DE19727133A1 - Verfahren, Vorrichtung und Aufzeichnungsgerät zur Unterdrückung von impulsartigen Störungen in analogen Audio- und/oder Videosignalen - Google Patents
Verfahren, Vorrichtung und Aufzeichnungsgerät zur Unterdrückung von impulsartigen Störungen in analogen Audio- und/oder VideosignalenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung
und ein Aufzeichnungsgerät zur Unterdrückung von
impulsartigen Störungen in analogen Audio- und/oder
Videosignalen, insbesondere zur Unterdrückung von Clicks
bei der Wiedergabe von alten Tonträgern.
Impulsartige Störungen (im folgenden kurz Clicks genannt)
können in Sprach- und Musiksignalen auftreten, die aus den
verschiedensten Quellen stammen. So kann es sich hierbei
um alte Tonträger wie z. B. alte Schellackplatten
(Grammophonplatten) Langspielplatten, Tonbändern,
Audio- oder Video-Cassetten aber auch um Filmton oder Multipath-
Übertragungstrecken handeln. Die Entfernung dieser
störenden Clicks erfolgt üblicherweise in zwei Schritten:
der Detektion des Clicks und der Interpolation, d. h. der
Auffüllung des Clicks. Eine bekannte Detektionsmethode ist
die Verwendung eines fest eingestellten Schwellwertes, der
über dem Spitzenwert des Audiosignals liegt. Eine
Einschränkung dieses Verfahrens ist dadurch gegeben, daß
viele Clicks keine größere Amplitude als das Spitzensignal
haben und daher undetektiert bleiben. Für die Auffüllung
der Clicks ist es bekannt, eine lineare oder auch
höhergradige Interpolation basierend auf den Abtastwerten
vor und nach der durch den Click verursachten Lücke
durchzuführen. Das Signal wird hierbei in der Lücke nicht
modelliert. Eine Qualitätsverbesserung erreicht man durch
die Anwendung der sogenannten statistischen Interpolation,
bei der ein Signalmodell des Audiosignals verwendet wird.
Ein solches Verfahren wird in GB 2 217 902 beschreiben. Es
wird hierbei zunächst ein mathematisches Modell aus den
fehlerfreien Daten vor und nach dem Click berechnet. Dieses
autoregressive Modell wird dann zur Auffüllung des Clicks
verwendet. Im einzelnen werden dabei aus den fehlerfreien
Daten vor dem Click und mit Hilfe des Modells
Prädiktionswerte an der Stelle des Clicks und nach dem
Click bestimmt. Dann werden die Werte an der Stelle des
Clicks so geändert, daß der Fehler für die Daten nach dem
Click minimial wird. Ein deutlicher Nachteil dieses
Verfahrens ist die hohe Komplexität, die sich daraus
ergibt, daß die Ordnung des Modells etwa der doppelten
Anzahl der aufzufüllenden Abtastwerte entsprechen muß. Ein
weiterer Nachteil ist, daß das Verfahren über einer
gewissen Clickdichte hinaus nicht korrekt funktioniert,
weil dann nicht mehr genügend fehlerfreie Daten zur
Berechnung des mathematischen Modells zur Verfügung stehen.
Außerdem verursacht das Verfahren eine merkliche
Verzögerung, die in bestimmten Fällen nachteilig sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Unterdrückung von impulsartigen Störungen in Audio- oder
Videosignalen anzugeben. Diese Aufgabe wird durch
das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zur Unterdrückung von impulsartigen Störungen
in Audio- oder Videosignalen anzugeben. Diese Aufgabe
wird durch die in Anspruch 7 angegebene Vorrichtung
gelöst.
Schließlich liegt der Erfindung die weitere Aufgabe
zugrunde, ein Aufzeichnungsgerät zur Unterdrückung von
impulsartigen Störungen in Audio- oder Videosignalen
anzugeben. Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 9
angegebene Aufzeichnungsgerät gelöst.
