DE19948172B4

DE19948172B4 - Aussteuerungsregelung in einer Signalverarbeitungseinheit

Info

Publication number: DE19948172B4
Application number: DE1999148172
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Ing. Benz; Stefan Dr.-Ing. Gierl; Michael Dipl.-Ing. Zeller
Original assignee: Harman Becker Automotive Systems GmbH
Current assignee: Harman Becker Automotive Systems GmbH
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: DE19948172A1

Abstract

Verfahren zur Aussteuerungsregelung eines Eingangssignals (E) in einem oder in mehreren Kanälen einer Signalverarbeitungseinheit, mit einer zwischen einem Signaleingang (1) und einem Signalausgang (6) liegenden Übertragungsstrecke (3), wobei in jedem Kanal ein Pegel des Eingangssignals (E) in einer Pegelabsenkungseinheit (2) abgesenkt wird, danach einem Signalprozessor (4) zugeführt wird und anschließend in einer Pegelanhebungseinheit (5) wieder angehoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Kanäle mindestens ein Pegeldetektor (7, 8, 9) vorgesehen ist, der ein Signal (E, S', A') auf der Übertragungsstrecke (3) abgreift und in Abhängigkeit von der Amplitude des Signals (E, S', A') die Pegelabsenkung und/oder die Pegelanhebung regelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aussteuerungsregelung eines Signals gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches Verfahren zur Aussteuerungsregelung kommt beispielsweise dann zum Einsatz, wenn in einem (digitalen) Audiosystem Übersteuerungen in der Signalverarbeitungskette durch die Einstellungen der klangbeeinflussenden Filter, z. B. der zur Einstellung der Tiefen-, Höhen- bzw. Equalizer- und/oder Lautstärkeaussteuerung, verursacht werden. Je nach Eingangssignalpegel und spektraler Zusammensetzung des Audiosignals kann z. B. eine starke Bass- und/oder Höhenanhebung bzw. eine entsprechende Equalizereinstellung und/oder eine Einstellung einer großen Lautstärke zu einer Überhöhung des Signalpegels führen, die ohne Gegenmaßnahmen zu einer Übersteuerung, d. h. einem sogenannten Clipping, führen würde.
Aus dem Stand der Technik sind im Wesentlichen zwei Verfahren bekannt, um die in der Signalverarbeitungskette zwischenzeitlich auftretende Übersteuerung zu vermeiden.
Bei einem ersten Verfahren wird die Aussteuerung eines Eingangssignals, z. B. eines Audiosignals, mit Hilfe eines sogenannten Dynamikkompressors in Verbindung mit einem Begrenzerverstärker derart reduziert, dass eine Übersteuerung bei der Signalverarbeitung weitgehend vermieden wird.
Bei einem solchen Verfahren wird zum einen durch den Dynamikkompressor die Dynamik des Signals, d. h. der Unterschied zwischen maximaler und minimaler Amplitude verkleinert, und hohe Amplituden des Eingangssignals werden durch den Begrenzerverstärker auf einen Maximalwert begrenzt. Diese Begrenzung auf einen Maximalwert führt zu nichtlinearen Verzerrungen (Klirren), die allerdings in der Regel weniger störend empfunden werden, als das Clipping des unprozessierten Signals.
Ein weiteres Verfahren basiert auf einer fest eingestellten Pegelabsenkung eines (Audio-)Eingangssignals am Eingang einer Signalverarbeitungseinheit und einer in der Regel entsprechenden Pegelanhebung am Ausgang der Signalverarbeitungseinheit. Die eingangsseitige Pegelabsenkung wird dabei im Allgemeinen so gewählt, dass eine Übersteuerung bei der Signalverarbeitung auch für die höchsten Amplituden es Eingangssignals, d. h. z. B. des Audiosignals, vermieden wird.
