DE69230760T2

DE69230760T2 - Integrierte signalisierung

Info

Publication number: DE69230760T2
Application number: DE69230760T
Authority: DE
Inventors: Antonio Bergamo; Gregory Derr; Herbert Gish; W. Huggins; Mangan Peterson; David Preuss; Estephan Roukos
Original assignee: Bolt Beranek and Newman Inc
Current assignee: Bolt Beranek and Newman Inc
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1992-12-10
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2012-12-11
Also published as: JPH07505984A; US5319735A; EP0617865A4; KR940704095A; WO1993012599A1; AU676143B2; ATE190446T1; CA2126099C; AU3320793A; JP3264668B2; EP0617865A1; DE69230760D1; CA2126099A1; EP0617865B1; KR100287536B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein eingebettetes Signalgebungssystem und insbesondere auf ein System zum Einbetten eines Codesignals in ein Audiosignal in der Weise, daß das zusammengesetzte Signal nicht leicht von dem ursprünglichen Audiosignal durch Zuhören unterscheidbar ist, sowie in der Weise, daß das Codesignal nicht leicht entfernt oder verdeckt werden kann, ohne daß gleichzeitig die Qualität des Audiosignals herabgesetzt wird.
Es gibt zahlreiche Gründe, um ein System oder Einrichtungen zum leichten Identifizieren der Quelle eines Audiosignals zu schaffen. Ganz besonders in der Musik- und Aufzeichnungsindustrie wird ein derartiges System gewünscht:
- zur automatischen Rundfunkaufführungsabrechnung und -revision einer Radiosendung, um bei der Marktplanung zu helfen
- zur Revision veröffentlichter Produkte von lizensierten Titeln, um ihre Quelle zu bestätigen
- zur administrativen Steuerung von Musiktiteln bei Studio- und Herstellungsoperationen
- zum Bestimmen der Quelle einer unerlaubten Freigabe des Masterbandes zur Revision elektronischer Übergabekanäle zur Durchsetzung der richtigen Bezahlung der Lizenzgebühr
- zum Beweis für den Originaltitel, wo ein klangähnlicher beansprucht wird, um abgetastete Musiktitel zu erkennen, die in neue Tonaufnahmen aufgenommen sind
- zur Kontrolle der Berechtigung zum Kopieren
- zur Identifizierung der Verletzung des Urheberrechts durch direktes Kopieren und
- zum automatischen Katalogisieren der Inhalte einer Hörbibliothek.
Es ist selbstverständlich, daß es höchst wünschenswert ist, daß die Identifizierungsinformationen, die von einem derartigen System verwendet werden, nicht leicht gelöscht oder verdeckt werden können, z. B. durch Einschließen zusätzlichen Tonmaterials oder durch Überspielen des Materials auf unterschiedliche Medien. Systeme, die auf eine firmeneigene Anpassung des Digitalformats angewiesen sind, das für die Aufzeichnung der Audiosignale auf verschiedenen hochwertigen Medien verwendet wird, wie z. B. Compact-Disks und digitale Tonbänder (DAT), sind derartigen Problemen ausgesetzt, weil die Identifizierungsinformationen typischerweise verloren oder nicht länger wiederherstellbar sind, sobald die ursprüngliche Digitalaufzeichnung in die analoge Form umgesetzt wird.
US-A-4.972.471 offenbart ein Verfahren zum Codieren von Mehrfrequenzsignalen, insbesondere jener, die aufgezeichnet und abgespielt werden sollen, mit Identifizierungsinformationen in einer Weise, um leicht aus dem codierten Signal in einer maschinenlesbaren Form extrahiert zu werden, sowie die Implementierungsvorrichtung.
Obwohl es daher wünschenswert ist, daß die Identifizierungsinformationen dauernd und untrennbar mit dem ursprünglichen Audiosignal verflochten sind, ist es außerdem wichtig, daß die Anwesenheit des Codesignals, das diese Informationen darstellt, nicht auf die gewöhnlich beabsichtigte Verwendung des Audiosignals störend einwirkt, z. B. daß die Qualität eines Audiosignals, das zur Unterhaltung vorgesehen ist, nicht herabgesetzt wird.
Unter den verschiedenen Aufgaben der vorliegenden Erfindung können die Bereitstellung eines neuartigen Verfahrens zum Einbetten von Codesymbolen in ein Audiosignal; die Bereitstellung eines derartigen Verfahrens, das zu einem zusammengesetzten Audiosignal führt, das von dem Original nicht leicht durch Zuhören unterscheidbar ist; die Bereitstellung eines derartigen Verfahrens, in dem das zusammengesetzte Audiosignal nicht leicht modifizierbar ist, um die Codesymbole zu verdecken oder zu beseitigen, ohne gleichzeitig die Qualität des Audiosignals herabzusetzen; die Bereitstellung eines derartigen Verfahrens, in dem die Codesymbole zuverlässig aus dem zusammengesetzten Audiosignal extrahiert werden können und die Bereitstellung eines derartigen Verfahrens, das verhältnismäßig einfach und billig implementiert werden kann, erwähnt werden. Andere Aufgaben und Merkmale werden teilweise offensichtlich sein und teilweise im folgenden gezeigt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 werden die Informationen codiert, um eine Sequenz von Codesymbolen zu erzeugen. Diese Sequenz von Codesymbolen wird durch Erzeugen eines entsprechenden Codesignals, das die Sequenz von Codesymbolen darstellt, in ein Audiosignal eingebettet, wobei die Frequenzkomponenten des Codesignals im Prinzip auf ein im voraus gewähltes Signalgebungsband eingeschränkt sind, das innerhalb der Bandbreite des Audiosignals liegt, und aufeinanderfolgende Segmente des Codesignals aufeinanderfolgenden Codesymbolen in der Sequenz entsprechen. Die Frequenz des Audiosignals wird kontinuierlich über ein Frequenzband analysiert, das das Signalgebungsband umfaßt, wobei das Codesignal dynamisch in Abhängigkeit von der Analyse gefiltert wird, um dadurch ein modifiziertes Codesignal zu schaffen, das Frequenzkomponenten-Pegel besitzt, die zu jedem Zeitpunkt im Prinzip ein im voraus gewählter Anteil der Pegel der Audiosignal-Frequenzkomponenten in entsprechenden Frequenzbereichen sind. Das modifizierte Codesignal und das Audiosignal werden kombiniert, um ein zusammengesetztes Audiosignal zu schaffen, in das die digitalen Informationen eingebettet sind. Dieses zusammengesetzte Audiosignal wird dann auf einem Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet oder wird anderweitig einem Übertragungskanal unterworfen.
Es werden außerdem eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 17 geschaffen.
Gemäß der Erfindung werden die digitalen Informationen aus dem zusammengesetzten Audiosignal durch ein Verfahren wiederhergestellt, das im Prinzip zu dem Einbettungsprozeß reziprok ist. Die Frequenz des zusammengesetzten Audiosignals wird kontinuierlich über ein Frequenzband analysiert, das das Signalgebungsband umfaßt, wobei es dynamisch in Abhängigkeit der Analyse gefiltert wird, um ein ausgeglichenes Signal zu schaffen, das Frequenzkomponenten-Pegel besitzt, die zu jedem Zeitpunkt im Prinzip gleichförmig durch das Signalgebungsband sind, und die vorzugsweise bei Frequenzen außerhalb des Signalgebungsbandes im Prinzip gleich null sind. Gemäß anderer Aspekte der Erfindung erfaßt ein Synchronisationsverfahren die Anwesenheit des Codesignals in dem ausgeglichenen Signal und lokalisiert die aufeinanderfolgenden Codesignalsegmente. Ein angepaßtes Filterungsverfahren identifiziert dann die aufeinanderfolgenden Codesignalsegmente und extrahiert dadurch die jeweilige Sequenz von Codesymbolen. Die digitalen Informationen werden dann aus dieser Sequenz von Codesymbolen wiederhergestellt.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein Basisblockschaltplan der Vorrichtung für die Einbettung digitaler Informationen in ein Audiosignal gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist ein Basisblockschaltplan einer Vorrichtung zur Wiederherstellung der digitalen Informationen aus einem zusammengesetzten Audiosignal gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist ein Blockschaltplan einer Vorrichtung, die die Streuspektrum-Modulatorfunktion implementiert, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Fig. 4 ist ein Blockschaltplan einer Vorrichtung, die die Codesignalformerfunktion implementiert, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Fig. 5 ist ein Blockschaltplan einer Vorrichtung, die die Signalkombinatorfunktion implementiert, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Fig. 6 ist ein Blockschaltplan einer Vorrichtung, die die Signalausgleichsfunktion implementiert, die in Fig. 2 gezeigt ist.
Fig. 7 ist ein Blockschaltplan einer Vorrichtung, die die Streuspektrum-Demodulatorfunktion implementiert, die in Fig. 2 gezeigt ist.
Fig. 8 erläutert den Frequenzgang einer Gruppe von Bandpaßfiltern, die für die Frequenzanalyse verwendet wird.
Fig. 9 erläutert den Frequenzgang einer Gruppe von Bandpaßfiltern, die für die Signalformung verwendet werden.
Fig. 10 erläutert die Verteilung der Maskierungsenergie und der Energie des modifizierten Codesignals, die in dem Fall berechnet sind, daß das ursprüngliche Audiosignal ein Ton ist.
Fig. 11 erläutert die Beziehung zwischen den Frequenzverteilungen des ursprünglichen Audiosignals und dem modifizierten Codesignal.
Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile durch die verschiedenen Ansichten der Zeichnung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

