DE2139098A1 - Anordnung zur Wiedergabe von Informationen in Vierkanal-Stereophonie (Quadrophonie) - Google Patents

Description

8515 - 71 "Ks/Sö

CBS C - 1061

U.S. Serial No. 81 858

Filed October 19, 1970

Columbia Broadcasting System Inc» Stamford, Connecticut, V. St. A.

Anordnung zur ¥iedergabe von Informationen in Vierkanal Stereophonie (Quadrophonie)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Aufzeichnung und Wiedergabe vier getrennter Informationskanäle mittels eines Aufzeichnungsträgers» der nur zwei unabhängige Spuren aufweist. Die Erfindung betrifft speziell eine Anordnung zur Wiedergabe einer solchen Information über vier Lautsprecher, um bei einem Zuhörer den Eindruck zu erwecken, der von ihm gehörte Klang käme aus einer entsprechenden Anzahl getrennter Quellen. Die beiden Spuren können von irgendeinem der verfügbaren Zweispursysteme bereitgestellt werden, beispielsweise von einem zweispurigen Tonband oder von einer Stereoschallplatte.

In den Unterlagen des Patents (Patentanmeldung P 21 26 432.4) betreffend eine "Vorrichtung zur Aufnahme und Wiedergabe von Informationen in Vierkanal - Stereophonie (Quadrophonie)" ist eine derartige Anlage beschrieben, bei welcher als zeispuriges Medium eine stereophonysehe Aufzeichnung verwendet wird ρ die als S_challplatte' oder Tonband usw«, vorliegen kann. Hierbei sind im linken und rechten Kanal Signale aufgezeichnet, die von einem "linken vorderen" bzw* einem "rechten vorderen" Lautsprecher wiedergegeben werden sollen,, Zusätzlich zu diesen Signalen enthalten beide Kanäle noch Signale für einen "linken hinteren" und "rechten hinteren" Lautsprecher, die zueinander um 90° phasenferschoben sind, wo-

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bei das "linke hintere" Signal im linken Kanal voreilt und das "rechte hintere¹¹ Signal im rechten Kanal voreilt. In den Unterlagen des erwähnten Patents (Patentanmeldung P 21 26 432.4) ist auch eine Dekodiereinrichtung beschrieben, welche die beiden Ausgangssignale von der Schallplatte, eines von jeder Spur, empfängt und sie durch eine geeignete elektronische Behandlung zur Simulierung von vier unabhängigen Kanälen zerlegt, um sie auf vier getrennten Lautsprechern derart zu stellen, daß jeder Lautsprecher die Information aus jeweils einem der ursprünglich aufgezeichneten Tonkanäle als überwiegendes Signal und die Informationen aus den jeweils anderen Kanälen gedämpft wieder- | gibt. Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Verbesserung einer Dekodiereinrichtung vom allgemeinen Typ, wie er in den Unterlagen des erwähnten Patents (Patentanmeldung P 21 26 432.4) beschrieben ist.

Um das Wesen des mit der erfindungsgemäss verbesserten Dekodiereinrichtung zu lösenden Problems besser verstehen zu können, wird die Technik und die Vorrichtung zum Aufzeichnen der vier Informationskanäle auf eine zweispurige Stereoschallplatte anhand der Figur 1 der beigefügten Zeichnungen kurz skizziert. Eine ausführliche Beschreibung befindet sich in den Unterlagen äes vorerwähnten Patents (Patentanmeldung P 21 26 432.4). In der genannten Figur 1 ψ ist die Codiereinrichtung schemaüsch'als Block 8 dargestellt, der eine Anzahl von Allpass-Netzwerken (in dem erwähnten Patent als ψ -Netzwerke bezeichnet) enthält, die alle wichtigen Frequenzen des Hörtonspektrums gleichmassig übertragen, während sie gleichzeitig feste differentielle Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Netzwerken bewirken, sodaß feste PhasendiCCerenzen unter den Ausgangsspannungen bestehen. Die Kenntnis von Einzelheiten dieser Allpass-Schaltungen ist zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht nötig, uid. da sie ausserdem ausführlich

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in den Unterlagen des vorerwähnten Patents (Patentanmeldung P 21 26 432.4) beschrieben sind, wird nachstehend nur die Funktion der Codiereinrichtung für die vorliegende Erfindung erläutert. Die Codiereinrichtung enthält vier Eingangsklemmen 10, 12, 14 und 16 zum Empfang der vier getrennten Signale, die als linkes vorderes, (L₅₁),linkes hinteres (L^), rechtes hinteres (Rq) und rechtes vorderes (Rp) S ignalllbezeichnet sind. Diese Bezeichnungen bedeuten die Standorte von Lautsprechern in einem Vorführraum, über welche die Signale schließlich wiedergegeben werden sollen* Die Allpass-Netzwerke haben solche Kennlinien, daß beim Anlegen von Eingangsspannungen Lp, L-Qt R_ß und Rp gleicher Amplitude und gleicher Frequenz nacheinander an die zugehörigen Eingängsklemmen die beiden an den Ausgangsklemmen 18 und 20 erscheinenden Ausgangsspannungen L_T und R™ gegenüber den Eingangssignalen (phasenverschoben' um einen frequenzabhängigen Bezugsphasenwinkel ψ ) eine Amplituden- und Phasenbeziehung haben, wie sie aus den Ausgangsklemmen eingezeichneten Vektordiagrammen ersichtlich ist. Mit der vorerwähnten Patentanmeldung ist nachgewiesen worden, daß im Falle einer Aufzeichnung der resultierenden Spannungen Lrj, und Rm auf einem zweispurigen Aufzeichnungsträger wie beispielsweise einer Stereoschallplatte die resultierende Aufzeichnung vollständig kompatibel mit den herkömmlichen stereophonischen und auch monophonisehen Abspielgeräten ist, wobei alle Töne in voller Güte und Amplitude über das zweikahalige Stereosystem erscheinen.

