Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung eines Signals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Übertragung eines Audiosignals, z.B. bei der Rundfunkübertragung, Kabelübertragung, Satellitenübertragung und bei Aufzeichnungsgeräten ist es bekannt, das analoge Au¬ diosignal in ein digitales Audiosignal mit einer bestimmten Auflösung umzuwandeln, in dieser Form zu übertragen und bei der Wiedergabe wieder in ein analoges Signal umzusetzen. Durch die digitale Übertragung wird insbesondere bei der Wie¬ dergabe ein größerer Störabstand erreicht.

Die für die Übertragung eines solchen Signals erforderliche Bandbreite ist im wesentlichen bestimmt durch die Zahl der zu übertragenden Abtastwerte pro Zeiteinheit sowie durch die Auflösung.

In der Praxis besteht die Forderung, die für die Übertragung notwendige Bandbreite möglichst klein zu halten, um mit ei¬ nem schmalbandigen Kanal auszukommen oder über einen breit- bandigen Kanal möglichst viele Audiosignale gleichzeitig übertragen zu können. Die erforderliche Bandbreite läßt sich

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ansich verringern durch eine Reduzierung der Abtastwerte oder der Anzahl der Bits pro Abtastwert. Diese Maßnahme hat aber in der Regel eine Verschlechterung der Wiedergabequali¬ tät zur Folge.

Bei einem aus der DE-OS 35 06 912 bekannten Verfahren wird zur Verbesserung der Wiedergabequalität das digitale Audiosi¬ gnal in zeitlich aufeinanderfolgende Abschnitte zerlegt und in ein Kurzzeitspektrum transformiert, welches jeweils für die Zeitabschnitte die Spektralkomponenten des Signals dar¬ stellt. In dem Kurzzeitspektrum lassen sich auf Grund psycho- akustischer Gesetzmäßigkeit im allgemeinen Komponenten, die vom Hörer nicht wahrgenommen werden, also im nachrichtentech¬ nischen Sinne irrelevant sind, besser auffinden, als im Zeit¬ bereich. Diese Komponenten werden bei der Übertragung weni¬ ger gewichtet oder ganz weggelassen. Hierdurch kann bei der Übertragung ein beträchtlicher Teil der sonst notwendigen Daten entfallen, so daß die mittlere Bitrate wesentlich ver¬ ringert werden kann.

Für die Bildung der Zeitabschnitte wird das Signal zunächst im Zeitbereich mit einem Analysefenster bewertet und nach der Transformation, Codierung, Übertragung, Decodierung und Rücktransformation abschließend mit einem Synthesefenster bewertet. Die Ausgestaltung des Analysefensters beeinflußt die Frequenzauflösung sowie die bei der Übertragung anfallen¬ de Datenmenge. So ist bei Fenstern mit "harten" Flanken, wie sie z.B. ein Rechteckfenster aufweist, die Frequenzauflösung schlecht. Dem Spektrum des ursprünglichen Signals werden näm¬ lich im bewerteten Abschnitt zusätzlich die durch den extrem Signalanstieg und -abfall am Anfang und Ende des Fensters verursachten Spektralanteile zugefügt. Allerdings könnten die Zeitabschnitte überlappungsfrei aneinander gefügt werden.

ERSATZBLATT

Bei dem in der DE-OS 35 06 912 beschriebenen Verfahren wurde bereits eine Fensterfunktion mit "weicheren" Flanken ge¬ wählt. Hier folgt der Anfang und das Ende des Analysefen¬ sters einer Kosinusquadratfunktion und die entsprechenden Bereiche des Synthesefensters einer Sinusquadratfunktion. Der mittlere Bereich beider Fenster weist einen konstanten Wert auf. Durch eine derartige Ausgestaltung der Fensterfunk¬ tion ergibt sich bereits eine verbesserte Frequenzauflösung. Im Bereich der "weichen" Flanken ist jedoch eine Überlappung der aufeinanderfolgenden Zeitabschnitte erforderlich, die durch die doppelte Übertragung der in diesem Bereich enthal¬ tenen Signale zu einer Erhöhung der mittleren Bitrate führt.

Eine weitere Verbesserung der Frequenzauflösung ließe sich durch eine noch geringere Flankensteilheit der Fenster unkti- on des Analysefensters sowie durch eine Ausdehnung des Flan¬ kenbereichs innerhalb des Fensters erzielen. Bei dieser Ma߬ nahme ist jedoch zwangsläufig eine größere Überlappung be¬ nachbarter Zeitabschnitte erforderlich.

