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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterdrücken von
Rückkopplungspfeifen
bei Hörvorrichtungen
durch Ermitteln oder Vorgeben eines Frequenzbereichs, der rückkopplungsgefährdet ist,
und Empfangen eines Eingangssignals mit einem Spektralanteil in
dem rückkopplungsgefährdeten
Frequenzbereich. Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Spektralerweiterung
bei einer Hörvorrichtung,
deren Eingangssignal einen begrenzten Frequenzbereich besitzt. Außerdem bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf entsprechende Hörvorrichtungen.
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In
Akustiksystemen und insbesondere bei Hörgeräten mit mindestens einem Eingang
(z. B. Mikrofon) und mindestens einem Ausgang (z. B. Hörer) besteht
die Gefahr akustischer Rückkopplung.
Bei ausreichend hoher Verstärkung
beginnt das System zu oszillieren, was sich durch Pfeifen bemerkbar macht.
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Bislang
konnte das Rückkopplungspfeifen beispielsweise
durch sogenannte Notchfilter unterdrückt werden. Bei diesem Ansatz
wird die Schleifenverstärkung
bei derjenigen Frequenz reduziert, bei der Feedback- bzw. Rückkopplungspfeifen
auftreten würde.
Durch diese Absenkung ist die Amplitudenbedingung für Rückkopplungspfeifen
nicht mehr erfüllt.
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Eine
weitere Möglichkeit,
das Rückkopplungspfeifen
zu unterdrücken
besteht darin, eine entsprechende Signalkompensation durchzuführen. Bei diesem
Feedbackkompensationsansatz wird der Rückkopplungspfad digital nachgebildet
und seine Wirkung kompensiert. Diese Ansätze zur Feedbackreduktion können jedoch
das Ausgangssignal deutlich hörbar
verfälschen,
insbesondere wenn die Eingangsstufe des Akustiksystems nur für eine geringe
spektrale Bandbreite ausgelegt ist.
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Akustiksysteme
mit schmalbandiger Eingangsstufe besitzen ferner den Nachteil, dass
die akustische Qualität
des Ausgangssignals in der Regel entsprechend gering ist.
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Aus
der Druckschrift
EP
1 304 902 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Störbefreiung
eines redundanten akustischen Signals bekannt. Dabei wird ein Teilfrequenzbereich
des Eingangssignals, in dem eine Störung konzentriert ist, entfernt. Anschließend wird
die Intensität
des verbleibenden Eingangssignals in einen beizubehaltenden Eingangssignalteil
und einen weiterzuverarbeitenden Eingangssignalteil aufgeteilt.
Aufgrund des weiterzuverarbeitenden Eingangsignalteils wird der
entfernte Teilfrequenzbereich des Eingangssignals synthetisiert.
Schließlich
wird der beizubehaltende Eingangssignalteil und der synthetisierte
Eingangssignalteil zum Hervorbringen eines gegenüber dem Eingangssignal störungsreduzierten
Ausgangssignals zusammengeführt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Signalqualität von Akustiksystemen,
die rückkopplungsgefährdet sind
bzw. deren Eingangsstufe verhältnismäßig schmalbandig
ist, zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren zum Unterdrücken
von Rückkopplungspfeifen
bei einer Hörvorrichtung
durch Ermitteln oder Vorgeben eines Frequenzbereichs, der rückkopplungsgefährdet ist,
und Empfangen eines Eingangssignals mit einem Spektralanteil in
dem rückkopplungsgefährdeten
Frequenzbereich, sowie Reduzieren des genannten Spektralanteils
des Eingangssignals und Mischen mit einem synthetischen Signal.
