DE19632734A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Generieren eines Mehrton-Signals aus einem Mono-Signal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Generieren eines Mehrton-Signals aus einem Mono-Signal.

Stand der Technik

Die Reproduktion von Mono-Audiosignalen führt zu einem unan­ genehmen Klangbild wegen des Mangels an Räumlichkeit. Des­ halb ist es wünschenswert, ein Zweikanal-Signal (virtuelles, künstliches, Pseudo- oder Quasi-Stereo) aus dem einkanaligen Eingangssignal (mono) elektrisch zu erzeugen. Die bekannten Verfahren können als Single-Band-Verfahren bezeichnet wer­ den. Eine Übersicht zu bekannten Verfahren ist in J. Blau­ ert, "Räumliches Hören", Hirtzel Verlag, Stuttgart, 1974, wiedergegeben:

• - LP/HP Filterung (DE-A-9 73 570): Das Mono-Eingangssignal wird durch ein Tiefpaß- und ein Hochpaßfilter aufgespalten. Die entsprechend gefilterten Signale bilden das linke und rechte Ausgangssignal des Pseudo-Stereosystems. Diese spek­ trale Separation durch eine Filterung resultiert aber in ei­ ner ungenügenden räumlichen Darstellung;
• - Aus M.R. Schröder, "An artificial steroephonic effect ob­ tained from a single audio signal", Japanese Audio Engi­ neering society, Volume 6, Seiten 74-79, 1958, ist es be­ kannt, Nachhall zu benutzen. Das Monosignal wird in einem Hallraum verhallt. Es werden zwei Mikrophone verwendet, um aus diesem Hallraum partiell korrelierte Signale aufzuneh­ men, die dann die Ausgangssignale bilden. Der Nachteil ist, daß ein Nachhall-Raum erforderlich ist. Ein anderes Ausfüh­ rungsbeispiel dieser Version ist es, einen elektronischen Nachhall zu verwenden, um zwei unkorrelierte Ausgangssignale zu erzeugen. Wie im ersten Beispiel ist die Komplexität die­ ser Einrichtung hoch;
• - Aus H. Lauridsen, F. Schlegel, "Stereophonie und rich­ tungsdiffuse Klangwiedergabe", Gravesaner Blätter, Heft 5, Seiten 28-50, 1956 (das Original von Lauridsen ist in norwe­ gischer Sprache verfaßt), und aus M.R. Schröder "Improved quasi-stereophony and "colorless" artificial reverberation", Japanese Acoustic Society Am., Volume 33, Seiten 1061-1064, 1961, und aus G.R. Schodder, "Vortäuschen eines akustischen Raumeindrucks", Acustica, Volume 6, Seiten 482-488, 1956, ist ein Verfahren bekannt, bei dem komplementäre Kammfilter oder Allpaßfilter zur Generierung von verschiedenartigen Si­ gnalteilen verwendet werden. Das Monosignal wird zweimal, entweder in einem Kammfilterpaar oder in einem Allpaßfilter­ paar, gefiltert. Diese beiden Pseudostereo-Ausgangssignale werden durch Filter erzeugt, die komplementäre Amplituden- Charakteristik haben, d. h. die Summe der Transferfunktionen ist "1′. Bei der Kammfilterung wird das Eingangssignal ver­ zögert und abgeschwächt. Dieses Signal wird addiert zum und abgezogen vom Original-Eingangssignal, um das linke und das rechte virtuelle Stereoausgangssignal zu erzeugen. Wenn die Kammfilter durch eine zeitdiskrete Schaltung implementiert werden, haben sie die Transferfunktionen H₁(z) = 1+a_*z^(-N) und H₂(z) = 1-a_*z^(-N),wobei N die Verzögerung ausgedrückt in der Anzahl von Ab­ tastwerten ist und "a" der abschwächende Multiplikations- Faktor. Dieses Verfahren realisiert eine Frequenzaufteilung für die beiden Ausgangskanäle. Weil einige Eingangssignal­ frequenzen nur auf der linken Seite erscheinen, während an­ dere nur auf der rechten Seite erscheinen, entsteht ein Ein­ druck von Räumlichkeit.