Wird der Flankenbereich soweit ausgedehnt, daß die Fenster¬ funktionen in keinen Bereich mehr einen konstanten Wert auf¬ weist, so müssen sich benachbarte Zeitabschnitte um 50% über¬ lappen. Dadurch wird die Zahl der Abtastwerte und dementspre¬ chend die Datenmenge verdoppelt.

Aus den Veröffentlichung J.P. Princen and A.B. Bradley, "Ana- lysis/Synthesis Filter Bank Design Based on Time Domain Aliasing Cancellation", IEEE Transactions, ASSP-34, No. 5, Oct. 1986, pp. 1153-1161; und J.P. Princen, A.W. Johnson and A.B. Bradley, "Suband/Transform Coding Using Filter Bank De¬ sign Based on Time Domain Aliasing Cancellation", IEEE Int. Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing 1987, S. 2161-2164, ist es bekannt, bei einer 50%igen Überlappung aufeinanderfolgender Zeitabschnitte die Datenmenge wieder

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auf den ursprünglichen Wert zu reduzieren, indem nur jeder zweite Abtastwert codiert wird. Dieser Vorschlag geht von gleichen Fensterfunktionen beim Analyse- und Synthesefenster aus. Die bei der Unterabtastung auftretenden Aliaskomp¬ onenten lassen sich bei gleichen Fensterfunktionen nach der Bewertung mit dem Synthesefenster kompensieren.

Zur Verbesserung der Frequenzauflösung kann es sinnvoll sein, ein speziell gestaltetes Fenster bei der Analyse zu verwenden, um z.B. eine geringe AnfangsSteigung der Fenster¬ funktion zu realisieren. Der Vorteil einer solchen Fenster¬ funktion liegt darin, daß bei schmalbandigen Signalkomponen¬ ten eine sehr hohe Frequenzauflösung erzielt wird, die dann bei der Codierung zu einer sehr effektiven Bitzuweisung mit geringer Datenrate führt.

Aus dem Vortragsmanuscript B. Feiten, "Spectral Properties of Audio Signals and Masking with Aspect to Bit Data Reduct- ion", 86th AES-Convention, 1989 March ist es bekannt, unter¬ schiedliche Fensterfunktionen bei der Analyse und der Synthe¬ se zu verwenden und diese auf sich 50% überlappende Zeitab¬ schnitte anzuwenden. Die beschriebene graphische Definition der Synthesefunktion führt jedoch nicht zu einer Kompensati¬ on der Aliaskomponenten nach der Bewertung mit dem Synthese¬ fenster.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Verfah¬ ren zur Übertragung eines Signals, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 wiedergegeben ist, dahingehend zu verbessern, daß bei freier Wahl eines Analysefensters ein Synthesefen¬ ster ermittelt werden kann, bei deren Kombination die Aliaskomponenten zu Null kompensiert wird.

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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren, wie es im Oberbe¬ griff des Anspruchs 1 beschrieben ist, durch die im kenn¬ zeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung ermöglicht es also, die Synthesefensterfunkti¬ on mathematisch exakt aus der frei wählbaren Analysefenster¬ funktion herzuleiten. Dadurch kann die Analysefensterfunkti¬ on optimal den Gegebenheiten für eine hohe Frequenzauflösung angepaßt werden, ohne daß dieser Vorteil durch Aliaskomp¬ onenten bei der Wiedergabe des Signals teilweise oder ganz beseitigt wird. Die angegebene Beziehung berücksichtigt auch unsymmetrische Fensterfunktionen. Bei symmetrischen Fenster¬ funktionen sieht eine Weiterbildung eine Vereinfachung der Berechnung des Synthesefensters vor.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbei¬ spiels das in der Zeichnung dargestellt ist, erläutert und dem Stand der Technik gegenübergestellt.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Ein Flußdiagramm mit den wesentlichen Verfahrens schritten der Erfindung, Fig. 2 eine Darstellung von Analysefenster und

Synthesefenster gemäß einem bekannten Verfahren, Fig. 3 eine Darstellung der Aliaskomponenten für die

Fensterfunktionen gemäß Fig. 2, Fig. 4 eine Darstellung von Analysefenster und

Synthesefenster gemäß dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren, Fig. 5 eine Darstellung der Aliaskomponenten für die

Fensterfunktionen gemäß Fig. 4, Fig. 6 eine Tabelle zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Real- und Imaginärteilen einerseits und

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Pseudobeträgen und -Phasen andererseits bei ei¬ ner Alternative der Unterabtastung und Fig. 7 eine Tabelle ähnlich Fig. 6 bei einer anderen Alternative der Unterabtastung.