Bei diesem Verfahren werden im Gegensatz zu dem ersten Verfahren große Signalamplituden unverzerrt übertragen. Nachteilig ist allerdings bei dem Verfahren der fest eingestellten Pegelabsenkung und Pegelanhebung, dass bei der digitalen Signalverarbeitung kleiner Signalamplituden nichtlineare Verzerrungen auftreten. Diese nichtlinearen Verzerrungen, sogenannte Total Harmonic Distortions (THD), sind die Folge von Quantifizierungseffekten bei der digitalen Signalverarbeitung. So wird beispielsweise ein sinusförmiges analoges Eingangssignal nach der Analog-Digital-Wandlung durch ein stufenförmiges Signal angenähert. Bei geringem Signalpegel umfasst folglich ein solcher angenäherter sinusförmiger Verlauf nur noch wenige Stufen, was als THD hörbar ist.
Die Druckschrift US 5,115,471 beschreibt einen Dynamikkompressor/-Expander, der die Dynamik des Signals in Abhängigkeit von der Signalamplitude bei hohen Frequenzen erweitert und bei niedrigen Frequenzen komprimiert. Die Druckschrift DE 690 21 168 T2 beschreibt einen digitalen Signalprozessor, der auf einer vollautomatischen Verstärkungsregelung basiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aussteuerungsregelung bereitzustellen, das unabhängig von der Signalamplitude des Eingangssignals eine verzerrungsfreie Signalverarbeitung und -übertragung erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Aussteuerungsregelung eines Eingangssignals in einer Signalverarbeitungseinheit mit einem oder mehreren Kanälen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aussteuerungsregelung basiert auf einer Pegelabsenkung eines in der Regel digitalen Eingangssignals am Signaleingang eines oder mehrerer Kanäle einer Signalverarbeitungseinheit und einer in der Regel entsprechenden Pegelanhebung am Signalausgang des/der Kanals/Kanäle. Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, die Pegelabsenkung und/oder die Pegelanhebung signaladaptiv in Abhängigkeit von einer Amplitude eines Signals auf einer Übertragungsstrecke zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang eines Kanals zu regeln.
Die signaladaptive und somit dynamische Einstellung der Pegelabsenkung und der Pegelanhebung ist dadurch ausgezeichnet, dass nur hohe Signalpegel von der Regelung betroffen sind, während niedrige Signalpegel im Allgemeinen unverändert dem Signalprozessor zugeführt werden. Der Vorteil dieser Regelung besteht darin, dass eine Übersteuerung bei der Signalverarbeitung hoher Signalpegel durch eine Absenkung hoher Signalpegel vermieden wird, ohne dass dies zu nichtlinearen Verzerrungen führt wie bei einer Aussteuerungsbegrenzung durch ein Begrenzerverstärker. Die gleichzeitige Beibehaltung der Signalpegel schwacher Signale verhindert vorteilhaft das Auftreten nichtlinearer Verzerrungen (THD) bei der digitalen Signalverarbeitung sehr kleiner Signalpegel, welche bei einer fest eingestellten Pegelabsenkung/Pegelanhebung in Kauf genommen werden muss.
So führt beispielsweise eine solche Verbesserung der Aussteuerung und des Signalrauschabstandes von den allgemeinen in digitaler Form vorliegenden Audiosignalen zu einem verbesserten Höreindruck. Insbesondere im Grenzbereich der Vollaussteuerung (0dBFS) verhindert die Regelung eine als besonders störend empfundene nichtlineare Verzerrung des Audiosignals. Der Dynamikbereich, d. h. der Pegelbereich zwischen maximaler und minimaler Aussteuerung, wird somit erweitert.
Auf diese Weise wird also zum einen die Dynamik der Signale erhalten und große Signalamplituden werden unverzerrt übertragen. Zum anderen wird die Aussteuerung und der Signal-/Rauschabstand von z. B. digitalen Audiosignalen verbessert.
Eine dynamische Pegeladaption kann sowohl kanalselektiv als auch für mehrere oder für alle Kanäle gemeinsam erfolgen. Bei einer kanalselektiven Adaption findet in jedem einzelnen Kanal eine optimale Pegelaussteuerung statt. Dadurch geht jedoch in der Regel das Verhältnis der Pegel der in den einzelnen Kanälen übertragenen Signale zueinander verloren. Es ist daher oft günstiger in allen Kanälen die gleiche Pegelabsenkung/Pegelanhebung durchzuführen. Das Maß der Pegelabsenkung/Pegelanhebung richtet sich vorzugsweise nach dem Kanal mit maximaler Pegelabsenkung. Dadurch wird in allen Kanälen eine Übersteuerung vermieden und durch die gleiche Bearbeitung aller Kanäle wird z. B. der Höreindruck eines Audiosignals nicht verfälscht.