Erfindung

Der Nachteil des Lauridsen-Verfahrens ist das Fehlen einer Aufteilung auf die beiden Ausgangssignale in allen Frequenz­ bändern. Wegen der linearen Abstände der Kammfilter sind ei­ nige Frequenzbänder gut separiert, während andere fast in der Mitte des Stereoklangbilds verbleiben. Normalerweise werden niedrige und mittlere Frequenzbänder gut verarbeitet, aber für die hohen Frequenzbänder entsteht durch dieses Ver­ fahren keine Verbesserung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Generierung von Pseudo-Stereo-Signalen aus ei­ nem Monosignal anzugeben. Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an­ zugeben. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 7 angege­ bene Vorrichtung gelöst.

In der Erfindung kommt ein Multiple-Band-Verfahren zum Ein­ satz. Die Erfindung verbessert die Qualität der Reprodukti­ on, indem zwei partiell kohärente Signale erzeugt werden. Dabei kann analoge oder digitale Signalverarbeitung verwen­ det werden. Die zwei partiell kohärenten Signale ergeben den Eindruck von Räumlichkeit.

Bei der Erfindung werden zunächst durch Filterung mehrere (mindestens zwei) verschiedenartige Signale aus dem Mono- Eingangssignal gebildet und dann für jedes dieser verschie­ denartigen Signale separat virtuelle Single-Band- Stereosignale generiert. Diese werden anschließend zu zwei Ausgangssignalen kombiniert. Vorzugsweise haben die virtuel­ len Stereosysteme in jedem Signalpfad unterschiedliche Para­ meter, um eine maximale Räumlichkeit zu erreichen.

Die Erfindung beseitigt die Nachteile der bekannten Pseu­ dostereo-Systeme. Die Signalqualität übertrifft deutlich die üblichen LP/HP-Filtermethoden für Single-Band-Pseudostereo- Systeme.

Das oben erwähnte, relativ effiziente Verfahren nach Laurid­ sen, welches Kammfilter oder Allpaßfilter verwendet, erzeugt nur eine ungenügende Räumlichkeit, weil die lineare Auftei­ lung der Frequenzcharakteristik des Kammfilters nicht an die logarithmische Frequenzempfindlichkeit des menschlichen Hör­ systems angepaßt ist (über ca. 500Hz).

Die Erfindung dagegen erlaubt die Verwendung verschiedenar­ tiger Pseudostereo-Splittingfilter in jedem Frequenzband. Daraus resultiert eine exzellente räumliche Auflösung über die Frequenz betrachtet.

Im Prinzip besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß zum Generieren eines Mehrton-Signals aus einem Mono-Signal Anteile des Monosignals mittels Filterung und/oder Frequenz- Wichtung des Spektrums des Monosignals und/oder mittels Hal­ lerzeugung aus dem Monosignal den Kanälen des Mehrton- Signals so zugeordnet werden, daß diese Kanäle erste ver­ schiedenartige Signale enthalten, wobei:

• - das Spektrum des Monosignals vor dieser Filterung, Fre­ quenz-Wichtung und/oder Hallerzeugung in mindestens zwei zweite verschiedenartige Signale, z. B. in verschiedene Fre­ quenzbänder, aufgeteilt wird;
• - die Filterung, Frequenz-Wichtung und/oder Hallerzeugung getrennt für jedes dieser zweiten verschiedenartigen Signale erfolgt;
• - aus den so gebildeten Ausgangssignalen für jedes dieser zweiten verschiedenartigen Signale die ersten verschiedenar­ tigen Ausgangssignale des Mehrton-Signals gebildet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ergeben sich aus den zugehörigen abhängigen Ansprüchen.