In der besonderen Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, das hierin zum Zweck der Erläuterung beschrieben ist, werden die zu signalisierenden digitalen Informationen mittels eines Prozesses transformiert, der als eine Streuspektrum-Technik in ein modifiziertes Codesignal beschrieben werden kann, das diese digitalen Informationen in einer derartigen Weise darstellt, daß das modifizierte Codesignal mit dem ursprünglichen Audiosignal kombiniert werden kann, um ein zusammengesetztes Audiosignal zu bilden, das durch Zuhören nicht leicht von dem ursprünglichen Audiosignal unterscheidbar ist. Im besonderen werden die digitalen Informationen durch eine Sequenz von Codesymbolen dargestellt, wobei jedes Codesymbol wiederum durch eine Pseudozufallszahl-Sequenz dargestellt wird, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gefiltert und dynamisch modifiziert wird und die dann mittels eines angepaßten Filters nachweisbar ist.
Das zusammengesetzte Audiosignal kann dann aufgezeichnet oder anderweitig einem Übertragungskanal unterworfen werden, der das zusammengesetzte Audiosignal verzerren und/oder modifizieren kann. Die digitalen Informationen können dann aus diesem verzerrten und/oder modifizierten zusammengesetzten Audiosignal mittels eines Verfahrens wiederhergestellt werden, das in vieler Hinsicht ein Komplement oder eine Umkehrung des Verfahrens ist, das das zusammengesetzte Audiosignal erzeugt. Die wiederhergestellten digitalen Informationen werden in dem Fall sehr zuverlässig sein, daß derartige Verzerrungen und/oder Modifikationen die Qualität des zusammengesetzten Audio signals nicht herabsetzen.
Während viele der verschiedenen zu beschreibenden Verarbeitungsschritte ebenfalls durch eine analoge Schaltungsanordnung ausgeführt werden könnten, wird es gegenwärtig bevorzugt, daß im Prinzip alle diese Schritte durch Digitaltechniken ausgeführt werden, wie z. B. diejenigen, die üblicherweise in integrierten Schaltungen für die digitale Signalverarbeitung in speziellen Anwendungen oder in Hochgeschwindigkeits-Mikrocomputern implementiert sind. Obwohl die verschiedenen Komponenten oder Schritte des Verfahrens der vorliegenden Erfindung durch getrennte Blöcke in den Schaltplänen nach Fig. 1 und 2 dargestellt sind, werden folglich diese Schritte tatsächlich vorzugsweise z. B. durch die geeignete Programmierung eines Digitalprozessors implementiert.
In Fig. 1 wird eine Sequenz von Codesymbolen, die in ein Audiosignal einzubetten ist, als die Ausgabe eines Fehlerüberwachungscodierers 100 abgeleitet. Die hierin beschriebene besondere Ausführung verwendet einen Fehlerüberwachungscodierer, der den Fachleuten als Reed-Solomon-Codierer bekannt ist, der für jeden Block aus k eingegebenen Informationssymbolen einen Block aus n Codesymbolen erzeugt. Die Informationssymbole können z. B. den Namen des Künstlers und den Titel der Musikauswahl enthalten. Diese Informations- und Codesymbole werden aus einem gemeinsamen Alphabet aus 256 Symbolen entnommen, so daß jedes Informationssymbol 8 Bit der Informationen oder ein ASCII-Zeichen darstellt. Die Werte von k = 32 und n = 51 sind für die beschriebene besondere Ausführung geeignet. Diese Verwendung eines Fehlerüberwachungscodierers im Zusammenhang mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist eine gut verstandene Einrichtung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Wiedergewinnung der Informationen. Im besonderen können die k Informationssymbole aus den n Codesymbolen mittels eines Reed- Solomon-Decodieres in dem Fall wiedergewonnen werden, daß einige der n Codesymbole falsch oder gelöscht sind. Die hierin beschriebene besondere Ausführung des Fehlerüberwachungscodierers 100 erzeugt ferner eine Sequenz von m speziellen Codesymbolen, die unmittelbar vor der Erzeugung jedes Blocks aus n Codesymbolen, der von dem Reed-Solomon-Codierer ausgegeben wird, aus einem verschiedenen Alphabet entnommen werden. Diese speziellen Codesymbole werden aus einem speziellen Alphabet aus 2 Symbo len entnommen, so daß alle Codesymbole aus einem kombinierten Alphabet aus 256 + 2 = 258 Symbolen entnommen werden. Ein Wert von m = 13 ist für die beschriebene besondere Ausführung geeignet. Die Einführung eines speziellen Codesymbols ist ein einfaches Mittel zur Verminderung der Komplexität der Codesignal-Detektor- & Synchronisatorfunktion, die als Block 700 in Fig. 2 gezeigt ist. Jede Gruppe aus m speziellen Codesymbolen, die von n Codesymbolen gefolgt wird, die von dem Reed-Solomon-Codierer ausgegeben werden, wird zweckmäßigerweise als ein Nachrichtenblock bezeichnet.
Die resultierende Sequenz von Codesymbolen wird ferner mittels eines Streuspektrum-Modulators 200 codiert, um ein Codesignal zu erzeugen, das die Sequenz von Codesymbolen darstellt. Im besonderen wird jedes Codesymbol durch eine entsprechende Pseudozufallszahl-Sequenz dargestellt, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gefiltert und modifiziert wird. Als eine Folge entsprechen aufeinanderfolgende Codesignalsegmente aufeinanderfolgenden Codesymbolen, die dann mittels eines angepaßten Filters nachweisbar und unterscheidbar sind.
