DE19518862C1 - Verfahren und Schaltung zur Entzerrung von mehrkanaligen Signalen von Kunstköpfen, Sondenmikrofonen oder anderen Anordnungen zur originalgetreuen Aufzeichnung von Ohrsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Entzerrung von mehrkanaligen Signalen von Kunstköpfen, Sondenmikrofonen oder anderen Anordnungen zur originalgetreuen Aufzeich­ nung von Ohrsignalen an einer beliebigen Stelle des Außenohres oder des Gehörganges nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kunstköpfe - wie auch das menschliche Außenohr - weisen richtungsunabhängig genauso wie richtungsabhängig Resonanzüberhöhungen bzw. Resonanzabsenkungen in einem Bereich von etwa 20 dB bis -30 dB auf. Um eine weitrei­ chende Kompatibilität mit an sich bekannten Standardmeß­ techniken zu erzielen, werden Kunstkopfsysteme und Sondenmikrofone oder andere Anordnungen zur originalge­ treuen Aufzeichnung von Ohrsignalen an einer beliebigen Stelle des Außenohres oder des Gehörganges derart entzerrt, daß für eine vorgegebene, definierte Beschal­ lungsrichtung oder Beschallungssituation (z. B. Freifeld- Beschallung, Diffusfeld-Beschallung oder richtungs­ neutrale Beschallung) ein frequenzunabhängiges Über­ tragungsverhalten erzielt wird durch eine Freifeld­ entzerrung, eine Diffusfeldentzerrung oder eine rich­ tungsneutrale Entzerrung oder auch eine Entzerrung auf eine bestimmte Referenz-Beschallungssituation bzw. auf eine bestimmte Referenzrichtung.

Allen genannten Entzerrungsarten ist gemeinsam, daß richtungsunabhängig auftretende Resonanzüberhöhungen, insbesondere die Cavum-Concha-Grundresonanz sowie der Einfluß des Ohrkanals kompensiert werden müssen. Hierzu ist es erforderlich, daß das Signal in einem Frequenzbe­ reich von ca. 500 Hz bis 10 KHz breitbandig um einen Betrag bis zu 18 dB abgesenkt wird, abhängig von der gewünschten Entzerrungsart bzw. der Referenz-Beschal­ lungssituation.

Darüber hinaus kann für bestimmte Referenz-Beschallungs­ situationen, wie z. B. eine Freifeldbeschallung, auch noch eine höhere Absenkung bestimmter Frequenzbereiche oder die Absenkung weiterer Resonanzüberhöhungen erforderlich sein, die durch richtungsabhängige Komponenten des Außenohres hervorgerufen werden.

Aus der DE-31 46 706 C2, der DE-29 32 330 A1 sowie der DE-30 03 852 C2 gehen Verfahren hervor, bei denen mehrkanalige Signale, beispielsweise von Kunstköpfen, Sondenmikrofonen und derartigen Anordnungen ausschließ­ lich durch analoge Filter entzerrt werden.

Derartige rein analoge Entzerrungen erlauben die Reduk­ tion der erwähnten Komponenten bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Systemdynamik. Auf diese Weise wird das Eigenrauschen der verwendeten Mikrofone durch sehr rauscharme Analogfilter deutlich abgesenkt. Nachteilig bei einer solchen rein analogen Entzerrung ist jedoch, daß eine Präzisions- oder Indivi­ dualentzerrung oder auch der Ausgleich von Fertigungs­ toleranzen nur schlecht möglich ist.

Darüber hinaus ist es bekannt, zur Entzerrung der Resonanzüberhöhungen Digitalfilter zu verwenden. Eine digitale Filterschaltung in Form eines Signalprozessors geht beispielsweise aus der Veröffentlichung von Neu u. a.: "Untersuchungen zur richtungstreuen Schallwieder­ gabe bei Darbietung von kopfbezogenen Aufnahmen über zwei Lautsprecher", veröffentlicht in Acustica, Vol. 76(1992), Seiten 181 bis 192, hervor. Ferner sind Digitalfilter in der US-5,333,200 offenbart.

