DE102015101729A1

DE102015101729A1 - Echoauslöschungsverfahren und echoauslöschungsanordnung für elektroakustische kommunikationsvorrichtungen

Info

Publication number: DE102015101729A1
Application number: DE102015101729.6A
Authority: DE
Inventors: Kim Spetzler Berthelsen; Robert Adams; Kaspar Strange
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2015-08-13
Anticipated expiration: 2035-02-07
Also published as: KR101770355B1; CN104837092B; US9531433B2; KR20150099417A; NL2014251A; CN104837092A; NL2014251B1; US20150229353A1; DE102015101729B4

Abstract

Eine Rückkopplungsauslöschungsanordnung für eine elektroakustische Kommunikationsvorrichtung kann einen Signalübertragungsweg zur Erzeugung und Ausgabe eines ausgehenden Schallsignals an eine äußere Umgebung durch einen elektrodynamischen Lautsprecher und einen Signalempfangsweg, der ein Mikrofon zur Erzeugung eines Mikrofoneingangssignals umfasst, das dem aus der äußeren Umgebung empfangenen Schall entspricht, umfassen. Der Signalempfangsweg kann ein digitales Mikrofonsignal erzeugen. Das ausgehende Schallsignal kann mit dem Mikrofon akustisch gekoppelt sein. Ein elektronischer Rückkopplungsauslöschungsweg kann zwischen einem Abgriffsknoten und einem Summierungsknoten eingekoppelt sein, um ein Rückkopplungsauslöschungssignal an den Summierungsknoten zu erzeugen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rückkopplungsauslöschungsanordnung für eine elektroakustische Kommunikationsvorrichtung. Die Rückkopplungsauslöschungsanordnung umfasst einen Signalübertragungsweg zur Erzeugung und Ausgabe eines ausgehenden Schallsignals (sound signal) an eine äußere Umgebung durch einen elektrodynamischen Lautsprecher und einen Signalempfangsweg, der ein Mikrofon zur Erzeugung eines Mikrofoneingangssignals umfasst, das dem aus der äußeren Umgebung empfangenen Schall entspricht. Der Signalempfangsweg erzeugt ein digitales Mikrofonsignal, das dem Mikrofoneingangssignal an einem Summierungsknoten des Audiosignalempfangswegs entspricht. Das ausgehende Schallsignal ist mit dem Mikrofon über einen externen Rückkopplungsweg mit einer konstanten oder zeitlich veränderlichen Übertragungsfunktion akustisch gekoppelt. Ein elektronischer Rückkopplungsauslöschungsweg der Rückkopplungsauslöschungsanordnung ist zwischen einem Abgriffsknoten des Signalübertragungswegs und dem Summierungsknoten des Audiosignalempfangswegs eingekoppelt, um ein Rückkopplungsauslöschungssignal an den Summierungsknoten zu erzeugen. Der elektronische Rückkopplungsauslöschungsweg umfasst ein nichtlineares digitales Lautsprechermodell, das mehrere Lautsprecherparameter umfasst, die mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter enthalten, der aus einer Schwingspulenstromstärke (voice coil current) und/oder einer Schwingspulenspannung (voice coil voltage) des elektrodynamischen Lautsprechers abgeleitet ist. Der mindestens eine nichtlineare Lautsprecherparameter wird durch eine nichtlineare Funktion zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und einer vorbestimmten Lautsprechervariablen dargestellt. Der elektronische Rückkopplungsauslöschungsweg umfasst ein anpassungsfähiges digitales Filter, das mit dem nichtlinearen digitalen Lautsprechermodell in Reihe geschaltet ist und dazu ausgelegt ist, mindestens die konstante oder zeitlich veränderliche Übertragungsfunktion des externen Rückkopplungswegs zu modellieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung und auf ein Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsverfahren, die verwendet werden können, um die Rückkopplungsauslöschungsleistung bei einer großen Auswahl von elektroakustischen Kommunikationsvorrichtungen zu verbessern. Die Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung kann in tragbaren Kommunikationsvorrichtungen wie Smartphones, Laptops, Tablets und anderen Arten von audiofähigen tragbaren Computern eingesetzt werden. Die Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung kann auch in einer elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung eines motorisierten Fahrzeugs wie etwa eines Autos integriert sein, d. h. eine Kraftfahrzeuganwendung sein. Im letzteren Fall kann die elektroakustische Kommunikationsvorrichtung einen Teil eines kraftfahrzeuginternen Musik- und Kommunikationssystems mit eingebauter Freisprechfunktionalität bilden. Die Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung unterdrückt eine akustische Kopplung über einen externen Rückkopplungsweg zwischen einem Lautsprecher und einem Mikrofon der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung durch Bestimmen und Hinzufügen eines Gegenphasen-Rückkopplungsauslöschungssignals an einem Summierungsknoten eines Signalempfangswegs der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung.
Bei Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnungen und Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsverfahren im Stand der Technik ist das Rückkopplungsauslöschungssignal typischerweise durch ein lineares anpassungsfähiges digitales Filter eines elektronischen Rückkopplungsauslöschungswegs erzeugt. Das lineare digitale anpassungsfähige Filter modelliert oder verfolgt die stationären und konstanten oder zeitlich veränderlichen Frequenzgangeigenschaften des externen akustischen Rückkopplungswegs und erzeugt das Gegenphasen-Rückkopplungsauslöschungssignal. Obwohl ein geeignet ausgelegtes lineares anpassungsfähiges digitales Filter dazu fähig sein kann, die Eigenschaften des externen akustischen Rückkopplungswegs selbst genau zu modellieren, weil diese sich in der Regel im Wesentlichen linear verhalten, ist das lineare anpassungsfähige digitale Filter nicht dazu fähig, die elektrischen, akustischen oder elektroakustischen Komponenten der Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung genau zu modellieren, die sich in dem gewünschten Betriebsbereich der Signale nichtlinear verhalten. Die mangelnde Fähigkeit, die elektrischen, akustischen und elektroakustischen Komponenten der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung genau zu modellieren, führt zu einem ungenauen Rückkopplungsauslöschungssignal und damit zu einer verschlechterten Leistung der Rückkopplungsauslöschungsanordnung. Die Verschlechterung der Rückkopplungsauslöschungsleistung kann zu verschiedenen unerwünschten klanglichen Artefakten des wiedergegebenen Schalls wie etwa Echos oder zu einer Instabilität in der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung führen.
Daher besteht ein Bedarf an einer verbesserten Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung und einem verbesserten Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsverfahren, die dazu fähig sind, das nichtlineare Verhalten von elektrischen, akustischen und elektroakustischen Komponenten einer Rückkopplungsauslöschungsanordnung von elektroakustischen Kommunikationsvorrichtungen genau zu modellieren. Eine verbesserte Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung, die dazu fähig ist, zumindest eine dominante nichtlineare Komponente der Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung wie etwa einen Lautsprecher genau zu modellieren, wäre besonders vorteilhaft. Lautsprecher, insbesondere elektrodynamische Lautsprecher, sind in der Regel auch innerhalb ihres Nennschalldruck-Ausgabebereichs bei hohen Schalldruckpegeln stark nichtlineare Vorrichtungen. Daher bildet der Lautsprecher oft die dominante nichtlineare Komponente der Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung.
Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung durch einen elektronischen Rückkopplungsauslöschungsweg bereit, der ein nichtlineares digitales Lautsprechermodell umfasst, das dazu fähig ist, das nichtlineare Verhalten des Lautsprechers genau zu modellieren, was zu einer deutlichen Verbesserung der Rückkopplungsauslöschungsleistung führt. Das nichtlineare digitale Lautsprechermodell umfasst mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter, der aus einer Schwingspulenstromstärke und/oder einer Schwingspulenspannung des Lautsprechers abgeleitet ist. Der mindestens eine nichtlineare Lautsprecherparameter wird durch eine nichtlineare Funktion zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter wie beispielsweise einem Produkt B·l und einer vorbestimmten Lautsprechervariable wie einem Membranhub dargestellt. Für Fachleute ist selbstverständlich, dass das nichtlineare digitale Lautsprechermodell mehrere nichtlineare Lautsprecherparameter umfassen kann, die durch jeweilige nichtlineare Funktionen dargestellt werden, um dessen Genauigkeit auf ein beliebiges gewünschtes Leistungsniveau zu verbessern.
Weiterhin ist es vorteilhaft, ein nichtlineares digitales Lautsprechermodell bereitzustellen, das kalibriert werden kann, ohne im Einzelnen eine zeitraubende und kostspielige Charakterisierung des Verhaltens des einen oder der mehreren nichtlinearen Lautsprecherparameter der einzelnen Lautsprecher bei der Herstellung der vorliegenden Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung zu erfordern. Es ist auch wünschenswert, die Menge an Ausgaben für Rechenbetriebsmittel eines digitalen Signalprozessors zu minimieren, der die eine oder die mehreren nichtlinearen Funktionen des nichtlinearen digitalen Lautsprechermodells implementiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Rückkopplungsauslöschungsanordnung für eine elektroakustische Kommunikationsvorrichtung. Die Rückkopplungsauslöschungsanordnung umfasst einen Signalübertragungsweg zur Erzeugung und Ausgabe eines ausgehenden Schallsignals an eine äußere Umgebung durch einen elektrodynamischen Lautsprecher. Die Rückkopplungsauslöschungsanordnung umfasst einen Signalempfangsweg, der ein Mikrofon zur Erzeugung eines Mikrofoneingangssignals, das Schall entspricht, der von der äußeren Umgebung empfangen wird, und zur Erzeugung eines entsprechenden digitalen Mikrofonsignals an einem Summierungsknoten des Audiosignalempfangswegs umfasst. Das ausgehende Schallsignal ist mit dem Mikrofon über einen externen Rückkopplungsweg akustisch gekoppelt, der eine konstante oder zeitlich veränderliche Übertragungsfunktion aufweist. Ein elektronischer Rückkopplungsauslöschungsweg der Rückkopplungsauslöschungsanordnung ist zwischen einem Abgriffsknoten des Signalübertragungswegs und dem Summierungsknoten des Signalempfangswegs eingekoppelt, um ein Rückkopplungsauslöschungssignal an den Summierungsknoten zu erzeugen. Der elektronische Rückkopplungsauslöschungsweg umfasst ein nichtlineares digitales Lautsprechermodell, das mehrere Lautsprecherparameter umfasst, die mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter enthalten, der aus einer Schwingspulenstromstärke und/oder einer Schwingspulenspannung des elektrodynamischen Lautsprechers abgeleitet ist. Der mindestens eine nichtlineare Lautsprecherparameter wird durch eine nichtlineare Funktion zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und einer vorbestimmten Lautsprechervariable dargestellt. Ein anpassungsfähiges digitales Filter der Rückkopplungsauslöschungsanordnung ist mit dem nichtlinearen digitalen Lautsprechermodell in Reihe geschaltet und dazu ausgelegt, mindestens die konstante oder zeitlich veränderliche Übertragungsfunktion des externen Rückkopplungswegs zu modellieren.
Die vorliegende Rückkopplungsauslöschungsanordnung kann in einer großen Auswahl von elektroakustischen Kommunikationsvorrichtungen in verschiedenen Anwendungen wie Kraftfahrzeug- oder Beschallungsanwendungen eingesetzt werden. Die Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung kann in eine tragbare Kommunikationsvorrichtung wie etwa ein Smartphone, ein Mobiltelefon oder ein audiofähiges Tablet integriert sein. Die Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung kann in einer elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung eines motorisierten Fahrzeugs wie etwa eines Autos integriert sein, d. h. eine Kraftfahrzeuganwendung sein.
Die vorliegende Rückkopplungsauslöschungsanordnung sorgt durch das nichtlineare digitale Lautsprechermodell des elektronischen Rückkopplungsauslöschungswegs, das dazu fähig ist, das nichtlineare Verhalten des elektrodynamischen Lautsprechers genau zu modellieren, für eine verbesserte Rückkopplungs- oder Echoauslöschung. Diese nichtlineare Modellierungsfähigkeit führt zu einer signifikanten Verbesserung der Echoauslöschungsleistung, weil die Signaleigenschaften des elektronischen Rückkopplungsauslöschungswegs Signaleigenschaften von dem Abgriffsknoten des Signalübertragungswegs und durch den elektrodynamischen Lautsprecher und den externen Rückkopplungsweg zurück zu dem Mikrofon genauer modellieren. Das Rückkopplungsauslöschungssignal wird vorzugsweise von dem digitalen Mikrofonsignal an dem Summierungsknoten des Signalempfangswegs subtrahiert, um ein Mikrofonsignal mit kompensierter Rückkopplung am Ausgang des Summierungsknotens zu erzeugen. Das Mikrofonsignal mit kompensierter Rückkopplung ist ein digitales Signal, das an einen Sprach-/Stimmeneingabekanal der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung übertragen werden kann.
Fachleute werden verstehen, dass das nichtlineare digitale Lautsprechermodell zwei oder mehr nichtlineare Lautsprecherparameter umfassen kann, die durch jeweilige nichtlineare Funktionen dargestellt werden, um die Modellgenauigkeit auf ein beliebiges gewünschtes Leistungsniveau zu verbessern. Das Darstellen einer großen Anzahl der mehreren Lautsprecherparameter durch jeweilige nichtlineare Funktionen verbessert im Allgemeinen die Genauigkeit der berechneten Werte der Lautsprecherparameter in dem nichtlinearen digitalen Lautsprechermodell und verbessert damit die Genauigkeit der Echoauslöschung. Diese verbesserte Genauigkeit kann aber auf Kosten eines erhöhten Rechenaufwands erreicht werden. Folglich kann die Anzahl der nichtlinearen Lautsprecherparameter vorteilhaft auf bestimmte anwendungsrelevante Leistungsanforderungen zugeschnitten werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das nichtlineare digitale Lautsprechermodell ein nichtlineares Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers. Fachleute werden verstehen, dass die mindestens eine nichtlineare Funktion einen integralen Teil des nichtlinearen Zustandsraummodells des elektrodynamischen Lautsprechers bilden kann oder durch einen separaten Vorverarbeitungsblock oder -schritt vor der Anwendung auf ein lineares Zustandsraummodell des Lautsprechers berechnet werden kann. In der ersten Ausführungsform kann die nichtlineare Funktion als eine oder mehrere nichtlineare Gleichungen des nichtlinearen Zustandsraummodells ausgedrückt werden. In der zweiten Ausführungsform kann die nichtlineare Funktion zusammen mit einem entsprechenden Wert der vorbestimmten Lautsprechervariable wie etwa des Membranhubs oder der Schwingspulenstromstärke in dem separaten Vorverarbeitungsblock- oder -schritt auf den Lautsprecherparameterwert angewendet werden. Im letzteren Fall ist das nichtlineare digitale Lautsprechermodell dazu ausgelegt, mindestens einen Wert mit kompensierter Nichtlinearität des mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameters zu berechnen. Dieser Parameterwert mit kompensierter Nichtlinearität kann anschließend in ein lineares Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers eingespeist werden, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer erläutert ist. Die letztere Ausführungsform reduziert die Rechenlast bei der Berechnung des nichtlinearen Zustandsraummodells.
