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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückkopplungsunterdrückung in elektroakustischen Systemen. Als elektroakustische Systeme sind Audiosysteme zu verstehen, welche wenigstens zwei elektroakustische Wandler, insbesondere wenigstens ein Mikrophon und wenigstens einen Lautsprecher, sowie wenigstens einen Verstärker umfassen.
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Stand der Technik
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Lautsprecheranlagen, Hörhilfen und auch Freisprecheinrichtungen sind elektroakustische Systeme, mit denen Schallwellen erfasst, in ein elektrisches Signal gewandelt, verstärkt und wieder als Schallwelle ausgegeben werden. Dazu werden elektroakustische Wandler verwendet, welche Schallwellen in elektrische Signale wandeln und als Mikrophon, oder elektrische Signale in Schallwellen wandeln und als Lautsprecher eingesetzt werden. Zur Verstärkung der elektrischen Signale werden Verstärker verwendet, wobei die elektrischen Signale dem Verstärker über einen Verstärkereingang durch das Mikrophon zugeführt werden. Das verstärkte elektrische Signal wird aus dem Verstärker über einen Verstärkerausgang durch den Lautsprecher ausgegeben.
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Wird nun durch die Positionierung von Mikrophonen und Lautsprechern der Verstärkereingang und der Verstärkerausgang des Verstärkers miteinander gekoppelt, kommt es zu einer geschlossenen Signalschleife und zur Gefahr einer Rückkopplung. Diese Signalschleife besteht aus einem akustischen Pfad, also einem Pfad, bei welchem die Übertragung durch akustische Signale erfolgt und einem elektrischen Pfad, bei welchem die Übertragung durch elektrische Signale erfolgt. Eine solche Signalschleife kann sich auch aus mehreren akustischen und elektrischen Pfaden hintereinander abwechselnd bilden. Unter bestimmten Bedingungen kann es dann zum Schwingen der geschlossenen Signalschleife kommen. Die akustische Rückkopplung kann in Abhängigkeit von der Lautstärke des Schalls, also der Amplitude der Schallwelle, welche zum Mikrophon zurückkehrt, ein schwaches Echo oder ein sich selbst erregendes lautes Pfeifen hervorrufen. Die Lautstärke kann beispielsweise durch den Verstärkungsfaktor des Verstärkers oder auch durch ungünstige Positionierung von Mikrophon, Lautsprecher und schallwellenreflektierenden Oberflächen zueinander beeinflusst werden.
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Unter bestimmten Umständen ist eine Rückkopplung durch die Positionierung von Mikrophonen und Lautsprechern und der Anpassung der Lautstärke rückkoppelnder Schallwellen nicht vermeidbar, so dass alternative Vorrichtungen und Methoden entwickelt wurden, um eine Rückkopplung in elektroakustischen Systemen zu unterdrücken.
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In der Offenlegungsschrift
DE 35 26 591 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung beschrieben, bei welcher eine Kompensation von akustischen Rückkopplungserscheinungen dadurch erfolgt, indem das Mikrofonausgangssignal auf zwei Kanäle verteilt wird, die beiden Kanäle zueinander um 180° verschoben werden und dann in unterschiedlichen Stärken wieder zusammengeführt werden. Durch Regelung der Lautstärke eines Signals wird die Rückkopplungsneigung ohne Beeinträchtigung der Sprach- oder Musikübertragung vermindert.
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Die Erfindung aus der europäischen Patentschrift
EP 0 250 679 B1 beschreibt programmierbare Tonwiedergabesysteme, bei denen eine Reduktion akustischer Rückkopplung vorgenommen wird. Dazu wird ein elektrischer Rückkopplungsweg sowohl in der Amplitude, als auch in der Phase an den akustischen Rückkopplungsweg angepasst. Die Rückkopplung wird durch die Subtraktion der beiden Rückkopplungssignale aufgehoben.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2010 011 729 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückkopplungskompensation, wobei die Stabilität eines Systems anhand eines die Richtcharakteristik bestimmenden Richtparameters beeinflusst wird. Anhand einer vorgegebenen Stabilitätsbedingung werden Werte des Richtparameters für einen rückkopplungsfreien Betrieb ermittelt. Im Betrieb wird der Richtparameter auf diese Werte begrenzt. Weiterhin wird ein Wert für eine Stärke eines Rückkopplungseffekts ermittelt und in Abhängigkeit davon der Richtparameter oder ein Steuerparameter für eine Rückkopplungsunterdrückung eingestellt. Die Richtcharakteristik ist aus einer Überlagerung einer Kardioid-Richtcharakteristik und einer Anti-Kardioid-Richtcharakteristik erzeugbar.