Das Codesignal wird dann mittels eines Codesignalformers 300 modifiziert, um ein modifiziertes Codesignal zu erzeugen, das Frequenzkomponenten-Pegel besitzt, die zu jedem Zeitpunkt im Prinzip ein im voraus gewählter Anteil des Pegels der Audiosignal-Frequenzkomponenten in dem entsprechenden Frequenzbereich sind. Das dynamisch modifizierte Codesignal wird dann mit dem ursprünglichen Audiosignal mittels eines Signalkombinierers 400 kombiniert, um ein zusammengesetztes Audiosignal zu erzeugen.
Das zusammengesetzte Audiosignal wird dann auf einem Aufzeichnungsmedium, wie z. B. einem DAT, aufgezeichnet oder wird anderweitig einem Übertragungskanal unterworfen, der eine signifikante Verzerrung und/oder eine weitere Modifikation des zusammengesetzten Audiosignals mit sich bringen kann oder nicht. Wie vorher angegeben ist, ist es ein erwünschtes Merkmal des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, daß die Identifizierungsinformationen zuverlässig aus dem zusammengesetzten Audiosignal nach derartigen Verzerrungen und/oder weiteren Modifizierungen in dem Fall wiederherstellbar sind, daß derartige Verzerrungen und/oder Modifizierungen die Qualität des zusammengesetzten Audiosignals nicht signifikant herabsetzen.
In Fig. 2 wird das zusammengesetzte Audiosignal während des Empfangs oder der Wiedergabe von einem Aufzeichnungsmedium mittels eines Signalausgleichers 500, der eine Funktion ausführt, die im Prinzip das Komplement oder das Reziproke der durch den Codesignalformer 300 ausgeführten Funktion ist, in ein ausgeglichenes Signal transformiert. Die Anwesenheit des Codesignals in dem ausgeglichenen Signal wird mittels eines Codesignaldetektors & Synchronisators 700 erfaßt, der außerdem die erforderlichen anfänglichen Taktinformationen bestimmt, die die aufeinanderfolgenden Codesignalsegmente lokalisieren, die den aufeinanderfolgenden Codesymbolen entsprechen.
Die Sequenz von Codesymbolen wird mittels eines Streuspektrum-Demodulators 600 wiederhergestellt, der eine Funktion ausführt, die im Prinzip das Komplement der Funktion ist, die durch den Streuspektrum-Modulator 200 ausgeführt wird. Der Synchronisator stellt die anfänglichen Taktinformationen bereit, die für diese Funktion notwendig sind.
Die signalisierten digitalen Informationen werden dann aus der Sequenz von Codesymbolen mittels eines Fehlerüberwachungsdecodierers 800 wiederhergestellt, der eine Funktion ausführt, die im Prinzip das Komplement der Funktion ist, die durch den Fehlerüberwachungscodierer 100 ausgeführt wird. Die hierin beschriebene besondere Ausführung verwendet einen Fehlerüberwachungsdecodierer, der den Fachleuten als ein algebraischer Reed-Solomon- Decodierer bekannt ist, der sowohl Codesymbollöschungen als auch Codesymbolfehler korrigieren kann.
In Fig. 3 entspricht jedes mögliche Eingangscodesymbol eindeutig einer besonderen Pseudozufallszahl-Sequenz. Die Sammlung der Pseudozufallszahl- Sequenzen ist in einer Nachschlagetabelle explizit gespeichert, so daß jedes aufeinanderfolgende Eingangscodesymbol einfach die entsprechende Pseudozufallszahl-Sequenz auswählt, die dann im Block 210 durch Abrufen dieser Pseudozufallszahl-Sequenz aus der Nachschlagetabelle erzeugt wird. In einer alternativen Ausführung kann eine Schaltung für spezielle Anwendungen entworfen werden, um im Block 210 die den aufeinanderfolgenden Eingangscodesymbolen entsprechenden Pseudozufallszahl-Sequenzen dynamisch zu erzeugen.
Die Zahlen innerhalb dieser Pseudozufalls-Sequenzen werden üblicherweise in der Technik als "Fragmente" und die Sequenzen selbst werden üblicherweise als "Fragment-Sequenzen" bezeichnet. Die Codesymbole werden bei einer Rate von 8820 + 2040 Codesymbolen pro Sekunde codiert, wobei jedes durch eine Sequenz aus 2040 Fragmenten dargestellt wird, so daß die Fragmente bei einer Rate von 8020 Fragmenten pro Sekunde erzeugt werden. Dieser Prozeß erzeugt als den Ausgang aus dem Block 210 ein Digitalsignal, daß die Frequenzkomponenten bis zu 8820/2 = 4410 Hz in dem offenbarten Beispiel darstellt.
Dieses Digitalsignal wird dann im Block 220 durch Einfügen einer Sequenz digitaler Nullen zwischen die aufeinanderfolgenden Fragmente zu einer höheren Taktfrequenz aufwärtsabgetastet, wobei das resultierende Digitalsignal mit der höheren Rate im Block 230 tiefpaßgefiltert wird, um die externen Hochfrequenzkomponenten zu beseitigen, die als eine Folge des Einfügens der digitalen Nullen existieren. Dieser Prozeß erzeugt ein Basisband-Codesignal. In dem offenbarten Beispiel werden vier digitale Nullen zwischen aufeinanderfolgenden Fragmenten eingesetzt, wobei der Tiefpaßfilter eine Grenzfrequenz von 4410 Hz besitzt, so daß das Basisbandsignal ein Digitalsignal ist, das auf einer Taktfrequenz von 8820 · 5 = 44100 Hz basiert, und das die Frequenzkomponenten bis zu 4410 Hz darstellt.
Das Basisbandsignal wird dann im Block 240 zu einem Signalgebungsband frequenzverschoben, das ganz innerhalb der Bandbreite des Audiosignals liegt. Dieser Prozeß erzeugt das Codesignal. In der erläuterten besonderen Ausführung umfaßt das Signalgebungsband den Bereich von 1890 Hz bis 10710 Hz.
In Fig. 4 wird im Block 310 die Frequenz des ursprünglichen Audiosignals, in das das Codesignal einzubetten ist, d. h. der Musik, kontinuierlich über ein Frequenzband analysiert, das das Signalgebungsband umfaßt. Das Ergebnis dieser Analyse wird im Block 320 verwendet, um die Frequenzverteilung der Maskierungsenergie des Audiosignals zu berechnen, da sie sich kontinuierlich mit der Zeit entwickelt. Im wesentlichen wird die Analyse über einen Frequenzbereich ausgeführt, der innerhalb des Signalgebungsbandes die wesentliche Maskierungswirkung besitzen würde, wobei sie in dem angegebenen Beispiel mittels einer Gruppe von Bandpaßfiltern realisiert wird.