Weiterhin sieht die Erfindung eine Wahlmöglichkeit vor, eine Pegeldetektion und damit die Signaladaption breitbandig oder frequenzselektiv durchzuführen. Diese Wahlmöglichkeit bietet den Vorteil, dass nur diejenigen Bereiche des Frequenzspektrums überwacht werden müssen, bei denen auch eine Übersteuerung erwartet wird. So liegt beispielsweise bei einem Audiosignal in der Praxis das Hauptaugenmerk auf dem tieffrequenten Bereich des Signalspektrums, wo besonders hohe Amplituden zu erwarten sind, wie dies z. B. bei einem Paukenschlag der Fall ist.
In der Praxis sind die Pegelanhebungs-/Pegelabsenkungsstufen als Module ausgebildet, die nur eine vorgegebene maximale Pegelanhebung/-absenkung zulassen. Die Erfindung sieht daher vor, mehrere (vorzugsweise zwei) Pegelanhebungs- und/oder Pegelabsenkungsmodule hintereinander anzuordnen und als Pegelabsenkungs-/Pegelanhebungseinheiten zusammenzufassen, um den Absenkungs-/Anhebungsbereich zu vergrößern.
Besonders günstig ist es, die Regelung in einen digitalen Signalprozessor (DSP) zu integrieren. Da die Regelung in diesem Fall in Form eines Rechenprogramms, d. h. z. B. mit Hilfe eines DSP-Algorithmuses, realisiert wird, ist der Implementierungsaufwand sehr gering.
Auf der Übertragungs- und Signalverarbeitungsstrecke innerhalb eines Kanals gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, eine Signalaussteuerung zu kontrollieren und eine davon abgeleitete Pegelkorrektur bzw. -anpassung durchzuführen.
Besonders günstig ist es, ein überhöhtes Eingangssignal, das offensichtlich zu Übersteuerungen bei der Signalverarbeitung führen würde, bereits im Signaleingangsbereich abzufangen. Hierzu ist ein erster Pegeldetektor zum Abgreifen des der Pegelabsenkungseinheit zugeführten Eingangssignals vorgesehen, der beim Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude des Eingangssignals die Pegelabsenkung so regelt, dass das Signal am Eingang des Signalprozessors eine ebenfalls vorgebbare Signalamplitude nicht überschreitet. Es ist günstig, den ersten Pegeldetektor zur Übersteuerungserkennung im Signaleingangsbereichs des Kanals aber vor der Pegelabsenkungseinheit vorzusehen. Der Pegeldetektor wird hierbei beispielsweise direkt auf der Übertragungsstrecke oder an einem Verzweigungspunkt angeordnet.
Wird z. B. ein offensichtlich überhöhtes Eingangssignal von dem Pegeldetektor detektiert, so wird der Pegel von der Pegelabsenkungseinheit entsprechend seiner überhöhten Amplitude abgesenkt, so dass ein Übersteuern in einem der Pegelabsenkungseinheit nachgeschalteten Signalprozessor weitgehend ausgeschlossen wird.
Der Pegeldetektor ist in diesem Beispiel erfindungsgemäß vorteilhafterweise als Spitzenwertdetektor ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die Laufzeit des der Pegelabsenkungseinheit zuzuführenden Signals mit Hilfe eines Zeitverzögerungsglieds entsprechend der benötigten Zeit zur Pegeldetektion und zur Aussteuerungsregelung erhöht, so dass jeder überhöhte Eingangssignalpegel auch entsprechend seiner Amplitude abgesenkt wird. Ein solches Zeitverzögerungsglied lässt sich beispielsweise durch einen Signalspeicher oder ein Schieberegister realisieren.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, diesem Pegeldetektor eine erste Pegelvorhersageeinheit zuzuordnen, die in Form einer Abschätzung einer Signalverarbeitung im Signalprozessor ein mögliches Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude eines Signals im Signalprozessor vorhersieht und die Pegelabsenkung so regelt, dass das Überschreiten dieser vorgegebenen Signalamplitude im Signalprozessor verhindert wird.