Im Prinzip besteht das erfindungsgemäße Verfahren zur
Unterdrückung von impulsartigen Störungen in analogen
Audio- und/oder Videosignalen, wobei von den analogen
Audio- und/oder Videosignalen Abtastwerte gebildet
werden, die als Eingangsignal dienen und wobei
fehlerfreie Abtastwerte vor oder nach der Störung zur
Unterdrückung der Störung herangezogen werden, darin, daß
- - eine adaptive Filterung durchgeführt wird, die sowohl zur Detektion als auch zur Interpolation der impulsartigen Störung verwendet wird, wobei,
- - durch die adaptive Filterung des Eingangsignals ein Fehlersignal ermittelt wird,
- - ein Abtastwert im Eingangsignal als fehlerhaft deklariert wird, wenn der absolute Momentanwert im Fehlersignal einen Schwellwert übersteigt,
- - das Ausgangssignal der adaptiven Filterung als Ersatzwert für den als fehlerhaft bezeichneten Abtastwert verwendet wird,
- - der als fehlerhaft bezeichnete Abtastwert auch in den Eingangswerten der adaptiven Filterung ersetzt wird.
Ein wesentlicher Unterschied zu dem im GB 2 217 902
beschriebenen Verfahren besteht darin, daß dort explizit
ein mathematisches Modell (AR, autoregressiv) aufgrund der
fehlerfreien Daten (Abtastwerte) vor dem Click berechnet
wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann dagegen
auf eine aufwendige Berechnung eines mathematischen Modells
verzichtet werden. Die Verwendung eines adaptiven Filters
schließt keine direkte mathematische Signalmodellierung mit
ein. Damit ist die Komplexität des erfindungsgemäßen
Verfahrens deutlich geringer und erlaubt so ein Declicking
in Echtzeit. Ferner ist es auch bei hoher Clickdichte
anwendbar und kann somit als Decrackler angewendet werden,
um Crackling (Knistern), d. h. impulsartige Störungen hoher
Dichte, zu unterdrücken. Dieses führt zu hervorragenden
Ergebnisse im Vergleich zu anderen Verfahren, wie auch
Hörversuche gezeigt haben.
Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im
Signalpfad keine Änderung vorgenommen, wenn der absolute
Abtastwert im Fehlersignal unter dem jeweiligen Schwellwert
liegt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Adaption der
adaptiven Filterung nur zu den diskreten Zeitpunkten
durchgeführt wird, in denen der Abtastwert im Eingangsignal
als fehlerfrei deklariert wurde.
Vorzugsweise wird ferner die Adaption eingefroren, wenn
der Abtastwert im Eingangsignal als fehlerhaft deklariert
wurde.
Ebenso ist es vorteilhaft, die Messung der Leistung des
Fehlersignals und/oder des Eingangsignals nur für
Abtastwerte fortzuführen, die als fehlerfrei erkannt
wurden.
Schließlich ist es von besonderem Vorteil, den
Schwellwert dynamisch dem Pegelverlauf anzupassen.
Im Prinzip besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Unterdrückung von impulsartigen Störungen in analogen
Audio- und/oder Videosignalen, der als Eingangsignal aus
den analogen Audio- oder Videosignalen gebildete
Abtastwerte zugeführt werden, wobei fehlerfreie
Abtastwerte vor oder nach der Störung herangezogen
werden, um ein Ausgangssignal mit unterdrückter Störung
ausgeben zu können, in
- - einem adaptiven Filter zur Detektion und Interpolation der impulsartigen Störung, dem die Abtastwerte des Eingangssignals zugeführt werden, wobei durch den adaptiven Filter ein Schätzwert für einen zukünftigen Abtastwert und daraus ein Fehlersignal ermittelt wird,
- - einer Einheit zur Bestimmung des Momentanwerts des Fehlersignals,
- - einem Umschalter, durch den zwischen dem Schätzwert und einem als fehlerhaft bezeichneten Abtastwert umgeschaltet wird.