Nachteilig bei der Entzerrung von Resonanzüberhöhungen durch Digitalfilter ist jedoch, daß Digitalfilter zu einem Dynamikverlust des Gesamtsystems führen. Dieser Dynamikverlust resultiert im wesentlichen daraus, daß Aussteuergrenzen und die Auflösung von A/D-Umsetzern fest vorgegeben sind, wohingegen der maximal auftretende Pegel in den oben erwähnten Frequenzbereichen der Resonanzüb­ erhöhungen deutlich, bis zu ca. 18 dB, über dem mittleren Signalpegel liegen kann. Da auch noch solche Signale verzerrungsfrei vom A/D-Umsetzer verarbeitet werden müssen, ist es notwendig, eine Übersteuerungsreserve des oben genannten Betrags, d. h. im wesentlichen von ca. 18 dB, vorzusehen, was allerdings zu einem Dynamikverlust des Systems in Höhe dieses Betrags, d. h. 18 dB, führt.

Eine weitere Beschränkung liegt darin, daß das Auf­ zeichnungsformat auf 16 Bit, wie es heute gebräuchliche Speichermedien (CD, DAT) zwingend vorschreiben, be­ schränkt ist. Der Dynamikverlust kann nun nicht durch höher auflösende A/D-Umsetzer und/oder die Verwendung einer größeren Wortbreite (z. B. 24 Bit) kompensiert werden. Insoweit kann nicht auf eine rein digitale Entzerrung zurückgegriffen werden, deren Vorteil grund­ sätzlich in einer besseren Individualanpassung an ein zu entzerrendes Übertragungssystem, insbesondere im hoch­ frequenten Bereich liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzusehen, das die Vorteile beider Entzerrungsarten auf einfache Weise kombiniert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Kombination der analogen mit der digitalen Entzerrung von Kunstkopfsignalen, Sondenmikrofonen oder anderer Anordnungen zur originalgetreuen Aufzeichnung von Ohrsignalen werden die Vorteile der analogen Entzerrungs­ technik, wie eine hohe Systemdynamik und Rauscharmut, mit den Vorteilen der digitalen Entzerrungstechnik, nämlich einer hohen Präzision der Entzerrung und eines einfachen Individualabgleichs des Systems kombiniert.

Die analoge Vorentzerrung der Signale, entsprechend einer gewählten Entzerrungsart, erlaubt eine Verminderung des Eigenrauschens durch die Verwendung hochqualitativer Analogfilter. Die Präzision der Entzerrung, die ins­ besondere die Kompensation von Fertigungstoleranzen, aber auch den Individualabgleich der Systeme erlaubt, erfolgt mit Hilfe eines digitalen Entzerrers.

Auf diese Weise wird eine deutlich höhere Dynamik des Gesamtsystems ermöglicht, da die Übersteuerungsreserve, die der digitale Entzerrer zur Verfügung haben muß, deutlich, um bis zu 18 dB, geringer sein kann. Dadurch kann der zur Verfügung stehende Dynamikbereich des A/D- Umsetzers bzw. des digitalen Aufzeichnungs- oder Signal­ verarbeitungssystems erheblich besser genutzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 12.

So ist es beispielsweise vorteilhaft, daß die analoge Vorentzerrung mittels des analogen Vorfilters so ausge­ legt ist, daß die Gesamtsystemdynamik um den Betrag der maximalen Pegelabsenkung des analogen Vorfilters erhöht wird.

Darüber hinaus können vorzugsweise durch das oder die digitalen Filter lediglich geringe Änderungen einer die Übertragungseigenschaften des Filters charakterisierenden Übertragungsfunktion kompensiert werden.

Außerdem können durch das oder die digitalen Filter nicht­ minimalphasige Filter realisiert werden.

Vorteilhafterweise können sowohl Erhöhungen im Frequenz­ bereich, die durch richtungsunabhängige Komponenten der Außenohrübertragungsfunktion hervorgerufen werden, als auch Überhöhungen im Frequenzbereich, die durch rich­ tungsabhängige Komponenten der Außenohrübertragungs­ funktion hervorgerufen werden, entzerrt werden.

