DE19606261A1 - Mikrofon mit zugehörigem Verstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikrofon mit zugeordnetem Verstärker, wobei diese digital aufgebaut sind. Das Anwendungs­ gebiet der Erfindung liegt in der Studiotechnik, der Rundfunk- und Fernsehtechnik, sowie der Theater- und Musikproduktion.

Es ist bekannt, daß Tonsignale zunehmend digital gespeichert und verarbeitet werden. Dies ist verbunden mit Vorteilen in der Qualität und im Preis der verwendeten Geräte gegenüber ent­ sprechenden analogen Geräten. Jedoch gelingt es bisher nicht, direkt die Signale von Mikrofonen in ausreichender Qualität zu digitalisieren, da im Gegensatz z. B. zur Telekommunikation die Dynamik der zur Verfügung stehenden Analog-Digital-Wandler teilweise erheblich kleiner ist, als die nutzbare Dynamik analoger Mikrofone. Es ist daher gängige Praxis, die Mikrofone mit ihren teilweise kleinen analogen Signalen über lange Kabel an steuerbare Mikrofonverstärker anzuschließen, welche vom Tonmeister derartig eingestellt werden, daß nachfolgend ange­ schlossene Analog-Digital-Wandler optimal ausgesteuert werden. Hieraus ergeben sich zwei große Probleme.

Erstens: in die Kabel zwischen Mikrofon und Mikrofonverstärker können leicht Störungen eingekoppelt werden, so daß besondere Verlegevorschriften beachtet werden müssen, insbesondere wenn Netz- oder gar Lichtsteuerleitungen parallel verlaufen.

Zweitens: ist ein großer Erfahrungsschatz zur Einstellung des Mikrofonverstärkers notwendig, um einerseits genügend Reserve zur Clipgrenze des Analog-Digital-Wandler zu lassen und andererseits das Quantisierungsrauschen des Analog-Digital- Wandlers ausreichend klein, bezogen auf das Nutzsignal, zu halten. Eine Fehleinschätzung kann hier eine ganze Aufnahme unbrauchbar machen.

Ein Versuch, das Signal eines Mikrofons zu digitalisieren, ist von einem Mikrofonhersteller bereits unternommen worden. Hierbei ist trotz Verwendung des besten verfügbaren Analog- Digital-Wandler-Schaltkreises nur eine Dynamik ereicht worden, die etwa 10 dB kleiner ist als die des entsprechenden analogen Mikrofons. Bei Mikrofonen mit sehr großer Dynamik muß mit einer Verschlechterung um ca. 25 dB gerechnet werden. Es wurde bereits ein Analog-Digital-Wandler vorgeschlagen und aus der DE-OS 44 20 713 A1 ist ein Analog-Digital-Wandler bekannt, die eine wesentlich größere Dynamik zulassen, jedoch ist hierzu ein Signalprozessor im Mikrofon einzubauen, was zu beträchtlichen Platzproblemen, Stromversorgungsproblemen und auch zu teuren Lösungen führt, da ein weiterer Signalprozessor im zugeordneten Verstärker notwendig ist, um die Verstärkungen und die Filter einzustellen. Daher wurden derartige Analog-Digital-Wandler bisher nicht in Mikrofonen eingesetzt.

Ein weiteres Problem stellen die zum Betrieb eines digitalen Mikrofons notwendigen Kabel dar. Im oben benannten Versuch wurden drei Kabel verwendet:
ein Kabel zur Übertragung der digitalen Audiowerte, ein zweites Kabel zur Übertragung eines Abtasttaktes zum Mikrofon und ein drittes Kabel zur Stromversorgung. Der Abtasttakt ist zur synchronen Abtastung der Audiowerte mit den anderen ange­ schlossenen digitalen Verarbeitungsgeräten notwendig. Ein Betrieb des Mikrofons als Abtasttaktquelle mit festem Quarzor ist nicht möglich, da der Anschluß mehrerer Mikrofone möglich sein muß und sich daher nicht das angeschlossene Gerät auf das Mikrofon synchronisieren kann. Das separate Stromversorgungs­ kabel ist auf Grund der benötigten Leistung von ca. 0,5. . .1 Watt notwendig. Für den Anwender von Mikrofonen stellen mehrere Mikrofonkabel oder ein Spezialkabel ein großes Problem dar, da bei der Umrüstung von analoger auf digitale Technik nicht nur das Mikrofon und der zugehörige Verstärker ausgetauscht werden müssen, sondern auch noch die Installationen in den jeweiligen Häusern. Zusätzlich ist eine weitere Art von Reserve-Kabeln erforderlich und eine Kompatibilität oder ein schnelles Umrüsten ist nicht möglich. Eine Modulation der benötigten Signale auf das digitale Audiokabel, welches steckkompatibel zum analogen Audiokabel sein kann, scheitert am hohen Aufwand und dem hierzu erforderlichen Platz im Mikrofon. Allein der Aufwand zur Gewinnung des jitterarmen Abtasttaktes, der im allgemeinen mit einer PLL zusätzlich auf ein Vielfaches des Abtasttaktes heraufgesetzt wird, um die Analog-Digital-Wandler zu betreiben, stellt bei der Vielzahl der genormten Abtast­ frequenzen ein großes technisches Problem dar.