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Entsprechend
wird erfindungsgemäß bereitgestellt
eine Hörvorrichtung
mit einer Rückkopplungsunterdrückungseinrichtung
und einer Signaleingangseinrichtung zum Empfangen eines Eingangssignals,
wobei die Rückkopplungsunterdrückungseinrichtung
eine Reduktionseinheit zum Reduzieren eines Spektralanteils des
Eingangssignals und eine Mischeinheit zum Mischen des redu zierten
Spektralanteils mit einem synthetischen Signal aufweist.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen Teil eines internen
Signals der Hörvorrichtung durch
ein synthetisches Signal zu substituieren und mit diesem zu mischen.
Durch das Substituieren wird die Amplitudenbedingung für das Rückkopplungspfeifen
nicht mehr erfüllt.
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Vorzugsweise
wird das synthetische Signal mit einer Nichtlinearität aus dem
Eingangssignal erzeugt. Auf diese Weise kann in dem gewünschten Frequenzbereich
ein synthetisches Signal in Abhängigkeit
von dem Eingangssignal erzeugt werden.
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Das
synthetische Signal kann beispielsweise ebenso durch Frequenzverschiebung
aus dem Eingangssignal erzeugt werden. Auch hierdurch lässt sich
in einfacher Weise in dem gewünschten
Frequenzbereich ein synthetisches Signal in Abhängigkeit von dem Eingangssignal
erzeugen.
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Vorteilhafterweise
wird die spektrale Einhüllende
eines aus dem synthetischen Signal und einem Teil des Eingangssignals
gemischten Signals mit Hilfe einer LPC-Analyse korrigiert. Somit
kann der Signalcharakter des ursprünglichen Eingangssignals ohne
Rückkopplung
gut beibehalten werden. Beispielsweise kann die Korrektur in Kombination
mit einer gängigen
Formfilterung erfolgen.
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Entsprechend
einer besonderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erfolgt vor dem Mischen ein Weiterverarbeiten
des reduzierten Signals und das Mischen durch Addieren des synthetischen
Signals zu dem weiterverarbeiteten, reduzierten Signal unmittelbar
vor einer Signalausgabe an einen Ausgangswandler. Damit kann die
Unterdrückung
des Rückkopplungspfeifens
vollkommen unabhängig
von der internen Signalverarbeitung erfolgen. Dies bedeutet, dass
bestehende Systeme auch ohne weiteres nachgerüstet werden können.
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Weiterhin
kann das Eingangssignal in mehreren Kanälen verarbeitet werden, wobei
das Substituieren bzw. Mischen nur in demjenigen Kanal mit dem rückkopplungsgefährdeten
Frequenzbereich erfolgt. Damit kann die Wirkung der Rückkopplungsunterdrückung gezielt
auf einen oder mehrere Kanäle beschränkt werden.
Dabei ist es günstig,
wenn aus mindestens zwei der Kanäle
je ein oder mehrere Merkmale des jeweiligen Signals gewonnen und
für das
Substituieren bzw. Mischen berücksichtigt
werden. Anhand der Merkmale aus den anderen Kanälen kann so die Qualität des synthetischen
Signals verbessert werden.
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Zur
Lösung
der oben genannten Aufgabe ist ferner vorgesehen ein Verfahren zur
Spektralerweiterung bei einer Hörvorrichtung
durch Empfangen eines Eingangssignals, dessen Spektrum a priori
einen begrenzten Frequenzbereich besitzt und Mischen des Eingangssignals
oder des Eingangssignals in einer weiter verarbeiteten Form mit
einem synthetischen Signal, dessen Spektrum zumindest teilweise außerhalb
des begrenzten Frequenzbereichs liegt.
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Außerdem wird
erfindungsgemäß bereitgestellt
eine entsprechende Hörvorrichtung
mit einer Signaleingangseinrichtung zum Empfang eines Eingangssignals,
dessen Spektrum a priori einen begrenzten Frequenzbereich besitzt
und einer Mischeinrichtung zum Mischen des Eingangssignals oder des
Eingangssignals in einer weiter verarbeiteten Form mit einem synthetischen
Signal, dessen Spektrum zumindest teilweise außerhalb des begrenzten Frequenzbereichs
liegt.
