DE102009055889A1

DE102009055889A1 - Signalverarbeitungsschaltung zur Erzeugung eines Lautsprechersignals und Signalverarbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE102009055889A1
Application number: DE102009055889A
Authority: DE
Inventors: Franz Fürbaß; Mario Manninger
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: US8542840B2; US20110293106A1; DE102009055889B4

Abstract

Eine Signalverarbeitungsschaltung zur Erzeugung eines Lautsprechersignals umfasst einen Eingang (INP) zur Zuführung eines digitalen Eingangssignals (AIN) und ein mit dem Eingang (INP) gekoppeltes digitales Entzerrerfilter (EQ), das wenigstens ein erstes rekursives Filter (HEQ) aufweist, das durch einen ersten einstellbaren Satz von Koeffizienten (A1, A2, B1, B2) bestimmt ist. Eine mit dem Entzerrerfilter (EQ) gekoppelte Verstärkungseinrichtung (PA) ist eingerichtet, das Lautsprechersignal (SLS) in Abhängigkeit des gefilterten Eingangssignal (AINF) zu erzeugen und an einem Ausgangsanschluss (OUT) abzugeben. Eine Strommesseinrichtung (CM) ist eingerichtet, ein digitales Messsignal (X) abzugeben, das einen Strom des Lautsprechersignals (SLS) repräsentiert. Ein digitaler Filterblock (SPM) ist eingerichtet, durch Filterung ein Schätzsignal (Y) in Abhängigkeit des Messsignals (X) zu erzeugen. Hierzu weist der Filterblock wenigstens ein zweites rekursives Filter (HRES) auf, das durch einen zweiten einstellbaren Satz von Koeffizienten (B1, B2, A1, A2) bestimmt ist. Ein Adaptionsblock (RAA) ist eingerichtet, einen neuen Satz von Koeffizienten (B1, B2, A1, A2) in Abhängigkeit des Messsignals (X), des Schätzsignals (Y) und des gefilterten Eingangssignals (AINF) zu bestimmen und die neu bestimmten Koeffizienten derart im ersten und zweiten Satz von Koeffizienten einzusetzen, dass die resultierenden Übertragungsfunktionen des wenigstens einen ersten und des wenigstens einen zweiten Filters (HEQ, HRES) zueinander invers sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungsschaltung zur Erzeugung eines Lautsprechersignals und ein Signalverarbeitungsverfahren.
Kleine und flache Lautsprecher in Mobilfunkgeräten und anderen tragbaren Geräten weisen üblicherweise eine Resonanzfrequenz auf, die sich in Abhängigkeit der Temperatur und der Lebensdauer des Lautsprechers verändert. Bei der Ansteuerung solcher Lautsprecher ist es möglich, dass der Lautsprecher dauerhaft beschädigt wird, wenn im ansteuernden Lautsprechersignal eine zu hohe Leistung bei dieser Resonanzfrequenz vorhanden ist.
Daher wird bei der Ansteuerung von solchen Lautsprechern vielfach die Gesamtleistung des Lautsprechersignals begrenzt, um eine Zerstörung des Lautsprechers zu vermeiden. Dadurch ist aber die Effizienz der Ansteuerung des Lautsprechers verringert.
Bei einem anderen Ansatz, ein geeignetes Lautsprechersignal zu erzeugen, wird versucht, eine Übertragungsfunktion des Lautsprechers anhand eines mathematischen Modells zu bestimmen und aus den derart bestimmten Parametern des Lautsprechermodells eine Filterfunktion abzuleiten, mit der Frequenzen in einem zu verarbeitenden Eingangssignal im Bereich der Resonanzfrequenz abgedämpft werden. Die Berechnung der Parameter des Lautsprechermodells und das Ableiten der Parameter für die Filterfunktion erfordern einen Rechenaufwand, der den Einsatz eines Signalprozessors notwendig macht. Gerade im Bereich der Mobilfunkgeräte und tragbaren Geräte ist es jedoch wünschenswert, den Einsatz von Signalprozessoren soweit wie möglich zu vermeiden, um den Energieverbrauch der Geräte zu senken und damit die Batterielaufzeit zu erhöhen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Signalverarbeitungsschaltung zur Erzeugung eines Lautsprechersignals und ein Signalverarbeitungsverfahren anzugeben, mit denen ein Lautsprechersignal abgegeben wird, das passend zum verwendeten Lautsprecher gefiltert ist, wobei eine Anpassung der Filterung mit geringerem Aufwand realisiert wird.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet.
Eine Ausführungsform einer Signalverarbeitungsschaltung zur Erzeugung eines Lautsprechersignals umfasst einen Eingang zur Zuführung eines digitalen, zeitdiskreten Eingangssignals sowie ein mit dem Eingang gekoppeltes digitales Entzerrerfilter, das wenigstens ein erstes rekursives Filter zweiter Ordnung aufweist, welches durch einen ersten einstellbaren Satz von Koeffizienten bestimmt ist. Eine mit dem Entzerrerfilter gekoppelte Verstärkungseinrichtung mit einem Digital-Analog-Umsetzer und einem Verstärker ist eingerichtet, das Lautsprechersignal in Abhängigkeit des durch das Entzerrerfilter gefilterten Eingangssignals zu erzeugen und an einem Ausgangsanschluss abzugeben. Eine mit der Verstärkungseinrichtung gekoppelte Strommesseinrichtung ist eingerichtet, ein digitales, zeitdiskretes Messsignal abzugeben, das einen Strom des Lautsprechersignals repräsentiert. Die Signalverarbeitungsschaltung weist ferner einen digitalen Filterblock auf, der eingerichtet ist, durch Filterung ein Schätzsignal in Abhängigkeit des Messsignals zu erzeugen. Hierzu weist der Filterblock wenigstens ein zweites rekursives Filter zweiter Ordnung auf, welches durch einen zweiten einstellbaren Satz von Koeffizienten bestimmt ist. Ein Adaptionsblock der Signalverarbeitungsschaltung ist eingerichtet, einen neuen Satz von Koeffizienten in Abhängigkeit des Messsignals, des Schätzsignals und des gefilterten Eingangssignals zu bestimmen und die neu bestimmten Koeffizienten derart im ersten und zweiten Satz von Koeffizienten einzusetzen, dass die resultierenden Übertragungsfunktionen des wenigstens einen ersten und des wenigstens einen zweiten Filters zueinander invers sind.