Fig. 8 erläutert die Frequenzgangkennlinien der Gruppe von Bandpaßfiltern, die durch die beschriebene besondere Ausführung verwendet wird. Wie für Fachleute selbstverständlich ist, hängt die Fähigkeit eines Klangs, einen anderen zu maskieren oder zu verbergen, nicht nur von den relativen Amplituden ab, sondern außerdem von der Nähe in der Frequenz. Im besonderen ist von der Frequenzverteilung der Maskierungsenergie, die durch einen Ton erzeugt wird, bekannt, daß sie sich mehr zu Frequenzen oberhalb des Tones als zu Frequenzen unterhalb des Tones erstreckt. Diese unsymmetrische Frequenzabhängigkeit wird durch die unsymmetrischen Frequenzgangkennlinien ausgedrückt, die in Fig. 8 erläutert sind. Im besonderen erstreckt sich der Frequenzgang jedes Bandpaßfilters mehr zu Frequenzen unterhalb der Stitzenantwortfrequenz als zu Frequenzen oberhalb der Spitzenantwortfrequenz.
Zu jedem Zeitpunkt bestimmt die Frequenzverteilung der Maskierungsenergie des Audiosignals eine entsprechende Frequenzverteilung der Energie des Codesignals, die durch die Anwesenheit des Audiosignals maskiert werden wird. Diese Frequenzverteilung der Energie des Codesignals wird durch eine Menge von Verstärkungswerten dargestellt, die im Block 330 berechnet werden, worin jeder Verstärkungswert einem verschiedenen Frequenzbereich innerhalb des Signalgebungsbandes entspricht.
Das Codesignal wird dann im Block 340 selektiv gefiltert, um das Codesignal in Komponentensignale zu zerlegen, die nur diese verschiedenen Frequenzbereiche belegen. Diese selektive Filterung wird in dem angegebenen Beispiel mittels einer Gruppe von Bandpaßfiltern realisiert. Fig. 9 erläutert die Frequenzgangkennlinien der Gruppe von Bandpaßfiltern, die in der beschriebenen besonderen Ausführung verwendet wird.
Die im Block 330 berechneten Verstärkungswerte werden dann in Block 340 eingegeben, um die Pegel der entsprechenden Komponentensignale einzustellen, wobei diese eingestellten Signale kombiniert werden, um das modifizierte Codesignal zu erzeugen. Weil jeder Verstärkungswert bestimmt worden ist, um zu sichern, daß die entsprechende Frequenzverteilung der eingestellten Signalenergie die Frequenzverteilung der Maskierungsenergie nicht über schreiten wird, und weil die verschiedenen eingestellten Signale eine signifikante Energie nur innerhalb im Prinzip nichtüberlappender Frequenzbereiche besitzen, wird die Frequenzverteilung der Energie des modifizierten Codesignals die Frequenzverteilung der Maskierungsenergie nicht überschreiten.
Fig. 10 erläutert das Ergebnis dieses Verfahrens in dem Fall, daß das Audiosignal ein 4240-Hz-Ton ist. In dieser Figur ist zu sehen, daß sich die Frequenzverteilung der Maskierungsenergie mehr zu Frequenzen oberhalb des Tones als zu Frequenzen unterhalb des Tones erstreckt, während zu sehen ist, daß die Frequenzverteilung der Energie des modifizierten Codesignals unterhalb der Frequenzverteilung der Maskierungsenergie liegt.
Die Gesamtwirkung dieses Verfahrens ist, ein dynamisch modifiziertes Codesignal zu erzeugen, das Frequenzkomponenten-Pegel besitzt, die zu jedem Zeitpunkt im Prinzip ein im voraus gewählter Anteil der Pegel der Audiosignal-Frequenzkomponenten in dem entsprechenden Frequenzbereich sind. Diese Gesamtwirkung ist in Fig. 11 erläutert, wo gesehen werden kann, daß innerhalb des Signalgebungsbandes die Frequenzverteilung der Energie des modifizierten Codesignals im Prinzip zu der Frequenzverteilung der Energie des Audiosignals mit einem festen Versatz über das Signalgebungsband parallel ist. Der Versatz, der in Dezibel-Einheiten (dB) gemessen ist, wird zweckmäßigerweise als das Code-zu-Musik-Verhältnis (CMR) bezeichnet.
In Fig. 5 verzögert der Block 410 das ursprüngliche Audiosignal, um die durch die verschiedenen Verarbeitungsschritte des Blocks 300 eingefügten Verzögerungen zu kompensieren. Diese Kompensationsverzögerung richtet das ursprüngliche Audiosignal vorübergehend nach dem modifizierten Codesignal aus, so daß die psychoakustischen Maskierungswirkungen zu einem maximalen Vorteil verwendet werden, wenn diese zwei Signale im Block 420 addiert oder kombiniert werden, um das zusammengesetzte Audiosignal zu bilden.
Das zusammengesetzte Audiosignal wird dann auf einem Aufzeichnungsmedium, wie z. B. einem DAT, aufgezeichnet oder es wird anderweitig einem Übertragungskanal ausgesetzt, der eine signifikante Verzerrung und/oder eine weitere Modifikation des zusammengesetzten Audiosignals mit sich bringen kann oder nicht. Wie vorher angegeben ist, ist es ein erwünschtes Merkmal des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, daß die Identifizierungsinformationen zuverlässig aus dem zusammengesetzten Audiosignal nach derartigen Verzerrungen und/oder weiteren Modifizierungen in dem Fall wiederherstellbar sind, daß derartige Verzerrungen und/oder Modifizierungen die Qualität des zusammengesetzten Audiosignal nicht signifikant herabsetzen.