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Durch
das erfindungsgemäße Mischen
des Eingangssignals mit einem synthetischen Signal wird eine Spektralerweiterung
erzielt, die zu einem Ausgangssignal führt, welches als qualitativ
hochwertiger empfunden wird. Dabei wird die Spektralerweiterung durch
einen verhältnismäßig geringen
Hardwareaufwand erreicht. Außerdem
kann bei gewissen Akustiksystemen, bei denen technisch bedingte
Einschränkungen
der Bandbreite der Eingangsstufe bestehen, die erfindungsgemäße Spektraler weiterung
dazu genutzt werden, dass die Bandbreite nicht auch im Ausgangssignal
beschränkt
ist.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausgestaltung wird das synthetische Signal durch
Kopieren eines Anteils aus dem begrenzten Frequenzbereich des Eingangssignals
erzeugt. Speziell können
beim Kopieren Spiegelfrequenzen genutzt werden. Somit lässt sich
auf einfache Weise eine Eingangssignalabhängigkeit des synthetischen
Signals erzeugen.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems bzw. Verfahrens kann
das Mischen des Eingangssignals mit dem synthetischen Signal unterbrochen
werden, wenn ein nichtlineares Verhalten der Hörvorrichtung detektiert wird.
Auf diese Weise kann ein rauschartiges Rückkopplungssignal unterbunden
werden, das von alleine nicht mehr abreißen würde.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild einer Hörvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und
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2 ein
Prinzipschaltbild zur erfindungsgemäßen Teilbandsynthese eines
Mehrkanalgeräts.
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Die
nachfolgend näher
geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
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Entsprechend
der erfindungsgemäßen Grundidee
sollen Signalanteile, die das Rückkopplungspfeifen
verursachen, substituiert werden. Diese Signalsubstitution soll
im feedbackgefährdeten
Frequenzbereich erfolgen. In diesem Frequenzbereich wird also nicht
ausschließlich
das durch das Mikrofon aufgenommene Signal verarbeitet und über den
Hörer abgegeben,
sondern auch das synthetisch erzeugte Signal verarbeitet bzw. ausgegeben.
Somit kann die Rückkopplungsschleife
unterbrochen werden und es kann sich bei linearem Systemverhalten eine
unerwünschte
Oszillation unterbinden lassen.
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Das
durch das Mikrofon aufgenommene Signal kann mit dem synthetischen
Signal in einem beliebigen Verhältnis
gemischt werden. Dieses Mischen kann auch als Teilsubstitution betrachtet
werden. Die effektive Verstärkung
kann hierbei in der Rückkopplungsschleife
soweit abgesenkt werden, dass die Amplitudenbedingung für Feedback
nicht mehr erfüllt ist.
Hierdurch bleibt ein gewisser Anteil des natürlichen Signals erhalten.
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Maßnahmen
zur Erzeugung von synthetischen Signalkomponenten sind beispielsweise
die Verwendung von Nichtlinearitäten,
d. h. nichtlinearen Bauelementen mit beispielsweise quadratischer Kennlinie,
Betragskennlinie usw. oder Modulationsansätze, bei denen Frequenzkomponenten
spektral verschoben werden. Vor allem in niedriger Frequenzlage
(< 8 kHz) sollte
zusätzlich
eine Vorrichtung zur Korrektur der spektralen Einhüllenden
vorgesehen werden, um einen natürlichen
Klang soweit wie möglich
zu bewahren. Ein Werkzeug hierfür
ist beispielsweise die LPC-Analyse (linear predictive coding) in Kombination
mit Formfilterung.