In der beschriebenen Signalverarbeitungsschaltung erfolgt die Filterung sowohl mit dem Entzerrerfilter als auch mit dem Filterblock vollständig im digitalen Bereich, so dass sich die jeweils auftretenden Signale zu jedem durch eine Abtastfrequenz bestimmten Zeitpunkt eindeutig durch einen digitalen Wert darstellen lassen. Das Lautsprechersignal hingegen ist ein analoges Signal, welches vorzugsweise als Spannung zwischen zwei Ausgangsklemmen des Ausgangsanschlusses abgegeben wird. Ein dabei über die Ausgangsklemmen fließender Strom des Lautsprechersignals wird messtechnisch erfasst und digital abgetastet an den Filterblock gegeben. Eine gesamte Übertragungsfunktion des Filterblocks stellt idealerweise ein Strom-Spannungsverhältnis im Lautsprechersignal beziehungsweise eine Übertragungsfunktion eines angeschlossenen Lautsprechers dar.
Das erste und das zweite rekursive Filter zweiter Ordnung sind vorzugsweise von ihrer Struktur her gleich aufgebaut, so dass insbesondere jeweils aktuelle und vergangene Eingangssignalwerte und vergangene Ausgangssignalwerte in die Berechnung eines aktuellen Ausgangssignalwerts eingehen. Die Berechnung des aktuellen Ausgangssignalwerts hängt von dem ersten beziehungsweise zweiten Satz von Koeffizienten ab. Insbesondere wird der jeweilige Ausgangssignalwert durch Summen- und Differenzbildung von mit den Koeffizienten gewichteten Signalwerten gebildet.
Im Adaptionsblock wird mit bekannten Adaptionsalgorithmen der neue Satz von Koeffizienten derart bestimmt, dass sich diese Koeffizienten direkt im ersten und zweiten rekursiven Filter einsetzen lassen. Beim Einsetzen in den ersten und zweiten Satz von Koeffizienten werden die neu bestimmten Koeffizienten vorzugsweise jeweils direkt bzw. unverändert eingesetzt, so dass keine aufwändigen Berechnungen notwendig sind, um den ersten und zweiten Satz von Koeffizienten aus dem neu bestimmten Koeffizienten zu ermitteln.
Jedoch werden beim Einsetzen der neuen Koeffizienten in den ersten und zweiten Satz von Koeffizienten Vertauschungen vorgenommen, so dass sich, insbesondere bei gleicher Filterstruktur von erstem und zweitem rekursiven Filter, unterschiedliche, insbesondere inverse Übertragungsfunktionen ergeben. Hierbei wird unter zueinander inversen Übertragungsfunktionen verstanden, dass bei mathematischer Hintereinanderschaltung der beiden Übertragungsfunktionen eine resultierende Gesamtübertragungsfunktion im gesamten zu berücksichtigenden Frequenzbereich betragsmäßig gleich, vorzugsweise gleich Eins ist. Anders ausgedrückt heben sich in diesem Fall die Übertragungsfunktionen des ersten und des zweiten rekursiven Filters gegenseitig auf.
Beispielsweise repräsentiert das zweite rekursive Filter das Resonanzfrequenzverhalten eines im Betrieb an die Signalverarbeitungsschaltung angeschlossenen Lautsprechers, welche im Resonanzfrequenzbereich eine Überhöhung aufweist. Die dazu inverse Übertragungsfunktion des ersten rekursiven Filters weist dementsprechend im Resonanzfrequenzbereich eine Abdämpfung auf, so dass kritische Frequenzen im Eingangssignal abgeschwächt werden können, um eine zu hohe Leistungsabgabe an den Lautsprecher zu verhindern.
In einer Ausführungsform umfasst der neue Satz von Koeffizienten wenigstens die Koeffizienten A1, A2, B1, B2. Hierbei lautet die Übertragungsfunktion des wenigstens einen ersten rekursiven Filters in der Z-Ebene
Die Übertragungsfunktion des wenigstens einen zweiten rekursiven Filters in der Z-Ebene lautet
Aus den Übertragungsfunktionen H_EQ(z) und H_RES(z) sieht man, dass jeweils die Koeffizienten A1, A2, B1, B2 zum Einsatz kommen, wobei Nenner- und Zählerfunktion der Filter vertauscht sind. Anders ausgedrückt sind die Übertragungsfunktionen zueinander invers.
Neben dem zweiten rekursiven Filter kann der Filterblock zur Filterung zusätzlich ein digitales Hochpassfilter umfassen, welcher ein vom Resonanzverhalten unabhängiges Hochpassverhalten eines im Betrieb angeschlossenen Lautsprechers ausdrückt. Koeffizienten des digitalen Hochpassfilters sind vorzugsweise fest eingestellt oder durch Programmierung einstellbar und werden bei der Ermittlung des neuen Satzes von Koeffizienten im Adaptionsblock nicht berücksichtigt. Eine Übertragungsfunktion des Hochpassfilters in der Z-Ebene lautet beispielsweise
