Zeitversetztes Pseudo-Stereo (delay binaural)

Hallo Daniel und Günter,

mir ist schon völlig klar, daß ich einen Schritt weiter gehe und das von mir beschriebene Stereo-Telegrafie-Filter nichts mehr mit der einfachen Verzögerung über den ganzen Frequenzbereich zu tun hat. Aber ich will es halt gleich richtig. ;o)

Dazu muß/darf die Verzögerung auch gar nicht so groß sein, sondern +/- 500us reichen völlig aus (ca. 34cm Laufzeitunterschied bei 20°C, so weit sind die meisten Ohren nicht auseinander ;o).
Ich habe nun also angefangen zu simulieren und für das linke Ohr einen Allpaß designt, der tieffrequente Töne schneller ans Ohr läßt, als hochfrequente. Die Amplituden werden mit einem leichten Tiefpaß bei hohen Frequenzen abgeschwächt.
Für das rechte Ohr ist es genau anders herum: die tiefen Töne werden verzögert und mit einem leichten Hochpaß geschwächt an das Ohr gegeben, während die hohen Töne "sofort" und ungeschwächt an das rechte Ohr gelangen.
Für die Dimensionierung der Verzögerungen und Abschwächungen habe ich die analoge Implementierung aus der von mir angegebenen Quelle hergenommen.

Den Tiefpaß und Hochpaß habe ich wie die Allpäße auch als IIR-Struktur implementiert, damit der Rechenaufwand gering bleibt. Während Tief- und Hochpaß mit jeweils 2ter Ordnung realisiert werden konnte, habe ich für die Allpäße jeweils 2 Sektionen 2ter Ordnung einsetzen müssen. Der große und möglichst lineare Verzögerungsunterschied über Frequenz war sonst nicht zu machen.

Ein 750Hz-Ton ist nun also direkt in der Mitte vor dem Kopf zu hören. Wenn man mit einem 500Hz-CW-Filter über das Band dreht, bewegen sich die Stationen von links nach rechts vor dem "geistigen" Auge vorbei, oder natürlich umgekehrt.

Anbei sende ich Euch ein Bild mit den resultierenden Übertragungsfunktionen für das linke (blau) und rechte (rot) Ohr über alles.

vy 73 Gerrit, DL9GFA

Hallo Günter und Daniel,

zu Euren Fragen bezüglich geeignetem Microcontroller oder DSPic:
Für die einfache Verzögerung bei relativ geringer Abtastrate (z.B. 8kHz) kann man sicher auch Microcontroller einsetzen. Der Speicherbedarf für 10ms Verzögerung ist 8000Hz*0.01s=80 samples, was selbst mit internem RAM machbar sein sollte. Ich würde allerdings einen Microcontroller mit mindestens 16Bit-Architektur wählen. Hier bietet sich die MSP430-Familie an, die sehr genügsam mit Energie umgeht und die auch Derivate mit AD- und DA-Wandler bietet. Die DA-Wandlung kann ggf mit einem PWM-Ausgang und TP-Filter realisiert werden. Die Dynamikanforderungen am Audio-Ausgang sind Dank AGC im Empfänger oder einer weiteren im Micricontroller nicht sonderlich hoch.

vy 73 Gerrit, DL9GFA

P.S.
Es gibt nun auch BlackFin-DSPs mit Audio-Codec on Chip (BF52xC). Leider kenne ich niemanden, der die GNU-Entwicklungsumgebung ohne uCLinux auf dem BlackFin je eingesetzt hat. Die kommerzielle ist mit einigen tausend Euro zu teuer für's Hobby.

Hallo Günter,

Du hast ja völlig Recht mit dem Ansinnen, einen gut verfügbaren und günstigen Microcontroller (MC) einsetzen zu wollen. Die MSP430-Derivate sind wie die AVRs überall für wenig Geld zu bekommen (Reichelt, Conrad, RS, Bürklin, usw.) und es gibt freie Entwicklungswerkzeuge (mspgcc) sowie mit Eclipse eine komfortable IDE mit Debugger-Einbindung für das Fehlersuchen im Einzelschritt. Das JTAG-Interface kann im einfachsten Fall aus 5 Rs am LPT realisiert werden. Mit einem Bustreiber ist es natürlich sicherer.