In dem in Fig. 1 dargestellten Flußdiagramm sind die einzel¬ nen Verfahrensschritte zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung dargestellt.

Die Ausgangsgröße des Verfahrens bildet ein analoges Audiosi¬ gnal, das gemäß Verfahrensschritt 1 in ein digitales Signal umgewandelt wird, in dem Amplitudenwerte als Abtastwerte di¬ gital codiert vorliegen.

Im Verfahrensschritt 2 wird das kontinuierliche Signal gefen- stert, indem eine Reihe aufeinanderfolgender Abtastwerte, im vorliegenden Fall 1024 Abtastwerte, selektiert werden.

Im Verfahrensschritt 3 werden aus den selektierten Abtastwer¬ ten Blöcke gebildet, die sich zeitlich um 50% überlappen. Das bedeutet, daß in benachbarten Blöcken teilweise diesel¬ ben Abtastwerte vorhanden sind, allerdings an unterschiedli¬ chen Stellen. So entsprechen die in der ersten Hälfte eines aktuellen Blockes vorhandenen Abtastwerte den in der zweiten Hälfte des vorhergehenden Blockes vorhandenen Abtastwerte.

Im Verfahrensschritt 4 werden die in den Blöcken enthaltenen Signalabschnitte mit Analysefenstern bewertet. Hierdurch wird ein weicher Signaleinsatz und -auslauf an den Blockgren¬ zen erzeugt, der die Analyseschärfe bei der nachfolgenden Transformation erhöht. Ein geeignetes Analysefenster ist in Fig. 4 dargestellt, worauf noch weiter unten eingegangen wird.

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Der Verfahrensschritt 5 bildet die Transformation des bis¬ lang zeitdiskreten Signals in ein frequenzdiskretes Signal. Anstelle von Amplitudenwerten treten nunmehr Spektralwerte auf. Handelt es sich bei der Transformation um eine Fourier- Transfor ation, umfassen die transformierten Werte bereits jeweils einen Real- und Imaginärteil.

Anschließend erfolgt im Verfahrensschritt 6 eine Umwandlung der Spektralwerte in eine Darstellung mit Psydobetragen- und -phasen. Die Spektralwerte sind dann für ein Übertragungsver¬ fahren aufbereitet und geeignet, wie es in der DE-OS 35 06 912 beschriebenen ist. Hierfür sind mehrere Al¬ ternativen möglich, von denen zwei in den Tabellen gemäß Fig. 6 und 7 dargestellt sind. Im Zusammenhang mit der Um¬ wandlung der Spektralwerte wird auch gleichzeitig eine Unter¬ abtastung durchgeführt. Im Ergebnis stimmt dann die Anzahl der zu übertragenden Werte wieder mit der Anzahl der ur¬ sprünglichen Abtastwerte überein. Die durch die 50%ige Über¬ lappung der Blöcke verursachte Verdoppelung der Daten ist also hier wieder rückgängig gemacht worden.

Im mit 7 bezeichneten Verfahrensschritt sind mehrere Einzel¬ schritte zusammengefaßt, welche die Codierung, gegebenen¬ falls Datenreduktion, Übertragung und Decodierung umfassen. Diese Verfahrensschritte können entsprechend dem in der DE-OS 35 06 912 Verfahren durchgeführt werden.

Im Verfahrensschritt 8 erfolgt nun eine zu dem Verfahrensschritt 5 inverse Transformation, der jedoch bei vorangegangener Datenreduktion ein verändertes, von psycho- akustisch redundanten Bestandteilen befreites Signal unterzo¬ gen wird. Das Ergebnis der inversen Transformation sind wie¬ der zeitdiskrete Signale in Form von Signalabschnitten eines kontinuierlichen Signals darstellenden Blöcken. In den Blök-

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ken sind aber nur noch die Hälfte der ursprünglichen Abtast¬ werte vorhanden.

Im anschließenden Verfahrensschritt 9 wird eine Wichtung der Blöcke mit Synthesefenstern vorgenommen. Die Synthesefenster¬ funktionen sind so ausgestaltet, daß sie die Signalverzerrun¬ gen, die durch Wichtung mit den Analysefenstern im Verfah¬ rensschritt 4 entstanden sind, wieder ausgleichen. Die hier verwendeten Synthesefensterfunktionen erfüllen zwei Kriteri¬ en. Zum einen ergänzen sie sich im Überlappungsbereich mit den entsprechenden Analysefenstern zu Eins. Zum anderen ist das in der Mitte des Überlappungsbereichs gespiegelte Analy¬ sefenster multipliziert mit dem Synthesefenster für den Block n in der Differenz mit dem in der Mitte des Überlap¬ pungsbereich gespiegelte Analysefenster multipliziert mit dem Synthesefenster für den Block n+1 im Überlappungsbereich identisch Null. Dieses letztere Kriterium beeinhaltet die Kompensation der Aliaskomponenten.