Ferner ist es möglich, neben dem ersten und dem zweiten rekursiven Filter zweiter Ordnung auch weitere Filter jeweils im digitalen Filterblock und im digitalen Entzerrerfilter vorzusehen, deren Koeffizienten analog zu den vorher beschriebenen Verfahren im Adaptionsblock bestimmt werden, wobei die Bereitstellung der Koeffizienten an diese weiteren Filter wiederum derart erfolgt, dass die resultierenden Übertragungsfunktionen zueinander invers sind. Anders ausgedrückt können das Resonanzfrequenzverhalten und die zugehörige Entzerrerfunktion auch durch digitale rekursive Filter höherer Ordnung realisiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Signalverarbeitungsschaltung ist der Entzerrerfilter eingerichtet, das Eingangssignal zusätzlich mit einem ersten Gewichtungsfaktor zu gewichten. Weiterhin ist der Filterblock eingerichtet, bei der Filterung das Schätzsignal zusätzlich in Abhängigkeit eines zweiten Gewichtungsfaktors zu erzeugen. Der Adaptionsblock ist dabei eingerichtet, einen neuen Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit des Messsignals, des Schätzsignals und des gefilterten Eingangssignals zu bestimmen und den ersten und den zweiten Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit des neu bestimmten Gewichtsfaktors einzustellen. Dadurch werden auch Absolutsverhältnisse der jeweiligen Signale zueinander berücksichtigt.
In einer Ausführungsform der Signalverarbeitungsschaltung ist der Adaptionsblock eingerichtet, die Bestimmung des neuen Satzes von Koeffizienten beziehungsweise des neuen Gewichtungsfaktors mittels eines Least-Mean-Squares, LMS-Algorithmus durchzuführen. Vorzugsweise ist der Adaptionsblock dabei eingerichtet, einen für den LMS-Algorithmus verwendeten momentanen Fehlerwert aus einer Differenz eines momentanen Werts des Schätzsignals und eines verzögerten momentanen Werts des gefilterten Eingangssignals zu bestimmen. Die Verzögerung des gefilterten Eingangssignals ist hierbei passend zu einer Signallaufzeit in der Verstärkungseinrichtung, zur Verarbeitungszeit in der Strommesseinrichtung und dem Filterblock gewählt.
In einer Ausführungsform der Signalverarbeitungsschaltung umfasst die Strommesseinrichtung einen Strommesswiderstand und einen Analog-Digital-Umsetzer, der das Messsignal in Abhängigkeit eines Spannungsabfalls über den Strommesswiderstand abgibt.
Der Verstärker in der Verstärkungseinrichtung ist beispielsweise als Klasse A-Verstärker, als Klasse AB-Verstärker oder als Klasse D-Verstärker ausgeführt. Die Strommesseinrichtung ist in Abhängigkeit des verwendeten Verstärkertyps zur Messung des Stroms im Lautsprechersignal angepasst. Insbesondere kann bei Verwendung eines Klasse D-Verstärkers eine Strommessung in Kombination mit einer Abtasthalteschaltung, englisch sample and hold, verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel eines Signalverarbeitungsverfahrens, welches vorzugsweise mit einer Signalverarbeitungsschaltung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele durchgeführt wird, wird ein digitales, zeitdiskretes Eingangssignal bereitgestellt. Das Eingangssignal wird mit wenigstens einem ersten rekursiven Filter zweiter Ordnung gefiltert, das durch einen ersten einstellbaren Satz von Koeffizienten bestimmt ist. Ein analoges Lautsprechersignal wird in Abhängigkeit des gefilterten Eingangssignals erzeugt. Ferner wird ein digitales, zeitdiskretes Messsignal erzeugt, das einen Strom des Lautsprechersignals repräsentiert. Ein Schätzsignal wird durch Filterung des Messsignals mit wenigstens einem zweiten rekursiven Filter zweiter Ordnung erzeugt, das durch einen zweiten einstellbaren Satz von Koeffizienten bestimmt ist. In Abhängigkeit des Messsignals, des Schätzsignals und des gefilterten Eingangssignals wird ein neuer Satz von Koeffizienten bestimmt. Die neu bestimmten Koeffizienten werden im ersten und zweiten Satz von Koeffizienten derart eingesetzt, dass die resultierenden Übertragungsfunktionen des wenigstens einen ersten und des wenigstens einen zweiten Filters zueinander invers sind.
Das beschriebene Signalverarbeitungsverfahren zeichnet sich somit wiederum dadurch aus, dass mit bekannten Methoden ein Satz von Koeffizienten bestimmt wird, welche ohne weitere Verarbeitung direkt im ersten und zweiten rekursiven Filter einsetzbar sind. Die Koeffizienten werden hierbei vorzugsweise lediglich derart vertauscht in entsprechende Filterstrukturen des ersten und zweiten rekursiven Filters eingesetzt, dass sich die resultierenden Übertragungsfunktionen gegenseitig aufheben, also zueinander invers sind.