Die analoge Entzerrung kann in einer oder mehreren Stufen erfolgen.

Es können für jede Entzerrungsart, z. B. eine Freifeld-, Diffusfeld- oder richtungsneutrale Entzerrung, jeweils ein eigenes analoges Vorfilter genauso wie ein eigenes digitales Filter verwendet werden.

Vorzugsweise werden als digitale Filter FIR-, IIR-Filter oder andere digitale Filterbausteine verwendet.

Vorzugsweise ist die analoge Vorentzerrung für jeden Kanal im wesentlichen identisch.

Durch das oder die digitalen Filter können vorteilhafter­ weise individuelle Unterschiede zwischen den beiden Ohrsignalen berücksichtigt und gegebenenfalls korrigiert werden.

Es ist auch möglich, mittels des oder der digitalen Filter einen Individualabgleich durchzuführen.

Darüber hinaus können Fertigungstoleranzen des Systems mittels des digitalen Filters kompensiert werden.

Schließlich wird eine Reduktion des Gesamtsystemrauschens ermöglicht.

Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltung zur Entzer­ rung von mehrkanaligen Signalen von Kunstköpfen, Sonden­ mikrofonen und anderen Anordnungen zur originalgetreuen Aufzeichnung von Ohrsignalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 13.

Diesbezüglich liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu vermitteln, die eine hohe Systemdynamik und Rauscharmut und darüber hinaus eine hohe Präzision der Entzerrung und einen einfachen Individualabgleich des Systems ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 13 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Schaltung sind Gegenstand der Unteransprüche 14 bis 21.

Die nachfolgende Beschreibung der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der näheren Erläuterung.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung zur kombinierten analogen und digitalen Entzerrung der Signale von Kunstköpfen, Sondenmikrofonen oder anderen Anordnungen zur originalgetreuen Aufzeichnung von Ohrsignalen;

Fig. 2 den frequenzabhängigen Verlauf einer Entzer­ rungsübertragungsfunktion einer Schaltung zur kombinierten analogen und digitalen Entzerrung der Signale von Kunstköpfen.

Das Verfahren zur Entzerrung von mehrkanaligen Signalen von Kunstköpfen, Sondenmikrofonen oder anderen Anord­ nungen zur originalgetreuen Aufzeichnung von Ohrsignalen läßt sich am besten in Verbindung mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltung erläutern.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, umfaßt eine Schaltung zur Entzerrung von mehrkanaligen Signalen von Kunstköpfen, Sondenmikrofonen oder anderen Anordnungen zur originalge­ treuen Aufzeichnung von Ohrsignalen eingangsseitig Mikrofone 2, die jeweils einem linken und einem rechten Ohrsignal zugeordnet sind. Dem Mikrofon 2 sind jeweils für das linke und rechte Ohr getrennt analoge Vorfilter 3 nachgeschaltet.

Die analogen Vorfilter 3 umfassen jeweils einen Opera­ tionsverstärker 4 sowie hochwertige RLC-Schwingkreise oder rauscharme RC-Schwingkreise. Dem analogen Vorfilter 3 jeweils nachgeschaltet ist ein A/D-Umsetzer 6. Dem A/D- Umsetzer 6 ist wiederum jeweils ein digitales Filter 7 nachgeschaltet.

Das analoge Vorfilter 3 ist vorzugsweise in der Nähe der Aufzeichnungsmikrofone angeordnet. Darüber hinaus kann die analoge Vorentzerrung auch in mehreren Stufen, beispielsweise mit mehreren (nicht dargestellten) analogen Vorfiltern erfolgen.

Als A/D-Umsetzer werden vorzugsweise hochwertige A/D- Umsetzer verwendet, wie z. B. A/D-Umsetzer vom Typ Crystal CS 5390.

Als digitale Filter kommen vorzugsweise FIR- oder IIR- Filter oder andere digitale Filterbausteine zum Einsatz. Die digitale Entzerrung kann beispielsweise durch einen digitalen Signalprozessor, z. B. vom Typ Motorola DSP 56002 oder Texas Instruments TMS 320C30 oder eine andere geeignete digitale Signalverarbeitungseinheit vorgenommen werden. Auf diese Weise können die entzerrten Signale direkt einer weitergehenden Analyse, Speicherung oder Verarbeitung zugeführt werden.