In Fig. 6 ist zu sehen, daß in vieler Hinsicht dieser Signalausgleicher 500 ein Komplement oder ein Reziprokes des Codesignalformers 300 ist, der in Fig. 4 gezeigt ist. In der beschriebenen besonderen Ausführung sind die Verarbeitungsschritte, die durch die Blöcke 310, 320, 330, 340 und 410 bezeichnet sind, identisch zu denjenigen entsprechenden Verarbeitungsschritten, die durch die gleichen Blocknummern in den Fig. 4 und 5 bezeichnet sind. Abermals werden die verschiedenen Verarbeitungsschritte Verzögerungen einfügen, wobei eine Kompensationsverzögerung eingefügt wird, wie bei dem Block 410 angegeben ist, um das zusammengesetzte Audiosignal vorübergehend nach der sich kontinuierlich entwickelnden Menge von Verstärkungswerten auszurichten, die von dem Block 330 ausgegeben wird.
Im Gegensatz zu Fig. 4 ist das Eingangssignal für Fig. 6 anstatt des ursprünglichen Audiosignals das zusammengesetzte Audiosignal nach allen Verzerrungen und/oder Modifizierungen, die, wenn überhaupt, durch die Übertragung oder Aufzeichnung eingefügt werden. Folglich wird sich im allgemeinen die sich kontinuierlich entwickelnde Menge der Verstärkungswerte, die vom Block 330 ausgegeben wird, in Fig. 6 von der in Fig. 4 unterscheiden. In dem Fall jedoch, daß das zusammengesetzte Audiosignal nicht signifikant verzerrt und/oder modifiziert worden ist, werden sich diese Verstärkungswerte im wesentlichen nicht unterscheiden, weil der CMR-Versatz gewählt ist, um zu sichern, daß die Frequenzverteilung der Energie des zusammengesetzten Audiosignals, die durch den Einbettungsprozeß erzeugt wird, sich im wesentlichen nicht von der Frequenzverteilung der Energie des ursprünglichen Audiosignals unterscheidet.
Insofern als diese Signalausgleichsfunktion 500 vorgesehen ist, um die Codesignalformerfunktion 300 zu ergänzen, ist es notwendig, daß jeder einzelne Verstärkungswert, der durch Block 330 ausgegeben wird, invertiert wird, wie im Block 510 angegeben ist, bevor er in den Block 340 eingegeben wird. Es ist selbstverständlich, daß diese Verstärkungsinversion die folgende Wirkung besitzt, daß das ausgeglichene Signal, das von dem Block 340 ausgegeben wird, eine im Prinzip gleichmäßige Energieverteilung über das Signalgebungsband enthalten wird. Wie darüber hinaus in Fig. 9 zu sehen ist, ist der zusammengesetzte Frequenzgang der Gruppe von Bandpaßfiltern, die im Block 340 verwendet wird, im Prinzip außerhalb des Signalgebungsbandes gleich null, wobei als eine Folge das ausgeglichene Signal außerhalb des Signalgebungsbandes im Prinzip gleich null ist.
In Fig. 7 ist zu sehen, daß in vieler Hinsicht dieser Streuspektrum-Demodulator 600 ein Komplement oder ein Reziprokes des Streuspektrum-Modulators 200 ist, der in Fig. 3 gezeigt ist. Das ausgeglichene Signal wird im Block 610 in einem Prozeß zu dem Basisband frequenzverschoben, der im Prinzip zu dem des Blocks 240 komplementär ist. Das Ergebnis wird dann im Block 230 in einem Verarbeitungsschritt tiefpaßgefiltert, der in der beschriebenen besonderen Ausführung im Prinzip mit dem entsprechenden Verarbeitungsschritt identisch ist, der in Fig. 3 durch die gleiche Blocknummer bezeichnet ist. Dieses erzeugt ein empfangenes Basisbandsignal, das vom Block 230 ausgegeben wird. In dem offenbarten Beispiel stellt dieses empfangene Basisbandsignal die Frequenzkomponenten bis 4410 Hz dar.
Dieses empfangene Basisbandsignal wird dann im Block 620 zu einer "Chiprate" abwärtsabgetastet, die in dem beschriebenen besonderen Beispiel auf einer Taktfrequenz von 4410 · 2 = 8820 Hz basiert. Diese Abwärtsabtastung erzeugt ein empfangenes Digitalsignal, das dann durch eine Gruppe angepaßter Filter im Block 630 verarbeitet wird. Die Ausgangswerte der angepaßten Filter werden abgetastet und im Block 640 nach jedem Symbolzeitpunkt verglichen, der in dem beschriebenen Beispiel nach jeweils 2040 Fragmenten auftritt.
Wie für Fachleute selbstverständlich ist, entspricht jedes angepaßte Filter einer der Fragmentsequenzen, die in Fig. 3 im Block 210 erzeugt werden, die wiederum einem der Codesymbole in dem Alphabet entspricht. Demzufolge wird für ein gegebenes, übertragenes Codesymbol von dem entsprechenden ange paßten Filter erwartet, daß es einen im wesentlichen größeren Ausgangswert als die anderen angepaßten Filter erzeugt, so daß im Block 640 durch Vergleichen der Ausgangswerte der angepaßten Filter das übertragene Codesymbol identifiziert werden kann.
Die grundlegende Gütezahl für das Gesamtsystem, die die Zuverlässigkeit bestimmt, mit der durch das obige Verfahren Codesymbole identifiziert werden können, kann durch die Signalgebungsgleichung beschrieben werden:
SE = CMR + PG - DL.
Hier ist der Signalüberschuß (SE) die Gütezahl, die gleich dem Code-zu-Musik-Verhältnis (CMR) plus dem Verarbeitungsgewinn (PG) mintis, dem Decodierungsverlust (DL) ist, wobei jede Größe in Dezibel-Einheiten (dB) ausgedrückt ist. Ein größerer Signalüberschuß bedeutet einen größererz erwarteten Unterschied zwischen dem Ausgangswert des angepaßten Filters, das dem übertragenen Codesymbol entspricht, und den Ausgangswerten der anderen angepaßten Filter. Demzufolge bedeutet ein größerer Signalüberschuß ferner eine größere Zuverlässigkeit bei der Identifizierung der Codesymbole.
