Kanälen vergleicht.
  16. Empfänger (100) nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jedem Pegelvergleicher (1371) eine Signalumformerstufe (1381) nachgeschaltet ist, welche aus dem Resultat des Vergleichs im Pegelvergleicher (1371) für jeden Kanal den Parameter für Signaldämpfung und/oder den Parameter für die Signalverzögerung bestimmt.
  17. Empfänger (100) nach Anspruch 15 oder 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Raumklangbaugruppe (1100) eine Filterbaugruppe (1110) aufweist, welche ein die Nutzsignale aller Kanäle enthaltendes Mono-Signal (1021) in mehrere, insbesondere fünf, Spektralanteile (1111 bis 1115) zerlegt, wobei für mindestens einen Spektralanteil eine der Anzahl der Kanäle entsprechende Anzahl von Abschwächerbaugruppen (1121 bis 1128) und/oder Verzögerungsstufen (1131 bis 1138) vorgesehen ist, wobei Abschwächerbaugruppen (1121 bis 1128) und Verzögerungsstufen (1131 bis 1138) ein gemäß den für diesen Kanal und diesen Spektralanteil bestimmten Parametern für Signalverzögerung und/oder Signaldämpfung verzögertes und/oder gedämpftes Ausgangssignal erzeugt, wobei ein für jeden Kanal nachgeschalteter Addierer (1141, 1142) alle Ausgangssignale verschiedener Spektralanteile eines Kanals zusammen addiert
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