Die Entzerrung von Kunstkopfsignalen oder Signalen von Sondenmikrofonen oder anderen Anordnungen zur originalge­ treuen Aufzeichnung von Ohrsignalen an einer beliebigen Stelle des Außenohres oder des Gehörganges erfolgt nun dadurch, daß jeweils das linke und rechte Ohrsignal, wie es von einem linken und rechten Mikrofon 2 aufgenommen wurde, zunächst dem analogen Vorfilter 3 zugeführt wird, in dem Resonanzüberhöhungen vollständig oder teilweise vorentzerrt werden. Es ist dabei erforderlich, die Signale in einem Frequenzbereich von ca. 500 Hz bis 10 KHz breitbandig um bis zu 18 dB abzusenken - abhängig von der gewünschten Entzerrungsart, beispielsweise einer Freifeld-, Diffusfeld- oder richtungsneutralen Entzer­ rung, oder der Referenz-Beschallungssituation.

Darüber hinaus können in dem Vorfeld weitere Resonanzüb­ erhöhungen, die insbesondere durch richtungsabhängige Komponenten des Außenohrs hervorgerufen werden, teilweise oder vollständig vorentzerrt werden. Die vorentzerrten Signale werden sodann dem A/D-Umsetzer 6 zugeführt und digitalisiert und gelangen von diesem in das digitale Filter 7. In dem digitalen Filter 7 erfolgt eine Präzi­ sions- und/oder Individualentzerrung. In dem digitalen Filter 7 werden beispielsweise lediglich geringe Änderun­ gen der Übertragungsfunktion kompensiert. Darüber hinaus können durch das digitale Filter 7 sowohl minimalphasige als auch nicht minimalphasige Filter realisiert werden.

Schließlich ist es auch möglich, durch das digitale Filter 7 einen Individualabgleich und/oder einen Aus­ gleich von Fertigungstoleranzen zu ermöglichen.

Der frequenzabhängige Verlauf von typischen Entzerrungs­ übertragungsfunktionen, wie sie bei Schaltungen zur kombinierten analogen und digitalen Entzerrung der Signale von Kunstköpfen verwendet werden, sind in Fig. 2 dargestellt. Wie in Fig. 2 dargestellt, wird die breit­ bandige cavum conchae Grundresonanz mit einer Resonanz­ frequenz von ca. 3 kHz durch die Schaltung zur kom­ binierten analogen und digitalen Entzerrung kompensiert.

In Fig. 2 ist die Entzerrung sowohl für eine Freifeld­ entzerrung als auch für eine richtungsneutrale Entzerrung dargestellt.

Es ist zur Entzerrung in mehreren Stufen auch möglich, mehrere hintereinandergeschaltete analoge Filter 3 und/oder mehrere hintereinandergeschaltete digitale Filter 7 (nicht dargestellt) vorzusehen. Darüber hinaus können auch für die unterschiedlichen Entzerrungsarten (Freifeld-, Diffusfeld- oder richtungsneutrale Entzer­ rung) jeweils ein eigenes analoges Vorfilter 7 und/oder ein eigenes digitales Filter (7) bzw. auch mehrere analoge Vorfilter 3 und/oder mehrere digitale Filter 7 verwendet werden (nicht dargestellt).

Die analoge Vorentzerrung ist für den linken und den rechten Kanal im wesentlichen identisch.

Durch die digitalen Filter 7 können individuelle Unter­ schiede zwischen den beiden Ohrsignalen berücksichtigt und gegebenenfalls korrigiert werden.

Insgesamt wird das Gesamtsystemrauschen deutlich verringert.