Vorteilhaft wird hierbei der als fehlerhaft bezeichnete
Abtastwert auch in dem Eingangsvektor des adaptiven Filters
ersetzt.
Im Prinzip besteht das erfindungsgemäße
Aufzeichnungsgerät zur Unterdrückung von impulsartigen
Störungen in analogen Audio- und/oder Videosignalen und
digitalisierten Aufnahme dieser Audio- und/oder
Videosignale, in
- - einem Analog-Digital-Wandler zur Bildung von Abtastwerten aus den analogen Audio- und/oder Videosignalen,
- - einer Declicking-Vorrichtung nach Anspruch 7 oder B, der die Abtastwerte zur Unterdrückung von impulsartigen Störungen zugeführt werden,
- - einer Aufzeichnungsvorrichtung zur Aufnahme auf einen digitalen Datenträger, der das Ausgangssignal der Declicking-Vorrichtung direkt oder nach einer Weiterbearbeitung zugeführt wird.
Vorteilhaft weist das Aufzeichnungsgerät ferner ein
Wiedergabegerät für analoge Datenträger auf, wobei bei
der Wiedergabe dieser analogen Datenträger die darauf
gespeicherten analogen Audio- und/oder Videosignale dem
Analog-Digital-Wandler zugeführt werden.
Anhand der Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung beschrieben. Dieses zeigt:
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Click-Detektion und Auffüllung,
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Click-Detektion und Auffüllung,
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Anordnung zur Click-Detektion und Interpolation
dargestellt. Die Detektion und Interpolation wird hierbei
in einem Schritt mittels des gleichen adaptiven Filters
durchgeführt. Einem als linearer Vorwärtsprädiktor
wirkenden adaptiven Filter AF wird das Eingangsignal xn
zugeführt. Hierbei kann das Signal gegebenenfalls vorher
noch durch eine Verzögerungsstufe verzögert werden. Der
Filter AF dekorreliert das Eingangsignal und liefert nach
der Filterung bzw. Schätzung das Ausgangssignal yn. Durch
einen Summierer S1 wird dann aus dem Eingangsignal xn und
dem Ausgangssignal yn das Fehlersignal en ermittelt. In
diesem sind daher die Clicks relativ zu dem Pegel des
Nutzsignals deutlich angehoben so daß eine wesentlich
präzisere Detektion des Clicks als im Originalsignal
ermöglicht wird.
Ein Abtastwert im Eingangsignal xn wird dann als fehlerhaft
deklariert, wenn der absolute Momentanwert im Fehlersignal
en einen Schwellwert übersteigt. Dieser Schwellwert wird
dynamisch dem Pegelverlauf angepaßt, um die Detektion der
Clicks auch bei leisen Passagen der Hörbarkeit entsprechend
zu ermöglichen.
Der Schwellwert kann hierbei als die skalierte Version der
geschätzten Leistung des Fehlersignals en berechnet werden.
Hierfür wird in der Einheit pm die geschätzte Leistung des
Fehlersignals en bestimmt. Der sich hierbei ergebende Wert
wird dann durch den Multiplizierer M mit dem konstanten
Skalenfaktor thr multipliziert und liefert so den
Schwellwert. Der Schwellwert wird dann durch den Summierer
S2 von dem Momentanwert des Fehlersignals en abgezogen und
liefert so ein Steuersignal c.
Die Auffüllung eines Clicks erfolgt indem das
Ausgangssignal des adaptiven Filters yn als Ersatzwert für
den als fehlerhaft bezeichneten Abtastwert xn im Signalpfad
verwendet wird. Hierfür werden beide Signale einem
Umschalter SW zugeführt, der in Abhängigkeit von dem
Steuersignal c eines der beiden Signale als Ausgangssignal
on ausgibt. Ferner wird in diesem Fall der betreffende
Abtastwert auch im Eingangsvektor des adaptiven Filters
ersetzt, so daß der adaptive Filter am korrigierten Signal
arbeitet. Wenn der Absolutwert des Abtastwertes im
Fehlersignal en unter dem jeweiligen Schwellwert liegt,
wird im Signalpfad dagegen keine Änderung vorgenommen, d. h.
das Ausgangssignal on des Declickers entspricht dann dem
Eingangssignal xn.
