1 Einführung.- 1.1 Studiotechnik.- 1.2 Digitale Übertragungsverfahren.- 1.3 Speichermedien.- 1.4 Audio-Komponenten im Heimbereich.- 2 Quantisierung.- 2.1 Signalquantisierung.- 2.1.1 Klassisches Quantisierungsmodell.- 2.1.2 Quantisierungstheorem.- 2.1.3 Statistik des Quantisierungsfehlers.- 2.2 Dither-Techniken.- 2.2.1 Prinzip.- 2.2.2 Realisierung.- 2.2.3 Beispiele.- 2.3 Spektralformung von Quantisierungsfehlern.- 2.4 Zahlendarstellung.- 2.4.1 Festkomma-Zahlendarstellung.- 2.4.2 Gleitkomma-Zahlendarstellung.- 2.4.3 Auswirkungen auf Formatkonversion und Algorithmen.- 3 AD/DA-Umsetzung.- 3.1 Verfahren.- 3.1.1 Nyquist-Abtastung.- 3.1.2 Überabtastungsverfahren.- 3.1.3 Delta-Sigma Verfahren.- 3.2 AD-Umsetzer.- 3.2.1 AD-Kenngrößen.- 3.2.2 Parallel-Umsetzer.- 3.2.3 Sukzessive Approximation.- 3.2.4 Zählverfahren.- 3.2.5 Delta-Sigma AD-Umsetzer.- 3.3 DA-Umsetzer.- 3.3.1 DA-Kenngrößen.- 3.3.2 Geschaltete Spannungs- und Stromquellen.- 3.3.3 Gewichtete Widerstände und Kapazitäten.- 3.3.4 R-2R-Widerstandsnetzwerke.- 3.3.5 Delta-Sigma DA-Umsetzer.- 4 Audio-Verarbeitungssysteme.- 4.1 Digitale Signalprozessoren.- 4.1.1 Festkomma-Signalprozessoren.- 4.1.2 Gleitkomma-Signalprozessoren.- 4.1.3 Entwicklungswerkzeuge.- 4.2 Digitale Audio-Schnittstellen.- 4.2.1 Zweikanalige AES/EBU-Schnittstelle.- 4.2.2 Mehrkanal-Schnittstelle (MADI).- 4.3 Einprozessor-Systeme.- 4.3.1 Peripherie.- 4.3.2 Steuerung.- 4.4 Mehrprozessor-Systeme.- 4.4.1 Kopplung über serielle Verbindungen.- 4.4.2 Kopplung über parallele Verbindungen.- 4.4.3 Kopplung über Standard-Bussysteme.- 4.4.4 Skalierbares Audio-Verarbeitungssystem.- 5 Klangbewertungsfilter.- 5.1 Rekursive Audio-Filter.- 5.1.1 Entwurf rekursiver Audio-Filter.- 5.1.2 Parametrische Filterstrukturen.- 5.1.3 Quantisierungseffekte bei rekursiven Filtern.- 5.2 Nichtrekursive Audio-Filter.- 5.2.1 Schnelle Faltung.- 5.2.2 Schnelle Faltung langer Folgen.- 5.2.3 Filterentwurf mit Frequenzabtastung.- 5.3 Multikomplementär-Filterbank.- 5.3.1 Prinzip.- 5.3.2 Beispiel: 8-Band Multikomplementär-Filterbank.- 6 Raumsimulation.- 6.1 Erste Reflexionen.- 6.1.1 Untersuchungen von Ando.- 6.1.2 Gerzon-Algorithmus.- 6.2 Diffuser Nachhall.- 6.2.1 Schroeder-Algorithmus.- 6.2.2 Verallgemeinerte Rückkopplungsstrukturen.- 6.3 Approximation von Raumimpulsantworten.- 7 Dynamikbeeinflussung.- 7.1 Statische Kennlinie.- 7.2 Dynamische Eigenschaften.- 7.2.1 Pegelmessung.- 7.2.2 Glättung des Steuerwertes.- 7.2.3 Zeitkonstantenbildung.- 7.3 Dynamik-Realisierung.- 7.3.1 Limiter.- 7.3.2 Compressor, Expander, Noisegate.- 7.3.3 Kombinationssystem.- 7.4 Realisierungsaspekte.- 7.4.1 Abtastratenreduktion.- 7.4.2 Kennlinienapproximation.- 7.4.3 Stereo-Verarbeitung.- 8 Abtastratenumsetzung.- 8.1 Synchrone Umsetzung.- 8.2 Asynchrone Umsetzung.- 8.2.1 Einstufige Verfahren.- 8.2.2 Mehrstufige Verfahren.- 8.2.3 Steuerung der Interpolationsfilter.- 8.3 Interpolationsverfahren.- 8.3.1 Polynom-Interpolation.- 8.3.2 Lagrange-Interpolation.- 8.3.3 Spline-Interpolation.- 9 Datenkompression.- 9.1 Verlustlose Datenkompression.- 9.2 Verlustbehaftete Datenkompression.- 9.3 Psychoakustische Grundlagen.- 9.3.1 Frequenzgruppe und absolute Hörschwelle.- 9.3.2 Ausnutzung der Maskierung.- 9.4 ISO-MPEG1 Audio-Codierung.- 9.4.1 Filterbänke.- 9.4.2 Psychoakustische Modelle.- 9.4.3 Dynamische Bitzuweisung und Codierung.