Wie vorher angegeben ist, ist das CMR ein im Prinzip im voraus gewählter Wert, der die Fähigkeit bestimmt, das zusammengesetzte Audiosignal von dem ursprünglichen Audiosignal durch Zuhören zu unterscheiden. Ein konservativer Nennkonstruktionswert für das CMR ist -19 dB, der das zusammengesetzte Audiosignal im Prinzip von dem ursprünglichen Audiosignal durch Zuhören ununterscheidbar macht.
Wie für Fachleute selbstverständlich ist, vergrößert sich der Verarbeitungsgewinn (PG) eines angepaßten Filters mit der Länge der zugeordneten Fragmentsequenz. In dem beschriebenen Beispiel besitzen die Fragmentsequenzen jede eine Länge von 2040 Fragmenten, die einem Verarbeitungsgewinn von etwa +36 dB entspricht.
Der Decodierungsverlust (DL) ist ein Maß, das die Verluste und Verzerrungen in dem Kanal, d. h. des Aufzeichnungsmediums oder des Übertragungskanals, und außerdem verschiedene Unvollkommenheiten in dem System, die die Lei stung herabsetzen, ausdrückt. Idealerweise würde DL einen Wert von 0 dB besitzen, der zu einem Signalüberschuß von +17 dB in dem beschriebenen besonderen Beispiel führt.
Der Verarbeitungsgewinn (PG) und der Decodierungsverlust (DL) werden in einer gegebenen Situation im Prinzip konstant sein, wobei es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Code-zu-Musik-Verhältnis (CMR), verursacht durch die Frequenzanalyse und die Formung des Codesignals, außerdem im Prinzip konstant ist, so daß das Leistungsspektrum des modifizierten Codesignals das Leistungsspektrum des ursprünglichen Audiosignals innerhalb des Signalgebungsbandes ausdrückt. Demzufolge sind der Signalüberschuß (SE) und die folgende Signalgebungszuverlässigkeit zwischen lauten und leisen Passagen im Prinzip konstant, nur vorausgesetzt, daß es irgendeinen minimalen Pegel von verfügbarer Maskierungsenergie durch das ganze Signalgebungsband des ursprünglichen Audiosignals gibt.
Wie aus der vorangehenden Erörterung selbstverständlich ist, entspricht das abgestimmte Filter, das den größten Ausgangswert hervorbringt, dem Codesymbol, das am wahrscheinlichsten übertragen wurde, wobei die Größe dieses größten Ausgangswertes die Zuverlässigkeit angibt, die dem Akzeptieren dieses Codesymbols als das wiederhergestellte Codesymbol zuzuordnen ist. Demzufolge vergleicht Block 640 ferner diese Größe mit einer Schwelle, wobei er das Symbol als "gelöscht" angibt, falls die Größe unter die Schwelle fällt, anstatt eine fehlerhafte Entscheidung zu riskieren. Folglich kann die Sequenz, die von dem Block 640 ausgegeben wird, sowohl "gelöschte" Symbole als auch Codesymbole enthalten.
Die Decodierungszuverlässigkeit kann in einer alternativen Ausführung durch Kompensierung zeitlicher Unregelmäßigkeiten weiter verbessert werden, die durch die Aufzeichungsvorrichtungen oder die Übertragungskanäle eingefügt werden können. Diese zeitlichen Unregelmäßigkeiten können im allgemeinen als eine lokale Kompression oder Expansion der Zeitskala betrachtet werden, wie sie z. B. durch eine unregelmäßige Motordrehzahl in einer Bandaufzeichnungs- oder -wiedergabevorrichtung erzeugt werden kann. Ein potentieller Kompensationsmechanismus ist im Prinzip ähnlich zu einer Vorrichtung, die den Fachleuten als ein "Phasenregelkreis" bekannt ist. Ein derartiger Kompen sationsmechanismus könnte in Fig. 7 mittels einer Phasengleichlauf-Schätzvorrichtung implementiert sein, die die Ausgangswerte der angepaßten Filter verwenden würde, die im Block 640 verfügbar sind, um einen Phasenkorrekturschätzwert zu berechnen und um die Frequenzverschiebung im Block 610 und den Abwärtsabtaster im Block 620 einzustellen.
Der Codesignaldetektor & -Synchronisator 700 ist im Prinzip dem Streuspektrum-Demodulator 600 ähnlich. Der Schlüsselunterschied ist, daß der Codesignaldetektor & -Synchronisator über einen geeigneten Bereich möglicher Codesignal-Zeitpunktabgleichungen suchen muß, um sowohl die genauen Chip- und Symbolabtastzeitpunkte als auch die Grenzen der Nachrichtenblöcke zu lokalisieren, während der Streuspektrum-Demodulator nur einem vorher hergestellten Zeitpunktabgleich folgen muß. Um die Komplexität dieser Suche zu minimieren, sind nur diejenigen angepaßten Filter implementiert, die den speziellen Codesymbolen entsprechen, die durch den Fehlerüberwachungscodierer 100 periodisch in die Sequenz von Codesymbolen eingefügt werden. Demzufolge wird erwartet, daß die Ausgangswerte der angepaßten Filter die Akzeptanzschwelle nur überschreiten, wenn eines dieser speziellen Codesymbole vorliegt. Die Ausgangswerte derartiger angepaßter Filter geben folglich die Anwesenheit eines eingebetteten Codesignals an und lokalisieren die Grenzen der Nachrichtenblöcke. Sobald die Anwesenheit eines eingebetteten Codesignals auf diese Weise erfaßt ist, werden die Chip- und Symbolabtastzeitpunkte, die diese Ausgangswerte der angepaßten Filter maximieren, verwendet, um die Streuspektrum-Demodulatorfunktion zu initialisieren.
In Anbetracht des vorangehenden kann gesehen werden, daß die verschiedenen Aufgaben der vorliegenden Erfindungen gelöst sind und andere vorteilhafte Ergebnisse erhalten worden sind.
Da verschiedene Änderungen in den obigen Konstruktionen ausgeführt werden könnten, ohne von dem Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen, sollte es selbstverständlich sein, daß der gesamte Inhalt, der in der obigen Beschreibung enthalten ist oder in den beigefügten Figuren gezeigt ist, als beispielhaft und nicht in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden soll.

