Rauschunterdrückungsverfahren

Rauschunterdrückungsverfahren (englisch Noise Reduction, englisch Noise Cancellation oder englisch Squelch) sind technische Verfahren im Bereich der Signalverarbeitung welche das Ziel haben das meist unerwünschtes Rauschen zu verringern. Dazu werden im Signal mit auf die Anwendung abgestimmten Filtern bestimmte Frequenzanteile unterdrückt oder verstärkt. Anwendungsbereiche sind unter anderem die Audiotechnik bei Sprache und Musik, allgemein der Akustik. Oder Rauschunterdrückungsverfahren im Bereich der Bildverarbeitung um das Rausch von Bildsensoren zu minimieren. Entsprechende Filterfunktionen können aber auch in Bereichen der Mechanik wie z.B. der Hydraulik vorkommen, wo sie oftmals als Störfilter bezeichnet werden.

Anwendungsbereiche

Frontplatte eines Denon-Tapedecks aus den 1980er Jahren. Rechts unter der Anzeige die Tasten zum Einschalten des Rauschunterdrückungssystems Dolby B oder Dolby C

Prototypelektronik, Dolby-SR

Audiotechnik

Dabei unterscheidet man zwischen dynamischen und statischen Verfahren. In der Digitaltechnik, also zum Beispiel bei Audio-CDs oder der Musikspeicherung im MP3-Format, sind solche Verfahren wegen der prinzipbedingten fast völligen Rauschfreiheit nur noch in Spezialfällen, etwa bei starker Komprimierung notwendig. Haupteinsatzgebiete von analogen Rauschunterdrückungsverfahren waren die Tonaufzeichnung auf Schallplatten, Tonbandgeräten und Kassettenrekordern. In den Bereichen Rundfunk und Sprechfunk, die zum Teil noch auf Analogtechnik basieren, sind solche Verfahren immer noch weit verbreitet.

Pre-Emphasis

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Die Hörschwelle ist zwischen 1 kHz und 5 kHz besonders niedrig, deshalb wirkt Rauschen in diesem Bereich besonders störend. Der Abstand zwischen dem Signalpegel und dem Rauschen kann vergrößert werden, wenn man bei der Aufnahme den oberen Bereich des Tonfrequenzspektrums überbetont. Bei der Wiedergabe wird der ursprüngliche Frequenzgang des Tonsignals wieder hergestellt und dabei das Rauschen mit abgesenkt. Im UKW-Rundfunk wird mit diesem Verfahren gearbeitet.

Ein weiteres Beispiel dafür ist die RIAA-Kennlinie für analoge Schallplatten, durch dieses Verfahren werden hochfrequente Störanteile deutlich verringert, und deshalb erinnert das verbleibende, eher tieffrequente Störgeräusch an ein Rumpeln.

Kompanderverfahren

Bei dem Kompanderverfahren werden bestimmte Frequenzen abhängig von ihrem Eingangspegel verschieden stark angehoben, bevor sie gespeichert oder übertragen werden, und bei der Wiedergabe entsprechend entzerrt. Der erzielte Rauschunterdrückungseffekt ist erheblich. Dieses Verfahren wird von den bekannten Rauschunterdrückungsverfahren Dolby NR, B, C und S (im Studio auch noch Dolby A und SR) sowie den weniger bekannten HighCom, HighCom II, Super D und dbx verwendet und erlangte weltweite Verbreitung, vor allem bei Kassettenrekordern. Eine hohe Bedeutung bei der analogen Satelliten-TV-Übertragung erlangte auch das Wegener Panda-1 Verfahren.

Sprechfunk

Damit empfangsbereite analoge Sprechfunkgeräte in Sprechpausen oder bei sehr schwachem Empfang nicht rauschen, besitzen sie eine Rauschunterdrückung („Squelch“), die den Audio-Teil stummschaltet, sobald das von der Antenne empfangene Signal einen einstellbaren Grenzwert unterschreitet.

Auch die zulassungsfreien Handfunkgeräte (PMR-Funk - Private Mobile Radio) werden standardmäßig mit aktivierter Rauschunterdrückung betrieben, die sich aber abschalten lässt.