Die Adaption des adaptiven Filters wird nur zu den
diskreten Zeitpunkten durchgeführt, in denen der Abtastwert
im Eingangsignal als fehlerfrei deklariert wurde. Wurde er
als fehlerhaft deklariert, wird die Adaption eingefroren.
In ähnlicher Weise wird die Messung der Leistung des
Fehlersignals und des Eingangsignals nur für Abtastwerte
fortgeführt, die als fehlerfrei erkannt wurden.
Für die Erfindung können verschiedene spezielle
Filterstrukturen, wie adaptive FIR und IIR Filter, sowie
verschiedene spezielle Adaptionsalgorithmen (NLMS, RLS,
FTF, Feintuch usw.) in einer Vielzahl von Kombinationen
verwendet werden. Besonders gute Ergebnisse liefert hierbei
z. B. die Anwendung eines adaptiven NLMS-FIR Filter als
Vorwärtsprädiktor der Länge von 30-50 Taps bei einer
Abtastfrequenz von 48 kHz.
Ein solcher adaptiver NLMS-FIR-Filter verwendet einen
speziellen LMS (Least-Mean-Squares)-Algorithmus zur
Adaption der Koeffizienten h1, h2, . . ., hN des FIR Filters
nach folgender Gleichung:
hi(n+1) = hi(n) + a.e(n).x(n-i)/Px(n)
i = 1, 2, . . ., N
i = 1, 2, . . ., N
wobei die Variablen wie folgt definiert sind
n: diskreter Zeitindex
a: Schrittgröße
x: Abtastwert des Eingangsignals
e: Fehlersignal,
mit e(n) = x(n)-y(n),
y(n): Signal am FIR-Filter-Ausgang
Px: Leistung des Signals x.
n: diskreter Zeitindex
a: Schrittgröße
x: Abtastwert des Eingangsignals
e: Fehlersignal,
mit e(n) = x(n)-y(n),
y(n): Signal am FIR-Filter-Ausgang
Px: Leistung des Signals x.
Die Leistung des Eingangsignals xn zur Normierung im NLMS
kann dabei durch einen Tiefpaßfilter erster Ordnung
gemessen werden, der eine Übertragungsfunktion der Form
H(z) = (1-q)/(1-q.zˆ(-1)) hat. Ein weiterer Tiefpaßfilter
gleicher Struktur kann zur Messung der Leistung des
Fehlersignals en zur Schwellwertberechnung verwendet
werden.
Die Erfindung kann bei der Wiedergabe und/oder erneuten
Aufnahme von aufgezeichneten Sprach- und Musiksignalen
(Schallplatten, Tonbänder), Mehrwege-Kommunikationssysteme,
cellulare digitale Telephonsysteme usw. angewendet werden.
Insbesonders ist eine Anwendung in verschiedenen
Aufzeichnungsgeräten der Unterhaltungselektronik, wie z. B.
von MD-Spielern, DVD-Spielern für wiederbeschreibbare
Video-Disks oder DVC-Geräten möglich, die als Einzelgeräte
vorliegen können, aber ebenso mit anderen Geräten der
Unterhaltungselektronik wie Tonbandgeräten oder
Kassettenrekordern kombiniert sein können oder Teil eines
Personal Computers sein können. Ferner kann die
erfindungsgemäße Vorrichtung auch als separates Gerät zur
Click-Unterdrückung ausgestaltet sein.
Schließlich ist die Erfindung nicht auf Audiosignale
beschränkt sondern kann ebenso für Videosignale eingesetzt
werden.