Eine (theoretische) Möglichkeit das Abtasttaktkabel einzusparen stellt die Verwendung von sogenannten Abtasttaktratenwandlern dar, die zwischen Mikrofon und den zugeordneten Verstärker geschaltet werden können. Zur Zeit besitzen derartige Abtasttaktratenwandler eine geringere nutzbare Dynmamik als verfügbare Analog-Digital-Wandler-Schaltkreise, so daß dies zu einer weiteren Verschlechterung der Eigenschaften eines digitalen Mikrofons führen würde.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Entwicklung einer Mikrofons mit zugeordnetem Verstärker in digitaler Schaltungs­ technik, bei der die Dynamik des Mikrofons nicht durch den Analog-Digital-Wandler eingeschränkt wird, bei dem ein Betrieb mit den Mikrofonkabeln eines analogen Mikrofons möglich ist und bei dem die Kosten für den Aufbau und den Platzbedarf gering sind.

Diese Aufgabe, ein Mikrofon mit zugehörigem Verstärker zu ent­ wickeln, das eine bessere Dynamik als die analogen Mikrofone aufweist, einen geringen Platzbedarf in Anspruch nimmt, gegen analoge Mikrofone durch Verwendung vorhandener Kabel aus­ tauschbar ist und über einen kostengünstigen Aufbau verfügt, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Mikrofon und der zugeordnete Verstärker je eine digitale Schaltungsanordnung aufweisen, welche über ein abgeschirmtes symmetrisches Kabel miteinander verbunden sind, wobei die Schaltungsanordnung für das Mikrofon einen Schallwandler, zwei Vorverstärker, zwei Analog-Digital-Wandler und eine Treiberstufe für ein zwei­ kanaliges digitales Audioformat enthält, wobei die Vorver­ stärker an den Ausgang des Schallwandlers angeschlossen sind, welche ihrerseits mit jeweils einem Analog-Digital-Wandler ver­ bunden sind, und wobei die Analog-Digital-Wandler mit der digitalen Treiberstufe verbunden sind und der zugeordnete Ver­ stärker einen Empfänger für ein zweikanaliges digitales Audioformat und einen Signalprozessor enthält, welcher aus dem zweikanaligen digitalen Audioformat ein einkanaliges Signal generiert, welches ein Abbild des Signals des Schallwandlers darstellt, und welches zur Berechnung der bei Mikrofonen üblichen Verstärkung und Filterung verwendet wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Mikrofons besitzt zu­ sätzlich einen Umschalter und einen Abgleichoszillator, die derart verschaltet sind, daß der Schallwandler alternativ mit den beiden Vorverstärkern oder der Abgleichoszillator mit den beiden Vorverstärkern verbunden ist, wobei der Umschalter selbständig eine vorgegebene Zeit nach dem Einschalten des Mikrofons oder ferngesteuert den Abgleichoszillator abtrennt und den Schallwandler mit den Vorverstärkern verbindet, und wobei die vorgegebene Zeit derart bemessen ist, daß der Signal­ prozessor die Koeffizienten ermitteln kann, die zur Generierung des einkanaligen Signals aus dem zweikanaligen digitalen Audio­ format erforderlich sind.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann über das Mikrofon eine Kennung in das zweikanalige digitale Audioformat eingebracht werden, die den Schaltzustand des Umschalters anzeigt, wodurch im zugeordneten digitalen Verstärker eine Stummschaltung des Signals des Abgleichoszillators mit Hilfe des Signalprozessors erfolgt.

Zur Vermeidung der Synchronisationsprobleme oder des externen Abtasttaktanschlußes kann das Mikrofon einen eigenen Audioab­ tasttaktoszillator besitzen. Die notwendige Abtasttaktsynchro­ nisation mittels eines zweikanaligen Abtastratenwandlers er­ folgt im zugeordneten digitalen Verstärker, der zwischen dem Empfänger des digitalen Audioformates und dem Signalprozessor angeordnet ist.