Es hat sichherausgesteilt, daß, wenn die Töne überwiegend von einer Gruppe von zwei musikalisch zusammengehörenden und ähnlichen wenn auch inkohärenten Signalen L_ und R dargestellt werden, die in der vorerwähnten Patentanmeldung beschriebene Dekodiereinrichtung nicht nur die "vorderen" Lautsprecher "aufdreht" wie es der F_all sein sollte, sondern auch als unerwünschte Folge die "hinteren"

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Lautsprecher in gewissem Maß "aufzudrehen" trachtet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher hauptsächlich in der Schaffung einer Dekodiereinrichtung, die während der ¥iedergabe eine bessere Trennung zwischen den von den erwähnten Spannungen L„ und R„ dargestellten "vorderen" Tönen und den.von den Spannungen L_ß und R₅ dargestellten "hinteren" Tönen herbeiführt.

Kurz zusammengefasst wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Dekodiereinrichtung des Wiedergabegeräts eine Steuereinrichtung vorgesehen wird, welche die Verstärkungsfaktoren der den vier Lautsprechern zugeordneten Verstärker mit Signalen steuert, die durch geeignete Autokorrelation von Signalen gewonnen werden, welche den in den Lautsprechern wieder-gegebenen vier unabhängigen Kanälen sehr ähnlich sind. Genauer gesagt werden die beiden Signale, in denen die linke vordere (Lp) und die rechte vordere (R_F) Toninformation überwiegt, miteinander multipliziert, und das entstandene Produkt wird integriert, während die beiden Signale, in denen die linke hintere (Lg) und die rechte hintere (Rg) Toninformation überwiegt, miteinander multipliziert v/erden und ihr Produkt integriert wird. Wegen der gegenseitigen Phasenbeziehungen der die vier Signale darstellenden Spannungen haben die beiden von den Integratoren gelieferten Signale unterschiedliche Korrelation, insbesondere wenn die Integration über eine Zeitspanne erfolgt, die¹ annähernd 150 Hz entspricht. Die von den Integratoren gelieferten Signale werden gleichgerichtet und parallel, jedoch mit entgegengesetzter Polarität, zwei Subtrahierschaltungen zugeführt, .die zwei Verstärkungssteuersignale erzeugen. Das von der einen Subtrahierschaltung gelieferte Signal steuert im Gleichtakt die Verstärkungsfaktoren der Regelbaren Verstärker für den "linken vorderen" und den"rechten vorderen" Lautsprecher, während das von der anderen Subtrahierschaltung gelieferte Signal parallel den

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regelbaren Verstärkern für den "linken hinteren" und den "rechten hinteren" Lautsprecher zugeführt werden, um sie beide im Gleichtakt zu steuern. Die relativen Phasen der die unabhängigen Kanäle darstellenden Spannungen verbessern unter Anwendung der Autokorrelationstechnik die Trennung z\tfischen den "vorderen" und "hinteren" Tönen und erhöhen somit die Wirklichkeitstreue der Vorspiegelung von vier Kanälen. Die verbesserte Dekodiereinrichtung kann für den Betrieb in jedem Kodierer/Dekodierer - System angepaßt werden, in welchem vier Signale für die Aufzeichnung auf einem zweispurigen Träger kodiert werden. Die Dekodiereinrichtung dekodiert diese Signale zur Wiedergabe über vier Lautsprecher in der Weise, daß die unter den vier Signalen vorherrrsehende Information gemeinsam mit der gedämpften Information von den anderen Signalen auf jeweils dem zugeordneten Lautsprecher wiedergegeben wird.

Die oben erwähnten und weitere Merkmale der Erfindung werden im einzelnen in der nachstehenden ausführlichen Beschreibung anhand der Zeichnungen erläutert.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der bereits behandelten Kodiereinrichtung;

Die Figuren 2 A und 2 B zeigen zusammen ein Schaltschema der erfindungsgemässen Dekodier- und Wiedergabevorrichtung;

Figur 2 zeigt als Kurve die Durchlaßcharakteristik eines in der Anlage nach Figur 2 .enthaltenen wellenformenden Netzwerks als Funktion der Frequenz;

Figur 4 zeigt als Kurve die Charakter!sitik anderer in der Anlage n^ch Figur 2 enthaltener· wellenformender Netzwerke.-.

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Die erfindungsgemässe Dekodiereinrichtung.ist in mancher, Hinsicht derjenigen ähnlich, die in den Unterlagen des erwähnten Patents (Patentanmeldung P 21 26 432.4) beschrieben ist. Bestimmte Einzelheiten dieser Einrichtung; sind wiederum in den Untedagen des Patents (Patentanmeldung P . i$. ££>. ίΦΡ/& .) beschrieben. Die Offenbarungen. _, der Unterlagen dieser Patente (Patentanmeldungen) v/erden im folgenden soweit mit eingeschlossen, wie es zum Verständnis des Betriebs gev/isser Teile der nachstehend beschriebenen Dekodiereinrichtung notwendig ist. Die folgende Beschreibung ist jedoch vollständig genug, daß sie dem Fachmann das Verständnis dieses Betriebs ermöglicht, ohne daß er in den erwähnten Untrlagen nachlesen muß. ;.....

In der Figur 2 ist die erfindungsgemässe Dekodiereinrichtung in Verbindung mit der Wiedergabe einer Information gezeigt, die auf einer sich in der üblichen Weise auf einem Plattenteller 24 drehenden Schallplatte 22 aufgezeichnet ist. Die Schallplatte "steuert den Tonabnehmer 26 eines Stereoplattenspielers. Der Tonabnehmer 26 ist herkömmlicher Bauart und besitzt zwei Ausgangsleitungen 23 und -30, deren jede eines der aus dem "linken" und "rechten" Kanal der Schallplatte gev/onnenen Ausgangssignale führt. Die aus dem linken und rechten Kanal gewonnenen Spannungen sind neben den jeweiligen Ausgangsschaltungen dargestellt, und ein Vergleich mit Figur 1 zeigt, daß diese Spannungen, den Spannungen Lm und Rm. entsprechen, die von der Dekodiereinrichtung nach Figur erzeugt werden. Sollte es wie bei den Spannungen L_T und Rm nötig sein, die Signale zu verstärken, dann können sie jeweils einem Verstärker 36 bzw. 38 zugeführt werden, der vorzugsweise mit den notwendigen frequenzgangändernden Netzwerk ausgestattet ist, um die Ausgewogenheit der Frequenzen so wieder herzustellen, wie sie bei der Schallplattenaufnahme vorhanden war. Die bis hierher beschrie-·