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In der europäischen Patentschrift
EP 0 599 450 B1 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei welcher ein Filter zur Rückkopplungsunterdrückung eingesetzt wird. Die Filterparameter werden durch einen Frequenzanalysator ermittelt, welcher den Frequenzbereich des Rückkopplungssignals analysiert. Dabei wird ein Pegelverhältnis verwendet, welches ein Verhältnis eines maximalen zu einem mittleren Pegel beschreibt. Überschreitet dieses Verhältnis einen vorbestimmten Schwellenwert, so wird die Rückkopplung als solche erkannt. Der Filter wird mit den ermittelten Parametern angesteuert.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 198 48 608 A1 ist ein digitaler Signalverarbeitungsprozess zum Vermeiden eines Pfeifsignals in einer Telefonleitung bekannt. Die Telefonleitung weist einen Empfangspfad und einen Sendepfad auf, die eine geschlossene Schleife bilden. Der Prozess überwacht Eingabeabtastwerte, die vom Empfangspfad abgegriffen werden. Wird ein Pfeifsignal detektiert, werden kontrollierte Dämpfungsbeträge mit finiten Schritten zum Vermindern des Pfeifsignals auf die Schleife ausgeübt, bis das Pfeifsignal beseitigt ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Vorhersage-Logik in dem Prozess zum Vermeiden des Pfeifsignals vorgesehen.
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Aus der Patentschrift
US 4,449,237 geht eine Vorrichtung zum Minimieren einer Rückkopplung eines akustischen Signals von einem Lautsprecher zu einem Mikrofon eines Lautsprechersystems hervor. Die Rückkopplung soll durch eine zufällige Phasenverschiebung eines dem Lautsprecher zugeführten elektrischen Audiosignals verhindert beziehungsweise vermindert werden. Die zufällige Phasenverschiebung wird durch variables Verzögern des elektrischen Signals in einem seriellen analogen Register mit einer Verschiebungsrate bereitgestellt, die durch ein Ausgangssignal eines Pseudozufallscodegenerators bestimmt wird.
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Aus der Offenlegungsschrift
US 2005/0226447 A1 ist ein Verfahren zur Reduzierung der Schwingung eines Rückkopplungssignals in einem Hörgerät bekannt. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bestimmens der Phase des Rückkopplungssignals über einen Rückkopplungspfad des Hörgerätes und das Verschieben nur der Phase des Rückkopplungssignals um einen vorbestimmten Betrag ohne Modifikation anderer Signalcharakteristiken, um eine Nicht-Null-Nettophase zu erreichen. In einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens umfasst das Verfahren den Schritt des periodischen Bestimmens der Phase des Rückkopplungssignals über dem Rückkopplungspfad, so dass die Phasenverschiebung basierend auf der periodisch bestimmten Phase durchgeführt werden kann.
