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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung und/oder Wiedergabe
von Audiosignalen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Verarbeitung
und/oder Wiedergabe von Audiosignalen mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 28.
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Bei
der Verarbeitung und Wiedergabe von Audiosignalen ist grundsätzlich eine
möglichst
exakte und unverfälschte
Wiedergabe der ursprünglichen Signale
wünschenswert.
Bei bestimmten Hörsituationen
führt jedoch
eine exakte Wiedergabe der zur Verfügung stehenden Signale zu ungünstigen
Höreindrücken, so
dass es je nach Umgebungsbedingungen und Hörsituation sinnvoll ist, die
zu verarbeitenden Signale in unterschiedlicher Weise zu beeinflussen.
So weist bspw. das menschliche Gehör bei niedrigen Wiedergabelautstärken eine
reduzierte Empfindlichkeit für
niedrige und hohe Tonfrequenzen auf, so dass es bei niedrigen Wiedergabepegeln
sinnvoll ist, dies mittels einer entsprechenden frequenzabhängigen Pegelanhebung
auszugleichen. Auf diese Weise kann dem wiedergegebenen Klang, wie
er von den menschlichen Ohren gehört wird, eine scheinbar ausgeglichene
Frequenzcharakteristik gegeben werden. Diese Frequenzganganpassung
wird oftmals auch als „Loudness"-Anpassung bezeichnet.
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Bei
der Audiosignalwiedergabe unter Umgebungsbedingungen mit externen
Störquellen,
deren Geräuscharten
und -amplituden zudem starken Schwankungen unterliegen, kann es
zudem sinnvoll sein, die Lautstärke
der wiedergegebenen Audiosignale anzuheben, um einen weitgehend
gleichmäßigen Störabstand
zu erhalten. Derartige Störquellen können bspw.
Reifenabrollgeräusche,
Windgeräusche,
Antriebsgeräusche
o. dgl, sein. Stör-
bzw. Nebengeräusche
können
jedoch auch Sprache der Fahrzeuginsassen sein. Insbesondere bei
der Wiedergabe von Audiosignalen in Fahrzeugen kann es sinnvoll
sein, die Übertragungsfunktionen
der Audiosignalquellen zu den Schallwandlern in Abhängigkeit von
vorhandenen Stör- und/oder Nebengeräuschen zu
modifizieren, um den Höreindruck
für die
Fahrzeuginsassen zu verbessern. So ist insbesondere eine Anhebung
des Wiedergabepegels entsprechend einem mittleren Verlauf des Spektrums
der Störgeräusche sinnvoll.
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Derartige
Ansätze
zur Verbesserung der Wiedergabegüte
von Audiosignalen in Fahrzeugen sind in unterschiedlicher Form bekannt.
So beschreibt die
DE
34 26 068 A1 ein Verfahren zur Anhebung eines Wiedergabepegels
in Abhängigkeit
eines aufgenommenen Wiedergabegeräusches. Das Wiedergabegeräusch wird
mittels eines Mikrofons ermittelt, das in Nähe eines Wiedergabelautsprechers platziert
ist. Aus der
DE 44
30 931 A1 ist eine Einrichtung zur fahrgeräuschabhängigen Steuerung
der Lautstärke
eines Autoradios bekannt, bei der die Fahrgeräusche aus den Signalen eines
Beschleunigungssensors hergeleitet werden, der an der Fahrzeugkarosserie
angebracht bzw. mechanisch mit dieser verbunden ist.
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Weitere
Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Beeinflussung der Signalverarbeitung
und/oder zu deren Anpassung an die spezifischen Umgebungsbedingungen
in Fahrzeugen sind bspw. aus der
DE 43 28 798 A1 , aus der
US 50 34 984 A , der
US 54 83 692 A sowie
aus der
US 59 07 622 bekannt.
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Gemeinsames
Merkmal der bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist die nur grob
mögliche störsignalabhängige Anpassung
der Wiedergabesignale an die menschliche Hörcharakteristik.
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Die
DE 197 34 969 A1 beschreibt
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wiedergabe von Audiosignalen,
die eine automatische Regelung der Verstärkung in definierten Frequenzbereichen
in Abhängigkeit
eines Lautstärkepegels
im vollen effektiven Frequenzbereich ermöglichen sollen. Zudem sollen auch
auftretende Störgeräusche in
einem für
den Menschen wahrnehmbaren Klangbild der Audiosignale unterdrückt werden.