Die Übertragungsfunktion des externen Rückkopplungswegs kann in Abhängigkeit von der jeweiligen Art der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung, in die die Rückkopplungsauslöschungsanordnung integriert ist, beträchtlich variieren. Der externe Rückkopplungsweg kann eine akustische Übertragungsfunktion oder eine Schwingungsübertragungsfunktion oder eine Kombination aus beiden umfassen. Die Übertragungsfunktion wird aufgrund der zeitlich variierenden Akustik der äußeren Umgebung wie beispielsweise Reflexionen am Kopf und Körper des Anwenders oft zeitlich veränderlich sein, wenn die Rückkopplungsauslöschungsanordnung in tragbaren Kommunikationsvorrichtungen wie Smartphones, Tablets und anderen Arten von tragbaren audiofähigen Computervorrichtungen integriert ist. Gleiches gilt, wenn die Rückkopplungsauslöschungsanordnung in einer Sprachgarnitur oder einem Hörgerät integriert ist. Das anpassungsfähige digitale Filter modelliert und verfolgt diese zeitlich veränderliche Eigenschaft des externen Rückkopplungswegs. Bei anderen Arten von Ausrüstung kann die Übertragungsfunktion des externen Rückkopplungswegs im Wesentlichen stationär, aber nicht im Voraus bekannt sein. In diesem Fall ist das anpassungsfähige digitale Filter dazu fähig, die Übertragungsfunktion des externen Rückkopplungswegs zu identifizieren und zu modellieren und den Rückkopplungsschall oder die Vibrationssignale, die sich von dem Lautsprecher zu dem Mikrofon bewegen, zu unterdrücken.
Die mehreren Lautsprecherparameter umfassen vorzugsweise einen oder mehrere Lautsprecherparameter, die aus folgender Gruppe gewählt sind: {ein Kraftfaktor (B·l), eine Aufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit, ein Schwingspulenwiderstand, eine gesamte mechanische Dämpfung, eine gesamte bewegliche Masse, eine Schwingspuleninduktivität}. Ferner ist vorzugsweise mindestens einer der Lautsprecherparameter anpassungsfähig, damit das nichtlineare digitale Lautsprechermodell langsam zeitlich variierende Änderungen des einen oder der mehreren Werte des einen oder der mehreren fraglichen Lautsprecherparameter verfolgen und modellieren kann. Diese langsam zeitlich variierenden Änderungen der Lautsprecherparameterwerte werden typischerweise durch eine Änderung der Umweltbedingungen und/oder Mechanismen wie etwa einer Materialalterung in dem Lautsprecher und/oder Änderungen in der akustischen Belastung des Lautsprechers (z. B. Gehäuseverluste) verursacht. Um den einen oder die mehreren anpassungsfähigen Lautsprecherparameter zu bestimmen oder zu berechnen, umfasst das nichtlineare digitale Lautsprechermodell vorzugsweise ein lineares anpassungsfähiges digitales Lautsprechermodell. Letzteres kann ein anpassungsfähiges IIR-Filter zweiter Ordnung oder höherer Ordnung aufweisen, das mehrere anpassbare Modellparameter umfasst, aus denen der eine oder die mehreren Parameterwerte des einen oder der mehreren anpassungsfähigen Lautsprecherparameter abgeleitet werden. Das anpassungsfähige IIR-Filter modelliert oder verfolgt eine zeitlich variierende und frequenzabhängige Impedanz des Lautsprechers über einen vorbestimmten Audiofrequenzbereich, beispielsweise zwischen 10 Hz und 10 kHz. Die detektierte Schwingspulenstromstärke und die detektierte Schwingspulenspannung werden vorzugsweise durch ein digitales Schwingspulenstromstärkesignal und eine digitale Schwingspulenspannung dargestellt, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert ist. Um eine korrekte Anpassung des linearen anpassungsfähigen digitalen Lautsprechermodells zu unterstützen, umfasst dieses vorzugsweise mindestens einen festen Lautsprecherparameter wie etwa eine gesamte bewegliche Masse des Lautsprechers zusätzlich zu dem einen oder den mehreren anpassbare oder freien Modellparametern.
In einer Ausführungsform der Rückkopplungsauslöschungsanordnung stellt die nichtlineare Funktion eine individuell gemessene nichtlineare Funktion des elektrodynamischen Lautsprechers zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und der vorbestimmten Lautsprechervariable dar. Die individuell gemessene nichtlineare Funktion kann während einer Werkskalibrierung der Rückkopplungsauslöschungsanordnung dann gemessen oder bestimmt werden, wenn diese in der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung angebracht wird. Die nichtlineare Funktion kann daher durch individuelle Kalibrierungsmessungen bestimmt werden, die das nichtlineare Verhalten des einen oder der mehreren Lautsprecherparameter in dem jeweiligen elektrodynamischen Lautsprecher der Rückkopplungsauslöschungsanordnung verraten. Diese Art des Prozesses der individuellen Messung der einen oder der mehreren nichtlinearen Funktionen kann ein nichtlineares digitales Lautsprechermodell mit hoher Genauigkeit bereitstellen. Die individuellen Kalibrierungsmessungen können aber zu komplex und zeitaufwendig für bestimmte Arten von massenhaft hergestellten und kostenempfindlichen elektroakustischen Kommunikationsvorrichtungen sein.
Gemäß einer Reihe von alternativen Ausführungsformen der Rückkopplungsauslöschungsanordnung stellt die nichtlineare Funktion eine durchschnittliche nichtlineare Beziehung zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und der vorbestimmten Lautsprechervariable dar, die aus Nichtlinearitätsmessungen an mehreren repräsentativen elektrodynamischen Lautsprechern bestimmt wird. Dies kann zwischen 5 und 50 repräsentative elektrodynamische Lautsprecher, die vom gleichen Modell wie der in der Rückkopplungsauslöschungsanordnung verwendete Lautsprecher sind, umfassen. Die Erfinder haben erkannt, dass die nichtlineare Beziehung zwischen dem mindestens einen Lautsprecherparameter und der vorbestimmten Lautsprechervariable eine relativ gut definierte und zeitinvariante Beziehung für ein bestimmtes Lautsprechermodell ist. Dies trifft trotz einer oftmals ausgeprägten Veränderung der jeweiligen linearen Parameterwerte der mehreren Lautsprecherparameter über die Zeit und die Temperatur und oftmals großer Fall-zu-Fall-Variationen der gleichen Parameterwerte zu.
Die Verwendung einer nichtlinearen Funktion, die eine durchschnittliche nichtlineare Beziehung zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und der vorbestimmten Lautsprechervariable darstellt, ermöglicht, dass die gleiche nichtlineare Funktion in mehreren Rückkopplungsauslöschungsanordnungen verwendet wird, die das gleiche Lautsprechermodell enthalten. Somit entfällt die Notwendigkeit für eine komplexe und aufwendige individuelle Messung der nichtlinearen Funktion des Lautsprechers bei jeder Anordnung.
Die durchschnittliche nichtlineare Funktion kann durch verschiedene Verfahren bestimmt werden. In einer Ausführungsform wird die nichtlineare Funktion von jedem der oben genannten 5–50 repräsentativen elektrodynamischen Lautsprecher des gleichen Modells bestimmt. Die durchschnittliche nichtlineare Funktion wird anschließend in einem geeigneten Computeranalysewerkzeug wie beispielsweise MATLAB durch einfache Mittelung oder gewichtete Mittelung über alle gemessenen nichtlinearen Lautsprecherparameterwerte für jeden Wert der vorbestimmten Lautsprechervariablen bestimmt, wie zusätzlich nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben ist. In einer weiteren Ausführungsform wird die durchschnittliche nichtlineare Funktion als Medianwert aller gemessenen nichtlinearen Lautsprecherparameterwerte für jeden Wert der vorbestimmten Lautsprechervariable bestimmt. In noch einer weiteren Ausführungsform kann die durchschnittliche nichtlineare Funktion von der nichtlinearen Funktion eines einzigen, aber typischen, Lautsprechers, der aus einer Sammlung repräsentativer Lautsprecher gewählt ist, dargestellt werden. Die Sammlung kann zwischen 5 und 50 repräsentative elektrodynamische Lautsprecher umfassen, von denen die jeweiligen nichtlinearen Funktionen bestimmt werden und der einzelne typische Lautsprecher entweder manuell oder durch einen geeigneten Algorithmus identifiziert wird. Die Beschreibung, die im Folgenden 7 begleitet, beschreibt genauer, wie die durchschnittliche nichtlineare Funktion für die spezifische nichtlineare Funktion der Sammlung repräsentativer Lautsprecher, die den Kraftfaktor (force factor) gegen die Membranauslenkung darstellt, bestimmt werden kann.
Verschiedene Lautsprechervariablen können als die vorbestimmte Lautsprechervariable der nichtlinearen Funktionen oder von jeder der nichtlinearen Funktionen in Anbetracht der großen Anzahl an komplexen Nichtlinearitäten von elektrodynamischen Lautsprechern gewählt werden. Selbstverständlich ist die vorbestimmte Lautsprechervariable vorzugsweise eine Variable, die einen wesentlichen Beitrag zu dem nichtlinearen Verhalten des fraglichen Lautsprecherparameters liefert. Somit umfasst die vorbestimmte Lautsprechervariable vorzugsweise den Membranhub oder die Membranauslenkung, so dass die vorbestimmte nichtlineare Funktion ein hubabhängiges nichtlineares Verhalten der elektrodynamischen Lautsprecher darstellt, da die Membranauslenkung in der Regel einen wesentlichen Beitrag zu dem nichtlinearen Verhalten von verschiedenen Lautsprecherparametern, insbesondere Parametern wie dem Kraftfaktor (B·l oder Bl-Produkt), der gesamten mechanischen Nachgiebigkeit oder Steifigkeit, der Schwingspuleninduktivität usw. liefert.
Alternativ oder zusätzlich kann die vorbestimmte Lautsprechervariable eine Schwingspulenstromstärke umfassen, da diese Variable eine Quelle für eine erhebliche Nichtlinearität von bestimmten Lautsprecherparametern wie dem Kraftfaktor ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die mehreren Lautsprecherparameter eine gesamte mechanische Nachgiebigkeit oder Steifigkeit der Membran und die vorbestimmte nichtlineare Funktion stellt eine gemessene Auslenkungsabhängigkeit von der gesamten mechanischen Nachgiebigkeit oder Steifigkeit dar, so dass eine Membranaufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit mit kompensierter Nichtlinearität in dem nichtlinearen Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers bereitgestellt wird. Fachleute erkennen, dass die mehreren Lautsprecherparameter sowohl den Kraftfaktor als auch die gesamte mechanische Nachgiebigkeit oder Steifigkeit umfassen können, die durch jeweilige nichtlineare Funktionen dargestellt werden, die die jeweiligen gemessenen Hubabhängigkeiten darstellen.
Der Signalübertragungsweg der Rückkopplungsauslöschungsanordnung kann einen Digital-Analog-Umsetzer und einen Ausgangsverstärker umfassen, die dazu ausgelegt sind, die Schwingspulenstromstärke und -spannung des elektrodynamischen Lautsprechers aus dem Audiosignal an dem Abgriffsknoten anzuwenden; und/oder der Signalempfangsweg kann einen ersten A/D(Analog-Digital)-Umsetzer umfassen, der zum Abtasten und Digitalisieren des Mikrofoneingangssignals ausgelegt ist, um das digitale Mikrofonsignal zu erzeugen. Die Rückkopplungsauslöschungsanordnung kann einen zweiten A/D-Umsetzer umfassen, der zum Abtasten und Digitalisieren der Schwingspulenspannung und/oder der Schwingspulenstromstärke ausgelegt ist. Somit werden Fachleute erkennen, dass jeweils das Mikrofoneingangssignal, die Schwingspulenspannung, die Schwingspulenstromstärke, das Rückkopplungsauslöschungssignal und ein Audiosignal an dem Abgriffsknoten durch ein digitales Signal dargestellt werden können, wie beispielsweise ein abgetastetes Signal, das im Binärformat mit einer geeigneten Abtastfrequenz oder -rate und Auflösung codiert ist. Die digitalen Signale können die gleiche Abtastfrequenz oder verschiedene Abtastfrequenzen aufweisen. Die Abtastfrequenz jedes digitalen Signals kann zwischen 16 kHz und 96 kHz, wie beispielsweise bei 32, 44,1 oder 48 kHz usw., liegen. Die Auflösung jedes dieser digitalen Signale kann zwischen 16 und 32 Bit betragen.
Der Ausgangsverstärker kann einen schaltenden Verstärker oder Klasse-D-Verstärker wie beispielsweise einen Ausgangsverstärker mit Pulsdichtemodulation (PDM) oder Pulsweitenmodulation (PWM) umfassen, die beide eine hohe Energieumwandlungseffizienz besitzen. Dies ist ein besonders vorteilhaftes Merkmal beim Einsatz in batteriebetriebener Ausrüstung. Alternativ kann der Ausgangsverstärker herkömmliche nicht geschaltete Leistungsverstärkerarchitekturen wie Klasse A oder Klasse AB umfassen. Die Detektion der Schwingspulenspannung kann durch eine direkte Messung über den zweiten A/D-Umsetzer erreicht werden, der das digitale Schwingspulensignal erzeugt, oder durch indirekte Bestimmung erreicht werden, bei der die Schwingspulenspannung aus einem bekannten Pegel eines Audioeingangssignals in den Signalübertragungsweg, der z. B. digital repräsentiert wird, und einer bekannten Versorgungsgleichspannung des Ausgangsverstärkers bestimmt oder geschätzt wird.