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Ein großer Nachteil des Standes der Technik ist darin zu finden, dass die Unterdrückung der Rückkopplung mit einer Verschlechterung des zu übertragenden akustischen Signals einhergeht. Dies lässt sich durch den Einsatz von Filtereinrichtungen oder Kompensationseinrichtungen begründen, welche das ursprüngliche Signal verändern, indem bestimmte für die Rückkopplung ursächliche Frequenzen gedämpft, unterdrückt oder gelöscht werden. Dadurch ergibt sich eine Veränderung des Frequenzspektrums, insbesondere eine Verringerung der Amplitude einzelner Frequenzen oder Frequenzbereiche der ausgegebenen Schallwelle gegenüber der eingegangenen Schallwelle.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Rückkopplungsunterdrückung in elektroakustischen Systemen bereitzustellen, bei welchem das ursprüngliche akustische Signal möglichst originalgetreu übertragen wird.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, bei welchem Rückkopplungsunterdrückung in elektroakustischen Systemen ohne eine Dämpfung, Filterung oder Löschung von Frequenzen oder Frequenzbereichen auskommt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Übertragung eines akustischen Signals ohne eine Veränderung des Frequenzspektrums, insbesondere ohne eine Verringerung der Amplitude von einzelnen Frequenzen oder Frequenzbereichen möglich. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Rückkopplungsunterdrückung in elektroakustischen Systemen wird ein elektrisches Signal in einem elektrischen Pfad der Signalschleife analysiert und bearbeitet. Innerhalb des Verfahrens wird ein akustisches Signal als ein elektrisches zeitbasiertes Signal abgetastet und in ein zeitdiskretes Signal umgewandelt. Das zeitdiskrete Signal wird direkt oder über weitere Zwischenschritte in ein frequenzdiskretes Signal konvertiert und anschließend analysiert. Basierend auf dem Analyseergebnis und einem Stabilitätskriterium wird das frequenzdiskrete Signal frequenzselektiv zu einem bearbeiteten frequenzdiskreten Signal verändert, indem eine Phasenverschiebung erfolgt. Das bearbeitete frequenzdiskrete Signal wird in ein bearbeitetes zeitdiskretes und nachfolgend in ein bearbeitetes zeitbasiertes Signal konvertiert, und als bearbeitetes akustisches Signal ausgegeben.
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Dazu wird eine Schallwelle als akustisches Signal im Sinne einer Lautsprecheranlage, Hörhilfe oder Freisprecheinrichtung mittels eines elektroakustischen Wandlers, insbesondere ein Mikrophon, in ein elektrisches zeitbasiertes Signal gewandelt. Danach wird das zeitbasierte Signal mittels eines Analog-Digitalwandlers in ein zeitdiskretes Signal umgewandelt, bevor es mit einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) zu einem frequenzdiskreten Signal konvertiert wird, um eine Analyse des Signals zu ermöglichen. Alternativ können auch andere Transformationen, wie beispielsweise eine Laplace-Transformation, eine Z-Transformation, eine diskrete Fourier-Transformation und so weiter Verwendung finden.
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Mit der Fast-Fourier-Transformation wird das vom Mikrophon abgetastete akustische Signal als elektrisches Signal vom zeitdiskreten in den frequenzdiskreten Bereich abgebildet und eine Bestimmung der in einem abgetasteten Signal vorkommenden Frequenzen, und eine Bestimmung der einzelnen Amplituden und Phasen zu diesen Frequenzen durchgeführt.
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Das abgebildete frequenzdiskrete Signal wird einem Rückkopplungsermittler zugeführt, welcher das frequenzdiskrete Signal hinsichtlich einer möglichen Rückkopplung analysiert. Der Rückkopplungsermittler bestimmt kritische Frequenzen oder kritische Frequenzbereiche und deren Amplituden und Phasen des elektroakustischen Systems unter Berücksichtigung von Stabilitätskriterien. Als Stabilitätskriterium wird erfindungsgemäß vorteilhaft das Nyquist-Kriterium, insbesondere das spezielle Nyquist-Kriterium verwendet. Alternative Stabilitätskriterien, wie beispielsweise das Hurwitz-Kriterium oder das Barkhausen-Kriterium können ebenfalls Verwendung finden.
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Überschreitet eine kritische Frequenz oder ein kritischer Frequenzbereich einen Grenzwert entsprechend einem Stabilitätskriterium, der zur Rückkopplung des Systems führen würde, wird diese Frequenz oder dieser Frequenzbereich in der Phasenlage variabel um bis zu einer halben Periode verschoben. Die Größe der Verschiebung in der Phasenlage der Frequenzen wird durch das Stabilitätskriterium bestimmt. Die für die Rückkopplung kritische Frequenz oder der kritische Frequenzbereich wird nicht aus dem Signal entfernt, sondern nur moduliert, insbesondere verschoben. Das Frequenzspektrum des Signals bleibt durch die Bearbeitung erhalten, so dass eine originalgetreue Übertragung erfolgen kann. Hörbare Signalverzerrungen werden stark minimiert, da die Phasenlage nur bei kritischen Frequenzen verändert wird.