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bene Anordnung entspricht vollständig der herkömmlichen Technik.und ist für den" Fachmann leicht verständlich. ■

Wesentlich bei der Dekodierung der Ausgangs signale L^, und R_m zur Simulierung der Originaltöne ist die Phasenverschiebung des Signals aus dem linken Kanal gegenüber dem Signal aus dem rechten Kanal um 90°. Hierzu werden die an den Ausgangsklemmen 37 und 39 der Verstärker 36 und 38 erscheinenden Signale zugeordneten Allpass-Phasenschiebern 40 und 42 zugeführt, wobei der Allpass 42 eine (nacheilende) Bezugs-Phasenverschiebung von W * und der Allpass 40 eine nacheilende Phasenverschiebung von ψ*+ 90° bewirkt. Der Wert ψ* (der im allgemeinen eine Funktion der Frequenz ist) kann dem"ert der Phasenverschiebung in der Kodiereinrichtung 8 nach Figur 1 gleich sein oder sich von ihm unterscheiden. Die wichtigste Forderung ist, daß der■Bezugsphasenwinkel ψ* in beiden Allpass-Phasenschiebern 40 und 42 derselbe ist. Die Phasenschieber 40 und 42 formen ihr jeweiliges Eingangssignal L_T und R_m in z\*ei neue Signale L'_m und R'_m um, die den Signalen L_m und FU, nahezu gleich sind, nur daß sie zueinander um 90° phasenverschoben sind. Dies ist durch die Vektordiagramme 44 und 46 veranschaulicht, woraus hervorgeht, daß die Phasenvektoren des Signals R'_m die gleiche relative Lage haben wie die-jenigen des Signals Rm, jedoch die Vektoren des Signals L^! _m alle um im Uhrzeigersinn gedreht sind. Da die Bezugs-Phasenverschiebungen "ψ* in beiden Phasenschiebern gleich sind, ist ihr jeweiliger Einfluß in den Vektordiagrammen nicht berücksichtigt. Man erkennt, daß die beiden Spannungen als überwiegenden Anteil die Spannung L'_F bzw. R'_F enthalten, wobei im ersten Fall ausserdem die Signale L¹-^ und R'_B im Betrag von jeweils 0,707 und im zweiten Fall ausserdem die Signale R'_B und L* jeweils im Betrag von ebenfalls 0,707 enthalten sind. : . . :_:

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Die von den Allpass-Phasenschiebern 40 und 42 gelieferten Signale werden weiterverarbeitet, um zwei zusätzliche Spannungen zu erhalten, die überwiegend die Signale L^f _B und R'tj enthalten. Die erste Spannung wird durch Summierung der beiden Signale aus den Phasenschiebern 40 und 42, jeweils nach Multiplikation mit dem Faktor 0,707, mittels einer Summierschaltung 43 bekannter Bauart gewonnen. Eine Spannung, in der die "rechte hintere" Information überwiegt, wird auf ähnliche Weise durch Subtraktion eines der Signale von den anderen, wiederum nach jeweiliger Multiplikation mit dem Faktor 0,707, gewonnen. "Wie es in den Vektordiagrammen 52 und 54 gezeigt ist, enthalten die mit den Schaltungen 40 und 50 erzeugten Spannungen nunmehr als vorherrschende Information die Signale L'„ und R'_B.

Die vier durch die Vektordiagramme 44, 46, 52 und 54 dargestellten Spannungen werden über die Leitungen 56, 58, 60 und 62 zugeordneten in ihrer Verstärkung Tegelbaren Verstärken 64, 66, 68 und 70 zugeführt und gelangen von dort an entsprechende Lautsprecher 72, 74, 76 und 78. Falls es für bestimmte Anwendungen nötig ist, können zwischen die in ihrer Verstärkung steuerbaren Verstärker und die zugehörigen Lautsprecher zusätzliche Verstärker (nicht gezeigt) geschaltet werden. Die Lautsprecher befinden sich in einem Vorführraum (dargestellt durch die gestrichelte Umrandung), wobei der Lautsprecher mit dem überwiegenden Signal L'_F in der linken vorderen Ecke, der Lautsprecher mit (fern überwiegenden Signal R''p in der rechten vorderen Ecke, der Lautsprecher mit dem überwiegenden Signal L'_B in der linken hinteren Ecke und der Lautsprecher mit dem überwiegenden Signal R'_B in der rechten hinteren Ecke des Vorführraums angeordnet ist.

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Die bis hferher beschriebene Anordnung ist der Dekodiereinrichtung nach den vorerwähnten Patenten (Patentanmeldungen) ähnlich und bewirkt eine gute Nachbildung des ursprünglichen vierkanaligen Tons, selbst wenn die gesteuerten Verstärker in einem statischen oder normalen Verstärkungszustand gehalten werden, oder selbst wenn sie durch gewöhnliche lineare Verstärker ersetzt sind. Dieses Ergebnis wird deswegen erzielt, weil die vorherrschende Spannung in jedem Kanal einen um drei dB höheren Pegel hat als die anderen beiden Spannungen und dem Signal entspricht, welches ursprünglich für die Wiedergabe an den betreffenden Standort vorgesehen war. Bei den Anlagen gemäss den erwähnten Patenten (Patentanmeldungen) wird jedoch die Wirklichkeitstreue durch eine logische Schalteinrichtung verbessert, die ermittelt, ob die Verstärkung für einen bestimmten Kanal erhöht bzw. vermindert werden soll oder nicht, um solche Töne hervorzuheben, die momentan in den einzelnen Kanälen vorherrschen. Der Betrieb der logischen Schaltung in den Anlagen gemäss den erwähnten Patenten (Patentanmeldungen) verbessert die Simulierung vier unabhängiger Kanäle zwar in hohem Maße, jedoch unter bestimmten Betriebsbedingungen tritt eine Verschlechterung der Simulierung ein. Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Ausgestaltung der logischen Schaltung, welche die Nachteile der bisherigen Schaltungen beseitigt und durchwegs die erhöhte Wirklichkeitstreue der. Vierkanalsimulation bringt.