Das zweikanalige digitale Audioformat entspricht vorteilhafter­ weise der AES/EBU-Norm, welche die Übertragung von digitalen Audioinformationen über Kabel und Steckverbinder, die zur Über­ tragung analoger Mikrofonsignale verwendet werden, gestattet.

Der Mittelwert des differentiellen AES/EBU-Signals kann eine Spannung gegenüber dem Schirm aufweisen, welche zur Stromver­ sorgung des digitalen Mikrofons ohne zusätzliche Kabel dient.

Im zugeordneten Verstärker können auf die Spannung zur Stromversorgung des Mikrofons Impulse aufmoduliert sein, welche der Fernbedienung von Mikrofoneinstellungen dienen.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäß aufgebauten digitalen Mikrofons und

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung eines zugeordneten digitalen Verstärkers.

Das Mikrofon mit einem zugeordneten Verstärker ist über ein geschirmtes symmetrisches Kabel miteinander verbunden. Im Mikrofon befinden sich der Schallwandler 1, eine Kondensator­ mikrofonkapsel und ihr Impedanzwandler, der mit dem Umschalter 3 verbunden ist. Der Umschalter 3 kann nach dem Einschalten des Mikrofons an Stelle des Schallwandlersignals das Signal von einem Abgleichoszillator 2 über die Übertragungskette dem Signalprozessor 14 zur Ermittlung von Startwerten einer iterativen Berechnung anbieten. Mit dem Signal des Umschalters 3 werden die beiden unterschiedlichen Vorverstärker 4 und 5 gespeist, welche ihrerseits jeweils einen Kanal des zwei­ kanaligen ADC 6 ansteuern. Der ADC 6 übergibt die beiden digitalisierten Audiowerte dem Transmitterbaustein 8, der nach der verbreiteten AES/EBU-Norm ein zweikanaliges digitales Ton­ signal in kodierter Form auf eine symmetrische Zweidrahtleitung gibt. Sowohl der ADC 6 als auch der AES/EBU-Transmitter werden mit dem Abtasttakt fsm eines Quarzoszillators, dem Abtast­ taktoszillator 7 versorgt. Die AES/EBU-Norm sieht bei pro­ fessionellen Anwendungen die Verwendung von Impulsübertragern sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite vor. Diese Impulsübertrager 9 werden hier zusätzlich mit einer Mittel­ anzapfung für die Stromversorgung versehen. Im Mikrofon ist die Mittelanzapfung des Impulsübertragers 9 mit dem Eingang des Spannungsreglers 10 verbunden, der seinerseits das ganze Mikrofon mit der jeweils erforderlichen Spannung VCC versorgt.

An den Impulsübertrager 9 kann beispielsweise mit den in der Studiotechnik üblichen XLR-Steckverbindungen die geschirmte symmetrische Leitung 11 angeschlossen werden.

Im Mikrofonverstärker wird die geschirmte symmetrische Leitung 11, welche vom Mikrofon kommt, angeschlossen an den Impuls­ übertrager 9. Die Mittelanzapfung des Impulsübertragers 9 ist über eine Entkopplungsdiode an die Stromversorgung VDC angeschlossen. Die Entkopplungsdiode gestattet die Verwendung mehrerer Mikrofonverstärker an einem Mikrofon. Die der Leitung 11 abgewandte Seite des Impulsübertragers 9 ist mit den Eingängen eines AES/EBU-Receiverbausteins 12 verbunden, welcher die beiden digitalen Audiosignale dekodiert und den im Mikrofon verwendeten Abtasttakt fsm rückgewinnt. Mit Hilfe des rück­ gewonnenen Abtasttaktes fsm und dem Mikrofonverstärkertakt fs, welcher identisch mit dem Takt aller weiteren digitalen audioverarbeitenden Geräte ist, kann der Abtastratenwandler 13 die beiden digitalen Audiosignale des AES/EBU-Receivers 12 in digitale Audiosignale, die synchron zum Abtasttakt fs sind, umwandeln. Die umgewandelten digitalen Audiosignale werden an den Eingang des Signalprozessors 14 gelegt, der das einkanalige digitale Audiosignal, welches dem des Schallwandlers, abgetastet mit der Abtastfrequens fs, entspricht, berechnet. Der Signalprozessor 14 übernimmt weiterhin Mikrofonsignal­ verstärkung und Filterung, wie sie ein analoger Mikrofon­ verstärker vornimmt.