Das Audioeingangssignal in den Signalübertragungsweg kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung wie oben beschrieben als digitales Audioeingangssignal und in weiteren Ausführungsformen als analoges Audioeingangssignal, das nach Empfang abgetastet und digitalisiert wird, bereitgestellt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Abtastfrequenz des Audiosignals an dem Abgriffsknoten vor der Anwendung auf das nichtlineare digitale Lautsprechermodell auf eine niedrigere Abtastfrequenz reduziert. Die Abtastfrequenz kann beispielsweise um einen ganzzahligen Faktor zwischen 2 und 8 verringert werden. Die reduzierte Abtastfrequenz verringert die Rechenlast, die durch das nichtlineare digitale Lautsprechermodell entsteht, um den Energieverbrauch eines Signalprozessors zu verringern. Fachleute werden erkennen, dass das nichtlineare digitale Lautsprechermodell und andere Signalverarbeitungsfunktionen der Rückkopplungsauslöschungsanordnung durch einen Signalprozessor implementiert werden können. Der Signalprozessor kann anwendungsspezifische digitale Hardware oder einen mit Software programmierbaren Mikroprozessorkern oder DSP-Kern umfassen. Im letzteren Fall können das nichtlineare digitale Lautsprechermodell und weitere Signalverarbeitungsfunktionen durch Gruppen von ausführbaren Programmbefehlen oder Programmroutinen implementiert sein, die auf dem Mikroprozessorkern oder DSP-Kern ausgeführt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Signalprozessor einen integralen Teil eines Anwendungsprozessors der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung bilden, während der Signalprozessor in anderen Ausführungsformen der Erfindung ein dedizierter Mikroprozessor oder DSP der Anordnung sein kann.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Unterdrücken von Rückkopplungssignalen zwischen einem Lautsprecher und einem Mikrofon eines Lautsprechers einer elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Anlegen eines Audiosignals an den Lautsprecher über einen Signalübertragungsweg, um ein Schallsignal an eine äußere Umgebung auszugeben,
b) Übertragen des ausgegebenen Schallsignals durch einen externen Rückkopplungsweg der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrofon, um ein gefiltertes Schallsignal an dem Mikrofon zu erzeugen,
c) Empfangen eines gefilterten Schallsignals an dem Mikrofon und Erzeugen eines entsprechenden digitalen Mikrofonsignals in einem Signalempfangsweg,
d) Abgreifen des Audiosignals aus dem Signalübertragungsweg,
e) Bestimmen einer Schwingspulenstromstärke oder einer Schwingspulenspannung des Lautsprechers,
f) Filtern des abgegriffenen Audiosignals durch ein nichtlineares digitales Lautsprechermodell, das mehrere Lautsprecherparameter umfasst, die mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter umfassen, der aus der Schwingspulenstromstärke und/oder der Schwingspulenspannung abgeleitet wird, wobei der mindestens eine nichtlineare Lautsprecherparameter durch eine nichtlineare Funktion zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und einer vorbestimmten Lautsprechervariable dargestellt wird, um ein erstes Rückkopplungskompensationssignal, das den Lautsprecherschalldruck schätzt, zu erzeugen,
g) Filtern des ersten Rückkopplungskompensationssignals durch ein anpassungsfähiges digitales Filter, das mindestens eine konstante oder zeitlich veränderliche Übertragungsfunktion des externen Rückkopplungswegs modelliert, um ein zweites Rückkopplungskompensationssignal zu erzeugen,
h) Subtrahieren des zweiten Rückkopplungskompensationssignals und des digitalen Mikrofonsignals, um ein Mikrofonsignal mit kompensierter Rückkopplung zu erzeugen,
i) Verarbeiten des Mikrofonsignals mit kompensierter Rückkopplung in dem Signalempfangsweg.

Das Verfahren kann einen zusätzlichen Schritt umfassen:

j) Anpassen eines Wertes von mindestens einem Lautsprecherparameter der mehreren Lautsprecherparameter im Zeitablauf auf der Grundlage der Schwingspulenstromstärke und/oder der Schwingspulenspannung des Lautsprechers.

Mindestens ein nichtlinearer Lautsprecherparameter wird aus der folgenden Gruppe gewählt: {ein Kraftfaktor (B·l), eine Aufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit, ein Schwingspulenwiderstand, eine gesamte mechanische Dämpfung, eine gesamte bewegliche Masse, eine Schwingspuleninduktivität}.
Wie zuvor erwähnt, kann die nichtlineare Funktion eine durchschnittliche nichtlineare Funktion zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und der vorbestimmten Lautsprechervariable darstellen, die aus Messungen an einer Vielzahl oder einer Sammlung von repräsentativen elektrodynamischen Lautsprechern vorzugsweise desselben Modells bestimmt wird.
Die Bestimmung der durchschnittlichen nichtlinearen Funktion kann folgende Schritte umfassen:

a1) Anlegen eines Testsignals an jeden Lautsprecher von mehreren repräsentativen Lautsprechern, wobei das Testsignal dazu ausgelegt ist, eine bestimmte Beziehung zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und der vorbestimmten Lautsprechervariable über einen vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariable anzuregen,
b1) Detektieren mehrerer Parameterwerte des mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameters für den vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariable für jeden Lautsprecher der mehreren repräsentativen Lautsprecher,
c1) Normieren der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte des mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameters für jeden Lautsprecher an einem gemeinsamen Referenzwert der vorbestimmten Lautsprechervariable,
d1) Berechnen eines Durchschnittswerts der mehreren normierten Parameterwerte der Lautsprechervariable für die mehreren repräsentativen Lautsprecher über den vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariable zum Darstellen der durchschnittlichen nichtlinearen Funktion zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und der Lautsprechervariable.

Das Normieren der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte gemäß Schritt c1) kann Folgendes umfassen:
Erhöhen oder Verringern jedes der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte für jeden Lautsprecher an dem gemeinsamen Referenzwert der Lautsprechervariable, so dass alle Parameterwerte des Lautsprecherparameters an dem gemeinsamen Referenzwert im Wesentlichen gleich sind. Der Referenzwert der vorgegebenen Lautsprechervariable ist vorzugsweise ein Membranhub von null.
Der mindestens eine nichtlineare Lautsprecherparameter kann einen Kraftfaktor (B·l) oder eine Aufhängungsnachgiebigkeit bzw. -steifigkeit der mehreren repräsentativen Lautsprecher umfassen; und
die vorbestimmte Lautsprechervariable umfasst einen Membranhub oder eine Membranauslenkung der mehreren repräsentativen Lautsprecher.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft die oben erwähnte tragbare Kommunikationsvorrichtung, die eine Rückkopplungsauslöschungsanordnung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen davon umfasst.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein motorisiertes Fahrzeug, das eine Fahrgastzelle umfasst, in der eine Rückkopplungsauslöschungsanordnung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen montiert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, wobei:
1A) eine schematische Querschnittsansicht eines beispielhaften elektrodynamischen Miniaturlautsprechers zur Verwendung in Rückkopplungsauslöschungsanordnungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist,
1B) eine schematische Querschnittsansicht des beispielhaften elektrodynamischen Miniaturlautsprechers ist, der in einem typischen Gehäuse montiert ist,
2 ein schematisches Blockdiagramm einer Rückkopplungsauslöschungsanordnung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
3 ein detailliertes schematisches Blockdiagramm von ausgewählten Signalverarbeitungsfunktionen und Blöcken eines nichtlinearen digitalen Lautsprechermodells der Rückkopplungsauslöschungsanordnung von 2 zeigt,
4 ein auf einem anpassungsfähigen IIR-Filter basierendes Impedanzmodell des elektrodynamischen Lautsprechers zur Bestimmung mehrerer anpassungsfähiger Lautsprecherparameter zeigt,
5 ein Diagramm eines experimentell gemessenen durchschnittlichen nichtlinearen Verhaltens eines Kraftfaktors (B·l), der gegen die Membranauslenkung aufgetragen ist, mit entsprechenden berechneten Polynomkoeffizienten, die eine polynomische Kurvenanpassung zwischen dem Kraftfaktor (B·l) und der Membranauslenkung darstellen, ist,
6 ein Diagramm eines experimentell gemessenen durchschnittlichen nichtlinearen Verhaltens einer gesamten mechanischen Nachgiebigkeit (CMS), die gegen die Membranauslenkung aufgetragen ist, mit entsprechenden berechneten Polynomkoeffizienten, die eine polynomische Kurvenanpassung zwischen der gesamten mechanischen Nachgiebigkeit und der Membranauslenkung darstellen, ist,
7 Diagramme von individuell gemessenen nichtlinearen Beziehungen zwischen dem Kraftfaktor (B·l) und der Membranauslenkung für mehrere repräsentative elektrodynamische Lautsprecher in nicht normierter und normierter Darstellung zeigt; und
8 ein Diagramm der berechneten entsprechenden durchschnittlichen nichtlinearen Beziehung zwischen dem Kraftfaktor (B·l) und der Membranauslenkung in einer normierten Darstellung für die mehreren repräsentativen elektrodynamischen Lautsprecher von 7 zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1A) ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines typischen elektrodynamischen Miniaturlautsprechers 1 für einen geschlossenen Gehäuseaufbau und einen Einsatz bei tragbaren Audioanwendungen wie Mobiltelefonen und Smartphones, wobei der Lautsprecher 1 eine Klangwiedergabe für verschiedene Arten von Anwendungen wie etwa eine Automobil-Klangwiedergabe, eine Lautsprecherfunktion und eine Musikwiedergabe bereitstellt. Fachleute werden erkennen, dass elektrodynamische Lautsprecher in zahlreichen Formen und Größen abhängig von der beabsichtigten Anwendung existieren. Der elektrodynamische Lautsprecher 1, der in den nachstehend beschriebenen Verfahren zum Schätzen des Membranhubs und den entsprechenden Anordnungen zum Schätzen des Membranhubs verwendet wird, besitzt eine rechteckige Form mit einer maximalen Außenabmessung D von etwa 15 mm und einer Außenabmessung in Querrichtung von etwa 11 mm. Fachleute werden aber erkennen, dass die vorliegenden Verfahren zum Schätzen der Membranauslenkung von elektrodynamischen Lautsprechern auf praktisch alle Arten von elektrodynamischen Lautsprechern anwendbar sind. Der elektrodynamische Miniaturlautsprecher 1 umfasst eine Membran 10, die an einer oberen Randfläche einer Schwingspule befestigt ist. Die Membran 10 ist auch durch einen elastischen Rand oder eine Außenaufhängung 12 mechanisch mit einem Lautsprecherrahmen 22 gekoppelt. Eine ringförmige Permanentmagnetstruktur 18 erzeugt einen Magnetfluss, der durch eine magnetisch permeable Struktur 16 geleitet wird, in der ein kreisförmiger Luftspalt 24 angeordnet ist. Ein kreisförmiger Lüftungskanal 19 ist in der Rahmenstruktur 22 angeordnet und kann verwendet werden, um Wärme aus einer ansonsten abgedichteten Kammerstruktur wegzuleiten, die unterhalb der Membran 10 ausgebildet ist. Die elastische Randaufhängung 12 liefert eine relativ gut definierte Nachgiebigkeit der beweglichen Membrananordnung (die Schwingspule 20 und die Membran 10). Die Nachgiebigkeit der elastischen Randaufhängung 12 und eine bewegliche Masse der Membran 10 bestimmt die Freiluft-Grundresonanzfrequenz des Miniaturlautsprechers. Die elastische Randaufhängung 12 kann so aufgebaut sein, dass sie einen maximalen Hub oder eine maximale Auslenkung der beweglichen Membrananordnung begrenzt. Während des Betriebs des Miniaturlautsprechers 1 wird eine Schwingspulenspannung bzw. eine Ansteuerspannung an die Schwingspule 20 des Lautsprechers 100 durch ein Paar Lautsprecheranschlüsse (nicht gezeigt), die elektrisch mit einem geeigneten Ausgangsverstärker oder Leistungsverstärker verbunden sind, angelegt. Eine entsprechende Schwingspulenstromstärke fließt als Antwort durch die Schwingspule 20, was zu einer im Wesentlichen gleichmäßigen Schwingungsbewegung der Membrananordnung in einem Kolbenbereich des Lautsprechers in der durch den Geschwindigkeitspfeil V angegebenen Richtung führt. Dadurch wird ein entsprechender Schalldruck durch den Lautsprecher 1 erzeugt. Die Schwingungsbewegung der Schwingspule 20 und der Membran 10 als Antwort auf den Fluss des Schwingspulenstroms wird durch die Anwesenheit eines radial ausgerichteten Magnetfelds in dem Luftspalt 24 verursacht. Die angelegte Schwingspulenstromstärke und -spannung führen zu Leistungsverlusten in der Schwingspule 20, die die Schwingspule 20 während des Betriebs erwärmen. Somit kann ein längeres Anlegen einer zu hohen Betriebsspannung und -stromstärke zu einer Überhitzung der Schwingspule 20 führen, was eine weitere häufige Ursache eines Ausfalls bei elektrodynamischen Lautsprechern ist.
Das Anlegen von zu großen Schwingspulenstromstärken, die die bewegliche Membrananordnung über ihre maximal zulässige Hubgrenze zwingen, ist ein weiterer üblicher Ausfallmechanismus bei elektrodynamischen Lautsprechern, der zu verschiedenen Arten von irreversiblen mechanischen Beschädigungen führt. Eine Art von mechanischen Beschädigungen kann beispielsweise durch einen Zusammenstoß zwischen dem untersten Rand der Schwingspule 20 und einem ringförmigen zugewandten Abschnitt 17 der magnetisch permeablen Struktur 16 verursacht werden. Der maximale Hub einer bestimmten Art von elektrodynamischem Lautsprecher ist von seinen Abmessungen und Konstruktionsdetails abhängig. Für den oben diskutierten Miniaturlautsprecher 1 mit Außenabmessungen von etwa 11 mm × 15 mm liegt der maximal zulässige Membranhub typischerweise bei etwa ±0,45 mm.