Insbesondere ermöglicht hier die Einführung eines Zeitverzögerungsglieds, z. B. eines Signalspeichers, im Eingangsbereich auf der Übertragungsstrecke vor der Pegelabsenkungseinheit die vorausschauende Signalanalyse. So kann beispielsweise während einer Zwischenspeicherung des Eingangssignals eine Simulation einer Signalverarbeitung dieses Eingangssignals mit den momentanen Filtereinstellungen in einem Signalprozessor auf der Übertragungsstrecke durchgeführt werden, bei der jede Übersteuerung angezeigt wird. Diese vorausschauende Übersteuerungserkennung kann dann dazu verwendet werden, das Maß der notwendigen Pegelabsenkung zur Vermeidung einer Übersteuerung im Signalprozessor und auf der Übertragungsstrecke genau einzustellen.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist anstelle des ersten Pegeldetektors im Eingangsbereich oder zusätzlich zu diesem Pegeldetektor ein weiterer Pegeldetektor vorgesehen, der durch die Auswertung einer Sättigungslogik des Signalprozessors ein Überschreiten einer vorgebbaren Amplitu de eines Signals innerhalb eines Signalprozessors detektiert und die Pegelabsenkung entsprechend der tatsächlichen Überschreitung der vorgegebenen Amplitude erhöht.
Alternativ oder zusätzlich zu diesem zweiten Pegeldetektor sieht eine erfindungsgemäße Erweiterung einen weiteren dritten Pegeldetektor vor, der ein Signal am Ausgang des Signalprozessors zwischen dem Signalprozessor und der Pegelanhebungseinheit abgreift und der beim Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude des Signals die Pegelabsenkung entsprechend der tatsächlichen Überschreitung der vorgegebenen Signalamplitude erhöht. Dieser Pegeldetektor ist vorteilhafterweise als Spitzenwertdetektor ausgebildet.
Durch eine permanente breitbandige oder frequenzselektive Überwachung des momentanen Spitzenpegels ist es möglich, ein oder mehrere pegelbeeinflussende Parameter in einer oder mehreren Filterstufen des Signalprozessors einzustellen. So kann beispielsweise eine maximal zulässige Verstärkung für die einzelnen Filterstufen ermittelt werden. Liegen die augenblicklichen Einstellungen der Filter unterhalb der ermittelten Maximaleinstellung, so können die eingestellten Parameter beibehalten werden. Überschreiten die eingestellten Verstärkungsfaktoren den Schwellwert, so wird der Verstärkungsfaktor auf den ermittelten Maximalwert begrenzt.
Das Hauptaugenmerk bei dieser Art von Regelung liegt dabei auf dem tieffrequenten Bereich des Signalsprektrums und betrifft daher in erster Linie die Einstellungen des Bass- und Loudnessfilters, aber ggf. auch Equalizerbänder geringer Güte und relativ hoher Verstärkung.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung mit einem oder mehreren der Pegelabsenkungseinheit nachgeschalteten Pegeldetektoren, z. B. mit einem wie oben angegebenen sogenannten Saturationsdetektor, der die Sättigungseinheit des Signalprozessors auswertet und/oder einem das Signal am Ausgang des Signal prozessors abgreifenden Spitzenwertdetektor ist eine Vorwärtsregelung der Pegelabsenkung nicht mehr möglich. Hier wird erst nach der Feststellung einer tatsächlichen Übersteuerung in Form einer rückgekoppelten Regelung die Pegelabsenkung am Eingang der tatsächlichen Übersteuerung erhöht. Dies führt dazu, dass kurzzeitig tatsächlich eine Übersteuerung, z. B. eines (digitalen) Audiosignals stattfindet. Dies führt aber aufgrund der nachfolgenden Anpassung der Pegelabsenkung/Pegelanhebung dennoch zu einem wesentlich verbesserten Hörempfinden.
Eine solche rückgekoppelte Pegelung erfordert, dass die Pegelabsenkung eine gewisse Zeit aufrechterhalten werden muss. Nach dieser vorgegebenen Zeit kann dann eine Rücknahme der Pegelabsenkung erfolgen, sofern nicht eine Übersteuerung eine zusätzliche Pegelabsenkung erzwingt.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Rücknahme der Pegelanpassung stufenweise oder stetig erfolgt. Die Erfindung sieht vor, dass die Rückstellzeit für die Rücknahme der dynamischen Pegelanpassung einstellbar ist.