Zum besseren Verständnis des der Erfindung zugrunde liegenden Problems sei angenommen, daß die beiden auf der Schallplatte kodierten Signale aus nur zwei Signalspannungen Lp und Rp bestehen, die in den Vektordiagrammen nach Figur 2 gegenüber den um 3 dB niedrigeren Komponenten durch stärkere Linien hervorgehoben sind. Weiterhin werden die beiden Signale in der nachfolgenden Analyse als

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in musikalischer Hinsicht ähnlich und mit entsprechendem Tonumfang angesehen, mathematisch gesehen sind sie jedoch inkohärent. Ein Beispiel für solche Signale sind die Töne eines gleichzeitig von zwe"i Personen gespielten zweistimmigen Musikstücks. I/ährend die Melodie bzw, die Helodie- und Begleitung in abgestimmtem Tempo und Umfang ist, geht die mathematische Korrelation bestehend aus ITuItiplikation und Integration über eine Zeit, die gleich ist dem :.l^ziprokwert der niedrigsten Frequenz^gegen Null. ITur im FrII zv/ei völlig gleicher Signale ergibt sich für die Korrelation ein endlicher Wert. Es sei nun daran erinnert, daß die Signale nach dem Durchlaufen der Phasenschieber 40 und 42 als Signale L'p und R'„ um 90 gegenüber ihrer früheren Phasenlage verschoben erscheinen, sodaß sie nach der Phasenverschiebung keine Kohärenz mehr zeigen, selbst wenn sie ursprünglich völlig gleich waren. Der Grund hierfür liegt darin, daß das Produkt einer Sinus- und Kosinusfunktion integriert über eine Periode genau Hull ist.

Hachdem die in den Vektordiagrammen 44 und 46 eingezeichneten Spannungen L'p und IV„ die Summierschaltunken 46 und 50 beaufschlagt haben, erscheinen sie als 0,707 i-'p und 0,707 L'p in beiden Vektordiagrammen 52 und 54. Falls die Spannungen L'p und R'p vollständig unabhängig voneinander " sind und einzeln auftreten, ist der Betrag der Vektoren in den Diagrammen 44 und 46 um 3 dB größer als der Betrag der entsprechenden Signale in den Vektordiagrammen 52 und 54, und die Signale können somit bezüglich ihres Betrags von. der logischen Schaltung gemäss den vorerwähnten Patenten (Patentanmeldungen) identifiziert werden, damit die richtigen steuerbaren Verstärker je nach den augenblicklichen Verhältnissen ein- oder ausgeschaltet werden können. Wenn jedoch die Spannungen L'p und R'p im Umfang einander entsprechen und nahezu gleichzeitig erscheinen, wie es während

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dos Spiels zweier Musiker, die verschiedene Parts desselben Musikstücks spielen,.der Fall ist, dann ist der ] ;f f ektivwert der Suramen der Vektoren 52 und 54 derselbe vie der Tfert der entsprechenden Vektoren in den Diagrammen 44 und 46. In diesem Fall wird die logische Schaltung des Systems, welches in den Unterlagen des Patents (Patentanmeldung P .?3.2§.^?⁰i?.. ) beschrieben ist, "verwirrt" und neigt dazu, alle Lautsprecher aufzudrehen, während wunschgemäss nur die vorderen Lautsprecher 72 und 7G aufgedreht werden sollen.

Aus dem vorangegangenen Beispiel, bei dem nur die Spannungen L'ρ und R¹ρ vorhanden sind, kann man entnehmen, daß zwar die Spannungen in den Vektordiagrammen 44 und unkorreliert sind, daß jedoch die entsprechenden Spannungen in den Vektordiagrammen 52 und 54, nämlich 0,707 R'_F und 0,707 L¹ _F jeweils entweder positiv"oder negativ korreliert sind. Dies ist daran zu erkennen, daß der Pfeil mit der Bezeichnung 0,707 R^f _F im Diagramm 52 dem entsprechenden Heil im Di^ramm 54 parallel liegt, jedoch entgegengesetzt gerichtet ist. Daher ergibt die Multiplikation und Integration der Ausgangssignale entsprechend diesen beiden Vektoren eine endliche negative Zahl. Obwohl der Pfeil mit der Bezeichnung 0,707 L'_F im Vektordiagramm dem entsprechender Pfeil im Diagramm 54 ebenfalls parallel liegt, zeigt er je-doch mit diesem in die gleiche Richtung, und die Multiplikation und Integration dieser beiden Signale ergibt daher eine endliche positive Zahl. F_alls beide Signale L'ρ und RVp gleiche Langzeitmittelwerte haben; führt eine Langzeitintegration zu Null, jedoch tritt diese Situation fast nie bei einer Kurzzeitintegration ein, da selbst im Falle, daß die Musiker das gleiche Instrument einstimmig spielen, immer noch Abweichungen oder Unterschiede in der Tonhöhe, dem Tempo, dem Anschlag, dem Abklingen usv;. vorhanden sind. Als Folge wird jeder der Einzel-

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vektoren 0,707 R*_F und 0,707 L ¹^ "bei Integration über den Kurzzeitbereich seinen negativen oder positiven endlichen Wert annehmen, während die entsprechenden Vektoren L'p und R' , die selbst über den Kurzeitbereich inkohärent sind, sogar bei Kurzzeitintegration den Uert Null annehmen verden, es sei denn, die Integration erstreckt sich mindestens über eine Periode, die gleich ist der niedrigsten analysierten Frequenz. Die nachstehend beschriebene verbesserte Logikschaltung beruht auf der Erkenntnis der gerade beschriebenen Eigenschaften der Signale und bedeutet die praktische Anwendung der entsprechenden Prinzipien.