Unter anderem ist vorgesehen, dass die Störgeräuschsignale erfasst werden und
in Abhängigkeit
der erfassten Störgeräusche die definierten
Frequenzbereiche, in denen eine Aufschaltung des zusätzlichen
Verstärkungsanteils
erfolgt, ermittelt werden. Außerdem
soll in Abhängigkeit
des erfassten Störgeräuschpegels
die Höhe
des zusätzlichen
Verstärkungsanteils
festgelegt werden können.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, bei einer Vorrichtung
bzw. bei einem Verfahren zur Verarbeitung und/oder Wiedergabe von
Audiosignalen eine Bestimmung der Pegel und Frequenzbereiche von
Stör- und/oder Nebengeräuschen zur
gehörgerechten
Anpassung der Pegel von wiederzugebenden Audiosignalen zu nutzen.
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Dieses
Ziel der Erfindung wird mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erreicht. Merkmale
vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 1 sieht vor, dass bei einer Audiosignalwiedergabe ein
frequenzindividueller Störgeräusch- bzw.
Nebengeräuschabstand
vorgebbar ist, in dem eine menschliche Hörcharakteristik berücksichtigt
ist. Das Verfahren ermöglicht
durch eine gehörgerechte
Bestimmung der Pegel und Frequenzbereiche der Neben- bzw. Störgeräusche sowie
einer entsprechenden Bestimmung des Pegels der wiedergegebenen Audiosignale
eine gehörgerechte
Anpassung.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung mit
den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 28, die zur Durchführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß einem
der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen dient. Wenn im
vorliegenden Zusammenhang von einem Verfahren die Rede ist, so ist
damit grundsätzlich
auch immer die entsprechende Vorrichtung gemeint, mit der das Verfahren
durchgeführt
werden bzw. in der das Verfahren implementiert sein kann.
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Es
ist bekannt, dass das Vorhandensein von Nebengeräuschen wie Fahrgeräuschen oder
Umgebungsgeräuschen
die Wahrnehmung von Audiosignalen beeinflusst, insbesondere beeinträchtigt.
Daher ist es wünschenswert,
die Wiedergabeeigenschaften, welche in erster Linie durch die Übertragungsfunktionen
des Audioquellsignals zu den Schallwandlern (Lautsprecher) bestimmt
werden, anzupassen. Die Übertragungsfunktion
kann dabei lineare und nichtlineare Elemente aufweisen. Es war bereits
bisher bekannt, die Nebengeräusche
aus der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Motordrehzahl, der Gangstellung,
der Lüftereinstellung
sowie eines Mikrofonsignals zu ermitteln und darauf basierend unterschiedliche
Verstärkungen
für tief-
und mittelfrequente Frequenzbereiche zu definieren. Dabei werden
die Nebengeräusche üblicherweise
in abstrakter Form gewonnen, z.B. als Mittelwerte der von Wandlern
gelieferten Wertebereiche, welche eine gehörgerechte Auswertung erschweren.
Auch sind derartige Verfahren nicht in der Lage sich an die Eigenschaften des
wiederzugebenden Audiosignals gehörgerecht anzupassen. Dies führt dazu,
dass z.B. bei einigen Systemen bei der Wiedergabe eines Nachrichtensprechers
bei zunehmender Geschwindigkeit oder auch nur beim Einschalten des
Motors die Sprachverständlichkeit
stark abnimmt und bei der Musikwiedergabe einige Musikinstrumente
oder gar das gesamte Musiksignal von den Nebengeräuschen verdeckt
und damit unhörbar
werden.
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Die
vorliegende Erfindung löst
diese Probleme dadurch, dass für
die Nebengeräusche
bzw. Störgeräusche sowie
für die
wiedergegebenen Audiosignale frequenzabhängig gehörgerechte Pegelwerte ermittelt
werden, daraus frequenzabhängige
Pegeldifferenzen zwischen Musik und Nebengeräusch ermittelt werden und diese
sowie weitere Parameter wie z.B. die Wiedergabelautstärke zur
frequenzabhängigen
Beeinflussung der Wiedergabeverstärkung, frequenzabhängiger linearer
sowie nichtlinearer Verzerrungen sowie frequenzabhängiger Verzögerungen
genutzt werden.
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Wenn
im vorliegenden Zusammenhang von Nebengeräuschen sowie von Störgeräuschen die Rede
ist, so ist dies teilweise synonym zu verstehen. Im Einzelfall jedoch
und je nach gewählter
Implementierung kann eine Unterscheidung zwischen Nebengeräuschen und
Störgeräuschen sinnvoll
sein, so dass bspw. Nebengeräusche
identifiziert und nicht einfach pauschal als Störgeräusche klassifiziert werden.
Konversation und Sprache zwischen Fahrzeugpassagieren wird somit
nicht als Störsignal
eingestuft, erzeugt jedoch Nebengeräusche. Auch solche Nebengeräusche können detektiert
werden und einen Einfluss auf die Regelung bekommen, bspw. indem
der Musikpegel (Wiedergabelautstärke)
abgesenkt wird. Sprachgeräusche
können
anhand ihres typischen Pegelverlaufs im Frequenzbereich erkannt werden.