Im Verfahrensschritt 10 werden die sich 50% überlappenden Blöcke addiert, wobei die Aliaskomponenten in den beiden zu überlagernden Blöcken jeweils mit umgekehrtem Vorzeichen auf¬ tritt, so daß er sich bei Addition zu Null kompensiert.

Der Verfahrensschritt 11 stellt die Bildung kontinuierlicher Abtastwerte durch Aneinanderfügen der Blöcke mit den gefen- sterten Signalabschnitten dar.

Schließlich wird im letzten, mit 12 bezeichneten Verfahrens¬ schritt eine Umwandlung der digital codierten Abtastwerte in ein analoges Signal vorgenommen, dem zwar objektiv Anteile fehlen, das aber subjektiv als mit dem ursprünglichen Signal identisch empfunden wird.

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Fig. 2 zeigt die Darstellung von Fensterfunktionen, nämlich eines Analyse- und eines Synthesefenster, wie sie in der Li¬ teraturstelle B. Feiten, "Spectral Properties of Audio Si¬ gnals and Masking with Aspect to Bit Data Reduction", 86th AES-Convention, 1989 March beschrieben ist. werden die in dieser Darstellung angegebenen Fensterfunktionen in den Verfahrensschritten 4 und 9 gemäß der Darstellung in Fig. 1 verwendet, so ergeben sich jedoch die in Fig. 3 dargestell¬ ten Aliaskomponenten. Dies ist unerwünscht, da praktisch die durch die höhere Analyseschärfe verbesserte Darstellungsge¬ nauigkeit teilweise wieder zunichte macht.

Fig. 4 zeigt Fensterfunktionen, nämlich ein Analyse- und ein Synthesefenster, bei der die Synthesefensterfunktion aus der frei gewählten Analysefensterfunktion nach der Erfindung ge¬ mäß den Gleichungen:

Vι<V ^{2 "} *> s (t) = ; 0 < t < T„/2 an(T _D B/2 - t ' an(t) ' * an_+,_1, (T.B,/2 - t)'

an(T.B,/'2 - t) ' * an+..l(t) ' + a xv(-t) ' * an _J +_l. (T ₀ B/'2 - t) '

berechnet wurde. In diesen Gleichungen bedeuten:

a (t) die Analysefensterfunktion für den Block n, s (t) die Synthesefensterfunktion für den Block n, a ₊ -,(t) die Analysefensterfunktion für den Block n+1, s ₁ (t) die Synthesefensterfunktion für den Block n+1 und

T_ die Blockzeit

Die zugehörige Darstellung der Aliaskomponenten in Fig. 5 zeigt, daß hier die Aliaskomponenten zu Null kompensiert wer-

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den, also die verbesserte Darstellungsgenauigkeit der Wieder¬ gabe des Signals voll zugute kommt.

Während die oben angegebene Gleichung allgemein auch unsymme¬ trische Fenster berücksichtigt, läßt sich für symmetrische Fensterfunktionen, wie sie die in Fig. 4 dargestellte ist, auch die vereinfachte Gleichung:

a(T _ß /2 - t) s(t) = ; 0 < t < T _ß /2 a(T _ß /2 - t) * a(t) + a(t) * a(T_./2 - t)

angeben. In dieser Gleichung bedeuten:

a(t) die Analysefensterfunktion, s(t) die Synthesefensterfunktion und T„ die Blockzeit

Die im Verfahrensschritt 6 vorgenommene Unterabtastung kann so durchgeführt werden, daß im m-ten Block die Realteile der Spektralwerte mit geradem Frequenzindex und die Imaginärtei¬ le der Spektralwerte mit ungeradem Frequenzindex zur Übertra¬ gung benutzt werden. Im (m+1)-Block werden die Realteile der Spektralwerte mit ungeradem Frequenzindex und die Imaginär¬ teile der Spektralwerte mit geradem Frequenzindex zur Über¬ tragung benutzt. Somit benötigt man für einen Block mit N- Werten bei etwa 50% Überlappung nur N/4 Realteile und N/4 Imaginärteile zur Übertragung.