Um zu garantieren, dass jedes Signal genau mit dem Maß an Pegelanhebung versehen wird, wie es selbst an Pegelabsenkung erfahren hat, sieht die Erfindung ein zweites Zeitverzögerungsglied vor, welches die Pegelanhebung entsprechend der Laufzeit eines Signals von der Pegelabsenkungseinheit zur Pegelanhebungseinheit verzögert.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens einem der Pegeldetektoren eine zweite Pegelvorhersageeinheit zugeordnet ist, die in Form einer Abschätzung einer Signalverarbeitung auf der Übertragungsstrecke zwischen dem Signaleingang und der dynamischen Pegelanhebungseinheit ein mögliches Überschreiten einer vorgebbaren Signalamplitude am Signalausgang voraussieht und die Pegelanhebung so regelt, dass das Ausgangssignal die vorgegebene Signalamplitude nicht überschreitet. So ist beispielsweise bei der Audiosignalverarbeitung eine Begrenzung des Ausgangssignals auf einen Maximalwert deshalb wichtig, um eine Zerstörung angeschlossener Endgeräte, beispielsweise eines Lautsprechers, zu vermeiden.
Wie erläutert, kann bei der rückgekoppelten Regelung der Pegelabsenkung am Eingang kurzzeitig eine Übersteuerung am Ausgang des Signalprozessors auftreten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Übersteuerungsdetektion nicht durch die Auswertung der Sättigungslogik im Signalprozessor stattfindet, sondern durch eine Pegeldetektion am Ausgang des Signalprozessors. Aus diesem Grund sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass zwischen dem Signalprozessor und der Pegelanhebungseinheit ein erster Begrenzerverstärker angeordnet ist, der die Signalamplitude auf einen Maximalwert begrenzt. Um dabei auftretende unerwünschte Verzerrungen abzudämpfen, sieht die Erfindung vor, ausgangsseitig einen Dynamikkompressor anzuordnen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles eines Kanals einer Signalverarbeitungseinheit,
2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Kanals einer Signalverarbeitungseinheit,
3 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Kanals einer Signalverarbeitungseinheit.
Die 1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Aus führungsbeispiels eines Kanals einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitungseinheit. Es zeigt einen Signaleingang 1, dem ein Eingangssignal E zugeführt wird. Das Eingangssignal E zeigt im Beispiel ein digitales Audiosignal. An den Signaleingang 1 schließt sich eine Übertragungsstrecke 3 an, die ausgangsseitig mit dem Signalausgang 6 verbunden ist. Eingangsseitig ist auf der Übertragungsstrecke 3 eine Pegelabsenkungseinheit 2 angeordnet. Diese Pegelabsenkungseinheit 2 ist mit einem Eingang eines Signalprozessors 4 verbunden. Der Ausgang des Signalprozessors 4 ist mit einer Pegelanhebungseinheit 5 verbunden. Der Ausgang der Pegelanhebungseinheit 5 bildet den Signalausgang 6 dem ein Ausgangssignal A entnommen werden kann. Das am Signaleingang 1 anliegende Eingangssignal E wird an einem ersten Verzweigungspunkt 12 von einem ersten Pegeldetektor 7 abgegriffen. Der erste Pegeldetektor 7 ist über eine Datenleitung mit einem Rechenwerk 14 verbunden. Der Signalprozessor 4 ist mit einer Datenleitung mit einer Sättigungslogik 17 verbunden. Diese Sättigungslogik 17 ist ebenfalls über eine Datenleitung mit einem zweiten Pegeldetektor 8 verbunden. Dieser Pegeldetektor wiederum ist mit einer Datenleitung mit dem Rechenwerk 14 verbunden. Ein dritter Pegeldetektor 9 greift an einem zweiten Verzweigungspunkt 13 ein Signal A' vom Ausgang des Signalprozessors 4 ab. Der dritte Pegeldetektor ist wie die Pegeldetektor 7 und 8 über eine Datenleitung mit dem Rechenwerk 14 verbunden. Das Rechenwerk 14 selbst ist über Datenleitungen mit der Pegelabsenkungseinheit 2 und der Pegelanhebungseinheit 5 verbunden. Zusätzlich ist das Rechenwerk 14 über eine Datenleitung mit pegelbeeinflussenden Parametern 23 des Signalprozessors 4 verbunden.