Wie zuvor für die Ausführungsbeispiele der Signalverarbeitungsschaltung beschrieben, können die Übertragungsfunktionen des ersten und zweiten rekursiven Filters als Funktionen in der Z-Ebene mit vertauschter Nenner- und Zählerfunktion ausgedrückt werden. Ferner können Gewichtungsfaktoren zum Einsatz kommen, welche sich ebenfalls adaptiv anpassen lassen. Vorzugsweise wird zur Bestimmung des neuen Satzes von Koeffizienten und/oder der Gewichtungsfaktoren ein LMS-Algorithmus eingesetzt.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Signalverarbeitungsschaltung und des Signalverarbeitungsverfahrens lassen sich beliebig miteinander kombinieren, auch wenn sie als einzelne Ausführungsformen beschrieben sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren im Detail beschrieben. Gleichartige Elemente, Funktionsblöcke und Signale tragen hierbei gleiche Bezugszeichen und werden daher nicht zwingend mehrfach beschrieben.
In den Figuren zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform einer Signalverarbeitungsschaltung,
2 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform einer Signalverarbeitungsschaltung, und
3 eine schematische Darstellung einer Realisierung eines LMS-Algorithmus in einem dritten Ausführungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung zur Erzeugung eines Lautsprechersignals. Ein digitales Entzerrerfilter EQ ist eingangsseitig mit einem Eingang INP gekoppelt. Ausgangsseitig ist das Entzerrerfilter EQ an eine Verstärkungseinrichtung PA angeschlossen, welche einen Digital-Analog-Wandler DAC und einen Verstärker AMP umfasst. Im Entzerrerfilter EQ ist ein erstes digitales rekursives Filter HEQ zweiter Ordnung vorgesehen. Die Verstärkungseinrichtung PA ist ausgangsseitig mit Ausgangsklemmen eines Ausgangsanschlusses OUT verbunden, an die ein Lautsprecher SPK angeschlossen ist. Der Lautsprecher SPK ist kein zwingender Bestandteil der Signalverarbeitungsschaltung.
Die Signalverarbeitungsschaltung umfasst ferner einen Adaptionsblock RAA, der eingangsseitig an den Ausgang des Entzerrerfilters EQ, an eine Strommesseinrichtung CM und an einen Ausgang eines digitalen Filterblocks SPM angeschlossen ist. Die Strommesseinrichtung CM ist derart angeordnet, dass sie einen Strom in dem Lautsprechersignal SLS messen kann, welches an den Ausgangsanschluss OUT abgegeben wird. Der Filterblock SPM ist eingangsseitig ebenfalls mit der Strommesseinrichtung CM verbunden und weist ein zweites digitales rekursives Filter HRES auf.
Der Adaptionsblock RAA ist ausgangsseitig mit entsprechenden Einstelleingängen des Filterblocks SPM und des Entzerrerfilters EQ gekoppelt, um jeweilige Filterübertragungsfunktionen einzustellen.
Im Betrieb der Signalverarbeitungsschaltung wird über den Eingang INP ein digitales, zeitdiskretes Eingangssignal AIN zugeführt, welches vom digitalen Entzerrerfilter EQ, insbesondere mit dem ersten rekursiven Filter HEQ gefiltert wird.
Als Filterergebnis steht dann das ebenfalls digital gefilterte Eingangssignal AINF zur Verfügung, welches an die Verstärkungseinrichtung PA und den Adaptionsblock RAA zugeführt wird. In der Verstärkungseinrichtung PA wird das gefilterte Eingangssignal AINF mit dem Digital-Analog-Umsetzer DAC und dem Verstärker AMP in das analoge Lautsprechersignal SLS gewandelt beziehungsweise zum Lautsprechersignal SLS verarbeitet, welches schließlich den Lautsprecher SPK ansteuert.
Durch die Strommesseinrichtung CM wird ein Strom im Lautsprechersignal SLS gemessen und ein diesen Strom repräsentierendes digitales, zeitdiskretes Messsignal X erzeugt. Das Messsignal X wird einerseits dem Adaptionsblock RAA zur weiteren Verarbeitung zugeführt als auch dem Filterblock SPM, der durch Filterung, insbesondere mit dem zweiten rekursiven Filter HRES, ein digitales Schätzsignal Y erzeugt, das wiederum dem Adaptionsblock RAA zugeführt wird. Der Filterblock SPM kann neben dem zweiten rekursiven Filter HRES auch weitere Filterelemente umfassen. Im Idealfall stellt die Gesamtübertragungsfunktion des Filterblocks SPM, welche von der Übertragungsfunktion des zweiten rekursiven Filters HRES abhängt, einen Zusammenhang zwischen dem Strom, der an den Lautsprecher SPK abgegeben wird und der Spannung am Ausgangsanschluss OUT dar. Anders ausgedrückt repräsentiert der Filterblock SPM das frequenzabhängige Übertragungsverhalten des angeschlossenen Lautsprechers SPK.
Damit der Filterblock SPM die Übertragungsfunktion des Lautsprechers SPK möglichst gut annähert, werden durch den Adaptionsblock RAA insbesondere die Koeffizienten des zweiten rekursiven Filters HRES adaptiv angepasst. Die Adaption erfolgt hierbei in Abhängigkeit des gefilterten Eingangssignals AINF, des digitalen Messsignals X und des digitalen Schätzsignals Y. Das gefilterte Eingangssignal AINF stellt eine gewünschte digitale Repräsentation der Spannung des Lautsprechersignals SLS am Ausgangsanschluss OUT dar. Dabei sind in jedem Fall Signallaufzeiten zwischen dem gefilterten Eingangssignal AINF und dem Lautsprechersignal SLS zu berücksichtigen, welche aufgrund der Digital-Analog-Wandlung und Verstärkung der Verstärkungseinrichtung PA entsteht. Das Schätzsignal Y repräsentiert eine momentane Annäherung der Übertragungsfunktion des Lautsprechers SPK durch den Filterblock SPM in Abhängigkeit des Messsignals X. Mit bekannten Methoden kann somit ein Satz von Koeffizienten A1, A2, B1, B2 aus dem Filtereingangssignal X (Messsignal), dem Filterausgangssignal Y (Schätzsignal) und dem gewünschten Signal AINF (gefiltertes Eingangssignal) bestimmt werden.