Nebengeräusche
wie Reifenabrollgeräusche,
Windgeräusche
etc. können
genauer detektiert werden, indem der Sprachfrequenzbereich bei deren Detektion
ausgespart wird, da diese Nebengeräusche auch Komponenten mit
anderen Frequenzbereichen aufweisen.
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Die
gehörgerechten
frequenzabhängigen Pegelwerte
werden in einer vorteilhaften Ausführungsform als A-gewichtete
Dezibel Werte ermittelt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
wird zusätzlich
ein frequenzabhängig
arbeitender Kompressor auf dem Eingangsaudiosignal angewendet um
Dynamikunterschiede verschiedener Audioquellen sowie verschiedener
Musikstücke auszugleichen. Die
Stärke
des Kompressoreffektes kann dabei wieder in einer vorteilhaften
Ausführungsform
durch den Abstand des Audiosignalpegels in dBA zum Nebengeräusch in
dBA geregelt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden jeweils die Pegel
der wiederzugebenden Audiosignale und der Neben- bzw. Störgeräusche gemäß einer
gehörgerechten
Skalierung frequenzabhängig
skaliert. Vorzugsweise wird aus der frequenzabhängigen Differenz der jeweiligen
Pegel eine gehörgerechte
Wiedergabelautstärke
ermittelt.
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Zur
Herleitung von typischerweise zu erwartenden Pegeln bzw. Störgeräuschabständen können insbesondere
zusätzliche
Umgebungsparameter berücksichtigt
werden. Als solche Umgebungsparameter können bei Fahrzeugen eine Antriebsmotordrehzahl,
eine Drehzahl mindestens eines Lüfterflügels, eine
gewählte
Getriebestufe und/oder eine Fahrgeschwindigkeit verarbeitet werden.
Bei Fahrzeugen kann das durch den Antriebsmotor verursachte Geräusch bspw.
aus einem Wert für
die Antriebsmotordrehzahl abgeleitet werden. Als weitere Umgebungsparameter
bei Fahrzeugen können
bspw. eine Passagierzahl sowie deren Positionen im Fahrzeuginnenraum,
eine Öffnungsstellung
mindestens Fahrzeugöffnung,
insbesondere einer Seitenscheibe und oder eines Schiebe- oder Faltdaches
und/oder eines Klappdaches verarbeitet werden. Weiterhin können als
Umgebungsparameter eine Stellung eines Pegelstellers eines Wiedergabegeräts, insbesondere
eines Lautstärkestellers
und/oder eines Klangstellers, verarbeitet werden.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Klassifizierung
der Neben- bzw. Störgeräusche und/oder
deren Einteilung in unterschiedliche Kategorien vorgesehen ist,
wodurch die Signalverarbeitung vereinfacht und die Regelgüte verbessert
werden kann.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auf
Basis der ermittelten Pegel der einzelnen Stör- bzw. Nebengeräusche, bekannter
Umgebungsparameter wie einer Motordrehzahl sowie der Eigenschaften
der wiederzugebenden Audiosignale lineare sowie nichtlineare Übertragungsglieder
in den Signalzweigen angesteuert werden. Hierdurch ist eine sehr
präzise
Regelung und damit ein sehr guter Störgeräuschausgleich ermöglicht.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Übertragungsglieder Kompressoren,
Limiter und/oder Filter auf den Quelladiosignale sowie Filter, Verzögerungen,
Verstärkungen,
Kompressoren und/oder Limiter auf den Signalen nach einer konventionellen
Signalverarbeitung eingesetzt werden. Weiterhin kann vorgesehen
sein, dass die frequenzabhängigen
Pegel der einzelnen Nebengeräusche,
Pegeldifferenzen sowie die aus den Umgebungsparametern gewonnenen
Informationen über
Funktionen auf Parameter abgebildet werden welche die Grundlage
der Steuerung der weiteren Module bildet.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
Steuerungsparameter über
weitere Funktionen die von anderen Parametern abhängig sind
gewichtet sowie begrenzt werden können. Es kann weiterhin vorgesehen
sein, dass ein Kompressor am Signaleingang so gesteuert wird, dass
er nur dann komprimiert wenn die Differenz (Nebengeräuschpegel-Nutzsignalpegel)
einen definierten Wert überschreitet
und unterhalb dessen kontinuierlich bis zu einem Grenzwert zunimmt
wobei zur Steuerung der Stärke
des Kompressors entweder der Threshold-Parameter oder der Ratio-Parameter oder
eine Kombination beider verwendet werden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass tieffrequente
Nebengeräusche
dadurch bestimmt werden, dass die Übertragungsfunktionen der einzelnen
auf die D/A-Wandler gegebenen Signale zu einem Mikrofon gemessen werden,
basierend auf diesen Übertragungsfunktionen
und dem an die Wandler gesendeten Signal eine Schätzung des
am Mikrofon zu detektierenden Nutzsignals erfolgt und die Nebengeräusche durch
Subtraktion des echten Mikrofonsignals und des so geschätzten Signals
bestimmt wird.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine
Detektion des Nebengeräusches
in Frequenzbändern
dadurch erfolgt, dass die einzelnen an die D/A-Wandler auszugebenden
Signale entsprechend der Laufzeit bis zum Mikrofoneingang inklusive
der Verzögerung
der A/D-Wandlung des Mikrofonsignals verzögert werden, diese dann entsprechend
des gewünschten