Gemäss der Erfindung werden die Augenblicksamplituden der zu den vier Lautsprechern gelieferten Signale durch die innerhalb der gestrichelten Umrandung 07 dargestellte Logikschaltung so gesteuert, daß dem Zuhörer vier getrennte unabhängige Schallquellen perfekt vorgespiegelt v/erden. Die beiden durch die Vektordiagramme 44 und 46 dargestellten Signale aus den Allpass-Phasenschiäoern 40 und 42 werden zusätzlich zwei gleichen Hochpaßschaltungen 92 und 94 zugeführt, die alle Frequenzen unterhalb etwa 150 Hz unterdrücken. Der unterdrückte Frequenzbereich kann zwar in weiten Qrenzen geändert werden, ohne den Betrieb der Schaltung ernst-" haft zu beeinträchtigen, es wurde jedoch gefunden, daß bei Frequenzen unterhalb etwa 150 Hz die Informationen für das Richtungshören sehr gering sind und daß durch Unterdrückung aller Frequenzen unterhalb dieser Grenze im (noch zu beschreibenden) Analysator eine Kurzzeitintegration über ein Intervall von nur etwa 6,7 Millisekunden durchgeführt werden kann. Die Durchlaßkennlinien der Schaltungen 92 und 94 entsprechen vorzugsweise den in Figur 3 gezeigten, sio haben in Frequenzbereich zwischen etwa 150 Hz und 2000 Hz ein im uesent-

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lichen flachen Verlauf und steigen an diesem Punkt um etwa 10 dB für höhere Frequenzen an. Die Durchlaßkennlinien dieser Hochpaßschaltungen ähneln somit der Kurve gleicher Lautstärke des menschlichen Ohrs bei mittlerem Lautstärkepegel und im interessierenden Hörfrequenzbereich mit Ausnahme des steilen Abfalls unterhalb etwa 150 Hz. Sine Schar von Kurvenjgleicher Lautstärke ist in einem Aufsatz von Emil Torick beschrieben und dargestellt, der den Titel" Researches in Loudness Measurement" trägt und veröffentlich ist in "IZEE Transactions on Audio and Electroacoustics", Band AU - 14, Hr. 3, Seiten 141 - 151, 1966. Die Aufgabe der Schaltungen 92 und 94 besteht darin, die an die nachfolgenden Schaltkreise gelieferten Signale so zu formen, daß die Logikschaltung die jeweiligen Signale Lg, Lp, Rp und R-n in die richtigen Kanäle leitet, und zwar aufgrund ihrer Lautstärke und nicht ihres Energieinhalts. Beispielsweise verhindern die Bewertungskurven der Hochpaßschaltungen, daß ein von einer Trommel herrührendes Signal mit niedriger Frequenz, jedoch mit hoher Energie, fälschlicherweise ein von einer Pikkoloflöte herrührendes Signal hoher Frequenz und niedriger Energie umschaltet. Schaltungen mit den Kennlinien gemäss Figur 3 sind zu bevorzugen, jedoch können die meisten Vorteile der Erfindung auch ohne verstärkten Durchlass am hochfrequenten Ende des Frequenzbandes erreicht werden, oder die Frequenzen oberhalb 1000 Hz können sogar gedämpft übertragen werden wie es durch die gestrichelte Linie in Figur 3 angedeutet ist.

Nach der Behandlung in den Schaltungen 92 und 94 gelangen die f'ignale zu zwei in ihrer Verstärkung steuerbaren Verstärkern 06 und 90, deren Verstärkungsfaktoren sich durch Anlegen eines gemeinsamen Steuersignals an die

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entsprechenden Steuereingänge 100 und 102 übereinstimmend ändern lassen. Die beiden Ausgänge der Verstärker 96 und 98 werden durch die Schaltungen 104 und 108 in der gleichen Weise in vier getrennte Ausgangssignale zerlegt, x-d.e die~ vier Ausgangssignale mit den Schaltungen 48 und 50 erzeugt werden. Diese beiden Gruppen von jeweils vier Ausgangssignalen sind somit einander in ihrem musikalischen Inhalt ähnlich, jedoch wird die erste Gruppe durch Wirkung der gesteuerten Verstärker 96 und 93 "trotz Schwanlcungen im Lautstärkeumfang der Aufzeichnung (modifiziert durch die Schaltungen 92, 94) auf gleichbleibendem Pegel gehalten. Um diesen konstanten Ausgangspegel zu erreichen, werden die vier Signale mit den Gleichrichtern 110, 112, 114 und 116 gleichgerichtet und durch die Trannwiderstände 118, 120, 122 und 124 summiert, sodaß ein Summonsignal an einem gemeinsamen Widerstand 126 entsteht, der zwischen einer den Trennv/iderständen gemeinsamen Sammelleitung 128 und Masse liegt. Die am Widerstand 126 abfallende Spannung wird über die Leitung 128 an den Verbindungspunkt 130 zwischen den Steuerelektroden 100 und 102 der gesteuerten Verstärker 96 und 90gelegt. Diese Verstärker sprechen auf die besagte Spannung derart an, daß die mittlere Spannung am Widerstand 126 im wesentliehen konstant bleibt. Die Verstärkungssteuerung wird verbessert, wenn man über die Widerstände 11G, 120, und 124 vier Kondensatoren 132, 134, 136 und 138 schaltet, wodurch die gleichgerichtete Γ-pannunr; die Hüll¹ :urve der Welle und nicht ihrer Augenblickswerte wiedergibt. Die automatische Verstärkungsregelung hält die Summe der Spannungen an den Widerständen 118, 120, 122 und 124 konstant, weil die Spannung am relativ kleineren Widerstand. 126 die Summe der vier gleichgerichteten Spannungen darstellt.

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Die Schaltung arbeitet zufriedenstellend mit den dargestellten Einweg-Gleiclirichtern, natürlich ist eine Vollweg-Gleichrichtung "besser und vrird auch in bevorzugter' Ausgestaltung verwendet. Die gerade beschriebene · Verstärkungsregelung ist z^ar nicht unbedingt notwendig für die Gleichgewichtsfunktion der Logikschaltung, es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Qualität hiermit otvas besser wird, um ihre Verwendung ist somit vorzuziehon.