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In
vorteilhafter Weise genügt
es bei der erfindungsgemäßen Unterdrückung von
Rückkopplungspfeifen
zu wissen, in welchem Frequenzband Rückkopplungspfeifen auftritt
bzw. auftreten kann. Die Sollleistung im betreffenden Frequenzband
wird nicht wie bei dem Notchfilteransatz reduziert. Vielmehr geht
bei der erfindungsgemäßen Signalsubstitution in
demjenigen Frequenzband, in dem Rückkopplungspfeifen auftritt,
praktisch keine Leistung verloren. Außerdem muss der Rückkopplungspfad
bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht
explizit bekannt sein, wie dies beim Feedback-Kompensationsansatz notwendig
ist.
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In 1 ist
ein konkretes Realisierungsbeispiel vorgestellt. In einer Weiche 1 wird
das Originaleingangssignal eines Mikrofons 2 in zwei komplementäre Spektralbereiche
aufgeteilt. Im vorliegenden Fall enthält die Weiche 1 eine
Bandsperre 3 und einen Bandpass 4. Demzufolge
wird das Signal in ein Bandpass-Signal S_fb und in ein dazu spektral
komplementäres
Signal S_kompl geteilt. Statt der Bandpassfilterung kann auch eine
Tiefpass- oder Hochpass-Filterung eingesetzt werden.
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Der
Spektralbereich des Bandpass-Signals S_fb stellt das Band dar, in
dem ohne Gegenmaßnahmen
Rückkopplungspfeifen
entstehen würde. Das
Bandpass-Signal S_fb wird in einem Multiplizierer 5 mit
einem Faktor a multipliziert. Multipliziert mit diesem Faktor a
(mit 0 < a < 1) wird das Bandpass-Signal
S_fb zum Teil wieder zu dem komplementären Signal S_kompl in dem Addierer 6 hinzuaddiert.
Das so gewonnene Signal durchläuft
die reguläre
Signalverarbeitung 7, die das ursprüngliche Signal auch ohne Kompensationsmaßnahme für Rückkopplungspfeifen
durchlaufen wäre.
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Das
Ausgangssignal des Mikrofons 2 wird auch zur Erzeugung
des synthetischen Signals im Spektralbereich des Bandpass-Signals S_fb entsprechend
dem unteren Pfad von 1 verwendet. Beispielsweise
wird mittels eines Filters ein geeignetes Spektralband ausgeschnitten
und in das interessierende Spektralband kopiert. Entsprechende Mittel zum
Erzeugen eines synthetischen Signals 8 sind in dem unteren
Pfad des Schaltbilds von 1 dargestellt. Das synthetische
Signal wird mit einem Faktor b gewichtet. Diese Gewichtung mit Hilfe
eines Multiplizierers 9 kann vor dem Eingang in die Mittel
zur Erzeugung des synthetischen Signals 8 erfolgen. Anschließend wird
das synthetische Signal mit Hilfe eines Signalverarbeitungsmoduls 10 so
angepasst, dass es zu dem Signal der Signalverarbeitung 7 des oberen
Pfads addiert werden kann. Diese Addition erfolgt in einem Addierer 11 unmittelbar
vor der Signalausgabe an einen in 1 nicht
dargestellten Ausgangswandler.
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Die
Faktoren a und b sind aufeinander abgestimmt. Sie definieren das
Mischungsverhältnis
von synthetischem und realem Signalanteil im Spektralbereich des
Bandpass-Signals S_fb. Je größer der Faktor
a ist, desto kleiner muss der Faktor b sein und umgekehrt, so dass
das Rückkopplungspfeifen
unterdrückt
werden kann. In einem ersten Extremfall ist a nahe 1 und b nahe
0, so dass praktisch keine Signalsubstitution durch ein synthetisches
Signal im Spektralbereich des Bandpass-Signals S_fb erfolgt. In einem zweiten
Extremfall ist a nahe 0 und b nahe 1, wodurch eine fast vollständige Signalsubstitution durch
das synthetische Signal im Spektralbereich des Bandpass-Signals
S_fb erfolgt.