Im Prinzip dient die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Gene­ rieren eines Mehrton-Signals aus einem Mono-Signal, wobei Anteile des Monosignals den Kanälen des Mehrton-Signals so zugeordnet werden, daß diese Kanäle erste verschiedenartige Signale enthalten. Die Vorrichtung enthält:

• - erste Mittel, die aus dem Spektrum des Monosignals minde­ stens zwei zweite verschiedenartige Signale, z. B. verschie­ dene Frequenzbänder, generieren;
• - zweite Mittel, die durch Filterung, Frequenzwichtung und/oder Hallerzeugung für jedes dieser zweiten verschieden­ artigen Signale mindestens zwei Ausgangssignale erzeugen;
• - dritte Mittel, die aus den so gebildeten Ausgangssignalen für jedes dieser zweiten verschiedenartigen Signale die er­ sten verschiedenartigen Ausgangssignale des Mehrton-Signals bilden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung ergeben sich aus den zugehörigen abhängigen Ansprüchen.

Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen sind Ausführungs-Beispiele der Erfin­ dung beschrieben. Diese zeigen in:

Fig. 1 allgemeines Blockdiagramm für eine erfindungsgemäße Generation von Pseudostereo-Signalen;

Fig. 2 Blockdiagramm für ein Ausführungs-Beispiel mit N=2.

Ausführungs-Beispiele

Fig. 1 zeigt ein Vierstufensystem. Ein solches System kann durch analoge oder zeitdiskrete Techniken realisiert werden. Die erste Stufe besteht aus einem Kompensationsfilter H_c(z) für das Monosignal MS, welches den Signalfilterungseffekt (z. B. Frequenzgangfehler und/oder Phasengangfehler) der Fil­ ter in der folgenden Stufe kompensiert. Ohne das Kompensati­ onsfilter H_c(z) ist die Summe H_i(z), i=1, . . . ,N, ungleich "1". Ein gedachtes Mono-Ausgangssignal, welches ja per Defi­ nition die Hälfte aus der Summe des linken und des rechten Ausgangssignals ist, wäre nicht identisch mit dem Eingangs­ signal der gesamten Schaltung. Diese erste Stufe ist optio­ nal.

Die folgende zweite Stufe besteht aus N aufeinander abge­ stimmten Filtern H₁(z), H₂ (z), . . . ,H_N(z), wobei N eine ganze Zahl größer als eins ist und die Eingänge dieser Fil­ ter vom Ausgangssignal des Kompensationsfilters H_c(z) ge­ speist werden. Sehr gute Ergebnisse können schon mit N = 2 erreicht werden. Diese Filter generieren mehrere verschie­ denartige Kanäle und können entweder eine solche Charakteri­ stik haben, daß sie das Eingangssignal in mehrere Frequenz­ bänder aufspalten oder sie können eine Wichtung über der Frequenz herbeiführen, d. h. manche Frequenzbereiche relativ zu anderen abschwächen. Im ersten Fall sind die Filter so entworfen, daß sie die Frequenzbänder so effektiv wie mög­ lich separieren, während im zweiten Fall jedes Filter so entworfen ist, daß nur gewisse Frequenzbänder verstärkt wer­ den aber kein Frequenzband praktisch vollständig ausgefil­ tert wird.

Beim Entwurf der Filter H_i(z), i=1, . . . ,N, gibt es z. B. die zwei folgenden Optionen:

• A) H₁(z) Hochpaßfilter, H₂(z) . . . H_(n-1)(z) Bandpaßfilter, H_N(z) Tiefpaßfilter, oder eine beliebige andere derarti­ ge Reihenfolge. Die Filterkennlinien werden so gewählt, daß sie eine Aufteilung des Frequenzspektrums in solche Frequenzbänder realisieren, die an gewisse - z. B. die logarithmische - Frequenzempfindlichkeiten des Gehörs angepaßt sind;
• B) Die Blöcke H_i(z) stellen verschiedenartige Frequenz- Wichtungsfilter dar, d. h. sie teilen das gesamte Spek­ trum nicht in verschiedene Frequenzbereiche auf wie in A), sondern sie haben einen anderen Amplitudengang, d. h. teilweise abgesenkte, aber noch hörbare Amplituden.