Sollen die Spektren mit einem Codec verarbeitet werden, der eine Betrags- und Phasendarstellung verlangt, so benötigt man Betrags- und Phasenwerte der Spektralwerte. Hierzu müs¬ sen die Real- und Imaginärteile in entsprechende Betrags¬ und Phasenwerte umgewandelt werden.

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Die in Fig. 6 und 7 dargestellten Tabellen zeigen die Bil¬ dung von Psydobetragen und -phasen aus Real- und Imaginärtei¬ len bei der Transformation des Signals in ein frequenzdiskre¬ tes Signal sowie die Auswahl der Werte für die Unterab¬ tastung.

Bei der Alternative, die die Tabelle in Fig. 6 veranschau¬ licht, wird eine Psydobetrag- und - phasendarstellung gebil¬ det, in dem man jeweils die Realteile der Spektralwerte mit den Frequenzindexen n mit den benachbarten Imaginärteilen der Spektralwerte der Frequenzindexe n+1 zu Betrag und Phase zusammenfaßt. Man erhält dadurch N:4 Beträge und N:4 Phasen. Diese Darstellung ist in Fig. 6 wiedergegeben.

Bei einer anderen Alternative, wie sie Fig. 7 zeigt, werden jeweils zwei aufeinanderfolgende Blöcke zusammengefaßt. Psydobetrag und Psydophase errechnen sich aus den Realteilen den m-ten und den Imaginärteilen des (m+l)-ten Blocks mit gleichem Frequenzindex. So erhält man für zwei Blöcke N/2 Beträge und N/2 Phasen.

Bei einer weiteren Alternative wird die Pseudobetrags- und Pseudophasenbildung erläutert, wenn als Transformation eine modifizierte Cosinus- und Sinustransformation vorgenommen wird.

Zuerst werden die sich 50% überlappenden Blöcke blockweise abwechselnd einer modifizierten Cosinustransformation gemäß der Gleichung

N-l y(k) = D. ] • 0 < k < N-l n=0

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unterzogen, wobei

y die Spektralwerte, k die Indizes der Spektralwerte,

D eine Konstante gemäß der Definition

/ /

D _Q (für k=0) = V N ; D _k = V 2/N ; 1 < k < N-l x die Zeitwerte, n die Indizes der Zeitwerte der Abtastung und

N die Zahl der Abtastwerte innerhalb eines Blockes

sind und einer modifizierten Sinustransformation gemäß der Gleichung

y(k) = D ] ; 1 < k < N n=0

unterzogen, wobei

y die Spektralwerte, k die Indizes der Spektralwerte,

D eine Konstante gemäß der Definition

/ /

^D k = V 2/N ; 1 < k < N-l ; D _N = V N x die Zeitwerte, n die Indizes der Zeitwerte der Abtastung und

N die Zahl der Abtastwerte innerhalb eines Blockes

sind und bei der Rücktransformation einer zur Hintransforma¬ tion inversen Transformation unterzogen.

Beide Transformationen liefern reelle Spektralwerte. Sie sind dementsprechend nicht unmittelbar geeignet für eine Co-

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dierung nach Betrag und Phase, wie im Falle der Fourier- Transformation.

Von den anfallenden Spektralwerten werden die geragzahligen ausgewählt, wodurch die Anzahl der weiterverwendeten Spek¬ tralwerte nur halb so groß ist wie die der Origanalwerte.

Danach werden komplexe Werte aus den Spektralwerten jeweils zweier aufeinanderfolgender, sich überlappenden Blöcke gebil¬ det, indem z. B. die Werte des ersten Blockes mit 1 und die¬ jenigen des zweiten Blockes nit j multipliziert werden und gleichindizierte Werte der beiden Blöcke addiert werden. Da¬ durch ergeben sich komplexe Werte, die nach Betrag und Phase zerlegt werden können. Da die Real- und Imaginärteile der komplexen Werte jeweils nicht aus ein und demselben Block stammen, werden sie als Pseudobetrags- und -phasenwerte be¬ zeichnet.

Das so entstehende Pseudospektrum weist bezüglich Betrag und Phase im allgemeinen große Ähnlichkeit mit den Fourierspekt- ren der beiden betrachteten sich einander überlappenden Blök- ke auf, sofern die zeitliche Dauer der einzelnen Blöcke etwa 20 ms nicht wesentlich überschreitet. Aufgrund der Ähnlich¬ keit eignen sich für die Codierung der Pseudospektralwerte Verfahren, die für die Codierung echter Fourierspektralwerte nach Betrag und Phase optimiert wurden, z. B. das in der DE- OS 35 06 912 beschriebene Verfahren.

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