zu analysierenden Frequenzbereiches bandpassgefiltert werden, die
Absolutwerte der bandpassgefilterten Signale ermittelt werden, diese
zeitlich geglättet werden,
die geglätteten
Werte entsprechend dem in diesem Frequenzbereich zu erwartenden Mikrofonpegel
gewichtet und aufsummiert werden und von dieser Summe das entsprechend
behandelte Mikrofonsignal abgezogen wird.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine
Detektion des Nebengeräusches
in Frequenzbändern
dadurch erfolgt, dass die einzelnen an die D/A-Wandler auszugebenden
Signale entsprechend der Laufzeit bis zum Mikrofoneingang inklusive
der Verzögerung
der A/D-Wandlung des Mikrofonsignals verzögert werden, diese dann mittels
einer Zeit-Frequenz-Transformation
in den Frequenzbereich transformiert werden, die Betragswerte der
einzelnen Frequenzstützstellenwerte
ermittelt werden, diese zeitlich geglättet werden wobei vorteilhafterweise
Glättungsfilter
verwendet werden welche die Nachschwingzeit des Lautsprechers und
des Raumes im entsprechenden Frequenzbereich nachbilden, die geglätteten Werte entsprechend
dem bei dieser Frequenz zu erwartenden Mikrofonpegel gewichtet und
jeweils ein Teil der Werte eines Frequenzbereiches aufsummiert werden wobei
diejenigen Werte gewählt
werden die im Mikrofonsignal im gleichen Frequenzbereich kleine
Pegel gegenüber
anderen Pegeln dieses Bereiches des Mikrofonsignals aufweisen, von
diesen Summen die entsprechend ermittelten Summen des Mikrofonsignal
abgezogen werden, von diesen Summen ein Mittelwert für den interessierenden
Frequenzbereich berechnet wird und daraus ein zeitlicher Mittelwert
berechnet wird.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
Messung der Übertragungsfunktionen
mit bandbassgefilterten Impulsen bei typischen Musikpegeln erfolgt
und die mitgemessene Übertragungsfunktion
des Filters dadurch kompensiert wird dass bei der Detektion der
Nebengeräusche
ein entsprechendes Filter auf das Mikrofonsignal angewandt wird.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei
Vorhandensein von nichtlinearen Vorverzerrungsstufen zur Linearisierung
der Lautsprecherimpulsantworten diese Module direkt vor die Ausgabe
an die Wandler platziert werden und als Teil der Übertragungsstrecke
aufgefasst werden und somit sowohl bei der Messung der Impulsantwort
mitgemessen werden als auch die Referenzsignale zur Detektion der
Nebengeräusche
vor diesen Modulen abgegriffen werden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass kurzzeitig
auftretende Nebengeräusche
dadurch von einer Berücksichtigung ausgeschlossen
werden können,
dass die entsprechenden Messsignale eingefroren werden wenn ein entsprechend
plötzlicher
Anstieg detektiert wird.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass Nebengeräuschpegel
so geschätzt
werden, dass zu einem über
die Nebengeräuschpegelschätzung mittels Übertragungsfunktion bestimmten
Nebengeräuschpegel
in dBA der Mikrofonpegel eines anderen Frequenzbereiches in dBA addiert
und der Mikrofonpegel des gleichen Frequenzbereiches in dBA subtrahiert
wird und der resultierende dBA-Wert auf den dBA-Wert des Frequenzbereiches
des Mikrofonsignals begrenzt wird.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass Differenzwerte
der Nebengeräuschpegel
durch Subtraktion der über
die Umgebungsparameter geschätzten
Nebengeräuschpegel von
den über
das Mikrofonsignal geschätzten
Nebengeräuschpegel
ermittelt werden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein
Nebengeräuschpegel aus
der gewichteten Summe der Schätzung
der Nebengeräuschpegel über die
Umgebungsparameter, der Nebengeräuschpegel
durch Mikrofonschätzung sowie
des Differenzwertes der Nebengeräuschpegel basierend
auf den Umgebungsparametern und dem Mikrofon ermittelt werden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei
Feststellung von Änderungen
der Umgebungsparameter, die darauf schließen lassen, dass sich der Nebengeräuschpegel
relevant verändert
hat, was durch die Verzögerungen
bei der Mikrofonbasierten Schätzung
noch nicht in dieser Schätzung
erfasst sein kann, die Differenzwerte der Nebengeräuschpegel
so lange eingefroren werden, bis die Umgebungsparameter wieder für eine Zeitdauer
konstant sind, die ausreicht, so dass die mikrofonbasierten Messwerte
sich wieder mit einer bestimmten Genauigkeit der neuen Situation
angepasst haben.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Änderung
einer Fahrzeuggeschwindigkeit um mindestens einen bestimmten Wert innerhalb
einer bestimmten Zeit als Änderung
der Umgebung interpretiert wird die damit zu einem Einfrieren der
Differenzwerte der Nebengeräuschpegel
führt.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
Parameterberechnungen, mit denen die einzelnen Module angesteuert werden,
in einem möglichst
festen zeitlichen Abstand durchgeführt werden und die dadurch
angesteuerten Module ihre Anpassungen mit einer Zeitkonstante durchführen die
mindestens so groß ist
wie der zeitliche Abstand zweier Parameterberechnungen.