Die digitale Audiosignalverarbeitung wird zur Aufnahme und Speicherung von Musik-und Sprachsignalen, zur Tonmischung und Produktion digitaler Tonträger, zur digitalen Übertragung zum Rundfunkempfänger und in Consumergeräten wie CD, DAT und PC eingesetzt. Hierbei befindet sich das Audiosignal direkt nach dem Mikrofon bis hin zur Lautsprecherbox in digitaler Form, so daß eine Echtzeit Verarbeitung mit schnellen digitalen Signalprozessoren durchgeführt werden kann. Das vorliegende Buch ist Grundlage einer Vorlesung Digitale Audiosignalver arbeitung, die ich seit 1992 an der Technischen Universität Hamburg-Harburg für höhere Semester halte. Es wendet sich an Studenten der Ingenieurwissenschaf ten, Informatik und Physik, aber auch an den Praktiker in der Industrie, der sich mit Aufgaben der Audiosignalverarbeitung in den Bereichen Studiotechnik, Consumer-Elektronik und Multimedia beschäftigt. Es werden die mathematischen und systemtheoretischen Grundlagen der digitalen Audiosignalverarbeitung be handelt und die typischen Anwendungen im Hinblick auf Realisierungsaspekte diskutiert. Vorausgesetzt werden Kenntnisse in der Systemtheorie, der digitalen Signalverarbeitung und der Multiraten-Signalverarbeitung. Das Buch gliedert sich in einen ersten Teil (Kapitell bis 4), in dem die Grundla gen für Hardware-Systeme zur digitalen Audiosignalverarbeitung dargestellt wer den, und in einen zweiten Teil (Kapitel 5 bis 9), in dem Signalverarbeitungsalgo rithmen für digitale Audiosignale diskutiert werden. In Kapitel 1 wird der Weg eines Audiosignals von der Aufnahme im Tonstudio bis hin zur Wiedergabe im Heimbereich beschrieben. Das Kapitel 2 beinhaltet eine Darstellung der Signal quantisierung, Dither-Techniken und Spektralformung von Quantisierungsfehlern zur Reduktion der nichtlinearen Effekte der Signalquantisierung. Abschließend wird eine Gegenüberstellung von Festkomma-und Gleitkomma-Zahlendarstellung und deren Auswirkung auf Formatkonversionen und Algorithmen vorgenommen.
1 Einführung.- 1.1 Studiotechnik.- 1.2 Digitale Übertragungsverfahren.- 1.3 Speichermedien.- 1.4 Audio-Komponenten im Heimbereich.- 2 Quantisierung.- 2.1 Signalquantisierung.- 2.2 Dither-Techniken.- 2.3 Spektralformung von Quantisierungsfehlern.- 2.4 Zahlendarstellung.- 3 AD/DA-Umsetzung.- 3.1 Verfahren.- 3.2 AD-Umsetzer.- 3.3 DA-Umsetzer.- 4 Audio-Verarbeitungssysteme.- 4.1 Digitale Signalprozessoren.- 4.2 Digitale Audio-Schnittstellen.- 4.3 Einprozessor-Systeme.- 4.4 Mehrprozessor-Systeme.- 5 Klangbewertungsfilter.- 5.1 Rekursive Audio-Filter.- 5.2 Nichtrekursive Audio-Filter.- 5.3 Multikomplementär-Filterbank.- 6 Raumsimulation.- 6.1 Erste Reflexionen.- 6.2 Diffuser Nachhall.- 6.3 Approximation von Raumimpulsantworten.- 7 Dynamikbeeinflussung.- 7.1 Statische Kennlinie.- 7.2 Dynamische Eigenschaften.- 7.3 Dynamik-Realisierung.- 7.4 Realisierungsaspekte.- 8 Abtastratenumsetzung.- 8.1 Synchrone Umsetzung.- 8.2 Asynchrone Umsetzung.- 8.3 Interpolationsverfahren.- 9 Datenkompression.- 9.1 Verlustlose Datenkompression.- 9.2 Verlustbehaftete Datenkompression.- 9.3 Psychoakustische Grundlagen.- 9.4 ISO-MPEG1 Audio-Codierung.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung.- 1.1 Studiotechnik.- 1.2 Digitale Übertragungsverfahren.