Der erste Pegeldetektor 7 im Signaleingangsbereich detektiert, ob das Eingangssignal E schon so hoch ist, dass es offensichtlich zur Übersteuerung führt. Ist dies der Fall, so wird die Pegelabsenkung in der Pegelabsenkungseinheit 2 so hoch gewählt, dass ein Übersteuern des Signals E' im Signalprozessor 4 weitgehend ausgeschlossen wird. Die Regelung, d. h. die Signalisierung einer Übersteuerung durch den ersten Pegeldetektor 7 an das Rechenwerk 14 und die Einstellung der Pegelabsenkung in der Pegelabsenkungseinheit 2 durch das Rechenwerk 14 arbeitet als Vorwärtsregelung, d. h. als Steuerung.
Das ggf. abgesenkte Signal E' durchläuft daraufhin die pegelbeeinflussende Audioverarbeitung im Signalprozessor 4. Zu dieser pegelbeeinflussenden Audioverarbeitung gehört beispielsweise die Einstellung der klangbeeinflussenden Filter wie z. B. zur Einstellung der Höhen, der Tiefen, der Equalizeraussteuerung und der Lautstärke. Eine mögliche Übersteuerung innerhalb des Signalprozessors 4 wird einer Sättigungseinheit 17 des Signalprozessors angezeigt.
Diese Statusanzeige wertet der zweite Pegeldetektor 8 aus und signalisiert die Übersteuerung dem Rechenwerk 14. Das Rechenwerk 14 veranlasst eine Pegelabsenkung in der Pegelabsenkungseinheit 2 für das nächste Audiodatum. Im Gegensatz zur Vorwärtsregelung durch die erste Regelschleife findet hier also erst nach der Feststellung einer tatsächlichen Übersteuerung in Form einer rückgekoppelten Regelung eine Pegelabsenkung am Eingang statt.
Alternativ oder zusätzlich ist am Ausgang des Signalprozessors 4 eine Pegeldetektion durch einen dritten Pegeldetektor 9 vorgesehen. Dieser dritte Pegeldetektor 9 arbeitet wie der erste Pegeldetektor 7 als Spitzenwertdetektor. Der dritte Pegeldetektor 9 signalisiert eine Übersteuerung des Signals A' dem Rechenwerk 14. Das Rechenwerk 14 signalisiert nach Feststellung der tatsächlichen Übersteuerung in Form einer rückgekoppelten Regelung die Pegelabsenkung durch die Pegelabsenkungseinheit 2 am Signaleingang 1.
Es ist vorgesehen, dass das Rechenwerk 14 eine erkannte Übersteuerung, beispielsweise einem Microcontroller signalisiert, der die pegelbeeinflussenden Parameter 23 der Audioverarbei tung im Signalprozessor 4 so ändert, dass keine Übersteuerung des Audiosignals im Signalprozessor 4 mehr stattfindet.
Die rückgekoppelte Regelung der Pegelabsenkung am Signaleingang 1, welche durch den zweiten Pegeldetektor 8 und/oder den dritten Pegeldetektor 9 angezeigt werden, führt dazu, dass ein paar wenige Samples der digitalen Audioverarbeitung im Signalprozessor 4 tatsächlich übersteuert sind. Dies führt aber nicht zu einem unerträglichen Hörempfinden, vielmehr führt die nachträglich angepasste Pegelabsenkung zu einem insgesamt betrachteten wesentlich verbesserten Hörempfinden.
Beide Regelkonzepte, d. h. die Vorwärtsregelung einer durch den erste Pegeldetektor 7 angezeigten Übersteuerung, sowie die rückgekoppelte Regelung einer durch die Pegeldetektoren 8 und 9 detektierten Übersteuerung greifen nebeneinander parallel auf die gemeinsame Aussteuerungs- und Regelkontrolle im Rechenwerk 14 zu und bestimmen das Maß der dynamischen Pegelabsenkung in der Pegelabsenkungseinheit 2.