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Es
wäre weiterhin
noch zu erwähnen,
dass sich die beschriebenen Absolutwertbildungen der verarbeiteten
Signale bzw. die Betragsbildungen fast immer auch in vorteilhafter
Weise durch eine Quadratbildung bzw. durch eine Betragsquadratbildung der
Signale ersetzen lassen.
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Weitere
Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus
der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und
auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug nimmt, in denen die 1 bis 5 jeweils
schematische Blockschaltbilder zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Signalverarbeitung
zeigen.
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1 zeigt
in einem schematischen Blockschaltbild den grundsätzlichen
Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verarbeitung und/oder Wiedergabe von Audiosignalen.
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2 verdeutlicht
in einem schematischen Blockschaltbild die Bildung eines Steuersignals
für einen
Verstärker
entsprechend 1.
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3 verdeutlicht
in einem schematischen Blockschaltbild die Bestimmung von Nebengeräuschen gemäß einer
ersten Ausführungsvariante.
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4 verdeutlicht
in einem schematischen Blockschaltbild die Bestimmung von Nebengeräuschen gemäß einer
zweiten Ausführungsvariante.
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5 verdeutlicht
in einem schematischen Blockschaltbild die Bestimmung von Nebengeräuschen gemäß einer
dritten Ausführungsvariante.
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Die
Vorrichtung gemäß 1 umfasst
im Wesentlichen mehrere Audiosignalquellen 100, erste Kompressor/Limiter-Einheiten 110,
erste Filterstufen 120, konventionelle Signalverarbeitungsstufen 130, zweite
Filterstufen 140, Verzögerungsstufen 150, Verstärkerstufen 160,
zweite Kompressor/Limiter-Einheiten 170, Leistungsverstärkerstufen 180, Lautsprecher
bzw. erste Schallwandler 190, Mikrofone bzw. zweite Schallwandler 200,
ein Nebengeräuschdetektionsmodul 210 sowie
eine Steuerungsstufe 220.
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Da
die Audiosignalquellen 100 jeweils mehrere unterschiedliche
Kanäle – hier gekennzeichnet als
Ch1, Ch2 ... ChN – aufweisen
können,
weisen vorzugsweise auch die nachgeschalteten Signalverarbeitungsstufen
jeweils die gleiche Anzahl von Kanälen auf. Die Anzahl der Kanäle der Audiosignalquellen 100 kann
jeweils mit der Anzahl der entsprechenden Einheiten 110, 120, 140, 150, 160, 170, 180 sowie
mit der Anzahl der ersten Schallwandler 190 bzw. Lautsprecher übereinstimmen,
was jedoch nicht Bedingung ist. Auch die Anzahl der zweiten Schallwandler 200 bzw.
Mikrofone (mic1, mic2, ... micM) kann mit der Anzahl der erwähnten Kanäle übereinstimmen.
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Die
Signale der Audiosignalquellen 100 werden jeweils der Steuerungsstufe 220 sowie über die ersten
Kompressor/Limiter-Einheiten 110 und die ersten Filterstufen 120 einer
konventionellen Signalverarbeitung zugeführt. Dort erfolgt üblicherweise
die Mischung von Kanälen,
die Lautstärkerregelung,
Filterung und Verzögerung
der Audiosignale. Danach werden die Signale, deren Anzahl sich von
der Anzahl der vorhandenen Eingangssignale unterscheiden kann, auf
zweite Filterstufen 140, Verzögerungsstufen 150,
Verstärkungsstufen 160 sowie
zweite Kompressor/Limiter-Einheiten 170 geführt, um
dann nach einer Leistungsverstärkung
in den Leistungsverstärkerstufen 180 auf
die Lautsprecher bzw. ersten Schallwandler 190 ausgegeben
zu werden.