Claims (21)

1. Verfahren zur Entzerrung von mehrkanaligen Signalen von Kunstköpfen, Sondenmikrofonen oder anderen Anordnungen zur originalgetreuen Aufzeichnung von Ohrsignalen an einer beliebigen Stelle des Außen­ ohres oder des Gehörganges, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst mittels wenigstens einem analogen Vorfilter (3) Resonanzüberhöhungen mindestens teilweise vorentzerrt werden, und daß sodann nach erfolgter A/D-Umwandlung mittels wenigstens einem digitalen Filter (7) eine Präzisions- und/oder Individualentzerrung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Vorentzerrung mittels des analogen Vorfilters (3) so ausgelegt wird, daß die Gesamt­ systemdynamik um den Betrag der maximalen Pegelab­ senkung des analogen Vorfilters (3) erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine die Übertragungseigenschaften des Filters charakterisierende Übertragungsfunktion durch das analoge Vorfilter (3) soweit vorentzerrt wird, daß mittels des/der digitalen Filters/Filter (7) nur mehr geringe Veränderungen durchzuführen sind.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des/der digita­ len Filters/Filter (7) sowohl minimalphasige als auch nicht minimalphasige Filtertypen realisiert werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Überhöhungen im Frequenzbereich, die durch richtungsunabhängige Komponenten der Außenohrübertragungsfunktion hervor­ gerufen werden, als auch Überhöhungen im Frequenz­ bereich, die durch richtungsabhängige Komponenten der Außenohrübertragungsfunktion hervorgerufen werden, entzerrt werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Entzerrung in einer oder mehreren Stufen erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Entzerrungsart (z. B. Freifeld-, Diffusfeld-, richtungsneutrale Entzerrung) ein eigenes oder ein gemeinsames analo­ ges Vorfilter (3) verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Entzerrungsart (z. B. Freifeld-, Diffusfeld-, richtungsneutrale Entzerrung) ein eigenes digitales Filter (7) ver­ wendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als digitales/digitale Filter (7) FIR- oder IIR-Filter verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Vorentzer­ rung für jeden Kanal im wesentlichen identisch ist.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch das/die digitale/ digitalen Filter (7) individuelle Unterschiede zwischen den beiden Ohrsignalen berücksichtigt und gegebenenfalls korrigiert werden.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des/der digita­ len Filters/Filter (7) ein Individualabgleich und/oder ein Ausgleich von Fertigungstoleranzen erfolgt.

13. Schaltung zur Entzerrung von mehrkanaligen Signalen von Kunstköpfen, Sondenmikrofonen oder anderen Anordnungen zur originalgetreuen Aufzeichnung von Ohrsignalen an einer beliebigen Stelle jedes Außen­ ohres oder jedes Gehörganges mit Filtern, insbeson­ dere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein analoges Vorfilter (3) zur mindestens teilweisen Vorentzerrung von Resonanzüberhöhungen vorgesehen ist, dem zur Durchführung einer Präzisions- und/oder Individualentzerrung wenigstens ein A/D-Umsetzer (6) und wenigstens ein digitales Filter (7) nachgeschal­ tet sind.

14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das/die analogen Vorfilter (3) in räumlicher Nähe von eingangsseitig vorgesehenen Aufzeichnungs­ mikrofonen (2) angeordnet ist/sind.

15. Schaltung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das/die analoge/analogen Vorfilter (3) jeweils wenigstens eine Filterstufe aufweist/auf­ weisen.

16. Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das/die digitale/digita­ len Filter (7) jeweils wenigstens einen digitalen Signalprozessor oder einen digitalen Filterbaustein umfaßt/umfassen.

17. Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des/der digita­ len Filters/Filter (7) ein Ausgleich von Fertigungs­ toleranzen durchführbar ist.

18. Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des/der digita­ len Filters/Filter (7) ein Individualabgleich durchführbar ist.

19. Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Entzerrungsart (z. B. Freifeld-, Diffusfeld-, richtungsneutrale Entzerrung) wenigstens ein eigenes analoges Vor­ filter (3) vorgesehen ist.

20. Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Entzerrungsart (z. B. Freifeld-, Diffusfeld-, richtungsneutrale Entzerrung) wenigstens ein eigenes digitales Filter (7) vorgesehen ist.

21. Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das/die digitale/digita­ len Filter (7) FIR- oder IIR-Filter sind.