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Anschließend wird das bearbeitete, frequenzdiskrete Signal mittels einer inversen Transformation, insbesondere einer inversen Fast-Fourier-Transformation (iFFT), zurück in ein bearbeitetes, zeitdiskretes Signal und mittels eines Digital-Analog-Wandlers in ein bearbeitetes zeitbasiertes Signal konvertiert und mittels eines elektroakustischen Wandlers, insbesondere einem Lautsprecher ausgegeben.
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Zwischen den einzelnen Verarbeitungsschritten können außerdem noch weitere Verarbeitungen des Signals erfolgen, um die Signaleigenschaften zu verändern oder das Verfahren zu optimieren.
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Figurenliste
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung des Ablaufs des Verfahrens zur Rückkopplungsunterdrückung in elektroakustischen Systemen.
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Das elektroakustische System (1), dargestellt in 1, besteht aus wenigstens einem Mikrophon (2), aus einer Signalverarbeitungseinheit (3) mit einem Rückkopplungsermittler (4) und einem Phasenmodulator (5) und einem Lautsprecher (6). Das Verfahren zur Rückkopplungsunterdrückung im elektroakustischen System (1) verarbeitet ein elektrisches Signal, um die für eine Rückkopplung kritische Frequenz beziehungsweise Frequenzbereiche zu modulieren. Dazu wird mit dem Mikrophon (2) eine abgetastete Schallwelle in ein elektrisches, zeitbasiertes Signal (7) gewandelt und einer Konvertierungseinheit (8) zugeführt. In der Konvertierungseinheit (3) wird das zeitbasierte Signal (7) mittels eines Analog-DigitalWandlers in eine zeitdiskretes Signal und mittels einer Fast-Fourier-Transformation in ein frequenzdiskretes Signal (9) konvertiert. Das frequenzdiskrete Signal (9) wird an den Rückkopplungsermittler (4) und den Phasenmodulator (5) weitergeleitet. Im Rückkopplungsermittler (4) wird das frequenzdiskrete Signal (9) analysiert und für eine mögliche Rückkopplung kritische Frequenzen ermittelt. Weiterhin wird im Rückkopplungsermittler (4) basierend auf der Analyse des frequenzdiskreten Signals (9) und einer drohenden oder bestehenden Rückkopplung ein Steuersignal (10) berechnet, wie das frequenzdiskrete Signal (9) bearbeitet werden muss, um eine Rückkopplung zu vermeiden. Basierend auf dem Steuersignal (10) wird das frequenzdiskrete Signal (9) im Phasenmodulator (5) bearbeitet, indem die Phasenlage der kritischen Frequenzen verschoben wird. Das bearbeitete, frequenzdiskrete Signal (11) wird in einer Rückkonvertierungseinheit (12) mittels einer inversen Fast-Fourier-Transformation in ein bearbeitetes zeitdiskretes Signal und mittels eines Digital-Analog-Wandlers in ein bearbeitetes, zeitbasiertes Signal (13) konvertiert und über den Lautsprecher (6) ausgegeben. Die ausgegebene Schallwelle und die ursprünglich abgetastete Schallwelle sind hinsichtlich der kritischen Frequenzen zueinander phasenverschoben, so dass sich keine Rückkopplung, insbesondere keine selbsterregende Rückkopplung ausbilden kann. Das Verfahren ist entsprechend der geschlossenen Schleife kontinuierlich fortzuführen, um eine Rückkopplung dauerhaft zu vermeiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektroakustisches System
- 2
- Mikrophon
- 3
- Signalverarbeitungseinheit
- 4
- Rückkopplungsermittler
- 5
- Phasenmodulator
- 6
- Lautsprecher
- 7
- zeitbasiertes Signal
- 8
- Konvertierungseinheit
- 9
- frequenzdiskretes Signal
- 10
- Steuersignal
- 11
- bearbeitetes, frequenzdiskretes Signal
- 12
- Rückkonvertierungseinheit
- 13
- bearbeitetes, zeitbasiertes Signal