Die so ermittelten Koeffizienten A1, A2, B1, B2 repräsentieren hierbei insbesondere das Resonanzfrequenzverhalten des Lautsprechers SPK. Diese Koeffizienten A1, A2, B1, B2 werden dann im ersten rekursiven Filter HEQ beziehungsweise im Entzerrerfilter EQ derart eingesetzt, dass das Resonanzfrequenzverhalten des Lautsprechers SPK durch die resultierende Übertragungsfunktion des Filters HEQ ausgeglichen wird. Die vom Adaptionsblock RAA bestimmten Koeffizienten werden demnach im ersten und zweiten rekursiven Filter HEQ, HRES derart eingesetzt, dass die jeweiligen resultierenden Übertragungsfunktionen zueinander invers sind. Eine entsprechende inverse Einsetzvorschrift ist durch den Block mit dem Inversionsoperator ausgedrückt. Vorzugsweise lässt sich die Inversion der Übertragungsfunktionen durch reines Austauschen der zahlenmäßig unveränderten Koeffizienten A1, A2, B1, B2 erreichen.
In der beschriebenen Signalverarbeitungsschaltung kann daher vorteilhaft auf weitere Prozessoren oder Funktionsblöcke verzichtet werden, welche die Koeffizienten für das Entzerrerfilter aus den Koeffizienten, die vom Adaptionsblock RAA abgegeben werden, berechnen, anstatt wie vorliegend beschrieben, die Koeffizienten direkt weiter zu verwenden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung dargestellt, welche im Wesentlichen auf der in 1 dargestellten Ausführungsform beruht. Daher werden im Folgenden lediglich die besonderen Ausgestaltungen einzelner Funktionsblöcke genauer beschrieben.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform wird das gefilterte Eingangssignal AINF zunächst über den Digital-Analog-Wandler DAC in ein analoges Signal umgewandelt und mit dem Verstärker AMP zum resultierenden Lautsprechersignal SLS verstärkt, das am Ausgangsanschluss OUT an dem im Betrieb geschlossen Lautsprecher SPK abgegeben wird. Zur Messung des Stroms im Lautsprechersignal SLS ist zwischen dem Verstärker AMP und dem Ausgangsanschluss OUT ein Strommesswiderstand oder Shunt R vorgesehen, über den ein üblicherweise geringer Spannungsabfall entsteht, welcher von einem Differenzverstärker aufgenommenen und an einen Analog-Digital-Wandler ADC gegeben wird. Der Analog-Digital-Wandler ADC gibt schließlich das digitale, zeitdiskrete Messsignal X.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das gefilterte Eingangssignal AINF über ein Verzögerungselement DL auf ein Differenzelement geführt, welches aus dem verzögerten, gefilterten Eingangssignal AINF und dem Schätzsignal Y ein Fehlersignal E ermittelt, welches an den Adaptionsblock RAA zugeführt wird. Das Fehlersignal E wird im Adaptionsblock RAA für die Adaption der Koeffizienten aus dem Messsignal X und dem Schätzsignal Y verwendet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Entzerrerfilter EQ eine Gesamtübertragungsfunktion H_EQ'(z) auf, die von einem Gewichtungsfaktor G_EQ und einer Übertragungsfunktion H_EQ(z) des ersten rekursiven Filters zweiter Ordnung abhängt, so dass H_EQ'(z) = G_EQ·H_EQ(z) mit
Die Gesamtübertragungsfunktion H_SPK(z) des Filterblocks SPM ist abhängig von einem zweiten Gewichtungsfaktor G_SPK, einer Übertragungsfunktion H_RES(z) des zweiten rekursiven Filters zweiter Ordnung und einer Übertragungsfunktion H_HP(z) eines digitalen Hochpassfilters, so dass H_SPK(z) = G_SPK·H_RES(z)·H_HP(z) mit
Wie zuvor beschrieben, werden im Adaptionsblock RAA die Koeffizienten A1, A2, B1, B2 ermittelt, wobei hierfür vorzugsweise ein Least-Mean-Squares, LMS-Algorithmus eingesetzt werden kann. Koeffizienten A1 und A2 werden im ersten rekursiven Filter HEQ in der Zählerfunktion und im zweiten rekursiven Filter HRES in der Nennerfunktion eingesetzt. Dementsprechend werden die Koeffizienten B1 und B2 im ersten rekursiven Filter HEQ in der Nennerfunktion und im zweiten rekursiven Filter HRES in der Zählerfunktion eingesetzt. Für das jeweilige Einsetzen ist keine Anpassung oder Umrechnung der Koeffizienten notwendig, sondern diese können direkt bzw. unverändert sowohl im ersten als auch im zweiten rekursiven Filter HEQ, HRES eingesetzt werden.
Die Koeffizienten C1, D1 des Hochpassfilters HP können für verschiedene Klassen von Lautsprechern, beispielsweise kleine flache Lautsprecher größere Lautsprecher, Kopfhörer und so weiter vordefiniert sein und sind vorzugsweise im Betrieb der Signalverarbeitungsschaltung unverändert. Insbesondere werden die Koeffizienten C1, D1 nicht durch einen adaptiven Algorithmus im Adaptionsblock RAA angepasst. Jedoch können die Koeffizienten C1, D1 des Hochpassfilters HP durch eine Programmierung bzw. ein externes Steuersignal ausgewählt bzw. fest eingestellt werden.