Jin \richtiges Tierlonal der Erfindung besteht darin, daß d ie von den Verstärkern 96 und 98 und von den Schaltungen 104 und 1OC gelieferten Signale (gleichgültig, ob sie ein.rr automatischen Verstärkungsregelung unterworfen sind oder nicht) autokorreliert werden, indem sie auf bestimmte T/eise multipliziert und anschliessend integriert werden. Genauer gesagt werden die Ausgangssignale von den Verstärkern 96 und 9Q über die Leitungen 142 und 140 einer ersten Multiplizierschaltung 144 zugeführt, während die Ausgangssignale von den Summierschaltungen 104 und 103 über die Leitungen 148 und 146 zu einer zweiten Multiplisierschaltung 150 gelangen. Der Ausgang der Multiplizierschaltung 144 ist mittels der Leitung 162 auf eine RC-Integrier schaltung gekoppelt, die beispielsweise aus einem Widerstand 154 und einem Kondensator 156 besteht. Der Ausgang der Multiplizierschaltung 150 liegt über die Leitung 15" an einer !Ähnlichen Integrierschaltung bestehend aus dem Widerstand 16O und dem Kondensator 162. Die Vierte der Widerstände 154 und 16O und der Kondensatoren 156 und 162 sind so abgestimmt, daß die Integrierschaltungen einen Umkehrpunkt bei etwa dem Sperrpunkt der S_chaltungen 92 und 94 haben, nämlich bei etwa 150 Hz, sodaß alle Signale von und oberhalb 150 Hz integriert werden.

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Die Funktion der Multiplizierschaltimgen und der zugehörigen IntegrierSchaltungen sei anhand eines Vergleichs der Ausgangssignale der beiden Integrierschaltungen für das an früherer Stelle behandelte Beispiel erläutert, das heißt für den Fall, daß das Eingangssignal lediglich aus einem "linken vorderen" Signal L₅₁ und einem "rechten vorderen" Signal Rp besteht. Die zum Ausgang der das Produkt der unkorrellierten Spannungen L'g, und R'p behandelnden Integrierschaltung 154 156 gehörende Wellenform verläuft sehr nahe dem ^T.^pTert Null, sie ist nur deswegen nicht genau Null, weil die Integrierschaltung keine perfekte Integration liefert. An-) dererseits schwankt der Ausgang der Integrierschaltung " 160 - 162 zwischen Plus und Minus, was von der Synchronisation der von den beiden Musikern gespielten Parts abhängt. Über eine lange Zeitspanne gemessen ist der Ausgang der Integrierschaltung 160 - 162 ebenfalls.Null, wenn jedoch die Integration über etwa 6,7 Millisekunden erfolgt,entspr. 150 Hz, dann werden augenblickliche hochfrequente Störungen eliminiert, wobei jedoch das der Wechselwirkung der beiden Signale entsprechende Ausgangssignal übrig bleibt.

Als Alternative zu den RC-Integrierschaltungen können auch geeignete Tiefpaßfilter mit Frequenzunterdrückung ober-ψ halb von 150 Hz verwendet werben. Bei Verwendung solcher Filter würden die tatsächlichen Wechselstromsignale und ihre augenblicklicklichen Produkte eliminiert werden und es würde nur das niederfrequente der Korrelationsfunktion entsprechende Steuersignal durchgelassen werden.

Die Ausgänge der Integrierschaltungen 154 - 156 und 16O sind mit zwei gleichen wellenformenden Netzwerken 164 und 166 verbunden, die den Zweck haben, die AusEliläge der /.usgangsspannungen von den Integrierschaltungen auf ein an-

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nehmbares Maß zu begrenzen. Es gibt viele mögliche Formen von Durchlaßkennlinien für diese Netzwerke, im allgemeinen sollten jedoch Schaltungen verwendet v/erden, die eine Durchlaßkennlinie gemäss Figur 4 haben. Die Maximalwerte E¹ und E¹' der Ausgangsspannung des wellenformenden Netzwerks sind auf solche Werte festgelegt, die für die nachfolgenden elektrischen Bauelemente geeignet sind. Die Ausgangsspannungen der Wellenformer 164 und 166 werden durch zugeordnete Gleichrichter 170 und 176 gleichgerichtet, damit sie die Kondensatoren 174 und 130 aufladen. Die Kondensatoren können sich über die Widerstände 172 und 178 entladen. Die Werte der Widerstände und Kondensatoren sind so gewählt, daß die Entladezeitkonstante in der Größenordnung von 100 Millisekunden liegt. Natürlich kann die Zeitkonstante jedoch auch einen anderen Wert innerhalb eines sehr großen Bereichs annehmen, ohne daß die Qualität der Dekodiereinrichtung wesentlich beeinträchtigt wird. Die Gleichrichter 170 und 176 sind zwar als Einweg-Gleichrichter dargestellt, natürlich sind auch Vollweg-Gleichrichter möglich und im allgemeinen zu bevorzugen.

Die Ausgangssignale aus den Gleichrichtern 170 und 176 dienen zur Steuerung der Verstärkungsfaktoren der den vier Lautsprechern 72, 74, 76 und 78 vorgeschalteten Verstärker. Hierzu führen die Ausgänge der Verstärker an eine erste Subtrahierschaltung 182, die das zweite Signal vom ersten subtrahiert (Kombination plus-minus)» sowie zu einer zweiten Subtrahierschaltung 184, die das erste Signal vom zweiten subtrahiert (Kombination minusplus). Der /usgang der Schaltung 182 liegt parallel an den Steuereingängen GO und 82. der gesteuerten Verstärker GC und 68, während der Ausgang der Schaltung 184 parallel an den St euer eingängen 84 und. 86 der Verstärker 64 und 70 lifigt.