- 1.3 Speichermedien.- 1.4 Audio-Komponenten im Heimbereich.- 2 Quantisierung.- 2.1 Signalquantisierung.- 2.1.1 Klassisches Quantisierungsmodell.- 2.1.2 Quantisierungstheorem.- 2.1.3 Statistik des Quantisierungsfehlers.- 2.2 Dither-Techniken.- 2.2.1 Prinzip.- 2.2.2 Realisierung.- 2.2.3 Beispiele.- 2.3 Spektralformung von Quantisierungsfehlern.- 2.4 Zahlendarstellung.- 2.4.1 Festkomma-Zahlendarstellung.- 2.4.2 Gleitkomma-Zahlendarstellung.- 2.4.3 Auswirkungen auf Formatkonversion und Algorithmen.- 3 AD/DA-Umsetzung.- 3.1 Verfahren.- 3.1.1 Nyquist-Abtastung.- 3.1.2 Überabtastungsverfahren.- 3.1.3 Delta-Sigma Verfahren.- 3.2 AD-Umsetzer.- 3.2.1 AD-Kenngrößen.- 3.2.2 Parallel-Umsetzer.- 3.2.3 Sukzessive Approximation.- 3.2.4 Zählverfahren.- 3.2.5 Delta-Sigma AD-Umsetzer.- 3.3 DA-Umsetzer.- 3.3.1 DA-Kenngrößen.- 3.3.2 Geschaltete Spannungs- und Stromquellen.- 3.3.3 Gewichtete Widerstände und Kapazitäten.- 3.3.4 R-2R-Widerstandsnetzwerke.- 3.3.5 Delta-Sigma DA-Umsetzer.- 4 Audio-Verarbeitungssysteme.- 4.1 Digitale Signalprozessoren.- 4.1.1 Festkomma-Signalprozessoren.- 4.1.2 Gleitkomma-Signalprozessoren.- 4.1.3 Entwicklungswerkzeuge.- 4.2 Digitale Audio-Schnittstellen.- 4.2.1 Zweikanalige AES/EBU-Schnittstelle.- 4.2.2 Mehrkanal-Schnittstelle (MADI).- 4.3 Einprozessor-Systeme.- 4.3.1 Peripherie.- 4.3.2 Steuerung.- 4.4 Mehrprozessor-Systeme.- 4.4.1 Kopplung über serielle Verbindungen.- 4.4.2 Kopplung über parallele Verbindungen.- 4.4.3 Kopplung über Standard-Bussysteme.- 4.4.4 Skalierbares Audio-Verarbeitungssystem.- 5 Klangbewertungsfilter.- 5.1 Rekursive Audio-Filter.- 5.1.1 Entwurf rekursiver Audio-Filter.- 5.1.2 Parametrische Filterstrukturen.- 5.1.3 Quantisierungseffekte bei rekursiven Filtern.- 5.2 Nichtrekursive Audio-Filter.- 5.2.1 Schnelle Faltung.- 5.2.2 Schnelle Faltung langer Folgen.- 5.2.3 Filterentwurf mit Frequenzabtastung.- 5.3 Multikomplementär-Filterbank.- 5.3.1 Prinzip.- 5.3.2 Beispiel: 8-Band Multikomplementär-Filterbank.- 6 Raumsimulation.- 6.1 Erste Reflexionen.- 6.1.1 Untersuchungen von Ando.- 6.1.2 Gerzon-Algorithmus.- 6.2 Diffuser Nachhall.- 6.2.1 Schroeder-Algorithmus.- 6.2.2 Verallgemeinerte Rückkopplungsstrukturen.- 6.3 Approximation von Raumimpulsantworten.- 7 Dynamikbeeinflussung.- 7.1 Statische Kennlinie.- 7.2 Dynamische Eigenschaften.- 7.2.1 Pegelmessung.- 7.2.2 Glättung des Steuerwertes.- 7.2.3 Zeitkonstantenbildung.- 7.3 Dynamik-Realisierung.- 7.3.1 Limiter.- 7.3.2 Compressor, Expander, Noisegate.- 7.3.3 Kombinationssystem.- 7.4 Realisierungsaspekte.- 7.4.1 Abtastratenreduktion.- 7.4.2 Kennlinienapproximation.- 7.4.3 Stereo-Verarbeitung.- 8 Abtastratenumsetzung.- 8.1 Synchrone Umsetzung.- 8.2 Asynchrone Umsetzung.- 8.2.1 Einstufige Verfahren.- 8.2.2 Mehrstufige Verfahren.- 8.2.3 Steuerung der Interpolationsfilter.- 8.3 Interpolationsverfahren.- 8.3.1 Polynom-Interpolation.- 8.3.2 Lagrange-Interpolation.- 8.3.3 Spline-Interpolation.- 9 Datenkompression.- 9.1 Verlustlose Datenkompression.- 9.2 Verlustbehaftete Datenkompression.- 9.3 Psychoakustische Grundlagen.- 9.3.1 Frequenzgruppe und absolute Hörschwelle.- 9.3.2 Ausnutzung der Maskierung.- 9.4 ISO-MPEG1 Audio-Codierung.- 9.4.1 Filterbänke.- 9.4.2 Psychoakustische Modelle.- 9.4.3 Dynamische Bitzuweisung und Codierung.