Die dritte Stufe besteht aus einigen, den abgestimmten Fil­ tern H₁(z), H₂ (z), . . . ,H_N(z) jeweils nachgeordneten Sing­ le-Band-Systemen PS1, PS2, . . . ,PSN, die in jedem Frequenz­ band separat verwendet werden, um künstliche Stereosignale oder um Mehrton-Signale mit mehr als zwei Kanälen zu erzeu­ gen. Jedes der bekannten Single-Band-Verfahren kann hierfür verwendet werden, vorteilhaft ist das oben erwähnte Verfah­ ren nach Lauridsen. Vorteilhaft werden die Parameter zur Ge­ nerierung der Pseudostereo- oder Mehrton-Signale in jedem der Frequenzbänder verschieden gewählt, wodurch eine deutli­ che Verbesserung gegenüber Single-Band-Verfahren mit N=1 er­ reicht wird.

Die Pseudo-Stereo- bzw. Mehrton-Ausgangssignale der Blöcke in der dritten Stufe werden in der vierten Stufe durch den Single-Band-Systemen PS1, PS2, . . . ,PSN nachgeordnete Kombi­ nierstufen C1 und C2 erzeugt, die das linke OU1 und das rechte OU2 Ausgangssignal oder auch mittels weiterer solcher Kombinierstufen weitere Ausgangssignale formen. Diese Kombi­ nation kann additiv und/oder subtraktiv erfolgen, eventuell mit einer zusätzlichen Wichtung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf be­ stimme Filterstrukturen und Parameter der Anordnung. Dazu soll anhand von Fig. 2 ein zeitdiskretes System mit N = 2 und in der dritten Stufe mit dem Verfahren nach Lauridsen betrachtet werden:

H₁₁(z)=1 + k1_*z^(-N1);
H₁₂(z)=1 - k1_*z^(-N1);
H₂₁(z)=1 + k2_*z^(-N2);
H₂₂(z)=1 - k2_*z^(-N2).

Die Werte "k1" und "k2" sind abschwächende Multiplikations- Faktoren und haben bei f_s = 48kHz Abtastfrequenz beispiels­ weise einen Wert von

k1 = 0,65 . . . 0,85;
k2 = 0,75 . . . 0,95;
N1 = 600 . . . 1500;
N2 = 200 . . . 1000.

Die Frequenzwichtungsfilter sind in diesem Beispiel gegeben durch

H₁(z)=(1-q)/(1-q_*z^(-)1), H₂(z)=1-q_*z^(-1).

Das Kompensationsfilter wird dann zu:

H_c(z) = 1/[H₂(z)-H₁(z)]= (1-q_*z^(-1))/[q_*c1_*(1-((1+q)/c1)_*z^(-1) + (c2/c1)_*z^(-2)),

wobei c1 = 1+√(1+q), c2 = 1-√(1-q).

Der Wert "q" ist ein abschwächender Multiplikations-Faktor und hat beispielsweise einen Wert von q = 0,6 . . . 0,75. Das erste Ausgangssignal OU1 wird in einem ersten Subtrahie­ rer S1 durch Subtraktion des Ausgangssignals von H₁₁(z) vom Ausgangssignal von H₂₁(z) erzeugt. Das zweite Ausgangssignal OU2 wird in einem zweiten Subtrahierer S2 durch Subtraktion des Ausgangssignals von H₁₂(z) vom Ausgangssignal von H₂₂(z) erzeugt.

Vorteilhaft werden die Werte für k1, k2, N1, N2 und q je nach Programm-Material angepaßt, also z. B. unterschiedlich für Musik und Sprache gewählt. Vorteilhaft werden k1 und k2 oder auch andere Werte bei Sprache kleiner gewählt als bei Musik.

Die Erfindung liefert insbesondere für Pseudostereo eine gu­ te Qualität und kann z. B. in Stereo-Fernsehgeräten, in Ste­ reo-Hörfunk-Empfängern oder in PC′s angewendet werden, um aus einem empfangenen bzw. vorhandenen Monosignal ein Pseu­ dostereo-Signal zu generieren.

Statt Pseudostereo- bzw. Zweiton-Signalen können auch Mehr­ ton-Signale generiert werden, indem eine entsprechende zu­ sätzliche Anzahl von Kombinierern C1, C2, S1, S2 mit zusätz­ lichen Kombinationsarten verwendet wird.