Bildverarbeitung

In der Bildverarbeitung reduzieren Rauschunterdrückungsverfahren ungewollte Störungen, wie z. B. das Rauschen von Bildsensoren, und Verbessern damit die Analyse oder Bearbeitung des Bilds.

Zum Beispiel können bei der Bildverbesserung mittels digitaler Signalverarbeitung mehrere Aufnahmen des gleichen Objekts gemacht und anschließend – entlang der Zeitachse – tiefpassgefiltert werden. Dadurch entfernt man Rauschen, aber auch Objekte (z. B. vorbeilaufende Menschen), die nur in wenigen Bildern auftauchen. So ist auch bei Unterbelichtung und dunklen Quellbilder, die zu einem hohen Rauschanteil im Bild führen würden, ist noch ein akzeptables Ergebnis erzielbar.

• 
  aufgehelltes Quellbild 1 von 10 mit viel Rauschen
• 
  aufgehelltes Quellbild 2 von 10 mit viel Rauschen
• 
  gemittelte Quellbilder als aufgehelltes Summenbild mit weniger Rauschen
• 
  prozessiertes entrauschtes Bild als Hilfsbild
• 
  gemitteltes Endbild mit optisch weniger Rauschen als 2

Methoden

Ein Mittel zur Realisierung der Filterfunktion ist die Fourieranalyse mit anschließender selektiver Filterung und Rücktransformation mittels der Fouriersynthese. Das Verfahren ist verhältnismäßig rechen- und zeitintensiv, kann jedoch mit modernen Mikroprozessoren oder PLDs, bei nicht all zu hoher Bandbreite, noch in Echtzeit durchgeführt werden (siehe auch SDR). Zur Implementierung auf digitalen Rechenanlagen kann auf die diskrete Fouriertransformation zurückgegriffen werden (siehe auch FFT).

Bei der Fourieranalyse werden für alle untersuchten Frequenzen deren Amplituden und Phasen mit Hilfe einer Fouriertransformation ermittelt. Rauschsignale unterscheiden sich von Nutzsignalen in der Regel durch kontinuierlichen Frequenzgang oder liegen in bestimmten Frequenzbereichen. Unter Umständen ist es hilfreich, eine Analyse eines Rauschsignals ohne Nutzsignalanteil zu machen, um Gewissheit über die spektrale Zusammensetzung des Rauschens zu erlangen. Die Störanteile können durch geeignete Rechenverfahren im Fourierspektrum entfernt werden. Bei der anschließenden Rücktransformation werden nur die Nutzanteile des Signals zusammengesetzt (Synthese).

Im folgenden Beispiel wird dieses anhand eines eindimensionalen Signals, wie es beispielsweise in der Audiotechnik vorkommt, verdeutlicht:

Zeitlicher Verlauf des Signals
Nutzsignal mit Rauschen
Transformation vom zeitlichen Verlauf des Signals zum Frequenzverlauf
Frequenzanalyse vom Nutzsignal mit Rauschen
← Filterung →
Frequenzanalyse des Nutzsignals	Frequenzanalyse des Rauschens
Rücktransformation vom Frequenzverlauf der gefilterten Signale zum zeitlichen Verlauf
Gefiltertes Nutzsignal	Gefiltertes Rauschen

Literatur

• Thomas Görne: Tontechnik. 2006, ISBN 3-446-40198-9. 
• Hubert Henle: Das Tonstudio Handbuch. Praktische Einführung in die professionelle Aufnahmetechnik. 5. Auflage. Carstensen, München 2001, ISBN 3-910098-19-3. 
• Hans Lobensommer: Handbuch der modernen Funktechnik. Prinzipien, Technik, Systeme und praktische Anwendungen. Franzis Verlag GmbH, Poing 1995, ISBN 3-7723-4262-0. 
• Bernd Jähne: Digitale Bildverarbeitung. 6. Auflage. Springer, 2005, ISBN 978-3-540-24999-3. 

Weblinks

Commons: Rauschunterdrückungsverfahren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Dolby noise reduction system NR - engl.
• Restoration Tips & Notes - Media Formats & Resources - engl.
• Noise Reduction - engl.