Claims

1. Verfahren zum Senden einer Sequenz von Codesymbolen über einen ein Audiosignal transportierenden Kanal, umfassend das Erzeugen eines Codesignals (210, 220, 230, 240), das die Sequenz von Codesymbolen darstellt und Frequenzkomponenten enthält, die auf ein im voraus gewähltes Signalgebungsband, das innerhalb der Bandbreite des Audiosignals liegt, eingeschränkt sind, und das kontinuierliche Analysieren der Frequenz des Audiosignals über ein Frequenzband, das das Signalgebungsband umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:

dynamisches Filtern (43) des Codesignals in Abhängigkeit von der Analyse, um dadurch ein modifiziertes Codesignal zu schaffen, das Frequenzkomponenten-Pegel besitzt, die zu jedem Zeitpunkt außerhalb des Signalgebungsbandes vernachläßigbar klein sind und einen im voraus gewählten Anteil der Pegel der. Audiosignal-Frequenzkomponenten in dem dem Signalgebungsband entsprechenden Frequenzbereich bilden;

Kombinieren (410, 420) des modifizierten Codesignals mit dem Audiosignal, um dadurch ein zusammengesetztes Audiosignal zu schaffen, und Senden des zusammengesetzten Audiosignals über den Kanal;

kontinuierliches Analysieren der Frequenz des empfangenen zusammengesetzten Audiosignals über ein das im voraus gewählte Signalgebungsband umfassendes Frequenzband;

Filtern (320, 330) des empfangenen zusammengesetzten Audiosignals innerhalb des Signalgebungsbandes als eine reziproke Funktion der Analyse, um dadurch eine gleichmäßige Energieverteilung über das Signalgebungsband zu schaffen; und

Eingeben des gefilterten Signals in eine Gruppe von Filtern (630), wovon jedes an eines der Codesymbole angepaßt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Codesignal durch Erzeugen einer entsprechenden Pseudozufallszahl-Sequenz für jeden Symboleingang;