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Über mindestens
einen zweiten Schallwandler 200, vorzugsweise jedoch mehrere
zweite Schallwandler bzw. Mikrofone 200 werden Geräusche im Fahrzeug
und/oder außerhalb
des Fahrzeuges aufgenommen. Aus diesen Geräuschen werden im Nebengeräuschdetektionsmodul 210 die
Nebengeräusche
detektiert. Der Nebengeräuschdetektor 210 kann
Informationen über
die Art der Nebengeräusche (Reifenrollgeräusch, Windgeräusch etc.)
sowie derer spektralen Zusammensetzung an die Steuerungsstufe 220 liefern.
Die Steuerungsstufe 220 stellt basierend auf den Informationen
des Nebengeräuschdetektors 210 sowie
weiterer an sie übermittelter
Parameter die Module 110, 120, 140, 150, 160 sowie 170 ein.
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Die
erwähnten
Parameter werden bspw. durch eine Motordrehzahl („rpm"), eine Lüftereinstellung
(„fan"), eine Fahrgeschwindigkeit
(„speed") oder andere Eingangswerte
gebildet. Darüber
hinaus können
in der Steuerungsstufe 220 Parameter wie Sitzbelegungen
(„Drivers"), Öffnungsstellungen
der Seitenfenster („Window"), eine gewählte Getriebestufe („Gear") etc. berücksichtigt
werden. Weitere Parameter können
zur Klangbeeinflussung („Volume", „Bass", „Treble") dienen.
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Das
schematische Blockschaltbild gemäß 2 verdeutlicht
die Erzeugung eines Steuersignals S(160) für eine der Verstärkerstufen 160 entsprechend 1.
Die in 2 gezeigten Verarbeitungsstufen bilden einen Teil
des Nebengeräuschdetektionsmoduls 210.
Entsprechende Vorrichtungen sind für alle zu steuernden Module
aus 1 vorhanden.
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Bei
dieser Vorrichtung gemäß 2 werden die
einzelnen Audiosignale 100 der Kanäle Ch1 bis ChN zuerst mit einer
dritten Filterstufe 230 A-gewichtet. Danach erfolgt eine
Tiefpassfilterung (LP) in ersten Tiefpassfiltern 240, da
mit dem im Ausführungsbeispiel
gebildeten Steuersignal ein Lautsprecher bzw. erster Schallwandler 190 gesteuert
werden soll, der für
die Wiedergabe tiefer Frequenzen vorgesehen ist (sog. Tieftonlautsprecher).
Die tiefpassgefilterten Signale werden in ersten Quadrierstufen 250 quadriert
(X2), aufsummiert, nochmals über ein
zweites Tiefpassfilter 260 geglättet, wonach in einer ersten
Logarithmierstufe 270 über
eine Logarithmus-Funktion schließlich eine A-gewichtete Lautheitsinformation
ermittelt wird. Dieser Wert erfasst Dynamikschwankungen der Musik
sowie unterschiedliche Pegel von Musikstücken oder Audioquellen.
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Im
Gegensatz dazu wird über
die Summation des Volume-Reglers 280, des Bassreglers 290 sowie der
zuletzt angewandten Verstärkung
eine quellsignalunabhängige
zu erwartende Lautstärke
bestimmt und diese über
ein drittes Tiefpassfilter 300 geglättet. Beide Signale werden
gewichtet addiert und damit ein zu erwartender Schallpegel in dBA
ermittelt.
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Das
von dem Nebengeräuschdetektionsmodul 210 (vgl. 1)
detektierte Nebengeräusch („Noise"), welches auch als
Störsignal
betrachtet werden kann, wird in einer vierten Filterstufe 310 ebenfalls
A-gewichtet, in einem vierten Tiefpassfilter 320 tiefpassgefiltert,
in einer zweiten Quadrierstufe 330 quadriert, nochmals über ein
fünftes
Tiefpassfilter 340 geglättet
und dann der Pegel in dBA in einer zweiten Logarithmierstufe 350 über eine
Logarithmus-Funktion sowie eine nachfolgende Gewichtung ermittelt.