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Gemäß einer
Weiterbildung des Ausführungsbeispiels
von 1 können
aus den Signalen des oberen Pfads Merkmale des Originalsignals extrahiert
werden. Mit diesen Merkmalen lässt
sich eine Korrektur der spektralen Einhüllenden in dem synthetisierten
Band erreichen. In 2 ist ein Schaltbild eines Mehrkanalgeräts mit Teilbandsynthese
und Merkmalsextraktion wiedergegeben. Das Ausgangssignal eines Mikrofons 20 wird
wiederum in zwei Kanäle
zerlegt. Zu diesem Zweck dient als erstes Filter beispielsweise
ein Hochpass 21 und als zweites Filter beispielsweise ein
Tiefpass 22. Das Hochpasssignal entspricht einem Kanal
A und das Tiefpasssignal einem Kanal B. In dem Kanal A ist eine
Hörgerätesignalverarbeitungseinheit 23 und
in dem Kanal B eine Hörgerätesignalverarbeitungseinheit 24 angeordnet.
Die Ausgangssignale der beiden Signalverarbeitungseinheiten 23 und 24 werden
in einem Addierer 25 addiert und das Summensignal an einen
Hörer 26 geschickt.
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Ein
Teil des akustischen Ausgangssignals des Hörers 26 wird über einen
Rückkopplungspfad 27 an
das Mikrofon 20 rückgekoppelt.
Da die Rückkopplung
in erster Linie im hochfrequenten Kanal A erfolgt, ist zwischen
dem Hochpass 21 und die Hörgerätesignalverarbeitungseinheit 23 eine
Mischstufe 28 geschaltet, mit der ein synthetisches Signal in
den Hochfrequenzkanal eingemischt werden kann. Zur Erzeugung des
synthetischen Signals wird eines oder mehrere Merkmale des Hochfrequenzkanals
A durch eine Merkmalsextraktionseinheit 29 und ebenfalls
eines oder mehrere Merkmale des Tieffrequenzkanals B durch eine
Merkmalsextraktionseinheit 30 gewonnen. Die durch die Einheiten 29 und 30 gewonnenen
Merkmale werden in einer Auswerteeinheit 31 ausgewertet
bzw. verglichen. Der Auswerteeinheit 31 liegt dabei ein
Modell 32 zugrunde. Dieses Modell beinhaltet ein Vorwissen über Verhältnisse
von Anteilen im Hochpassbereich zu Anteilen im Tiefpassbereich. Die
Auswerteeinheit 31 ermittelt so beispielsweise anhand der
spektralen Einhüllenden,
die als Merkmal aus dem Hochfrequenzkanal A zur Verfügung steht, und
dem Modell 32 ein Mischungsverhältnis für die Mischstufe 28.
Außerdem
steuert die Auswerteeinheit 31 einen Signalgenerator 33,
z. B. einen Vocoder, an. Der Signalgenerator 33 liefert
dann das synthetische Signal an die Mischstufe 28.
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Das
Beispiel von 2 zeigt ein Zweikanalhörgerät. Die Erfindung
lässt sich
aber auch auf beliebige andere Geräte mit zwei und mehr Kanälen anwenden.
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Das
oben geschilderte Mischen bzw. Substituieren kann auch für eine Spektralerweiterung
verwendet werden. Beispielsweise sollen in einem Akustiksystem mit
wenigstens einem Eingang (z. B. Mikrofon, Receiver) und wenigstens
einem Ausgang (z. B. Hörer)
ein oder mehrere Frequenzbereiche des auszugebenden Signals synthetisch
erzeugt werden. Somit kann die Eingangsstufe des Akustiksystems für eine geringere
spektrale Bandbreite ausgelegt werden bzw. bei Systemen, deren Eingangsstufe technisch
bedingt eine bestimmte Bandbreite nicht übersteigen kann, ist es möglich, die
Bandbreite des Ausgangssignals auf eine größere Soll-Bandbreite zu erweitern.