Aufwärtsabtasten und Tiefpaßfiltern der Sequenz; und

Verschieben der Frequenz der gefilterten Sequenz nach oben erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Audiosignal eine Bandbreite von ungefähr 20 kHz besitzt und das Signalgebungsband eine Bandbreite von 8800 Hz besitzt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Signalgebungsband auf eine Frequenz von ungefähr 6300 Hz zentriert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Symbole in dem Codesignal mit einer Rate von ungefähr 4, 3 Symbolen pro Sekunde sequentiell codiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der im voraus gewählte Anteil, einen modifizierten Codesignal-Pegel darstellt, der ungefähr 19 dB unterhalb des Pegels des Audiosignals liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 zum Senden einer Sequenz von Codesymbolen; die aus einem vorgegebenen Alphabet wählbar sind und mit einer Rate von ungefähr 4, 3 pro Sekunde auftreten, über einen ein Audiosignal transportierenden Kanal mit einer Bahnbreite in der Größenordnung von 20 kHz, wobei das Codesignal Frequenzkomponenten in einem Signalgebungsband mit einer Bandbreite von ungefähr 8800 Hz, das auf eine Frequenz von ungefähr 6300 Hz zentriert ist, besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der im voraus gewählte Anteil einen modifizierten Codesignal-Pegel darstellt, der ungefähr 19 dB unterhalb des Pegels des Audiosignals liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Codesignal durch Erzeugen einer entsprechenden Pseudozufallszahl-Sequenz für jeden Symboleingang; durch Aufwärtsabtasten und Tiefpaßfiltern der Sequenz; und durch Verschieben der Frequenz der gefilterten Sequenz nach oben erzeugt wird.

9. Vorrichtung zum Kombinieren einer Sequenz von Codesymbolen mit einem Audiosignal, mit Einrichtungen (210, 220, 230, 240) zum Erzeugen eines entsprechenden Codesignals, das die Sequenz von Codesymbolen dar stellt und Frequenzkomponenten enthält, die auf ein im voraus gewähltes Signalgebungsband, das innerhalb der Bandbreite des Audiosignals liegt, eingeschränkt sind, und Einrichtungen (310, 320, 330) zum kontinuierlichen Analysieren der Frequenz des Audiosignals über ein das Signalgebungsband umfassendes Frequenzband, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner enthält:

dynamische Filtereinrichtungen (340) zum wahlweisen Filtern des Codesignals in Anhängigkeit von der Analyse, um dadurch ein modifiziertes Codesignal zu schaffen, das Frequenzkomponenten-Pegel besitzt, die zu jedem Zeitpunkt außerhalb des Signalgebungsbandes vernachlässigbar klein sind und bei jeder Frequenz innerhalb des Signalgebungsbandes einen im voraus gewählten Anteil der Pegel der Audiosignal-Frequenzkomponenten in dem dem Signalgebungsband entsprechenden Frequenzbereich bilden; und

Einrichtungen (410, 420) zum Kombinieren des modifizierten Codesignals mit dem Audiosignal, um dadurch ein zusammengesetztes Audiosignal zu schaffen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Audiosignal eine Bandbreite von ungefähr 20 kHz besitzt und das Signalgebungsband eine Bandbreite von ungefähr 8800 Hz besitzt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Signalgebungsband auf eine Frequenz von ungefähr 6300 Hz zentriert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Symbole in dem Codesignal mit einer Rate von ungefähr 4, 3 Symbolen pro Sekunde sequentiell codiert werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der im voraus gewählte Anteil einen modifizierten Codesignal-Pegel darstellt, der ungefähr 19 dB unterhalb des Pegels des Audiosignals liegt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9 zum Kombinieren einer Sequenz von Codesymbolen, die mit einer Rate von ungefähr 4, 3 pro Sekunde auftreten, mit einem Audiosignal, das eine Bandbreite von ungefähr 20 kHz besitzt, wobei das im voraus gewählte Signalgebungsband eine Bandbreite von ungefähr 8800 Hz besitzt und auf eine Frequenz von ungefähr 6300 Hz zentriert ist und wobei der im voraus gewählte Anteil einen modifizierten Codesignal-Pegel darstellt, der ungefähr 19 dB unterhalb des Pegels des Audiosignals liegt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, mit:

einer Einrichtung zum Erzeugen einer entsprechenden Binärcodesequenz, die jedes der aufeinanderfolgenden Symbole darstellt; und

Einrichtungen (220, 230, 240) zum Filtern und Verschieben von Informationen tragenden Frequenzkomponenten der Codesequenzen, um dadurch ein Codesignal zu erzeugen, das Frequenzkomponenten besitzt, die auf ein im voraus gewähltes Signalgebungsband eingeschränkt sind, das innerhalb der Bandbreite des Audiosignals liegt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, mit Einrichtungen zum Erzeugen des Codesignals durch Erzeugen einer entsprechenden Pseudozufallssequenz für jeden Symboleingang; Tietaßfiltern der Sequenzen; und Verschieben der Frequenz der Informationen tragenden Komponenten der gefilterten Sequenz nach oben.

17. Vorrichtung zum Extrahieren einer Sequenz von Codesymbolen, die durch jeweilige Pseudozufallssequenzen, die in ein zusammengesetztes Audiosignal eingebettet sind, dargestellt werden, wobei die Vorrichtung enthält:

Einrichtungen (310) zum kontinuierlichen Analysieren der Frequenz des zusammengesetzten Audiosignals über ein Frequenzband, das ein im voraus gewähltes Signalgebungsband umfaßt, das innerhalb der Bandbreite des zusammengesetzten Audiosignals liegt;

dynamische Filtereinrichtungen (320, 330, 510, 410, 340, 610; 230, 620) zum wahlweisen Filtern des zusammengesetzten Audiosignals innerhalb des Signalgebungsbandes als reziproke Funktion der Analyse, um dadurch ein modifiziertes Audiosignal zu schaffen, das eine im wesentliche gleichmäßige Energieverteilung über das Signalgebungsband besitzt; und

eine Gruppe angepaßter Filter (630), die auf das modifizierte Signal ansprechen und wovon jedes an eine der die Symbole darstellenden Pseudozufallssequenzen angepaßt ist.