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Die Arbeitsweise der Dekodiereinrichtung sei nun wiederum anhand des Falles untersucht, daß die gleichen Eingangsspannungen Lp und R„ wie im vorhergehenden zugeführt werden. Wie durch den zugeordneten Signalverlauf dargestellt ist, beträgt das Ausgangssignal des Gleichrichters 170 nahezu Null, während das Ausgangssignal des Gleichrichters 176 entsprechend dem dargestellten Signalverlauf anfänglich einen positiven Wert hat. Daher ist das Ausgangssignal der Summier schaltung 182 negativ, und v/eil es den gesteuersten Verstärkern 66 und 66 als Steuersignal zugeführt wird, wird deren Verstärkung vermindert oder, je nach der Justierung des Verstärkungsfaktors, vollständig abgeschaltet. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal der Schaltung 1C4 positiv, wodurch sich die Verstärkungen der Verstärker 64 und erhöhen. Daher erscheinen die beiden Signale L^l„ und R'_F als Signale L"_F und R"_F nur in den jeweiligen Lautsprechern 72 und 73, die sich in der linken vorderen und in der rechten vorderen Ecke des Vorführraums befinden.

Menn nun im umgekehrten Fall die vom Tonabnehmer 26 ausgehenden Signale lediglich die "hinteren" Signale 0,707 L^, und 0,707 R-n enthalten, dann ist das Ausgangs signal des Gleichrichters 176 nahezu oder gleich Null, während am Ausgang des Gleichrichters 170 eine merkliche Spannung erscheint. Unter diesen Umständen ist das Ausgangssignal der Summierschaltung 182 positiv, während das Ausgangssignal der Summierschaltung 184 negativ ist, wodurch die Verstärkung der Verstärker GG und 6C erhöht und diejenige der Verstärker 64 und 70 vermindert wird oder vollständig ausgeschaltet wird, wie es für den Fall gewünscht wird, daß die "hinteren" Eingangssignale als Signale L% und R"_B erscheinen sollen.

Die wellenformenden Netzwerke 164 und 166 müssen nicht unbedingt den Integrierschaltungen unmittelbar nachgeschaltet sein, sie können ignich an irgendeinem sonstigen geeigneten

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Punkt der Schaltung, beispielsweise unmittelbar hinter den Summierschaltungen 182 und 184 angeordnet sein. Man kann sie auch fortlassen und statt dessen die Verstärkungskennlinien der Verstärker 64, 66, 68 und 70 geeignet bemessen. Als v/eitere Verfeinerung, die jedoch für den Betrieb der erfindungsgemässen Schaltlogik nicht wesentlich ist, kann es wünschenswert sein, gemäss dem Patent (Patentanmeldung P 21 26 432.4) vor einen oder alle der Verstärker 64, 66, 68 und 70 zusätzliche Netzwerke für eine Phasenveschiebung IjJ * zu schalten, um ö.le Phasenvektoren der akustischen Ausgangs signale der Lautsprecher 72, 74, 76 und 73 in der Phasenlage zu optimieren, oder die Verstärker 64 und 70 können ihre Ausgangssignale direkt von den Klemmen 37 bzw. 39 gewinnen, anstatt sie von den "^-Phasenschiebern 40 und abzuleiten.

Hit der in der vorangegangenen Beschreibung erläuterten Anordnung ist ein Sjrstem geschaffen, mit welchem sich vier als zwei Signalgemische auf einem zweispurigen Träger vorhandene Informationskanäle wiedergeben und in vier unabhängigen Lautsprechern darstellen lassen. Ein wichtiges Herkraal der Dekodiereinrichtung welches eine perfekte Vorspiegelung von vier getrennten Schallquellen gewährleistet, ist das Prinzip, unter Verwendung der Autokorrelationstechnik zu ermitteln, welche Kanäle das vorherrschende Signal enthalten, und auf diese Kanäle umzuschalten, während gleichzeitig die Signale incfen anderen Kanälen gedämpft werden, um den Eindruck vier getrennter Informationskanäle zu erwecken.

In der vorstehenden Beschreibung wurden die Bezeichnungen Lj₁, Rj₁, Lg und Rg verwendet, um die den einzelnen LautSprecherStandorten und einem bestimmten Matrizierschema

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zugeordneten Signale su identifizieren. Diese Identifizierung ist v/illkürlich gewählt, um die Wirkungsweise der Erfindung anhand einer bestimmten Anordnung der ITatrix und der Lautsprecher zu erläutern und niclrb un die "Erfindung auf eine bestimmte Ausgestaltung zu beschränken. Dies soll heissen, daß das beschriebene Prinzip auch in einer Uied'-rgabevorrichtung Anwendung finden l:ann, bei · λ reicher die vier Lautsprecher an Stellen angeordnet eine¹., die nicht genau mit "links vorne","rechts vorne", usw. gekennzeichnet '-erden können und bei welcher die Lautsprecher von einer Dekodiereinrichtung mit irgendeinem geeigneten Ilatriziernchema gespeist werden. Für diesen Fall müsste man die Gignalbezeichnungen entsprechend den dort maßgeblichen Standorten der Lautsprecher wählen.

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D ORiQiNAL

Claims (5)

Columbia Broad.syst. 8515-71 Ks/Sö 2139098 einge:ai:eo am Neuer Patentanspruch 1

1. Anordnung zur Verteilung einer quadrophonischen Information, die in Form von zwei Signalgemischen vorliegt, auf vier Wiedergabekanäle, wenn das erste Signalgemisch eine dominante Signalkomponente Lp und zwei Subdominante Signalkomponenten L^ und R-Q und das zweite Signalgemisch eine dominante Signalkomponente Rip und zwei Subdominante Signalkomponenten L-, und R₀ enthält, mit einer Addier- und Subtrahierschaltung, die aus den beiden Signalgemischen ein drittes Signalgemisch mit einer dominanten Signalkomponente L-ß und zwei Subdominanten Signalkomponenten Lp und Hp sowie ein viertes Signalgemisch mit einer dominanten Signalkomponnente R^ und zwei Subdominanten Signalkomponenten Lp und Rj, erzeugt, wobei jedes der vier Signalgemische zur wiedergabe in einem zugehörigen Lautsprecher einem gesonderten von vier in ihrer Verstärkung steuerbaren Verstärkern zuführbar ist, nach Patent (Patenanmeldung P 21 26 432.4) dadurch gekennzeichnet , daß zur Erhöhung der Wirklichkeitstreue des erzeugbaren vierkanaligen Klangs eine Steuerschaltung mit folgenden Merkmalen vorgesehen ist;