1B) ist eine schematische Querschnittsdarstellung des elektrodynamischen Miniaturlautsprechers 1, der in einem Gehäuse, einer Box bzw. einer Kammer 31 montiert ist, die ein vorbestimmtes Innenvolumen 30 aufweist. Das Gehäuse bzw. die Kammer 31 ist unterhalb der Membran 10 des Lautsprechers 1 angeordnet. Eine äußere Umfangswand der Rahmenstruktur 22 des Lautsprechers 1 ist fest an einer Gegenwandoberfläche der geschlossenen Box 31 befestigt, um eine im Wesentlichen luftdichte Kopplung zu bilden, die das eingeschlossene Luftinnenvolumen 30 gegenüber der Umgebung akustisch isoliert. Das eingeschlossene Volumen 30 kann zwischen 0,5 und 2,0 cm³, beispielsweise bei 1 cm³, für typische tragbare Kommunikationsvorrichtungen oder Endgerätanwendungen wie Mobiltelefone und Smartphones liegen. Fachleute werden erkennen, dass die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, um die Genauigkeit einer Rückkopplungsauslöschungsanordnung unter Verwendung des Lautsprechers zur Schallwiedergabe bei verschiedenen Arten von Anwendungen und akustischen Montageanordnungen zu verbessern.
Die Montage des Lautsprechers 1 in dem geschlossenen Gehäuse 30 führt aufgrund einer Nachgiebigkeit der eingeschlossenen Luft im Inneren der Kammer 30 zu einer höheren Grundresonanzfrequenz des Miniaturlautsprechers als dessen oben diskutierter Freiluft-Grundresonanzfrequenz. Die Nachgiebigkeit der eingeschlossenen Luft innerhalb der Kammer 30 wirkt parallel mit der Nachgiebigkeit der elastischen Randaufhängung 12, um die Gesamtnachgiebigkeit zu verringern (d. h. die Steifigkeit zu erhöhen), die auf die bewegliche Masse des Lautsprechers wirkt. Daher ist die Grundresonanzfrequenz des im Gehäuse montierten Lautsprechers 1 höher als die Freiluft-Resonanz. Der Betrag der Erhöhung der Grundresonanzfrequenz ist abhängig von dem Volumen des Gehäuses 30. Die Wandstruktur, die das geschlossene Gehäuse 31 umgibt, kann aus einer gegossenen elastomeren Verbindung mit begrenzter Schlagfestigkeit gebildet sein.
2 ist ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm einer Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung 200, die verwendet werden kann, um die Rückkopplungsauslöschungsleistung in einer großen Auswahl von elektroakustischen Kommunikationsvorrichtungen zu verbessern. Die Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung 200 kann in tragbaren Kommunikationsvorrichtungen wie Smartphones, Tablets und anderen Arten von audiofähigen tragbaren Computervorrichtungen verwendet werden. Die Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung kann auch in einer elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung eines motorisierten Fahrzeugs wie eines Autos integriert sein, d. h. eine Kraftfahrzeuganwendung sein. Im letzteren Fall kann die elektroakustische Kommunikationsvorrichtung Teil eines fahrzeuginternen Musik- und Telekommunikationssystems mit eingebauter Freisprechfunktionalität bilden. Das dargestellte Mikrofon 212 kann dementsprechend in einer Fahrzeugkabine für die Sprachaufnahme in dem Telekommunikationssystem angeordnet sein. Die Echoauslöschungsanordnung 200 kann beispielsweise in einer Kopfeinheit des fahrzeuginternen Musik- und Telekommunikationssystems integriert sein, wobei die Schwingspulenstromstärken und/oder Schwingspulenspannungen von einem oder mehreren elektrodynamischen Lautsprechern durch die Echoauslöschungsanordnung 200 überwacht oder abgetastet werden können.
Fachleute werden verstehen, dass andere Arten von Lautsprechern als der vorliegende elektrodynamische Lautsprecher wie beispielsweise piezoelektrische Lautsprecher oder Lautsprecher mit beweglichem Anker in der vorliegenden Echoauslöschungsanordnung mit einem entsprechenden nichtlinearen digitalen Lautsprechermodell verwendet werden können.
Die Echoauslöschungsanordnung 200 umfasst einen Signalübertragungsweg zur Erzeugung und Übertragung eines ausgehenden Schallsignals aus dem elektrodynamischen Lautsprecher 1. Der Signalübertragungsweg umfasst einen Leistungsverstärker 206, der mit dem elektrodynamischen Lautsprecher 1 durch ein Paar von von außen zugänglichen Lautsprecheranschlüssen 211a, 211b gekoppelt ist. Der Leistungsverstärker 206 kann einen pulsmodulierten Klasse-D-Ausgangsverstärker auf Basis einer H-Brückenausgangsstufe umfassen, der das Audioausgangssignal in einem pulsmodulierten Format über eine Schwingspule des Lautsprechers durch die Lautsprecheranschlüsse 211a, 211b liefert. Der Klasse-D-Ausgangsverstärker empfängt ein analoges Audiosignal am Verstärkereingang 205, das aus einem digitalen Audioeingangssignal, das an den Digitalaudiosignaleingang 201 der Anordnung 200 geliefert wird, abgeleitet wird. Das digitale Audioeingangssignal kann durch eine externe digitale Audiosignalquelle mit einer ersten Abtastfrequenz wie beispielswiese einer Abtastfrequenz zwischen 16 kHz und 96 kHz geliefert werden. Die externe digitale Audiosignalquelle kann einen digitalen Audioanschluss oder eine Audioschnittstelle eines Anwendungsprozessors einer tragbaren Kommunikationsvorrichtung umfassen, in die die vorliegende Anordnung 200 integriert ist. Das extern erzeugte digitale Audiosignal kann gemäß einem standardisierten seriellen Datenkommunikationsprotokoll wie I²C oder SPI oder gemäß einem digitalen Audioprotokoll wie I²S, SPDIF usw. formatiert sein. Der Signalübertragungsweg umfasst zudem einen Signalverarbeitungsblock 202, der einen oder mehrere Digitalsignalverarbeitungsalgorithmen umfasst, die an dem Eingang 201 auf das digitale Audioeingangssignal angewendet werden. Diese Digitalsignalverarbeitungsalgorithmen können Funktionen wie etwa eine Frequenzganggestaltung, eine Dynamikkompression, eine Rauschunterdrückung usw. implementieren. Ein verarbeitetes digitales Audiosignal wird durch den Signalverarbeitungsblock 202 an einen Abgriffspunkt oder -knoten 203 des Signalübertragungswegs geliefert. Das verarbeitete digitale Audiosignal wird sowohl auf einen Digital-Analog-Umsetzer 204 als auch auf ein nichtlineares digitales Lautsprechermodell 218 angewendet. Der Digital-Analog-Umsetzer 204 wandelt das verarbeitete digitale Audiosignal in das entsprechende analoge Audiosignal um und liefert letzteres wie oben diskutiert an den Eingang des Leistungsverstärkers 206. Fachleute werden verstehen, dass der Digital-Analog-Umsetzer 204 und der Leistungsverstärker 206 in anderen Ausführungsformen der Erfindung in der Form eines digitalen Leistungsverstärkers einteilig ausgebildet sein können.
Die Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung 200 umfasst ferner ein Mikrofon 212, das ein Vorderende eines Signalempfangswegs der Anordnung 200 bildet. Das Mikrofon 212 kann ein Kondensatormikrofon wie etwa ein günstiges Miniatur-Elektret-oder MEMS-Mikrofon für Telekommunikationsvorrichtungen umfassen. Das durch den Lautsprecher 1 erzeugte ausgehende Schallsignal ist akustisch über einen externen Rückkopplungsweg H_f(s) mit dem Mikrofon 212 gekoppelt, wie es schematisch durch den gepunkteten Pfeil in der Zeichnung dargestellt ist. Eigenschaften des externen Rückkopplungswegs H_f(s) schwanken in Abhängigkeit von der Art der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung, in die die vorliegende Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung 200 integriert ist, beträchtlich. Wenn die elektroakustische Kommunikationsvorrichtung ein Smartphone ist, kann der Abstand zwischen dem Lautsprecher 1 und dem Mikrofon 212 oder genauer gesagt der Abstand zwischen den jeweiligen Schallöffnungen zwischen 5 und 15 cm liegen und sich entlang einer relativ harten äußeren Oberfläche des Smartphones erstrecken. Wenn die elektroakustische Kommunikationsvorrichtung in der zuvor diskutierten Fahrzeugkabine montiert ist, kann der externe Rückkopplungsweg zwischen dem Lautsprecher 1 und dem Mikrofon 212 beträchtlich länger sein und im Allgemeinen eine Vielzahl von reflektierenden Flächen der Strukturen der Fahrzeugkabine umfassen. In beiden Fällen jedoch wird der externe Rückkopplungsweg eine konstante, aber unbekannte Übertragungsfunktion oder eine zeitlich veränderliche Übertragungsfunktion besitzen. In beiden Fällen wird die Übertragungsfunktion durch Faktoren wie schwankende Reflexionen von Kopf, Hand und Körper des Anwenders beeinflusst, wenn der Anwender in Bewegung ist. Das Schallsignal an dem Mikrofon 212 umfasst somit eine gefilterte, d. h. durch die zeitlich veränderliche Übertragungsfunktion des externen Rückkopplungswegs gefilterte, Komponente des ausgehenden Schallsignals des Lautsprechers 1. Darüber hinaus kann das Schallsignal an dem Mikrofon 212 Sprach- und/oder Rauschschallkomponenten umfassen, die durch einen Anwender der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung erzeugt werden.
Der externe Rückkopplungsweg kann auch Beiträge von verschiedenen Arten von mechanischer Kopplung und/oder elektrischer Kopplung zwischen dem Lautsprecher 1 und dem Mikrofon 212 umfassen. Letzteres kann beispielsweise schwingungsempfindlich sein, so dass mechanische Schwingungen von dem Lautsprecher bei der Schallerzeugung mit dem Mikrofon über einen mechanischen Kopplungsweg des externen Rückkopplungswegs koppeln. Das Vorhandensein des externen Rückkopplungswegs ist in der Regel unerwünscht, da es Echos in direkt über das Mikrofon empfangenen Schallkomponenten einführt und bewirken kann, dass die elektroakustische Kommunikationsvorrichtung unter der Annahme, dass die Schleifenverstärkung und die Phasenverschiebung ausreichend groß sind, in eine selbsterregte Schwingung gerät.
Zum Beseitigen oder zumindest Abschwächen der unerwünschten akustischen/mechanischen/elektrischen Kopplung zwischen dem Lautsprecher 1 und dem Mikrofon 212, umfasst die Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung 200 ferner einen elektronischen Rückkopplungsauslöschungs- oder Rückkopplungsunterdrückungsweg, der ein Rückkopplungsauslöschungssignal erzeugt, das in den Signalempfangsweg an einem Summierungsknoten 215 davon eingespeist wird. Der elektronische Rückkopplungsauslöschungsweg erstreckt sich von dem Abgriffsknoten 203 des Signalübertragungswegs und dem Summierungsknoten. Der elektronische Rückkopplungsauslöschungsweg umfasst eine Kaskade des zuvor diskutierten nichtlinearen digitalen Lautsprechermodells 218 und ein anpassungsfähiges digitales Filter 210, das mit dem nichtlinearen digitalen Lautsprechermodell in Reihe geschaltet ist. Das anpassungsfähige digitale Filter ist ein lineares Filter, das dazu ausgelegt ist, zumindest die zeitlich veränderliche Übertragungsfunktion des externen Rückkopplungswegs H_f(s) zu modellieren oder zu verfolgen. Das anpassungsfähige digitale Filter 210 kann zusätzlich bestimmte lineare Übertragungsfunktionen der Schaltungen und Komponenten des Signalempfangswegs und des Signalübertragungswegs zwischen dem Abgriffsknoten 203 und dem Summierungsknoten 215 wie etwa den Leistungsverstärker 206, das Mikrofon 212, einen Analog-Digital-Umsetzer 214, usw. modellieren. Das anpassungsfähige digitale Filter umfasst vorzugsweise ein FIR-Typ-Filter, das bequem durch einen LMS-Algorithmus gesteuert werden kann. Das Fehlersignal kann bandpassgefiltert werden, um die Anpassung des FIR-Filters an ein Durchlassband des Bandpassfilters zu verbessern, in dem das Echo-/Rückkopplungsproblem besteht. In bestimmten Anwendungen kann ein anpassungsfähiges IIR-Filter dann mit guten Ergebnissen verwendet werden, wenn sorgfältig auf seine Stabilität geachtet wird. In beiden Fällen versucht das anpassungsfähige Filter, den Wert eines Fehlersignals e(n) an dem Ausgang des Summierungsknotens 215 zu minimieren.
Die lineare Eigenschaft des anpassungsfähigen digitalen Filters 210 macht dieses aber unfähig, nichtlineare Eigenschaften von jeder der Schaltungen und Komponenten des Signalempfangswegs und des Signalübertragungswegs zwischen dem Abgriffsknoten 203 und dem Summierungsknoten 215 genau zu modellieren. Während sich einige dieser Schaltungen und Komponenten innerhalb normalerweise angetroffener Pegel der verschiedenen Audiosignale der Rückkopplungsauslöschungsanordnung 200 im Wesentlichen linear verhalten, verhält sich der Lautsprecher 1 unter diesen Umständen häufig nicht im Wesentlichen linear. Lautsprecher sind im Allgemeinen bei hohen Schalldruckpegeln innerhalb ihres erwarteten Betriebsleistungsbereichs stark nichtlinear. Dieses nichtlineare Verhalten kann durch das lineare anpassungsfähige digitale Filter 210 nicht genau modelliert werden, was bewirkt, dass das Rückkopplungskompensationssignal, das an dem Ausgang des linearen anpassungsfähigen digitalen Filters 210 an den Summierungsknoten 215 geliefert wird, ungenau ist. Folglich verschlechtert sich die Rückkopplungsauslöschungsleistung der Rückkopplungs- oder Echoauslöschungsanordnung 200 schnell und hörbare Echos oder eine selbsterregte Schwingung werden induziert.