Die Gewichtungsfaktoren G_EQ und G_SPK können jedoch ebenfalls in Abhängigkeit des Messsignals X, des Schätzsignals Y und des Fehlersignals E beziehungsweise des gefilterten Eingangssignals AINF angepasst und an das Entzerrerfilter EQ und den Filterblock SPM abgegeben werden. Somit kann das Übertragungsverhalten des angeschlossenen Lautsprechers SPK bestmöglich bestimmt werden und zugleich eine optimale Entzerrerfunktion im Entzerrerfilter EQ ermittelt werden.
Da die Anpassung der Koeffizienten A1, A2, B1, B2 und der Gewichtungsfaktoren G_EQ, G_SPK im Betrieb der Signalverarbeitungsschaltung laufend erfolgt, ist sowohl gewährleistet, dass die entsprechenden Filterfunktionen für einen angeschlossenen Lautsprecher bei Inbetriebnahme der Schaltung optimal ermittelt werden als auch bei einer Veränderung von Systemparametern, beispielsweise der Temperatur des angeschlossenen Lautsprechers.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Signalverarbeitungsschaltung, die auf den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen basiert. Insbesondere ist in 3 die Implementierung der jeweiligen digitalen Filter HEQ, HRES, HP sowie der Strukturen zur Adaption der Koeffizienten explizit dargestellt. Das erste rekursive Filter HEQ und das zweite rekursive Filter HRES sind in dem Ausführungsbeispiel von 3 jeweils mit Strukturen realisiert, welche im Allgemeinen als Direktform-2 bezeichnet werden. Auch das Hochpassfilter HP in den Koeffizienten C1, D1 ist in Direktform-2 realisiert.
Das digitale Eingangssignal AIN wird nach einer Gewichtung mit einem Gewichtungsfaktor G_EQn zum Zeitpunkt n gewichtet und mit der Struktur des ersten rekursiven Filters HEQ gefiltert. Das gefilterte Eingangssignal AINF wird zur weiteren Verarbeitung dem Digital-Analog-Wandler und Verstärker zugeführt, der vorliegend nur schematisch dargestellt ist. Das gefilterte Eingangssignal AINF wird mit entsprechender Verzögerung als momentaner Wert d_n des gefilterten Eingangssignals AINF auf ein Differenzglied geführt, an dessen anderem Eingang ein momentaner Wert y_n des Schätzsignals Y anliegt. Dieser momentane Wert y_n des Schätzsignals ergibt sich durch die entsprechende Verarbeitung des Messsignals X mit dem zweiten rekursiven Filter HRES, dem Gewichtungsfaktor G_SPKn zum Zeitpunkt N und dem Hochpassfilter HP. Das Ausgangssignal des Differenzelements stellt einen momentanen Fehlerwert e_n zum Zeitpunkt N dar, welcher mit einem Anpassungsfaktor MU multiplikativ gewichtet wird. Aus dieser Gewichtung resultiert ein Faktor mu·e_n, der für die Adaption der Koeffizienten und Gewichtungsfaktoren verwendet wird.
Die Blöcke NB1, NB2, NA1, NA2 und NG stellen eine Implementierung des LMS-Algorithmus für die Koeffizienten des zweiten rekursiven Filters HRES dar. Insbesondere werden im Block NB1 aus einem zeitlich um einen Abtastwert verzögerten Wert des Messsignals x_n-1 mit entsprechender Verarbeitung ein neuer Koeffizient B1_n+1 ermittelt, welcher für die nächste Filteroperation, also zum nachfolgenden Abtastzeitpunkt n + 1 in den Filtern HEQ und HRES eingesetzt wird. Der neue Koeffizientenwert B1_n+1 ergibt sich dabei insbesondere aus dem momentanen Koeffizientenwert B1_n, dem Wert x_n-1 nach entsprechender Verarbeitung und einer Gewichtung mit dem Faktor mu·e_n.
In analoger Weise werden auch in den Blöcken NB2, NA1, NA2 und aus den jeweils vorhergehenden Koeffizientenwerten B2_n, A1_n, A2_n neue Koeffizientenwerte A1_n+1 und A2_n+1 für den nächsten Filterschritt n + 1 ermittelt. Ferner liegen diesen neuen Koeffizienten die zurückliegenden Signalwerte x_n-2, y_n-2, y_n-1 und y_n-2 zugrunde. Eine Anpassung des Gewichtungsfaktors G_SPK im Block NG erfolgt in analoger Weise.
Die in den Blöcken NB1, NB2, NA1, NA2, NG dargestellten Strukturen stellen eine beispielhaft gewählte Implementierung des LMS-Algorithmus dar, der jedoch durch andere Adaptionsstrukturen ersetzt werden kann.
Die in 3 dargestellte Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass sie als feste Strukturen in Hardware, beispielsweise in einer integrierten Schaltung, implementiert werden kann, ohne auf den Einsatz eines speziellen Prozessors angewiesen zu sein. Daher lässt sich die beschriebene Signalverarbeitungsschaltung sowohl aufwandsarm herstellen als auch betreiben.
Wie zuvor beschrieben, können die Koeffizienten C1, D1 fest programmiert sein oder als fest vorgegebene Werte aus verschiedenen möglichen Werten aus einem Register ausgelesen werden. Ferner können die Koeffizienten A1, A2, B1, B2 bei einer Inbetriebnahme der Signalverarbeitungsschaltung mit fest eingestellten oder abgespeicherten Koeffizienten initialisiert werden. Dies gilt analog auch für die zu verwendenden Gewichtungsfaktoren.
Falls es erforderlich ist, das Resonanzfrequenzverhalten des angeschlossenen Lautsprechers noch genauer zu modellieren und/oder die Filterfunktion des Entzerrerfilters HEQ besser anzupassen, können in der beschriebenen Struktur ohne weiteres weitere rekursive Filterelemente zweiter Ordnung entsprechend eingefügt werden, wobei die notwendigen Adaptionsalgorithmen beziehungsweise Adaptionsstrukturen in bekannter Weise anzupassen sind.
Bezugszeichenliste