Claims (10)
1. Verfahren zur Unterdrückung von impulsartigen
Störungen in analogen Audio- und/oder Videosignalen,
wobei von den analogen Audio- und/oder Videosignalen
Abtastwerte gebildet werden, die als Eingangsignal
(xn) dienen und wobei fehlerfreie Abtastwerte vor
oder nach der Störung zur Unterdrückung der Störung
herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß
- - eine adaptive Filterung (AF) durchgeführt wird, die sowohl zur Detektion als auch zur Interpolation der impulsartigen Störung verwendet wird, wobei
- - durch die adaptive Filterung (AF) des Eingangsignals (xn) ein Fehlersignal (en) ermittelt wird,
- - ein Abtastwert im Eingangsignal (xn) als fehlerhaft deklariert wird, wenn der absolute Momentanwert im Fehlersignal (en) einen Schwellwert übersteigt,
- - das Ausgangssignal der adaptiven Filterung (yn) als Ersatzwert für den als fehlerhaft bezeichneten Abtastwert verwendet wird,
- - der als fehlerhaft bezeichnete Abtastwert auch in den Eingangswerten der adaptiven Filterung ersetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß im Signalpfad keine Änderung vorgenommen wird, wenn
der absolute Abtastwert im Fehlersignal (en) unter dem
jeweiligen Schwellwert liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Adaption der adaptiven
Filterung nur zu den diskreten Zeitpunkten durchgeführt
wird, in denen der Abtastwert im Eingangsignal als
fehlerfrei deklariert wurde.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Adaption eingefroren wird, wenn der Abtastwert
im Eingangsignal als fehlerhaft deklariert wurde.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Leistung
des Fehlersignals und/oder des Eingangsignals nur für
Abtastwerte fortgeführt wird, die als fehlerfrei
erkannt wurden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert dynamisch
dem Pegelverlauf angepaßt wird.
7. Vorrichtung zur Unterdrückung von impulsartigen
Störungen in analogen Audio- und/oder Videosignalen,
der als Eingangsignal (xn) aus den analogen Audio- oder
Videosignalen gebildete Abtastwerte zugeführt
werden, wobei fehlerfreie Abtastwerte vor oder nach
der Störung herangezogen werden, um ein Ausgangssignal
(on) mit unterdrückter Störung ausgeben zu können,
gekennzeichnet durch
- - ein adaptives Filter (AF) zur Detektion und Interpolation der impulsartigen Störung, dem die Abtastwerte des Eingangssignals zugeführt werden, wobei durch den adaptiven Filter ein Schätzwert für einen zukünftigen Abtastwert und daraus ein Fehlersignal (en) ermittelt wird,
- - eine Einheit zur Bestimmung des Momentanwerts des Fehlersignals (en),
- - einen Umschalter, durch den zwischen dem Schätzwert und einem als fehlerhaft bezeichneten Abtastwert umgeschaltet wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der als fehlerhaft bezeichnete Abtastwert auch in
dem Eingangsvektor des adaptiven Filters ersetzt wird.
9. Aufzeichnungsgerät zur Unterdrückung von
impulsartigen Störungen in analogen Audio- und/oder
Videosignalen und digitalisierten Aufnahme dieser
Audio- und/oder Videosignale, gekennzeichnet durch,
- - einen Analog-Digital-Wandler zur Bildung von Abtastwerten aus den analogen Audio- und/oder Videosignalen,
- - eine Declicking-Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, der die Abtastwerte zur Unterdrückung von impulsartigen Störungen zugeführt werden,
- - eine Aufzeichnungsvorrichtung zur Aufnahme auf einen digitalen Datenträger, der das Ausgangssignal der Declicking-Vorrichtung direkt oder nach einer Weiterbearbeitung zugeführt wird.
10. Aufzeichnungsgerät nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß dieses ferner ein Wiedergabegerät
für analoge Datenträger aufweist, wobei bei der
Wiedergabe dieser analogen Datenträger die darauf
gespeicherten analogen Audio- und/oder Videosignale
dem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden.
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