Um dieses Problem anzugehen und zu beseitigen, umfasst der elektronische Rückkopplungsauslöschungsweg das nichtlineare digitale Lautsprechermodell 218, das dazu fähig ist, das oben diskutierte nichtlineare Verhalten des Lautsprechers 1 effektiv und genau zu modellieren. Das nichtlineare digitale Lautsprechermodell 218 umfasst mehrere Lautsprecherparameter, die aus einer Schwingspulenstromstärke Icoil und/oder einer Schwingspulenspannung Vcoil des elektrodynamischen Lautsprechers 1 abgeleitet werden, wie schematisch in 2 dargestellt. Die mehreren Lautsprecherparameter können einen oder mehrere Lautsprecherparameter wie einen Kraftfaktor (B·I), eine Aufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit, einen Schwingspulenwiderstand, eine gesamte mechanische Dämpfung, eine gesamte bewegliche Masse, eine Schwingspuleninduktivität usw., umfassen, die aus einer Schwingspulenstromstärke und/oder einer Schwingspulenspannung des elektrodynamischen Lautsprechers abgeleitet werden. Das nichtlineare digitale Lautsprechermodell 218 umfasst ferner einen nichtlinearen Lautsprecherparameter, der aus der Schwingspulenstromstärke und/oder der Schwingspulenspannung des elektrodynamischen Lautsprechers abgeleitet wird. Der nichtlineare Lautsprecherparameter wird durch eine nichtlineare Funktion zwischen dem nichtlinearen Lautsprecherparameter und einer vorbestimmten Lautsprechervariable dargestellt. Der nichtlineare Lautsprecherparameter ist vorzugsweise einer der oben erwähnten mehreren Lautsprecherparameter; insbesondere ein Lautsprecherparameter, von dem von vornherein bekannt ist, dass er sich für die gewählte Art von Lautsprechervariable in hohem Maße nichtlinear verhält. Der ausgewählte nichtlineare Lautsprecherparameter kann daher einen dominanten nichtlinearen Verzerrungsmechanismus des Lautsprechers 1 bilden.
Die restlichen Lautsprecherparameter können lineare Lautsprecherparameter und entweder fest oder anpassungsfähig, also zeitlich variierend, wie im Einzelnen unten erläutert, sein. Der nichtlineare Lautsprecherparameter kann beispielsweise ein Kraftfaktor (B·I) oder eine Aufhängungsnachgiebigkeit/-steifigkeit des Lautsprechers sein und die Lautsprechervariable kann der Membranhub oder die Membranauslenkung sein. Beide dieser Lautsprecherparameter weisen ein ausgeprägt hubabhängiges Verhalten oder eine ausgeprägt hubabhängige Eigenschaft auf, so dass ein Wert des Kraftfaktors oft für einen typischen Lautsprecherentwurf oder eine typische Lautsprecherkonstruktion mit zunehmendem Membranhub oder zunehmender Membranauslenkung abnimmt. Ebenso sinkt der Wert der Aufhängungsnachgiebigkeit für typische Lautsprecherkonstruktionen oft mit zunehmendem Membranhub. Die Ausgabe des nichtlinearen digitalen Lautsprechermodells 218 ist ein erstes Rückkopplungskompensationssignal Pout, das das ausgehende Schallsignal bzw. den ausgehenden Schalldruck, die durch den Lautsprecher 1 ausgegeben werden, unter angemessener Berücksichtigung des nichtlinearen Verhaltens des Lautsprechers modelliert, darstellt oder schätzt. Daher liefert das nichtlineare digitale Lautsprechermodell 218 für den elektronischen Rückkopplungsauslöschungsweg ein dediziertes und hochgenaues Modell des ausgehenden Schallsignals, das durch den Lautsprecher 1 erzeugt wird, der sowohl lineare als auch nichtlineare Lautsprechereigenschaften umfasst. Daher ist der elektronische Rückkopplungsauslöschungsweg dazu fähig, ein genaues Modell des externen Rückkopplungswegs der Anordnung zwischen dem Abgriffsknoten 203 und dem Summierungsknoten 215 selbst dann aufrechtzuerhalten, wenn der Lautsprecher sich beispielsweise aufgrund eines hohen Schalldruckpegels nichtlinear verhält.
Die Rückkopplungsauslöschungsanordnung 200 wird von einer positiven Stromversorgungsspannung V_DD mit der Betriebsleistung versorgt. Die Masse (nicht gezeigt) oder eine negative Gleichspannung kann eine negative Versorgungsspannung für die Rückkopplungsauslöschungsanordnung 200 bilden. Die Gleichspannung V_DD kann zwischen 1,5 Volt und 100 Volt liegen und kann somit in Abhängigkeit von der besonderen Anwendung der Rückkopplungsauslöschungsanordnung 200 beträchtlich variieren.
In einer weiter verfeinerten Ausführungsform des nichtlinearen digitalen Lautsprechermodells 218 sind einer oder mehrere der mehreren Lautsprecherparameter anpassungsfähig, was es den letzteren ermöglicht, langsame Veränderungen der Lautsprecherparameter über die Zeit zu verfolgen, wie in weiteren Einzelheiten nachfolgend unter Bezugnahme auf das detaillierte schematische Blockdiagramm von ausgewählten Signalverarbeitungsfunktionen und Blöcken des nichtlinearen digitalen Lautsprechermodells 218 von 3 erklärt ist.
3 zeigt ein detailliertes schematisches Blockdiagramm der Signalverarbeitungsfunktionen und Blöcke des nichtlinearen digitalen Lautsprechermodells 218 der Rückkopplungsauslöschungsanordnung 200, die in 2 abgebildet ist. Das nichtlineare digitale Lautsprechermodell 218 umfasst ein nichtlineares Zustandsraummodell 314 des elektrodynamischen Lautsprechers 1. Das nichtlineare Zustandsraummodell 314 umfasst eine Kombination aus einem linearen Zustandsraummodell 302 und einem nichtlinearen Funktionsblock 304, wie im Einzelnen unten erklärt ist. Das nichtlineare digitale Lautsprechermodell 218 umfasst ferner ein lineares anpassungsfähiges digitales Lautsprechermodell 306 des elektrodynamischen Lautsprechers 1, das mehrere anpassbare oder anpassungsfähige Modellparameter umfasst, die als Antwort auf ein digitales Schwingspulenstromstärkesignal Im[n] und eine digitale Schwingspulenspannung Vm[n] angepasst werden. Das lineare anpassungsfähige digitale Lautsprechermodell 306 berechnet die oben diskutierten einen oder mehreren der anpassungsfähigen Lautsprecherparameter der mehreren Lautsprecherparameter und liefert diesen einen oder diese mehreren Parameter an den nichtlinearen Funktionsblock 304, wenn die nichtlineare Funktion auf den fraglichen Lautsprecherparameter angewendet wird. Alternativ kann ein Stromstärkewert des Lautsprecherparameters direkt aus dem linearen anpassungsfähigen digitalen Lautsprechermodell 306 an das lineare Zustandsraummodell 302 übergeben werden, wenn dem fraglichen Lautsprecherparameter keine nichtlineare Funktion zugeordnet ist.
Das lineare anpassungsfähige digitale Lautsprechermodell 306 des Lautsprechers umfasst vorzugsweise ein anpassungsfähiges Filter, das eine frequenzabhängige Impedanz des Lautsprechers 1 über einen vorbestimmten Audiofrequenzbereich, beispielsweise zwischen 10 Hz und 10 kHz, basierend auf der detektierten bzw. gemessenen Schwingspulenstromstärke und Schwingspulenspannung, die durch das digitale Schwingspulenstromstärkesignal Im[n] und die digitale Schwingspulenspannung Vm[n] dargestellt sind, modelliert. Das lineare anpassungsfähige digitale Lautsprechermodell 306 umfasst mehrere anpassungsfähige Parameter. Das lineare anpassungsfähige digitale Lautsprechermodell 306 ist dazu ausgelegt, mehrere entsprechende Parameterwerte der linearen Lautsprecherparameter zu berechnen. Die Einzelheiten der Funktionsweise des anpassungsfähigen linearen digitalen Lautsprechermodells 306 sind genauer unten mit Bezug auf 4 erörtert. Das anpassungsfähige lineare digitale Lautsprechermodell 306 kann beispielsweise zur Berechnung oder Verfolgung einer Funktion der zeitlich variierenden Impedanz über der Frequenz des elektrodynamischen Lautsprechers 1 ausgelegt sein. Die jeweiligen Parameterwerte der verschiedenen wichtigen linearen Lautsprecherparameter können aus den Werten der zeitlich variierenden Modellparameter, die die Impedanzfunktion oder Kurve des Lautsprechers 1 verfolgen, abgeleitet werden. Die Ausgabe des linearen anpassungsfähigen digitalen Lautsprechermodells 306 umfasst mehrere Parameterwerte der jeweiligen linearen, aber zeitlich variierenden anpassungsfähigen Lautsprecherparameter wie beispielsweise einem Kraftfaktor oder einer Aufhängungsnachgiebigkeit des Lautsprechers. Daher stellen die Parameterwerte der anpassungsfähigen Lautsprecherparameter die jeweiligen aktuellen Parameterwerte der jeweiligen anpassungsfähigen Lautsprecherparameter dar oder schätzen diese, so dass die zuvor diskutierten zeitlich und mit der Temperatur variierenden Eigenschaften von jedem von diesen in geeigneter Weise in dem nichtlinearen Zustandsraummodell 314 des Lautsprechers verfolgt werden.
Zum Zweck der Bereitstellung des digitalen Schwingspulenstromstärkesignals Im[n] und eines digitalen Schwingspulenspannungssignals Vm[n] an das lineare anpassungsfähige digitale Lautsprechermodell 306, umfasst das nichtlineare digitale Lautsprechermodell 218 mindestens einen A/D-Umsetzer 308, der das digitale Schwingspulenstromstärkesignal Im[n] und das digitale Schwingspulenspannungssignal Vm[n] durch Abtasten und Digitalisieren der momentanen Schwingspulenspannung über die Lautsprecheranschlüsse (2, Elemente 211a, 211b) erzeugt. Der A/D-Umsetzer 308 umfasst ferner einen zweiten Eingang, der dazu ausgelegt ist, eine analoge Schwingspulenstromstärke, die an den zweiten Eingang Icoil des Umsetzers 308 geliefert wird, abzutasten und zu digitalisieren. Das digitale Schwingspulenstromstärkesignal Im[n] und das digitale Schwingspulenspannungssignal Vm[n] werden vorzugsweise mit der gleichen Abtastfrequenz abgetastet, die mit einer ersten Abtastfrequenz des digitalen Audioeingangssignals wie beispielsweise 16 kHz, 32 kHz, 44,1 kHz, 48 kHz oder 96 kHz usw. identisch sein kann. Die Abtastfrequenz des digitalen Schwingspulenstromstärkesignals Im[n] und des digitalen Schwingspulenspannungssignals Vm[n] kann alternativ kleiner als die erste Abtastfrequenz, beispielsweise weniger als die Hälfte davon, sein, um die Rechenlast auf einem digitalen Signalprozessor zu reduzieren, der das anpassungsfähige lineare digitale Modell 306 in dem nichtlinearen digitalen Lautsprechermodell 218 umsetzt. Fachleute werden erkennen, dass der mindestens eine A/D-Umsetzer 308 einen Multiplextyp des Umsetzers umfassen kann, der abwechselnd die Schwingspulenspannung und das analoge Schwingspulenstromstärkesignal abtastet. Alternativ kann der mindestens eine A/D-Umsetzer 308 zwei getrennte A/D-Umsetzer umfassen, die fest mit der Schwingspulenspannung bzw. dem Schwingspulenstromstärkesignal gekoppelt sind. Fachleute werden erkennen, dass das Schwingspulenstromstärkesignal durch verschiedene Arten von Stromstärkesensoren erzeugt werden kann, die ein Spannungs-, Stromstärke- oder Ladungssignal erzeugen, das proportional zu der momentanen Schwingspulenstromstärke ist, die durch die Schwingspule fließt.
In dem nichtlinearen Funktionsblock 304 werden jeweilige nichtlineare Funktionen vorzugsweise auf einen oder mehrere der eingehenden Parameterwerte der anpassungsfähigen Lautsprecherparameter angewendet, um einen oder mehrere entsprechende Parameterwerte mit kompensierter Nichtlinearität zu berechnen. Der eine oder die mehreren Parameterwerte mit kompensierter Nichtlinearität berücksichtigen das zuvor diskutierte nichtlineare Verhalten oder die nichtlinearen Eigenschaften des einen oder der mehreren fraglichen Lautsprecherparameter relativ zu einer bestimmten Lautsprechervariable. Dies könnte beispielsweise die nichtlineare Funktion zwischen dem Kraftfaktor (B·l) des Lautsprechers und der Membranauslenkung oder eine nichtlineare Beziehung zwischen der Schwingspuleninduktivität (L_e) und der Schwingspulenstromstärke usw. sein. Offensichtlich können nur einige wenige oder ein einzelner der eingehenden Parameterwerte der anpassungsfähigen Lautsprecherparameter, die durch das anpassungsfähige lineare digitale Modell 306 geliefert werden, der einen oder den mehreren nichtlineare Funktionen unterzogen werden und jeweils ein oder mehrere Parameterwerte mit kompensierter Nichtlinearität als Antwort berechnet werden. Die restlichen eingehenden Parameterwerte der restlichen anpassungsfähigen Lautsprecherparameter können ohne nichtlineare Kompensation belassen werden und direkt in das lineare Zustandsraummodell 302 übertragen werden und im Endeffekt den nichtlinearen Parameterblock 304 wie oben erläutert, umgehen. Fachleute werden erkennen, dass die Verwendung einer großen Anzahl von nichtlinearen Funktionen in dem nichtlinearen Funktionsblock 304 im Allgemeinen die Genauigkeit der berechneten Lautsprecherparameterwerte in dem nichtlinearen Zustandsraummodell 314 verbessert. Diese verbesserte Genauigkeit kann jedoch auf Kosten der Erhöhung der Rechenlast erreicht werden. Folglich werden die Anforderungen an die Genauigkeit der Schätzung des Lautsprecherschalldrucks zwischen den verschiedenen Typen von Anwendungen und Anwenderanforderungen variieren, so dass die Anzahl der nichtlinearen Funktionen, die in dem nichtlinearen Funktionsblock 304 angewendet werden, auf die anwendungsspezifischen Anforderungen zugeschnitten werden kann. Das lineare Zustandsraummodell 302 berechnet ein Auslenkungssignal x, das die momentane Membranauslenkung schätzt, zusätzlich zu dem zuvor diskutierten ersten Rückkopplungskompensationssignal Pout, das das ausgehende Schallsignal oder den Schalldruck darstellt, die durch den Lautsprecher 1 ausgegeben werden. Das Auslenkungssignal x wird zurück in einen zweiten Eingang des nichtlinearen Funktionsblocks 304 gespeist, damit dieser den einen oder die mehreren aktualisierten Parameterwerte mit kompensierter Nichtlinearität basierend auf einem vorherigen Wert von x berechnen kann.