Ich habe beim Design der Signalverarbeitungsroutinen für das Stereo-CW-Filter oben selbst für den Tief- und Hochpaß einfache IIR-Strukturen nur 2ter Ordnung gewählt, um die Anzahl der nötigen Multiplikationen gering zu halten. Es sind in Summe für beide Pfade nun also nur 6 IIR-Filter 2ter Ordnung zu berechnen. Das könnte sogar noch ein Microcontroller mit Hardware-Multiplizierer bei 8kHz Audio-Abtastrate schaffen. Ich würde einen MC mit eingebautem ADC wählen und die DA-Wandlung in Form von PWM (Pulsweitenmodulation) implementieren.

Statt Hilbert-Filter in einem der Alternativansätze könnte man das Audioband (300Hz...3kHz) auch auf eine "hohe" ZF von vielleicht 7kHz mischen und mit einem Quadraturoszillator wieder zurück auf die ursprüngliche Frequenz. Damit kann man die 90° Phasenverschiebung für das eine Ohr sehr genau und breitbandig realisieren. Die nötigen Oszillatoren sind als rückgekoppelte digitale Oszillatoren sehr einfach mit wenigen Multiplikationen und Additionen zu implementieren. Wenn dazu mehr Interesse besteht, kann ich das Blockschaltbild gern mal aufzeichnen und ein kleines Scilab-Skript zur Verfügung stellen (siehe auch http://www.scilab.org).

vy 73 Gerrit, DL9GFA

P.S.
Im Moment sind alle Signale in Summe zwischen linkem und rechten Ohr gleich laut, als wäre kein frequenzselektives Filter da. Dies entspricht also dem Halbkreis vor dem Zuhörer. Wenn man das Zentrum um 750Hz etwas anheben würde, könnte man es mehr einer Geraden annähern, aber der Nutzen wäre zu prüfen.

Interessanter Thread, da komme ich mal kurzzeitig aus meiner (diplomarbeitsbedingten) Versenkung heraus.

Der binaurale Effekt ist in der Tat sehr beeindruckend und erzeugt ein angenehmes Hörerlebnis.

Es gibt eine interessante Doktorarbeit von Peter, SM7CMY, in der verschiedene psychoakustische Effekte beim Telegraphieempfang untersucht wurden (an echten CW OPs), unter anderem auch dichotischer / binauraler Empfang.

Kurz zusammengefasst, kam Folgendes dabei heraus:

* Bei CW-Aufnahme mit 180° Phasenverschiebung zwischen rechtem und linkem Ohr (alles, inkl. Rauschen) verringerte sich bei gleichem, geringen SNR die Rate der korrekt empfangenen Zeichen gegenüber der gleichphasigen Variante geringfügig.

* Wurde nur das CW-Signal um einen bestimmten Betrag (n Grad) verschoben, Rauschen aber weiterhin in Phase, so ergibt sich gegenüber 0 Grad eine Verbesserung bei der Aufnahme schwacher Signale. Diese Verbesserung erreicht ihr Maximum bei 180° (und einer Frequenz von 500Hz; ebenso getestet 250Hz, 1000Hz, 2000Hz) mit rund 6dB (i.e. ein 6dB schwächeres Signal kann so mit gleicher Genauigkeit aufgenommen werden). Bei 360° war wieder das selbe Niveau wie bei 0° vorhanden; eine Verschiebung von > 360° bring somit wohl nur periodisch immer wieder das selbe Ergebnis.

Natuerlich ist das eine für den praktischen Betrieb kaum nützliche Sache. Wenn man schon das Signal, und _nur_ das Signal um 180° drehen könnte, bräuchte man sich um das Rauschen ohnehin nicht mehr zu kümmern, da es ab dann bekannt ist und weggefiltert werden könnte.

Nützlich wäre es allenfalls für den CW-Betrieb in einem (auf Audio-Ebene) lärmenden Umgebung.

Weitere Ergebnisse der genannten Arbeit decken sich gut mit den Erfahrungen, die die meisten CW OPs sowieso schon gemacht haben (z.B., Telegrafie mit schmalen oder breiten Filtern , http://fkurz.net/ham/stuff.html#noise , http://www.qsl.net/dk5ke/sn-ratio.html usw.).

Bei Interesse kann ich gerne ein PDF mit Auszügen der Arbeit per Mail verschicken.