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Die
Differenz des dBA-Wertes der Musik zum dBA-Wert der Nebengeräusche ergibt
einen Wert, der im folgenden als Music-to-Noise-Ratio oder kurz
MNR bezeichnet wird. Ein positiver Wert der MNR deutet darauf hin,
dass das Audiosignal im entsprechenden Frequenzbereich lauter als
das Störungsgeräusch wahrgenommen
wird. Ein negativer Wert der MNR deutet darauf hin, dass das Audiosignal
im entsprechenden Frequenzbereich leiser wahrgenommen wird als das
Störgeräusch. Über die Funktion
f1(x) wird aus der MNR ein Verstärkungsfaktor
berechnet, der dann über
die Funktion f2(x) in Abhängigkeit
vom gewählten
Volumewert begrenzt und gewichtet werden kann. Dieser Wert wird
als Steuersignal S(160) ausgegeben, welches die Verstärkung des
entsprechenden Moduls (Verstärkerstufen 160,
vgl. 1) steuert. Zur Vermeidung von Oszillationen kann
vorteilhafterweise ein PID-Regler für die Bestimmung des Steuerparameters
verwendet werden, der jedoch in 2 nicht
dargestellt ist.
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Die
Bestimmung der Nebengeräusche
kann mit einem oder einer Kombination der in 3, 4 und 5 dargestellten
Verfahren erfolgen.
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In
einem Verfahren entsprechend 3 werden
die einzelnen auf die Lautsprecher 190 auszugebenden Signale
(Ch1, Ch2, ... ChN) mittels sechster Tiefpassfilter 360 tiefpassgefiltert.
Danach werden die Signale jeweils mit einer Übertragungsfunktion verarbeitet,
welche der Übertragungsfunktion
vom Lautsprecher zum Mikrofon entspricht. Die Summe dieser Signale
wird vom mittels siebtem Tiefpassfilter 370 tiefpassgefilterten
Mikrofonsignal (Mic) subtrahiert. Das daraus resultierende Signal
S(TN) enthält tieffrequente
Nebengeräusche.
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Sind
keine Nebengeräusche
vorhanden und die Übertragungsfunktionen
treffen in idealer Weise die echten Übertragungsfunktionen, dann
wird die Differenz beider Signale und damit das Signal S(TN) gleich
Null sein. Bei Vorhandensein von Nebengeräuschen werden genau diese in
invertierter Form entsprechend tiefpassgefiltert das Ergebnis der
Differenz sein. Bei Vorhandensein von Nichtlinearitäten, z.B.
der Lautsprecher 190, können
diese durch ein nichtlineares Modell nachgebildet werden. Eine entsprechende
Operation muss dann vor der Tiefpassfilterung erfolgen.
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Falls
die Nichtlinearitäten
durch eine entsprechende Vorverzerrung kompensiert werden, so darf
die entsprechende Funktion nicht im Signalpfad von 4 enthalten
sein, die Signale Ch1 bis ChN entsprechen dann denen direkt vor
Anwendung der Vorverzerrung, bevor das Signal ausgegeben wird. Der
Nachteil dieser Art der Nebengeräuschdetektion liegt
darin, dass sie nur im unteren Frequenzbereich gute Ergebnisse liefert,
da die Übertragungsfunktion des
Raumes im oberen Frequenzbereich starken Schwankungen unterliegen
kann. Diese treten schon bei kleinen Änderungen im Raum auf, z.B.
wenn eine Person den Kopf schwenkt. Daher ist zur Bestimmung der
hochfrequenten Nebengeräusche
eine andere Art der Detektion von Vorteil, wie sie z.B. in 4 und 5 beschrieben
werden.
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In
dem Verfahren entsprechend 4 werden
die auf die Lautsprecher 190 auszugebenden Signale (Ch1,
Ch2, ... ChN) zuerst in Verzögerungsstufen 380 einzeln
verzögert,
wobei die Verzögerungen den
Laufzeiten der Signale bis zum Eintreffen beim jeweiligen Mikrofon 200 entsprechen.
Danach werden die Signale einzeln mittels einer FFT (schnelle Fourier-Transformation)
in den Frequenzbereich transformiert und die Betragswerte der Pegel
bei den einzelnen Frequenzstützstellen
ermittelt. Für
jede Frequenzstützstelle
wird eine individuelle Verstärkung über H1(f)
bis Hn(f) angewendet, die vorteilhafterweise der größtmöglichen
zu erwartenden Verstärkung
entspricht. Diese kann durch Messung z.B. mittels Rauschsignalen
bei unterschiedlichen Raumkonstellationen (ein oder mehrere Personen
sowie Objekte an verschiedenen Orten anwesend) gewonnen werden.
Durch die Anwendung der größtmöglichen zu
erwartenden Verstärkung
kann sichergestellt werden dass Nebengeräusche nur dann detektiert werden,
wenn sie auch wirklich vorhanden sind. Zwar erhöht diese Vorgehensweise die
Wahrscheinlichkeit, dass vorhandene Nebengeräusche nicht detektiert werden,
was aber für
das Gesamtverhalten im Allgemeinen vorteilhafter ist.