Die Eigenschaften von jeder der nichtlinearen Funktionen des nichtlinearen Funktionsblocks 304 sind vorzugsweise in Verbindung mit bestimmten experimentellen Messungen an einer geeigneten Menge oder Sammlung von repräsentativen elektrodynamischen Lautsprechern der gleichen Ausführung und dem gleichen Modell wie der aktive Lautsprecher 1 bestimmt worden. Die individuell bestimmte nichtlineare Beziehung zwischen der gewählten Lautsprechervariable und dem fraglichen Lautsprecherparameter ist während der Kalibrierungsmessungen für jeden Probelautsprecher gemessen worden. Die durchschnittliche nichtlineare funktionale Beziehung über die Menge von repräsentativen elektrodynamischen Lautsprechern ist wie unten im Einzelnen beschrieben, bestimmt worden. Diese durchschnittliche nichtlineare funktionale Beziehung kann durch verschiedene Arten von nichtlinearen Funktionen wie etwa einem oder mehreren Polynomkoeffizienten, die eine polynomische Kurvenanpassung zwischen der gewählten Lautsprechervariable und dem fraglichen Lautsprecherparameter darstellen, definiert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die durchschnittliche nichtlineare funktionale Beziehung durch eine Nachschlagetabelle definiert werden, die die Lautsprechervariable auf entsprechende Werte der Lautsprecherparameter mit kompensierter Nichtlinearität abbildet. Somit können die nichtlinearen Funktionen mehrere Nachschlagetabellen umfassen, die dazu verwendet werden, die berechneten durchschnittlichen nichtlinearen funktionalen Beziehungen zwischen der Lautsprechervariable und den jeweiligen Parameterwerten der Lautsprecherparameter mit kompensierter Nichtlinearität abzubilden. Die eine oder die mehreren Nachschlagetabellen können in einem geeigneten nichtflüchtigen Speicheradressraum der Schallwiedergabeanordnung oder zumindest einem nichtflüchtigen Speicherbereich, der zum Lesen durch den DSP der Schallwiedergabeanordnung zugänglich ist, gespeichert werden. Fachleute werden erkennen, dass in der letzteren Situation der nichtflüchtige Speicheradressraum in einer Datenspeichervorrichtung eines Anwendungsprozessors der tragbaren Kommunikationsvorrichtung angeordnet sein kann. In beiden Fällen wird der Inhalt der einen oder der mehreren Nachschlagetabellen vorzugsweise aus dem entsprechenden nichtflüchtigen Speicheradressraum in den nichtlinearen Funktionsblock 304 eingelesen, beispielsweise im Zusammenhang mit der Initialisierung des nichtlinearen digitalen Lautsprechermodells 218.
Die Verwendung dieser nichtlinearen Funktionen, die jeweilige durchschnittliche nichtlineare Beziehungen zwischen der ausgewählten Lautsprechervariable und dem fraglichen Lautsprecherparameter in dem nichtlinearen digitalen Lautsprechermodell 218 darstellen, ist vorteilhaft, da es die Notwendigkeit beseitigt, komplexe individuelle Kalibrierungsmessungen vorzunehmen, um das nichtlineare Verhalten des einen oder der mehreren Lautsprecherparameter für jeden einzelnen Lautsprecher während der Herstellung der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung zu bestimmen.
Ein vorteilhafter Effekt der anpassungsfähigen oder verfolgenden Eigenschaft der jeweiligen Parameterwerte der mehreren linearen Lautsprecherparameter, die durch das anpassungsfähige lineare digitale Modell 306 berechnet werden, ist, dass das lineare, wenn auch zeitlich variierende, Lautsprechermodell trotz Änderungen der linearen Lautsprecherparameter über die Zeit, die durch Veränderungen der Umweltbetriebsbedingungen wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur verursacht werden, genau bleibt. Ebenso können Änderungen der linearen Lautsprecherparameter, die durch andere Mechanismen wie Materialalterung in dem Lautsprecher und/oder Änderungen der akustischen Betriebsbedingungen (z. B. der Gehäuseverluste) verursacht werden, genau modelliert werden. Das anpassungsfähige lineare digitale Lautsprechermodell 306 kann solche relativ langsam variierenden Veränderungen der Parameterwerte der anpassungsfähigen Lautsprecherparameter verfolgen. Auf der anderen Seite bleibt es, um eine genaue Bestimmung des momentanen Schalldrucks der Lautsprechermembran trotz stark nichtlinearen Signalverhaltens wie zuvor beschrieben, vorzunehmen, sehr vorteilhaft, das nichtlineare Modell des Lautsprechers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Das letztgenannte Merkmal macht es möglich, den momentanen Schalldruck, der an der Lautsprechermembran in dem elektronischen Rückkopplungsauslöschungsweg ausgegeben wird, genau vorherzusagen oder zu schätzen und somit sicherzustellen, dass das erste dem Summierungsknoten zugeführte Kompensationssignal eine genaue Darstellung sowohl der linearen als auch der nichtlinearen Effekte des Rückkopplungswegs ist, so dass die Rückkopplungsunterdrückung trotz deutlicher Nichtlinearitäten der relevanten Lautsprecherparameter wirksam bleibt.
Das digitale Audioeingangssignal 203 wird an einem dritten Eingang des nichtlinearen Zustandsraummodells 314 angelegt und das Zustandsraummodell 302 schätzt den momentanen Membranhub x und die Membranbeschleunigung oder den Schalldruck Pout basierend auf dem digitalen Audioeingangssignal, den Parameterwerten und dem einen oder den mehreren Parameterwerten der anpassungsfähigen Lautsprecherparameter. Das digitale Audioeingangssignal 203 kann in Übereinstimmung mit einer Gleichstromversorgungsspannung des Leistungsverstärkers 206 skaliert werden, so dass das digitale Audiosignal die tatsächliche Schwingspulenspannung genau darstellt. Diese Skalierung kann aufgrund der bekannten Beziehung zwischen der Größe des digitalen Audioeingangssignals und der Größe der Schwingspulenspannung erzielt werden. Das Zustandsraummodell 302 kann den momentanen Membranhub x an eine optionale Amplituden- oder Pegelbegrenzerfunktion der Rückkopplungsauslöschungsanordnung 200 liefern, die dazu ausgelegt ist, eine mechanische Beschädigung des Lautsprechers durch übermäßig hohe Schwingspulenspannungen und -stromstärken zu vermeiden. Die Pegelbegrenzerfunktion kann den geschätzten momentanen Membranhub x mit einem vorbestimmten Hubgrenzwert oder -schwellenwert vergleichen, der eine maximal zulässige oder empfohlene Membranauslenkung bzw. einen Membranhub für die jeweilige Art von Lautsprecher angibt. Daher kann die maximal zulässige oder empfohlene Membranauslenkung entsprechend den Empfehlungen des Lautsprecherherstellers eingestellt werden. Wenn der momentane Membranhub x kleiner als der vorbestimmte Hubgrenzwert ist, kann die Pegelbegrenzerfunktion das digitale Audioeingangssignal an den Eingang des Ausgangsverstärkers 206 ohne Dämpfung oder Pegelbegrenzung übertragen. Wenn andererseits der momentane Membranhub x den vorbestimmten Hubgrenzwert überschreitet, wird die Pegelbegrenzerfunktion angepasst, um das digitale Audioeingangssignal vor der Übertragung an den Leistungsverstärker abzuschwächen oder zu begrenzen. Die Dämpfung wird vorzugsweise durch selektives Dämpfen eines Niederfrequenzteilbands des verzögerten digitalen Audioeingangssignals wie etwa einem Niederfrequenzband unter 800 Hz oder 500 Hz erreicht, während höhere Frequenzen ungedämpft bleiben. Dies ist für Schutzzwecke oft sehr effektiv, da Niederfrequenzaudiosignalkomponenten am wahrscheinlichsten die Lautsprechermembran außerhalb ihrer maximal zulässigen Hubgrenze ansteuern. Das Niederfrequenzband kann alle Frequenzen unter einer bestimmten Schwellenfrequenz wie beispielsweise 800 Hz oder 500 Hz umfassen oder nur ein einzelnes Niederfrequenzband wie etwa ein Band mit einem Drittel einer Oktave um eine Mittenfrequenz wie etwa 400 Hz oder 300 Hz in dem Niederfrequenzbereich umfassen. Das Niederfrequenzband ist abhängig von dem Lautsprechertyp und insbesondere von der Resonanzfrequenz des Lautsprechers.
Fachleute werden erkennen, dass jede der oben diskutierten Signalverarbeitungsschaltungen, Funktionen oder Modelle 202, 210, 218, 302, 304 und 306 als eine Reihe von ausführbaren Programmbefehlen oder Programmroutinen implementiert sein kann, die auf einem mit Software programmierbaren Mikroprozessorkern oder DSP-Kern ausgeführt werden. Fachleute werden verstehen, dass der programmierbare DSP-Kern einteilig mit dem zuvor erörterten Anwendungsprozessor des tragbaren Kommunikationsendgeräts sein kann oder als ein separater programmierbarer DSP-Kern implementiert sein kann, der dazu ausgelegt ist, die oben beschriebenen Signalverarbeitungsfunktionen oder Modelle durchzuführen. Fachleute werden verstehen, dass eine(s) oder mehrere der Signalverarbeitungsschaltungen, Funktionen oder Modelle 202, 210, 218, 302, 304 und 306 als jeweilige Gruppen von ausführbaren Programmbefehlen implementiert sein können, während jegliche restliche Signalverarbeitungsschaltungen, Funktionen oder Modelle als separate fest verdrahtete digitale Logikschaltungen implementiert sein können, die entsprechend ausgelegte sequentielle und kombinatorische digitale Logik umfassen. Die festverdrahtete digitale Logikschaltung kann in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) integriert sein oder durch eine programmierbare Logik oder eine beliebigen Kombination davon ausgebildet sein.
4 ist ein detailliertes schematisches Blockdiagramm der inneren Signalverarbeitungskomponenten oder Rechenblöcke eines anpassungsfähigen digitalen Impedanzmodells 306 des zuvor diskutierten anpassungsfähigen linearen digitalen Lautsprechermodells 306, oder kurz Lautsprechermodells 306, von 3. Das anpassungsfähige digitale Impedanzmodell 306 umfasst ein anpassungsfähiges digitales Impedanzmodell, das dazu ausgelegt ist, fünf anpassungsfähige Modellparameter R_DC (den elektrischen Gleichstromwiderstand der Schwingspule); B·l (den Kraftfaktor), L_e (die Schwingspuleninduktivität) und a1 und a2, die z-Raum-Impedanzmodellparameter wie unten beschrieben sind, anpassbar zu berechnen und auszugeben. Jeder der Parameterwerte der fünf anpassungsfähigen Modellparameter wird wahlweise mit bestimmten voreingestellten Parametergrenzen verglichen, um sicherzustellen, dass das anpassungsfähige digitale Impedanzmodell korrekt zu arbeiten scheint und das Impedanzmodell z. B. nicht divergiert und sinnvolle Parameterwerte ausgibt. Die berechneten Werte der fünf anpassungsfähigen Modellparameter werden anschließend an einen Umsetzungsblock übertragen, der die fünf anpassungsfähigen Modellparameter in die vorher diskutierten mehreren anpassungsfähigen Lautsprecherparameter umwandelt, die durch das Lautsprechermodell 306 ausgegeben werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Lautsprechermodell 306 dazu ausgelegt worden, die folgenden fünf anpassungsfähigen Lautsprecherparameter zu berechnen: R_DC (den elektrischen Gleichstromwiderstand der Schwingspule); B·l (den Kraftfaktor); R_MS (die gesamte mechanische Dämpfung); K_MS (die gesamte mechanische Steifigkeit) und L_e (die Schwingspuleninduktivität). Fachleute werden erkennen, dass andere anpassungsfähige Lautsprecherparameter in anderen Ausführungsformen der Erfindung gewählt werden können, vorausgesetzt, dass die Parameterauswahl ausreichend detaillierte Lautsprecherinformationen an das Zustandsraummodell 302 des Lautsprechers übergibt.
In dem anpassungsfähigen digitalen Impedanzmodell 306 werden das digitale Schwingspulenstromstärkesignal Im[n] und das digitale Schwingspulenspannungssignal Vm[n] an den jeweiligen Eingängen des Impedanzmodells angelegt. Das Im[n]- und das Vm[n]-Signal können jeweils durch ein digitales Tiefpassfilter 301 tiefpassgefiltert und an einem Eingang eines optionalen Dezimierers (nicht gezeigt) angelegt werden, der das Im[n]- und das Vm[n]-Signal jeweils von der ersten Abtastfrequenz des digitalen Audioeingangssignals auf eine deutlich niedrigere Abtastfrequenz wie etwa weniger als das 0,5-, 0,25- oder 0,125-fache der ersten Abtastfrequenz heruntertaktet. Dieser kombinierte Tiefpassfilterungs- und Heruntertaktungsvorgang reduziert die Abtastrate der Signale in dem Lautsprechermodell 306 und den anderen Signalverarbeitungsfunktionen der Anordnung, was zu einer Verringerung der Rechenlast und einem verringerten Energieverbrauch führt. Das anpassungsfähige digitale Impedanz- oder Admittanzmodell 306 des Lautsprechers umfasst ein anpassungsfähiges IIR-Filter zweiter Ordnung 401, das eine zeitlich variable Impedanz der Schwingspule des Lautsprechers, die unter anderem eine Grundresonanzfrequenz des Lautsprechers widerspiegelt, anpassbar verfolgt oder modelliert. Das zuvor erörterte digitale Schwingspulenstromstärkesignal Im[n] wird an einem ersten Eingang des anpassungsfähigen digitalen Lautsprechermodells 210 angelegt und das digitale Schwingspulenspannungssignal Vm[n] wird an einem zweiten Eingang des anpassungsfähigen digitalen Impedanzmodells 306 angelegt. Die Parameterausgaben (nicht gezeigt) des anpassungsfähigen digitalen Impedanz- oder Admittanzmodells 306 sind die zuvor diskutierten vier anpassungsfähigen Modellparameter, R_DC (der elektrische Gleichstromwiderstand der Schwingspule); B·l (der Kraftfaktor), Le (die Schwingspuleninduktivität) und a1 und a2. Diese fünf anpassungsfähigen Modellparameter werden innerhalb der jeweiligen internen Rechenblöcke 401, 403, 405 und 407 dargestellt.