73, Fabian Dj1YFK

Moin Fabian,
das sind ja überaus interessante Infos! Ich hätte nicht gedacht, daß sich jemand so intensiv damit
beschäfigt hat...

Zitat

....Diese Verbesserung erreicht ihr Maximum bei 180° (und einer Frequenz von 500Hz;...

Also müssten zwei Allpassfilter mit einer Grenzfrequenz vonn z.B. 500Hz (soweit ich weiss, haben diese
Dinger eine Phasenverschiebung von 90 Grad an der Grenzfrequenz) oder auch eine Verzögerung um
1ms (bei 500Hz) ein optimales Ergebnis liefern. Oder liege ich da falsch?

73 de Roland / DK1RM

Zitat von DM3DA

Hallo Leute, die Beispieldateien sind jetzt auf http://www.qth.at/dm3da/binaural/index.html

Vielen Dank für die Mühe und die Beispiele. Leider ist die Grundaufnahme (mono, dann logischerweise die anderen auch) leicht linkslastig ausgesteuert. (Doch, ich höre noch sehr gut, hi) Ein Verschieben der Wiedergabebalance hilft.

Zu den Beispielen: Von Mono zu dem 15msec.-Signal ist schon ein guter Unterschied zu hören. Allerdings in der Art, dass das CW-Signal aus der akustischen Mitte heraus sich mehr "seitwärts an die Ohren" verlagert. Also mehr Basisbreite ohne Mitte. In meiner Branche wird ein ähnlicher Effekt gerne bei Billigprodukten als "Spatial-Stereo" eingebaut und angepriesen. Klingt ähnlich, aber nicht gleich.

Hast Du Tonaufnahmen, die den Stereoeffekt beim Durchdrehen einer QRG mit Hilfe von Tonfilterdekodierung darstellen? Solche, wie Du auf Deiner Site beschreibst, Zitat: Ein CW-Signal mit 660 Hz ist beispielsweise genau in der Mitte, während sich ein anderes Signal mit 620 Hz weiter links befindet und ein nächstes mit 700 Hz rechts. Mit solch einer Stereo-Telegraphie laßt sich leichter auf ein bestimmtes Signal konzentrieren, weil es aus einer bestimmten Richtung kommt. Zitat Ende.

DAS würde ich gerne mal meinen Ohren zu Gemüte führen. Die jetzt schon vorhandenen Aufnahmen waren sehr aufschlußreich.

Hallo Daniel,

ich meine etwas anderes und habe mich wohl "verknotet" ausgedrückt, hi. Audacity kenne ich, habe ich und nutze ich, das wäre kein Problem.

Was ich allerdings nicht habe, ist eine aufgebaute Schaltung, die die von Dir im Zitat beschrieben Effekt herstellt. Also die gewünschte (pers. Vorliebe) Tonhöhe ist in der akustischen Mitte zu hören, tiefere bzw. höhere Töne "wandern" auf die jeweils andere Seite im Kopfhörer. Ich würde die höheren gerne links hören und die tieferen rechts im Hörer.

Das ist nach meiner Auffassung etwas anderes, als eine Laufzeitverschiebung DESSELBEN Signales. Es gibt derlei Schaltungen im Netz, allerdings - das gebe ich zu - habe ich mir noch keine Mühe gemacht, eine derartige nachzubauen. Daher meine Frage, ob so ein tonales Beispiel vorhanden ist.

Kurz: Eine tonfrequenzabhängige Raumortung, keine Phasenverschiebung.

Zitat von DF2OK

Eine tonfrequenzabhängige Raumortung, keine Phasenverschiebung.

Genau, ich möchte bei der einfachen, analogen (!) frequenzabhängigen Lösung bleiben. Vielleicht werde es mal in einer stillen Phase hinbekommen, so ein kleines Verstärkerchen zu bauen. Ein Zusatzkasten für alle gängigen Anschlüsse und stationsunabhängig mit 9V-Block etc. Kompakt zum Mitnehmen.

Hallo Forum,

schaut mal hier:

http://cq-cq.eu/DJ5IL_RT001.pdf

Ich habe meinen codephaser seit 2006 bei jedem CW QSO
in Betrieb und möchte ihn nicht mehr missen. Kann damit
die Zeichen im QRM besser separieren. Wenn man ihn erst
mal gewohnt ist, was sehr schnell geht, hört sich's ohne
gähnend langweilig und flach an. Sobald ich Zeit finde, werde
ich eine Demo-Soundfile auf meine website stellen ...