Claims (10)

1. Verfahren zum Generieren eines Mehrton-Signals (OU1, OU2) aus einem Mono-Signal (MS), bei dem Anteile des Monosi­ gnals mittels Filterung und/oder Frequenz-Wichtung des Spektrums des Monosignals und/oder mittels Hallerzeugung aus dem Monosignal den Kanälen des Mehrton-Signals so zu­ geordnet werden, daß diese Kanäle erste verschiedenartige Signale enthalten, gekennzeichnet durch:

• - das Spektrum des Monosignals wird vor dieser Filterung, Frequenz-Wichtung und/oder Hallerzeugung (PS1, PS2, . . . , PSN; H₁₁(z), H₁₂(z), H₂₁(z), H₂₂(z)) in mindestens zwei zweite verschiedenartige Signale, z. B. in verschiedene Frequenzbänder, aufgeteilt (H₁(z), H₂ (z), . . . ,H_N(z));
• - die Filterung, Frequenz-Wichtung und/oder Hallerzeugung erfolgt getrennt für jedes dieser zweiten verschiedenar­ tigen Signale;
• - aus den so gebildeten Ausgangssignalen für jedes dieser zweiten verschiedenartigen Signale werden mittels Kombi­ nation die ersten verschiedenartigen Ausgangssignale (OU1, OU2) des Mehrton-Signals gebildet (C1, C2, S1, S2)

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Mehrton-Signal ein Zweiton-Signal ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für jedes der zweiten verschiedenartigen Signale zwei Ausgangssignale gebildet werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei für die Generierung der Ausgangssignale für die zweiten verschiedenartigen Signale in jedem der Signal­ pfade (PS1, PS2, . . . ,PSN; H₁₁(z), H₁₂(z), H₂₁(z), H₂₂(z)) unterschiedliche Parameter verwendet werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Monosignal (MS) vor der Aufspaltung in die zweiten verschiedenartigen Signale eine Kompensationsfil­ terung (H_c(z)) durchläuft, welche an die Charakteristik der nachfolgenden Signalverarbeitungsstufen angepaßt ist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ausgangssignale für die zweiten verschiedenar­ tigen Signale nach der Methode von Lauridsen generiert (PS1, PS2, . . . ,PSN; H₁₁(z), H₁₂(z), H₂₁(z), H₂₂(z)) wer­ den.

7. Vorrichtung zum Generieren eines Mehrton-Signals aus ei­ nem Mono-Signal, bei der Anteile des Monosignals den Ka­ nälen des Mehrton-Signals so zugeordnet werden, daß diese Kanäle erste verschiedenartige Signale enthalten, verse­ hen mit:

• - ersten Mitteln (H₁(z), H₂ (z), . . . ,H_N(z)), die aus dem Spektrum des Monosignals mindestens zwei zweite verschie­ denartige Signale, z. B. verschiedene Frequenzbänder, ge­ nerieren;
• - zweiten Mitteln (PS1, PS2, . . . ,PSN; H₁₁(z), H₁₂(z), H₂₁(z), H₂₂(z)), die durch Filterung, Frequenzwichtung und/oder Hallerzeugung für jedes dieser zweiten verschie­ denartigen Signale mindestens zwei Ausgangssignale erzeu­ gen;
• - dritten Mitteln (C1, C2, S1, S2), die aus den so gebilde­ ten Ausgangssignalen für jedes dieser zweiten verschie­ denartigen Signale mittels Kombination die ersten ver­ schiedenartigen Ausgangssignale (OU1, OU2) des Mehrton- Signals bilden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Mehrton-Signal ein Zweiton-Signal ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei für jedes der zweiten verschiedenartigen Signale zwei Ausgangssignale gebildet werden.

10 Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, wobei die zweiten Mittel (PS1, PS2, . . . ,PSN; H₁₁(z), H₁₂(z), H₂₁(z), H₂₂(z)) Ausgangssignale nach der Methode von Lauridsen generieren.