Das anpassungsfähige Impedanzmodell 306 umfasst die folgenden Modellparameter des Lautsprechers:

V_e [n]:: Schätzung der Schwingspulenspannung oder Ansteuerspannung;
R_DC:: elektrischer Gleichstromwiderstand der Schwingspule;
Bl:: Kraftfaktor des Lautsprechers (B·l Produkt);
M_MS:: Gesamte mechanisch bewegliche Masse (einschließlich akustischer Last);
K_MS:: Gesamte mechanische Steifigkeit;
R_MS:: Gesamte mechanische Dämpfung.
L_e:: Schwingspuleninduktivität

Das anpassungsfähige IIR-Filter 401 ist ein Filter zweiter Ordnung und wird der Bequemlichkeit halber vorzugsweise durch seine mechanische Beweglichkeitsübertragungsfunktion Y_m (z) im z-Raum ausgedrückt, wie durch die untere Beweglichkeitsgleichung erläutert. Der Gesamtbetrieb des anpassungsfähigen digitalen Impedanzmodells 306 stellt sich so dar, dass ein Parameterverfolgungsalgorithmus versucht, die Schwingspulenspannung V_e [n] auf der Basis einer Messung der Schwingspulenstromstärke Im[n] und eines vorgewählten Impedanzmodells des Lautsprechers vorherzusagen. Fachleute werden erkennen, dass das vorliegende anpassungsfähige digitale Impedanzmodell 306 für einen in einem geschlossenen Gehäuse montierten elektrodynamischen Lautsprecher anwendbar ist. Ein Fehlersignal V_ERR [n] wird aus einer Differenz zwischen dem gemessenen tatsächlichen Schwingspulenspannungssignal Vm[n] und einer Schätzung davon, die durch das Modell erzeugt wird, V_e [n] erhalten. Fachleute werden verstehen, dass verschiedene anpassungsfähige Filterverfahren wie etwa LMS verwendet werden können, um freie Modellparameter in dem gewählten Lautsprecherimpedanzmodell anzupassen, um das Fehlersignal V_ERR [n] zu minimieren. Die freien Modellparameter werden vorzugsweise kontinuierlich an den DSP übertragen, und dann, wenn das Fehlersignal hinreichend klein wird und beispielsweise ein vorgegebenes Fehlerkriterium einhält, werden die angepassten Modellparameter als korrekt angenommen. Durch Festhalten eines der fünf Parameter Bl, M_MS, K_MS, R_MS und L_e, die in Block 401 von 4 gezeigt sind, können die vier restlichen Parameter durch die Identifizierung der Beziehung zwischen Im[n] und Vm[n] bestimmt werden. Mathematisch ist es ohne große Bedeutung, welcher dieser vier Parameter festgehalten wird, aber die gesamte bewegliche Masse M_MS ist in der Regel eine gute Wahl. Dies kommt daher, dass dieser Parameter häufig im Hinblick auf die Herstellungsvielfalt und auf Schwankungen über die Zeit und die Temperatur relativ stabil ist.
5 umfasst ein Diagramm 501 des experimentell gemessenen durchschnittlichen nichtlinearen Verhaltens eines Kraftfaktors (B·l) als Funktion der Membranverschiebung, wie durch eine Kurve 511 einer Gruppe von repräsentativen Lautsprechern angegeben wird. Die gespiegelte Kurve 513 ist einfach eine Hilfskurve, die durch das Messsystem berechnet und angezeigt wird, um die visuelle Beurteilung des Grads der Symmetrie der dargestellten nichtlinearen Beziehung zu ermöglichen. Das gleiche gilt für die gespiegelte Kurve 613 von 6. Die durchschnittliche Kurve 501 kann auf verschiedenen Wegen erhalten werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die durchschnittliche Kurve 501 durch Identifizieren und Auswählen eines einzelnen Lautsprechers mit durchschnittlichen Eigenschaften aus einer Sammlung von gemessenen repräsentativen Lautsprechern der gleichen Ausführung und des gleichen Modells wie der elektrodynamische Lautsprecher 1, der in 2 abgebildet ist, erhalten worden. In einer alternativen Ausführungsform kann die durchschnittliche Kurve durch Messen und Mitteln der individuellen Eigenschaften des Kraftfaktors als Funktion der Membranauslenkung für 5–10 repräsentative Probelautsprecher der gleichen Ausführung und des gleichen Modells wie der elektrodynamische Lautsprecher 1, der in 2 abgebildet ist, erhalten werden. Die 5–10 repräsentativen Probelautsprecher können beispielsweise aus verschiedenen Produktionschargen gewählt werden, um Veränderungen der Lautsprecherparameter im Verlauf der Herstellung einzubeziehen. Die individuellen Eigenschaften des Kraftfaktors als Funktion der Membranauslenkung für den einzelnen durchschnittlichen Probelautsprecher sind von einem Laserauslenkungssensor gemessen worden, der eine Komponente des für eine Lautsprechercharakterisierung verwendeten KLIPPEL R&D SYSTEMs ist.
Die Ergebnisse der individuellen Eigenschaften des Kraftfaktors als Funktion der Membranauslenkung des einzelnen durchschnittlichen Probelautsprechers wurden in ein eigenes Software-Analyseprogramm exportiert, das beispielsweise auf MATLAB basiert, wie es von den Erfindern entwickelt worden ist. Das Software-Analyseprogramm berechnet und zeigt die gemessene Kurve des Kraftfaktors als Funktion der Membranauslenkung auf einer geeigneten graphischen Anzeige wie in Diagramm 501 gezeigt. Die Y-Achse stellt den gemessenen durchschnittlichen Kraftfaktor auf einer dimensionslosen relativen Skala dar und die X-Achse stellt den Membranhub oder die Membranauslenkung x in mm in Richtung nach außen und nach innen dar. Der Kraftfaktor (B·l) wurde dementsprechend für einen Bereich von ±0,45 mm der Membranauslenkung gemessen. Wie durch die durchschnittliche Kurve des Kraftfaktors als Funktion der Membranauslenkung 511 gezeigt, gibt es eine signifikante Variation des gemessenen durchschnittlichen Kraftfaktors in der Größenordnung von 40% über dem dargestellten Auslenkungsbereich. Eine Polynom-Kurvenanpassung an die durchschnittliche Kurve des Kraftfaktors als Funktion der Membranauslenkung 511 ist berechnet worden und das Ergebnis wird in dem Kasten 503 angezeigt. Die berechneten entsprechenden Polynomkoeffizienten nullter Ordnung bis vierter Ordnung sind jeweils als Bl0, Bl1, Bl2, Bl3 und Bl4 angezeigt. Bl0 stellt einen normierten Kraftfaktor zur Nullpunktauslenkung der Lautsprechermembran dar und dieser Wert wird anpassbar wie unten diskutiert, bestimmt. Die Kurve des Kraftfaktors als Funktion der Membranauslenkung 511 weist eine ausgeprägte Asymmetrie um eine Auslenkung von null (x = 0) auf, wobei diese Asymmetrie durch magnetische und mechanische Konstruktionseinzelheiten des fraglichen Lautsprechers verursacht wird. Wenn mehr als ein einzelner durchschnittlicher Probelautsprecher verwendet wird, kann das Ergebnis von jeder der individuellen Eigenschaften des Kraftfaktors als Funktion der Membranauslenkung von dem eingesetzten KLIPPEL R&D SYSTEM an das MATLAB-basierte proprietäre Software-Analyseprogramm exportiert werden. Das Software-Analyseprogramm kann dazu ausgelegt sein, einen durchschnittlichen gemessenen Kraftfaktor für die 5–10 repräsentativen Probelautsprecher zu berechnen und eine graphische Darstellung des Ergebnisses ähnlich dem Diagramm 501 liefern. Eine entsprechende Polynomkurvenanspassung und entsprechende Polynomkoeffizienten für diese durchschnittliche Kurve des Kraftfaktors als Funktion der Membranauslenkung können in einer Weise, die der oben diskutierten ähnlich ist, berechnet werden.
6 zeigt ein Diagramm 601, das ein experimentell gemessenes durchschnittliches nichtlineares Verhalten einer gesamten mechanischen Nachgiebigkeit (C_MS) als Funktion der Membranauslenkung durch die Kurve 611 darstellt. Die gesamte mechanische Nachgiebigkeit (C_MS) des Lautsprechers ist die reziproke Größe des vorher diskutierten Lautsprecherparameters der gesamten mechanischen Steifigkeit K_MS. Die durchschnittliche Kurve 601 wurde durch Identifizieren und Auswählen des einzelnen Lautsprechers mit durchschnittlichen Eigenschaften aus der Charge von gemessenen repräsentativen Lautsprechern wie oben mit Bezug auf 5 diskutiert, erhalten. Die alternative Prozedur, bei der Eigenschaften der gesamten mechanischen Nachgiebigkeit als Funktion der Membranauslenkung mehrerer repräsentativer Probelautsprecher gemessen werden, kann stattdessen verwendet werden. Die Y-Achse des Diagramms 601 zeigt die gemessene durchschnittliche gesamte mechanische Nachgiebigkeit in mm/N und die X-Achse zeigt den Membranhub oder die Membranauslenkung x in mm in Richtung nach außen und nach innen. Die gesamte mechanische Nachgiebigkeit ist dementsprechend über einen Bereich von ±0,45 mm der Membranauslenkung gemessen worden. Wie durch die Kurve 611 dargestellt, gibt es eine signifikante Variation der gemessenen gesamten mechanischen Nachgiebigkeit in der Größenordnung von 20% über den dargestellten Auslenkungsbereich. Eine polynomische Kurvenanpassung an die durchschnittliche Kurve der mechanischen Nachgiebigkeit als Funktion der Membranauslenkung 611 kann in einer ähnlichen Weise wie die zuvor beschriebene berechnet werden.
Ein Diagramm 701 von 7 zeigt mehrere individuell gemessene Kurven des Kraftfaktors (B·l) als Funktion der Membranauslenkung für mehrere repräsentative elektrodynamische Lautsprecher in einer nicht normalisierten Darstellung. Die Y-Achse zeigt den gemessenen durchschnittlichen Kraftfaktor auf einer dimensionslosen relativen Skala und die X-Achse zeigt den Membranhub oder die Membranauslenkung x in mm in Richtung nach außen und nach innen. In diesem Beispiel ist die Anzahl von repräsentativen elektrodynamischen Lautsprechern etwa 20, aber weniger oder mehr Lautsprecher können eingesetzt werden, wie durch das obige Beispiel unter Verwendung von lediglich 5 repräsentativen elektrodynamischen Lautsprechern gezeigt ist, um das gewünschte durchschnittliche nichtlineare Verhalten des Kraftfaktors abzuleiten. Die individuellen Kurven oder Eigenschaften des Kraftfaktors als Funktion der Membranauslenkung wurden durch den zuvor diskutierten Laserabstandssensor zur Lautsprechercharakterisierung gemessen. Die nichtlineare Beziehung oder Funktion zwischen dem Kraftfaktor und der Membranauslenkung für jeden der getesteten repräsentativen elektrodynamischen Lautsprecher ist aus der Krümmung der in dem Diagramm 701 dargestellten Kurven offensichtlich. Der Kraftfaktor (B·l) ist dementsprechend über eine Membranauslenkung von ±0,20 mm gemessen oder aufgezeichnet worden. Um die gewünschte durchschnittliche nichtlineare Funktion zwischen dem Kraftfaktor und der Membranauslenkung abzuleiten oder zu bestimmen, werden die folgenden Schritte ausgeführt: für jeden der repräsentativen Lautsprecher werden mehrere Kraftfaktorwerte im Vergleich zu Membranauslenkungswerten, die durch die abgebildeten Kraftfaktorkurven des Diagramms 701 graphisch dargestellt sind, in einer geeigneten Computervorrichtung aufgezeichnet. Die gemessene Kraftfaktorkurve für jeden der repräsentativen Lautsprecher wird danach durch Nullpunktverschiebung oder Verschieben der Kraftfaktorkurve vertikal, d. h. nach oben oder unten entlang der Kraftfaktorachse, bei einem willkürlichen Referenzwert der Membranauslenkung (d. h. der ausgewählten Lautsprechervariable in dieser Ausführungsform) normiert, z.B. einer Membranauslenkung von null wie im Diagramm 703 dargestellt ist. Jede der gemessenen Kraftfaktorkurven wird soweit erforderlich nach oben oder nach unten verschoben, bis der Wert bei einer Membranauslenkung von null den beliebigen Referenzwert erreicht, wodurch alle die verschobenen Kraftfaktorkurven 707 den gleichen beliebigen Kraftfaktorwert bei einer Membranauslenkung von null schneiden, wie durch die Bezugszahl 705 von Diagramm 703 angegeben. In einem nachfolgenden Schritt wird der Mittelwert der normierten Kraftfaktorwerte, wie durch die Kraftfaktorkurven des Diagramms 703 dargestellt und abgebildet, berechnet und kann graphisch durch eine einzige durchschnittliche normierte Kraftfaktorkurve 803 dargestellt werden, die in der Diagramm 801 von 8 gezeigt ist. Daher wird die durchschnittliche normierte Kraftfaktorkurve 803 bei einer Membranauslenkung von null auf null gesetzt und zeigt nur eine Variation über der Auslenkung. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Mittelwert der normierten Kraftfaktorwerte für jeden Membranauslenkungswert berechnet, indem die normierten Kraftfaktorwerte aller repräsentativen Lautsprecher summiert werden und durch die Anzahl der repräsentativen Lautsprecher dividiert werden, d. h. im Wesentlichen ein arithmetischer Mittelwert des Kraftfaktors berechnet wird. Fachleute werden dennoch erkennen, dass andere Berechnungsverfahren angewandt werden können, um den Mittelwert der normalisierten Kraftfaktorwerte zu berechnen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Medianwert der normierten Kraftfaktorwerte bei jedem Membranauslenkungswert verwendet werden, um den Mittelwert darzustellen.