73
Karl, DJ5IL

Hajo,
...

Zitat

Gibts es so etwas zu kaufen oder besser als Bausatz?
Falls jemand Platinen bastelt, wuerde ich mich dranhaengen.

... der codephaser ist eine Eigenentwicklung von mir. Ich kann weder
einen Bausatz noch Platinen anbieten, die Schaltung ist aber relativ
einfach auf einer Lochrasterplatine realisierbar. Die Kondensatoren
6.8nF/10nF mit 2.5% Toleranz gibt's bei Reichelt (Typ: WIMA FKP-2)

73
Karl, DJ5IL

Zitat von DM3DA

Hallo Fabian,

ich verstehe Dich so, dass ein Signal, das an der Grasnarbe (= im Rauschen) steckt, eichter mono als pseudostereo zu lesen ist. Das hätte ich nicht gedacht.

Es hat mich auch ueberrascht. Rein subjektiv mag psuedostereo sicherlich wesentlich besser klingen, aber scheinbar bringt es nichts. Die Untersuchung wurde mit einer relativ kleinen Gruppe von Testpersonen durchgefuehrt und ist vielleicht nicht ganz repraesentativ. Vielleicht, wenn man noch wesentlich mehr Leute testet, kommt man drauf, dass es gar keinen Unterschied mehr gibt.

Zitat

So wie ich es verstanden habe, macht Pseudostereo dann Sinn, wenn mehrere Stationen senden, ein OP sich aber auf eine einzige Station konzentrieren muss. Dann hilft der "Coctail-Party-Effekt". Hat das Peter auch untersucht?

Das vermute ich auch; wurde aber nicht untersucht.

Insgesamt ist dazu sowieso anzumerken, dass die Faehigkeit, sehr schwache Signale im Rauschen aufzunehmen auch etwas ist, das trainiert werden muss. Als Beispiel fuehre ich gerne folgende, authentische Aufnahme eines Rufzeichens an: http://dl0tud.tu-dresden.de/~dj1yfk/signal.wav

Ich habe damit viele Leute schon gequaelt. Manche konnten mir sofort das Rufzeichen nennen, welches gesendet wird, andere haben lange gebraucht oder vermutet, ich wolle sie veraeppeln, weil sie gar nichts gehoert haben.

Ich habe fuer LCWO einen "SNR-Test" programmiert, mit dem man sich selbst testen kann: Bis zu welchem SNR kann ich noch CW-Signale aufnehmen? Man faengt bei einem guten SNR an, und Schritt fuer Schritt geht das Signal dann in den Keller. Am Ende kommt ein Graph heraus, SNR vs. Fehlerrate.
Zu meiner Schande muss ich gestehen, dass dies seit fast einem Jahr den Status "fast fertig" hat und noch nicht online ist... kommt aber bald!

73, Fabian DJ1YFK

Halllo Fabian,
die Audiodatei hat es in sich. Mit den "PC-Quäkern" hier an diesem Ort ist nicht viel zu vernehmen, ausser dem "Träller" in der Mitte der Datei. Mit sehr guten HiFi-Hörern, die ich gerade auf den Ohren trage, erkenne ich CW-Zeichen. Alles ungefiltert, diese Technik könnte ich nur woanders nutzen. Ich bin (nun war) immer schon der Meinung, dass mein Gehör als Funkamateur im Gegensatz zu "normalen" Menschen gut trainiert und eben nicht durch allerlei Jugendsünden verdorben ist. Was durch den Hörkurvenverlauf beim HNO bestätigt wird. Jedoch führt mich diese Aufzeichnung an die Grenze. Ich benötigte eine Weile
a) die Tonhöhe und
b) das Tempo herauszuhören und bin mir jetzt sehr sicher, welche Art von Funkstelle das Signal erzeugt. Buchstabenfragmente meine ich zu erkennen. Ich werde mir auf dem anderen Rechner die Datei mal abspeichern und weiter Wiedergabegeräte ausprobieren. Interessant... Freue mich auf das Tool bei LCWO!

Hallo Forum,

eine Demo-Soundfile für den Codephaser steht auf
meiner website http://cq-cq.eu unter der Rubrik
RADIO TOPICS zum download bereit ...

73
Karl, DJ5IL