a) zwei Phasenschieber (40, 42), welche die beiden ersten Signalgemische vor ihrer Zuführung zu der Addier- und Subtrahier schaltung (48, 50) um 90 zueinander verschieben;

b) zwei Korrelationsschaltungen (144, 154, 156 und 1^0, IbO, 162), welche die zueinander phasenverschobenen beiden ersten Sii'.nalgemische und das dritte und vierte Signalgemisch empfangen und daraus zwei Wechselstromsignale erzeugen, deren erstes die Autokorrelation der ersten beiden Signalgemische und deren zweites die Autokorrelation des dritten und vierten Si/ nalgemisches über ein vorgegebenes Zeitintervall darstellt;

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c.) zv/ei Gleichrichter schaltungen (170, 176) mit jeweils einer Zeitkonstantenschaltung (172, 174 und 178, 100), welche die beiden V^chselstromsignale in zwei gleichgerichtete Signale umformen;

d) eine von den beiden gleichgerichteten Signalen beaufschlagbare Subtrahiereinrichtung (132, 184) zur Bildung zweier Differenzsignale;

e) eine Einrichtung (186, 188, 80, 32, 34, Gb), welche die Steuereingänge des ersten und zweiten steuer-

fc baren Verstärkers (64, 70) und des dritten und vier

ten steuerbaren Verstärkers (00, 82) mit den Differenzsignalen beaufschlagt um die jeweiligen Verstärkungsfaktoren in Übereinstimmung mit dem augenblicklichen Vorhandensein der jeweiligen Signalgemische zu steuern.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationsschaltungen zwei Multiplizierschaltungen (144, 150) enthalten, deren erste die beiden ersten Signalgemische und deren zweite das dritte und vierte Signalgemisch ständig miteinander multipliziert, und daß die Korrelat ions schaltungen zv/ei Integrierschaltungen

W (154, 156 und 160, 162) enthalten, deren erste den Ausgang der ersten Multiplizierschaltung und deren zv:eite den Ausgang der zweiten Multiplizierschaltung über ein vorgegebenes Zeitintervall integriert.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Zeitintervall annähernd 6, 7 Millisekunden beträgt.

4. Anordnung zur Wiedergabe von Informationen in Vierkanal-Stereophonie mit einer Einrichtung, die ein erstos -^r5ignalgeraisch mit ein^r dominanten öignalkomponente Lp und zwei Subdominanten Signalkomponpnten K. und lip und ein iweites Signalgemisch mit einer ciominanten

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BAD

Signalkomponente 11-, und zwei Subdominanten Signalkomponenten Lg und R-g empfängt und eine erste Addier- und Subtrahierschaltung enthält, die aus den beiden Signalgemischen ein drittes Signalgemisch mit einer dominanten Signalkomponente Lg und zwei Subdominanten Signalkomponenten Lp und JFL-, sowie ein \riertes Signalgemisch mit einer dominanten Signalkonponente Rp und zwei Subdominanten Signalkomponenten L-, und R_v. erzeugt, wobei jedes der vier Signalgemische zur Wiedergabe in einem zugehörigen Lautsprecher einem gesonderten von vier in ihrer Verstärkung steuerbaren Verstärkern zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Wirklichkeitstreue des von der Einrichtung erzeugbaren vierkanaligen Klangs eine Steuerschaltung mit folgenden Merkmalen vorgesehen ist:

a) zwei Phasenschieber (40, 42), welche die beiden ersten Signalgemische vor ihrer Zuführung zu der ersten Addier- und Subtrahierschaltung (48, 50) um 90 zueinander verschieben;

b) eine zweite /ddier- und Subtrahierschaltung (100, 102, 104, 100), welche die beiden ersten um 90 zueinander verschobenen Signalgemische empfängt und aus ihnen ein fünftes, ein sechstes, ein siebtes und ein achtes Signal erzeugt, die in ihrem Informationsinhalt jeweils dem ersten, zweiten, dritten und vierten Signalgemisch entsprechen;

c) zwei kombinierte Multiplizier- und Integrierschaltungen (144, 154, 156 und 150, 160, 162), die das fünfte und sechste bzw. das siebte und achte Signal empfangen und ein erstes integriertes Produkt aus dem fünften und sechsten Signal und ein zweites integriertes Produkt aus dem siebten und achten Signal erzeugen;

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äf

d) zwei Gleichrichterschaltungen (170, 176) mit jeweils einer Zeitkonstantenschaltung (172, 174 und 173, 180), welche die beiden integrierten Produkte in zwei gleichgerichtete Signale umformen;

e) eine von beiden gleichgerichteten Signalen beaufschlagbare Subtrahiereinrichtung (182, 184) zur Bildung zweier Differenzsignale;

f) eine Einrichtung (186, 188, 80, 82, 84, 86), welche die Steuereingänge des ersten und zweiten Verstärkers

" (64, 70) und des dritten und vierten Verstärkers (80, 82) mit den Differenzsignalen beaufschlagt, um die jeweiligen Verstärkungsfaktoren in Übereinstimmung mit dem augenblicklichen Vorhandensein der jeweiligen Signalgemische zu steuern.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem der Phasenschieber (40, 42) und der zweiten Addier- und Subtrahierschaltung (100, 102, 104, 108) jeweils eine signalformende Schaltung (92, 94) vorgesehen ist, welche jeweils eines der beiden ersten um 90° phasenverschobenen Signalgemische gemäss einer Durchlaßt kennlinie modifiziert, die der Kurve gleicher Lautstärke des menschlichen Ohrs bei mittlerem Lautstärkepegel und innerhalb des interessierenden Hörfrequenzbereich angenähert ist.

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