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Anschließend wird
die Summe der maximal zu erwartenden Pegel der einzelnen Kanäle bei den entsprechenden
Frequenzstützstellen
berechnet. Das Mikrofonsignal (Mic) wird auch mittels FFT in den Spektralbereich überführt, wonach
dort wieder die Betragswerte (ABS) ermittelt werden. Von diesen werden
dann für
ale Frequenzstützstellen
die vorher berechneten Summen subtrahiert. Ist ein Ergebnis positiv,
so deutet dies auf ein bei der entsprechenden Frequenz vorhandenes
Nebengeräusch
hin, wobei der Pegel des Nebengeräusches in erster Näherung dem
Pegel des Differenzsignals entspricht. Um eine genauere Schätzung zu
ermitteln, erfolgt danach eine zeitliche und frequenzabhängige Mittelung (AVG),
bei der die Frequenzgrenzen und die Zeitkonstante entsprechend den
Anforderungen an den Steuerungsalgorithmus gewählt werden. Das resultierende
Ausgangssignal S(SG) liefert einen Indikator für das Störspektrum des gesamten verarbeiteten Frequenzbandes.
Vorteilhafterweise können
bei der Mitteilung nur diejenigen Frequenzstützstellen eines Bandes berücksichtigt
werden, die im wiederzugebenden Signal (Ch1, Ch2, ... Chn) geringere
Pegel aufweisen.
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In
dem in 5 gezeigten Verfahren werden die einzelnen auszugebenden
Kanäle
(Ch1, Ch2, ... ChN) verzögert
(Z–n1,
Z–n2 ...
Z–nn),
in Bandpassfiltern 390 bandpassgefiltert, der Absolutwert
(ABS) gebildet, über
ein achtes Tiefpassfilter 400 geglättet, gewichtet und aufsummiert.
Das Mikrofonsignal (Mic) wird ebenfalls bandpassgefiltert (BP),
der Absolutwert gebildet (ABS) und über einen Tiefpass (LP) geglättet. Von
diesem Signal wird die zuerst gebildete Summe subtrahiert, was als
Ergebnis ein Signal S(NA) für
eine frequenzbandbezogene Nebengeräuschamplitude liefert.
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Dazu
ist es notwendig, dass die Gewichtungen der einzelnen Kanäle so eingestellt
sind, dass die Summe der für
dieses Frequenzband zu erwartenden mittleren Amplituden bei Wiedergabe
von für das
System typischen Audiosignalen ohne Vorhandensein von Nebengeräuschen dem
verarbeiteten Mikrofonsignal entspricht. Die optimalen Gewichtungen
können
dabei am besten in der Praxis durch eine Einmessung bei der Wiedergabe
von typischen Audiosignalen ermittelt werden. Die spektrale Auflösung diese
Verfahrens ist zwar nicht so hoch wie die des FFT-basierten Verfahrens,
allerdings wird durch das üblicherweise
breitere Frequenzband eine stärkere Mittelung
erreicht, wodurch einzelne spektrale Überhöhungen kompensiert werden können, so
dass im Mittel eine genauere Schätzung
erreicht werden kann.
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Im
Idealfall sollten alle drei Verfahren kombiniert werden, wobei das
Verfahren gemäß 3 im Frequenzbereich
von 20 Hz bis 200 Hz angewandt wird, dann im Frequenzbereich darüber Schätzer für die gewünschten
Frequenzbereiche auf Basis des Verfahrens gemäß 5 angewandt
werden, wobei deren Nebengeräuschpegel dann
nach unten korrigiert werden, wenn durch das sicherere Verfahren gemäß 4 im
entsprechenden Frequenzbereich ein geringerer Nebengeräuschpegel
detektiert wird.
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Ist
die Art der Nebengeräusche
bekannt, z.B. Fahrgeräusche
im Fahrzeug, so kann der Nebengeräuschpegel bei unterschiedlichen
Frequenzen aus nur einem Pegel des Nebengeräusches bei einer Frequenz geschätzt werden.
Dies ist möglich,
wenn der spektrale Verlauf des Nebengeräusches in Abhängigkeit
des Pegels bei der entsprechenden Frequenz bekannt und eindeutig
ist. Dies ist beispielsweise bei Fahrgeräuschen in guter Näherung gegeben.
In diesem Fall ist es möglich,
mit dem Verfahren gemäß 3 den
Störpegel
für den
unteren Frequenzbereich zu bestimmen, daraus Nebengeräuschpegel
für höhere Frequenzbereiche
zu schätzen
und diese dann nur noch leicht gemäß der Verfahren aus 4 und 5 zu
korrigieren.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung
sein. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr
ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von
dem erfindungsgemäßen Gedanken
Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.