Eine Polynomfunktion, wie sie oben in Verbindung mit 5 diskutiert ist, kann schließlich auf die durchschnittlichen normierten Kraftfaktorwerte angewendet werden, wie durch die Kurve 803 in Diagramm 801 dargestellt ist, um die durchschnittliche nichtlineare Beziehung zwischen dem Kraftfaktor und der Membranauslenkung der Sammlung repräsentativer Lautsprecher darzustellen. Die entsprechenden Polynomkoeffizienten können durch eine geeignete Polynomkurvenanpassung wie oben erörtert, bestimmt werden. Daher wird der anpassungsfähige Wert des Bl-Produkts, der durch das oben diskutierte lineare anpassungsfähige digitale Lautsprechermodell 306 ausgegeben wird, auf die Polynomfunktion des Nichtlinearitäts-Funktionsblocks 304 in dem nichtlinearen Zustandsraum-Lautsprechermodell 314 angewendet, um eine Berechnung des entsprechenden Werts des Bl-Produkts mit kompensierter Nichtlinearität vorzunehmen. Dieser Wert des Bl-Produkts mit kompensierter Nichtlinearität wird auf das Zustandsraummodell 302 angewendet, um die Genauigkeit der berechneten Schalldruckausgabe Pout und Membranauslenkung x zu verbessern.
Der Normierungsprozess, der in Verbindung mit der Bestimmung der durchschnittlichen nichtlinearen Funktion der Lautsprecherparameter vorgenommen wird, ist ein Vorteil des vorliegenden Verfahrens zum Unterdrücken von Rückkopplungssignalen, weil er die anpassungsfähige Natur des linearen anpassungsfähigen digitalen Lautsprechermodells 306 des elektrodynamischen Lautsprechers ausnutzt, wie in Verbindung mit 3 beschrieben.
Das lineare anpassungsfähige digitale Lautsprechermodell 306 hält eine genaue Schätzung des Wertes des Kraftfaktors oder jedes anderen ausgewählten Lautsprecherparameters bei einer Membranauslenkung von null im Verlauf der Zeit aufrecht, so dass der fragliche Lautsprecherparameterwert trotz der zuvor diskutierten langsam mit der Zeit variierenden Änderungen von wichtigen Lautsprecherparametern genau bleibt. Daher kann die nichtlineare Funktion verwendet werden, um den Wert des Bl-Produkts mit kompensierter Nichtlinearität durch Einsetzen des aktuellen Werts des Bl-Produkts, wie er durch das lineare anpassungsfähige digitale Lautsprechermodell geliefert wird, als einen konstanten Teil Bl = 0 der Polynomfunktion 503 von 5 zu bestimmen. Der gewünschte Wert des Bl-Produkts mit kompensierter Nichtlinearität, der auf das Zustandsraummodell 302 angewendet werden soll, kann direkt aus einer Kombination der bereits ermittelten Polynomkoeffizienten, die die durchschnittliche nichtlineare Funktion der Lautsprecherparameter darstellen, und des vorherigen Werts der Membranauslenkung x berechnet werden.

Claims

Rückkopplungsauslöschungsanordnung für eine elektroakustische Kommunikationsvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Signalübertragungsweg zur Erzeugung und Ausgabe eines ausgehenden Schallsignals an eine äußere Umgebung durch einen elektrodynamischen Lautsprecher, einen Signalempfangsweg, der ein Mikrofon zur Erzeugung eines Mikrofoneingangssignals, das Schall entspricht, der von der äußeren Umgebung empfangen wird, und zur Erzeugung eines entsprechenden digitalen Mikrofonsignals an einem Summierungsknoten des Audiosignalempfangswegs umfasst, wobei das ausgehende Schallsignal mit dem Mikrofon über einen externen Rückkopplungsweg akustisch gekoppelt ist, der eine konstante oder zeitlich veränderliche Übertragungsfunktion aufweist, einen elektronischen Rückkopplungsauslöschungsweg, der zwischen einem Abgriffsknoten des Signalübertragungswegs und dem Summierungsknoten des Signalempfangswegs eingekoppelt ist, um ein Rückkopplungsauslöschungssignal an den Summierungsknoten zu erzeugen, wobei der elektronische Rückkopplungsauslöschungsweg Folgendes umfasst: ein nichtlineares digitales Lautsprechermodell, das mehrere Lautsprecherparameter umfasst, die mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter umfassen, der aus einer Schwingspulenstromstärke und/oder einer Schwingspulenspannung des elektrodynamischen Lautsprechers abgeleitet ist, wobei der mindestens eine nichtlineare Lautsprecherparameter durch eine nichtlineare Funktion zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und einer vorbestimmten Lautsprechervariable dargestellt wird, ein anpassungsfähiges digitales Filter, das mit dem nichtlinearen digitalen Lautsprechermodell in Reihe geschaltet ist und dazu ausgelegt ist, mindestens die konstante oder zeitlich veränderliche Übertragungsfunktion des externen Rückkopplungswegs zu modellieren.
Rückkopplungsauslöschungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Lautsprecherparameter mindestens einen anpassungsfähigen Lautsprecherparameter umfassen, der aus folgender Gruppe gewählt ist: {ein Kraftfaktor (B·l), eine Aufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit, ein Schwingspulenwiderstand, eine gesamte mechanische Dämpfung, eine gesamte bewegliche Masse, eine Schwingspuleninduktivität}.
Rückkopplungsauslöschungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das nichtlineare digitale Lautsprechermodell ein nichtlineares Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers umfasst.
Rückkopplungsauslöschungsanordnung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das nichtlineare digitale Lautsprechermodell dazu ausgelegt ist, mindestens einen Wert des mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameters mit kompensierter Nichtlinearität zu berechnen.
Rückkopplungsauslöschungsanordnung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die nichtlineare Funktion eine durchschnittliche nichtlineare Beziehung zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und der vorgegebenen Lautsprechervariable darstellt, die aus Nichtlinearitätsmessungen an mehreren repräsentativen elektrodynamischen Lautsprechern bestimmt wird.
Rückkopplungsauslöschungsanordnung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die nichtlineare Funktion eine individuell gemessene nichtlineare Funktion des elektrodynamischen Lautsprechers zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und der vorgegebenen Lautsprechervariable darstellt.
Rückkopplungsauslöschungsanordnung nach Anspruch 6, wobei die individuell gemessene nichtlineare Funktion während einer Fabrikkalibrierung der Rückkopplungsauslöschungsanordnung dann, wenn sie in der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung montiert wird, gemessen wird.
Rückkopplungsauslöschungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine nichtlineare Lautsprecherparameter einen Kraftfaktor (B·l) oder eine Aufhängungsnachgiebigkeit bzw. -steifigkeit umfasst; und die vorbestimmte Lautsprechervariable einen Membranhub oder eine Membranauslenkung des elektrodynamischen Lautsprechers umfasst.
Rückkopplungsauslöschungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Signalübertragungsweg einen Digital-Analog-Umsetzer und einen Ausgangsverstärker umfasst, die dazu ausgelegt sind, die Schwingspulenstromstärke und -spannung des elektrodynamischen Lautsprechers aus dem Audiosignal an dem Abgriffsknoten anzuwenden; und der Signalempfangsweg einen ersten A/D-Umsetzer umfasst, der zum Abtasten und Digitalisieren des Mikrofoneingangssignals ausgelegt ist, um das digitale Mikrofonsignal zu erzeugen.
Rückkopplungsauslöschungsanordnung nach Anspruch 9, die einen zweiten A/D-Umsetzer umfasst, der dazu ausgelegt ist, die Schwingspulenspannung und/oder die Schwingspulenstromstärke abzutasten und zu digitalisieren.
Verfahren zum Unterdrücken von Rückkopplungssignalen zwischen einem Lautsprecher und einem Mikrofon einer elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Anlegen eines Audiosignals an den Lautsprecher über einen Signalübertragungsweg, um ein Schallsignal an eine äußere Umgebung auszugeben, b) Übertragen des ausgegebenen Schallsignals durch einen externen Rückkopplungsweg der elektroakustischen Kommunikationsvorrichtung zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrofon, um ein gefiltertes Schallsignal an dem Mikrofon zu erzeugen, c) Empfangen eines gefilterten Schallsignals an dem Mikrofon und Erzeugen eines entsprechenden digitalen Mikrofonsignals in einem Signalempfangsweg, d) Abgreifen des Audiosignals aus dem Signalübertragungsweg, e) Bestimmen einer Schwingspulenstromstärke und/oder einer Schwingspulenspannung des Lautsprechers, f) Filtern des abgegriffenen Audiosignals durch ein nichtlineares digitales Lautsprechermodell, das mehrere Lautsprecherparameter umfasst, die mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter umfassen, der aus der Schwingspulenstromstärke und/oder der Schwingspulenspannung abgeleitet wird, wobei der mindestens eine nichtlineare Lautsprecherparameter durch eine nichtlineare Funktion zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und einer vorbestimmten Lautsprechervariable dargestellt wird, um ein erstes Rückkopplungskompensationssignal, das den Lautsprecherschalldruck schätzt, zu erzeugen, g) Filtern des ersten Rückkopplungskompensationssignals durch ein anpassungsfähiges digitales Filter, das mindestens eine konstante oder zeitlich veränderliche Übertragungsfunktion des externen Rückkopplungswegs modelliert, um ein zweites Rückkopplungskompensationssignal zu erzeugen, h) Subtrahieren des zweiten Rückkopplungskompensationssignals und des digitalen Mikrofonsignals, um ein Mikrofonsignal mit kompensierter Rückkopplung zu erzeugen, i) Verarbeiten des Mikrofonsignals mit kompensierter Rückkopplung in dem Signalempfangsweg.
Verfahren zum Unterdrücken von Rückkopplungssignalen nach Anspruch 11, das folgenden Schritt umfasst: j) Anpassen eines Wertes von mindestens einem Lautsprecherparameter der mehreren Lautsprecherparameter im Zeitverlauf basierend auf der Schwingspulenstromstärke und/oder der Schwingspulenspannung des Lautsprechers.
Verfahren zum Unterdrücken von Rückkopplungssignalen nach Anspruch 11 oder 12, wobei der mindestens eine nichtlineare Lautsprecherparameter aus folgender Gruppe gewählt ist: {ein Kraftfaktor (B·l), eine Aufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit, ein Schwingspulenwiderstand, eine gesamte mechanische Dämpfung, eine gesamte bewegliche Masse, eine Schwingspuleninduktivität}.
Verfahren zum Unterdrücken von Rückkopplungssignalen nach Anspruch 11 oder 12, wobei die nichtlineare Funktion eine durchschnittliche nichtlineare Funktion zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und der vorgegebenen Lautsprechervariable darstellt, die aus Messungen an mehreren repräsentativen elektrodynamischen Lautsprechern bestimmt wird.
Verfahren zum Unterdrücken von Rückkopplungssignalen nach Anspruch 14, wobei die Bestimmung der durchschnittlichen nichtlinearen Funktion die folgenden Schritte umfasst: a1) Anlegen eines Testsignals an jeden Lautsprecher von mehreren repräsentativen Lautsprechern, wobei das Testsignal dazu ausgelegt ist, eine bestimmte Beziehung zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und der vorbestimmten Lautsprechervariable über einen vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariable anzuregen, b1) Aufzeichnen mehrerer Parameterwerte des mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameters für den vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariable für jeden Lautsprecher der mehreren repräsentativen Lautsprecher, c1) Normieren der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte des mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameters für jeden Lautsprecher an einem gemeinsamen Referenzwert der vorbestimmten Lautsprechervariable, d1) Berechnen eines Durchschnittswerts der mehreren normierten Parameterwerte der Lautsprechervariable für die mehreren repräsentativen Lautsprecher über den vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariable zum Darstellen der durchschnittlichen nichtlinearen Funktion zwischen dem mindestens einen nichtlinearen Lautsprecherparameter und der Lautsprechervariable.
Verfahren zum Unterdrücken von Rückkopplungssignalen nach einem der Ansprüche 11–15, wobei der mindestens eine nichtlineare Lautsprecherparameter einen Kraftfaktor (B·l) oder eine Aufhängungsnachgiebigkeit bzw. -steifigkeit der mehreren repräsentativen Lautsprecher umfasst; und die vorbestimmte Lautsprechervariable einen Membranhub oder eine Membranauslenkung der mehreren repräsentativen Lautsprecher umfasst.
Verfahren zum Unterdrücken von Rückkopplungssignalen nach Anspruch 15, wobei das Normieren der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte nach Schritt c1) Folgendes umfasst: Erhöhen oder Verringern jedes der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte für jeden Lautsprecher an dem gemeinsamen Referenzwert der Lautsprechervariable, so dass alle Parameterwerte der Lautsprecherparameter im Wesentlichen gleich dem gemeinsamen Referenzwert sind.
Verfahren zum Unterdrücken von Rückkopplungssignalen nach Anspruch 17, wobei der Referenzwert der vorbestimmten Lautsprechervariable bei einem Membranhub von null liegt.
Tragbare Kommunikationsvorrichtung, die eine Rückkopplungsauslöschungsanordnung nach einem der Ansprüche 1–10 umfasst.
Motorisiertes Fahrzeug, das eine Fahrgastzelle umfasst, in der eine Rückkopplungsauslöschungsanordnung nach einem der Ansprüche 1–10 montiert ist.