Vorteilhaft daran ist, dass die Spektralerweiterung durch einen
verhältnismäßig geringen Hardwareaufwand
möglich
ist. Darüber
hinaus schränken
technisch bedingte Einschränkungen
der Bandbreite der Eingangsstufe die Bandbreite des Ausgangssignals
nicht ein.
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Als
konkretes Beispiel sei hier eine drahtlose Audioverbindung (wireless
audiolink) genannt. Das einschränkende
Element in der Eingangsstufe ist der Receiver, der maximal eine
Frequenz von 8 kHz liefert. Da im Hifi-Betrieb Frequenzen bis 12
kHz benötigt
werden, wird das Band von 8 kHz bis 12 kHz synthetisch erzeugt.
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Eine
weitere Realisierungsvariante für
die erfindungsgemäße Spektralerweiterung
betrifft Hörgeräte. Die
synthetische Erzeugung von Spektralkomponenten oberhalb von 8 kHz
ist für
Hörgeräte sehr vorteilhaft,
da oberhalb dieser Frequenz Rückkopplungspfeifen
zu befürchten
ist. Auch ohne Korrektur der spektralen Einhüllenden kann durch Kopieren von
niedrigeren Frequenzbändern
in das Band oberhalb von 8 kHz eine deutliche Spektralerweiterung wahrgenommen
werden. Als Kopierverfahren kann beispielsweise die Ausnutzung von
Spiegelfrequenzen außerhalb
des Nyquist-Bands dienen, wobei gezielt die „Nebenprodukte" von Frequenzumtastvorgängen ausgenutzt
werden.
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Auch
wenn ein Frequenzband durch synthetische Spektralkomponenten belegt
wird und somit in diesem Band kein Rückkopplungspfeifen im traditionellen
Sinn (Oszillation eines instabilen, linear zeitinvarianten Systems)
entstehen kann, gibt es bei entsprechend hoher Verstärkung dennoch
ein vergleichbares Rückkopplungsphänomen. Reale
Systeme verhalten sich nämlich
vor allem an der Aussteuergrenze nichtlinear. Grund hierfür ist beispielsweise das
nichtlineare Verhalten von Hardwarekomponenten, z. B. Hörer oder
Mikrofon, aber auch Nichtlinearitäten in der digitalen Signalverarbeitung,
z. B. harte Begrenzer oder RGCs. Wenn die synthetischen Spektralkomponenten
aus natürlichen
Spektralkomponenten von außerhalb
des synthetisch zu belegenden Frequenzbands abgeleitet werden, kann
eine geschlossene Rückkopplungsschleife
folgendermaßen
entstehen: Aus einer natürlichen
Spektralkomponente wird gemäß einem
vorgegebenen Algorithmus eine synthetische Spektralkomponente erzeugt; eine
störende
Nichtlinearität
erzeugt ihrerseits Spektralkomponenten außerhalb des Bands mit synthetischen
Spektralkomponenten; die so neu erzeugten Spektralkomponenten werden
zum Mikrofon rückgekoppelt;
auch die neu erzeugten Spektralkomponenten dienen wieder als Grundlage
zur Erzeugung synthetischer Spektralkomponenten, wodurch die Schleife
geschlossen ist. Im Extremfall entsteht so ein rauschartiges Rückkopplungssignal,
das von alleine nicht mehr abreißt.
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Eine
Abhilfe gegen das rauschartige Rückkopplungssignal
kann jedoch dadurch geschaffen werden, dass das nichtlineare Verhalten
des Systems beispielsweise durch Übersteuerungsdetektion festgestellt
wird. Wenn sich das System eine gewisse Zeit nichtlinear verhält (z. B.
in der Übersteuerung
bewegt), wird die synthetische Erzeugung kurzzeitig (z. B. < 1 Sekunde) unterbrochen,
so dass das selbststabilisierte Rückkopplungsrauschen abbrechen kann.