Durch die Anwendung der Erfindung tritt neben einer Ver­ besserung der Übertragungsqualität der Vorteil ein, daß ein digitales Mikrofon mit den Mikrofonkabeln eines analogen Mikrofons betrieben werden kann. Ferner sind die Kosten für den Aufbau des erfindungsgemäß gestalteten digitalen Mikrofons und der Platzbedarf desselben gering, wodurch analoge Mikrofone einfach durch digitale Mikrofone ersetzt werden können.

Bezugszeichenliste

1 Schallwandler
2 Abgleichoszillator
3 Umschalter
4 Vorverstärker mit der Verstärkung V1
5 Vorverstärker mit der Verstärkung V2
6 zweikanaliger Analog-Digital-Wandler
7 Abtasttaktoszillator
8 AES/EBU-Transmitter
9 Impulsübertrager mit Mittelanzapfung
10 Spannungsregler
11 geschirmtes symmetrisches Kabel
12 AES/EBU-Receiver
13 Abtastratenwandler
14 Signalprozessor

Claims (7)

1. Mikrofon mit zugeordnetem Verstärker, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Mikrofon und der zugeordnete Ver­ stärker je eine digitale Schaltungsanordnung aufweisen, die über Kabel (11) miteinander verbunden sind, derart aufgebaut, daß die Schaltungsanordnung für das Mikrofon einen Schallwandler (1), zwei Vorverstärker (V1; V2), zwei Analog-Digital-Wandler (6) und eine Treiberstufe für ein zweikanaliges digitales Audioformat enthält, wobei die Vorverstärker an den Ausgang des Schallwandlers (1) an­ geschlossen sind, welche ihrerseits mit jeweils einem Analog-Digital-Wandler (6) verbunden sind und wobei die Analog-Digital-Wandler (6) mit der digitalen Treiberstufe verbunden sind und daß der zugeordnete Verstärker einen Empfänger für ein zweikanaliges digitales Audioformat und einen Signalprozessor (14) enthält, welcher aus dem zwei­ kanaligen digitalen Audioformat ein einkanaliges Signal generiert, welches ein Abbild des Signals des Schall­ wandlers (1) darstellt, und welches zur Berechnung der bei Mikrofonen üblichen Verstärkung und Filterung verwendet wird.

2. Mikrofon mit zugeordnetem Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung des Mikrofons zusätzlich einen Umschalter (3) und einen Ab­ gleichoszillator (2) besitzt, die derart verschaltet sind, daß der Schallwandler (1) alternativ mit den beiden Vor­ verstärkern (V1; V2) verbunden ist oder der Abgleich­ oszillator (2) mit den beiden Vorverstärkern (V1; V2) verbunden ist, wobei der Umschalter (3) selbständig eine vorgegebene Zeit nach dem Einschalten des Mikrofons oder ferngesteuert den Abgleichoszillator (2) abtrennt und den Schallwandler (1) mit den Vorverstärkern (V1; V2) ver­ bindet, und wobei die vorgegebene Zeit derart bemessen ist, daß der Signalprozessor (14) die Koeffizienten er­ mitteln kann, die zur Generierung des einkanaligen Signals aus dem zweikanaligen digitalen Audioformat erforderlich sind.

3. Mikrofon mit zugeordneten Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schaltungsanordnung des Mikrofons eine Kennung in das zweikanalige digitale Audioformat eingebracht ist, welche den Schaltzustand des Umschalters (3) anzeigt, wodurch im zugeordneten Ver­ stärker (12; 13; 14;) eine Stummschaltung des Signals des Abgleichoszillators (2) mit Hilfe des Signalprozessors (14) erfolgt.

4. Mikrofon mit zugeordneten Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung des Mikrofons einen eigenen Audioabtasttaktoszillator (7) be­ sitzt und die notwendige Abtasttaktsynchronisation mittels eines zweikanaligen Abtastratenwandlers (13) erfolgt, der im zugeordneten Verstärker zwischen dem Empfänger des digitalen Audioformates und dem-Signalprozessor (14) ange­ ordnet ist.

5. Mikrofon mit zugeordnetem Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweikanalige digitale Audioformat der AES/EBU-Norm entspricht, welche die Über­ tragung von digitalen Audioinformationen über Kabel und Steckverbinder, die zur Übertragung analoger Mikrofon­ signale verwendet werden, gestattet.

6. Mikrofon mit zugeordnetem Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert des differentiellen AES/EBU-Signals eine Spannung gegenüber dem Schirm aufweist, welche zur Stromversorgung des Mikrofons ohne zusätzliche Kabel dient.

7. Mikrofon mit zugeordnetem Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im zugeordneten Verstärker auf die Spannung zur Stromversorgung des Mikrofons Impulse aufmoduliert werden, welche der Fernbedienung von Mikro­ foneinstellungen dienen.