INP

Eingang

EQ

Entzerrerfilter

PA

Verstärkungseinrichtung

DAC

Digital-Analog-Umsetzer

AMP

Verstärker

OUT

Ausgangsanschluss

CM

Strommesseinrichtung

R

Strommesswiderstand

ADC

Analog-Digital-Umsetzer

SPM

Filterblock

HEQ, HRES

rekursives Filter

RAA

Adaptionsblock

AIN

Eingangssignal

AINF

gefiltertes Eingangssignal

X

Messsignal

Y

Schätzsignal

E

Fehlersignal

A1, A2, B1, B2

Koeffizienten

C1,D1

Koeffizienten

GEQ, GSPK

Gewichtungsfaktor

SLS

Lautsprechersignal

SPK

Lautsprecher

Claims

Signalverarbeitungsschaltung zur Erzeugung eines Lautsprechersignals, umfassend – einen Eingang (INP) zur Zuführung eines digitalen, zeitdiskreten Eingangssignals (AIN); – ein mit dem Eingang (INP) gekoppeltes digitales Entzerrerfilter (EQ), das wenigstens ein erstes rekursives Filter (HEQ) zweiter Ordnung aufweist, das durch einen ersten einstellbaren Satz von Koeffizienten (A1, A2, B1, B2) bestimmt ist; – eine mit dem Entzerrerfilter (EQ) gekoppelte Verstärkungseinrichtung (PA) mit einem Digital-Analog-Umsetzer (DAC) und einem Verstärker (AMP), die eingerichtet ist, das Lautsprechersignal (SLS) in Abhängigkeit des gefilterten Eingangssignals (AINF) zu erzeugen und an einem Ausgangsanschluss (OUT) abzugeben; – eine mit der Verstärkungseinrichtung (PA) gekoppelte Strommesseinrichtung (CM), die eingerichtet ist, ein digitales, zeitdiskretes Messsignal (X) abzugeben, das einen Strom des Lautsprechersignals (SLS) repräsentiert; – einen digitalen Filterblock (SPM), der eingerichtet ist, durch Filterung ein Schätzsignal (Y) in Abhängigkeit des Messsignals (X) zu erzeugen, wobei der Filterblock (SPM) hierzu wenigstens ein zweites rekursives Filter (HRES) zweiter Ordnung aufweist, das durch einen zweiten einstellbaren Satz von Koeffizienten (B1, B2, A1, A2) bestimmt ist; und – einen Adaptionsblock (RAA), der eingerichtet ist, einen neuen Satz von Koeffizienten (B1, B2, A1, A2) in Abhängigkeit des Messsignals (X), des Schätzsignals (Y) und des gefilterten Eingangssignals (AINF) zu bestimmen und die neu bestimmten Koeffizienten derart im ersten und zweiten Satz von Koeffizienten einzusetzen, dass die resultierenden Übertragungsfunktionen (H_EQ(z), H_RES(z)) des wenigstens einen ersten und des wenigstens einen zweiten Filters (HEQ, HRES) zueinander invers sind.
Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, bei der – der neue Satz von Koeffizienten wenigstens die Koeffizienten A1, A2, B1, B2 umfasst; – die Übertragungsfunktion des wenigstens einen ersten rekursiven Filters (HEQ) in der Z-Ebene
lautet; und – die Übertragungsfunktion des wenigstens einen zweiten rekursiven Filters (HRES) in der Z-Ebene
lautet.
Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Filterblock (SPM) zur Filterung zusätzlich ein digitales Hochpassfilter umfasst.
Signalverarbeitungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der – der Entzerrerfilter (EQ) eingerichtet ist, das Eingangssignal (AIN) zusätzlich mit einem ersten Gewichtungsfaktor (G_EQ) zu gewichten; – der Filterblock (SPM) eingerichtet ist, bei der Filterung das Schätzsignal (Y) zusätzlich in Abhängigkeit eines zweiten Gewichtungsfaktors (G_SPK) zu erzeugen; und – der Adaptionsblock (RAA) eingerichtet ist, einen neuen Gewichtungsfaktor (G_A) in Abhängigkeit des Messsignals (X), des Schätzsignals (Y) und des gefilterten Eingangssignals (AINF) zu bestimmen und den ersten und den zweiten Gewichtungsfaktor (G_EQ, G_SPK) in Abhängigkeit des neu bestimmten Gewichtungsfaktors (G_A) einzustellen.
Signalverarbeitungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Adaptionsblock (RAA) eingerichtet ist, die Bestimmung mittels eines LMS-Algorithmus durchzuführen.
Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 5, bei der der Adaptionsblock (RAA) eingerichtet ist, einen für den LMS-Algorithmus verwendeten momentanen Fehlerwert (e_n) aus einer Differenz eines momentanen Werts (y_n) des Schätzsignals (Y) und eines verzögerten momentanen Werts (d_n) des gefilterten Eingangssignals (AINF) zu bestimmen, wobei die Verzögerung passend zu einer Signallaufzeit in der Verstärkungseinrichtung (PAA) gewählt ist.
Signalverarbeitungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Strommesseinrichtung (CM) einen Strommesswiderstand (R) und einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) umfasst, der das Messsignal (X) in Abhängigkeit eines Spannungsabfalls über den Strommesswiderstand (R) abgibt.
Signalverarbeitungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Verstärker (AMP) eines der folgenden umfasst: – einen Klasse-A-Verstärker; – einen Klasse-AB-Verstärker; – einen Klasse-D-Verstärker.
Signalverarbeitungsverfahren, umfassend – Bereitstellen eines digitalen, zeitdiskreten Eingangssignals (AIN); – Filtern des Eingangssignals (AIN) mit wenigstens einem ersten rekursiven Filter (HEQ) zweiter Ordnung, das durch einen ersten einstellbaren Satz von Koeffizienten (A1, A2, B1, B2) bestimmt ist; – Erzeugen eines analogen Lautsprechersignals (SLS) in Abhängigkeit des gefilterten Eingangssignals (AINF); – Erzeugen eines digitalen, zeitdiskreten Messsignals (X), das einen Strom des Lautsprechersignals (SLS) repräsentiert; – Erzeugung eines Schätzsignals (Y) durch Filterung des Messsignals (X) mit wenigstens einem zweiten rekursiven Filter (HRES) zweiter Ordnung, das durch einen zweiten einstellbaren Satz von Koeffizienten (B1, B2, A1, A2) bestimmt ist; – Bestimmen eines neuen Satzes von Koeffizienten (B1, B2, A1, A2) in Abhängigkeit des Messsignals (X), des Schätzsignals (Y) und des gefilterten Eingangssignals (AINF); und – Einsetzen der neu bestimmten Koeffizienten im ersten und zweiten Satz von Koeffizienten derart, dass die resultierenden Übertragungsfunktionen (H_EQ(z), H_RES(z)) des wenigstens einen ersten und des wenigstens einen zweiten Filters (HEQ, HRES) zueinander invers sind.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 9, bei dem – der neue Satz von Koeffizienten wenigstens die Koeffizienten A1, A2, B1, B2 umfasst; – die Übertragungsfunktion des wenigstens einen ersten rekursiven Filters (HEQ) in der Z-Ebene
lautet; und – die Übertragungsfunktion des wenigstens einen zweiten rekursiven Filters (HRES) in der Z-Ebene
lautet.
Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Erzeugung des Schätzsignals (Y) zusätzlich eine Filterung mit einem digitalen Hochpassfilter umfasst.
Signalverarbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem – das Filtern des Eingangssignals (AIN) zusätzlich eine Gewichtung mit einem ersten Gewichtungsfaktor (G_EQ) umfasst; – die Erzeugung des Schätzsignals (Y) zusätzlich eine Gewichtung mit einem zweiten Gewichtungsfaktor (G_SPK) umfasst; – in Abhängigkeit des Messsignals (X), des Schätzsignals (Y) und des gefilterten Eingangssignals (AINF) ein neuer Gewichtungsfaktor (G_A) bestimmt wird; und – der erste und der zweite Gewichtungsfaktor (G_EQ, G_SPK) in Abhängigkeit des neu bestimmten Gewichtungsfaktors (G_A) eingestellt werden.
Signalverarbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Bestimmung des neuen Satzes von Koeffizienten (B1, B2, A1, A2) und/oder des neuen Gewichtungsfaktors (G_A) mittels eines LMS-Algorithmus durchgeführt wird.
Signalverarbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem ein für den LMS-Algorithmus verwendeter momentaner Fehlerwert (e_n) aus einer Differenz eines momentanen Werts (y_n) des Schätzsignals (Y) und eines verzögerten momentanen Werts (d_n) des gefilterten Eingangssignals (AINF) bestimmt wird.