Das Rechenwerk 14 veranlasst nun, dass jedes Signal A' in der Pegelanhebungseinheit 5 entsprechend seiner eingangsseitig erfahrenen Pegelabsenkung wieder angehoben wird. Ein auf diese Weise verarbeitetes Audiosignal wird dann am Signalausgang 6 als Ausgangssignal A abgegriffen.
Signalisiert der zweite Pegeldetektor 8 und/oder der dritte Pegeldetektor 9, dass keine Übersteuerung des Audiosignals im Signalprozessor 4 oder am Ausgang des Signalprozessors 4 mehr stattfindet, so sorgt eine Rücksetzeinheit 18 für eine kontinuierliche oder stufenweise Rücknahme der dynamischen Pegelanpassung in der Pegelabsenkungseinheit 2 und der Pegelanhebungseinheit 5. Es ist vorgesehen, dass die Rückstellzeit frei einstellbar ist.
Das Hauptaugenmerk bei dieser Art von Regelung liegt dabei auf dem tieffrequenten Bereich des Signalspektrums und be trifft daher in erster Linie die Einstellungen des Bass- und Loudnessfilters, aber ggf. auch von Equalizerbändern geringer Güte und relativ hoher Verstärkung.
In der Praxis liegen beispielsweise acht Kanäle mit identischem Aufbau nebeneinander vor. Es ist möglich, die Pegeladaption in allen Kanälen separat durchzuführen. In der Praxis hat es sich allerdings als günstig erwiesen, dass alle Kanäle gleichzeitig auf dieselbe Pegelabsenkung/Pegelanhebung eingestellt werden. Die Pegelabsenkung richtet sich dann vorzugsweise nach dem Kanal, bei dem der Pegel am stärksten abgesenkt werden muss, um eine Übersteuerung zu vermeiden. Dadurch ist sichergestellt, dass auch bei allen anderen Kanälen eine Übersteuerung vermieden wird.
Wie im obigen Abschnitt gezeigt wurde, tritt bei einer rückgekoppelten Regelung eine Übersteuerung weniger Samples auf. Es ist daher günstig, eine Signalanalyse und Pegelregelung vorausschauend durchzuführen. Die 2 zeigt daher ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles eines Kanals einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitungseinheit, in die Pegelvorhersageeinheiten 10, 11 integriert sind.
Wie im vorherigen Beispiel wird ein Eingangssignal E einer Pegelabsenkungseinheit 2, danach einem Signalprozessor 4 und schließlich einer Pegelanhebungseinheit 5 zugeführt, bevor das Signal als Ausgangssignal A am Signalausgang 6 vorliegt. Dem am ersten Verzweigungspunkt 12 anliegenden Pegeldetektor 7 ist eine erste Pegelvorhersageeinheit 10 zugeordnet. In dieser ersten Pegelvorhersageeinheit 10 findet eine Simulation einer Signalverarbeitung des Eingangssignals E mit den momentanen Filtereinstellungen im Signalprozessor 4 statt. Diese "vorausschauende" Übersteuerungserkennung wird dann dazu verwendet, das Maß der notwendigen Pegelabsenkung in der Pegelabsenkungseinheit 2 genau einzustellen.
Eine entsprechende Zuordnung einer zweiten Pegelvorhersage einheit 11 zu den Pegeldetektoren 8 und 9, erlaubt weiterhin eine vorausschauende Signalanalyse und Pegelregelung der weiteren Signalverarbeitungskette. Mit Hilfe der Pegelvorhersageeinheiten 10 und 11 kann zusätzlich verhindert werden, dass der Pegel am Signalausgang 6 einen zulässigen Höchstwert überschreitet. Dies erweist sich insbesondere dann als günstig, wenn nachfolgende Komponenten geschützt werden sollen, wie z. B. ein analoger Endverstärker oder ein daran anschließender Lautsprecher.
3 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Kanals einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitungseinheit. Der Übersichtlichkeit wegen sind die Pegeldetektoren 7, 8, 9 und die Pegelvorhersageeinheit 10, 11 sowie das Rechenwerk 14 nicht eingezeichnet.
Wie in den vorangegangenen Beispielen liegt am Signaleingang 1 das Eingangssignal E. Dieses wird einem ersten Zeitverzögerungsglied 15 zugeführt. Dieses Zeitverzögerungsglied 15 dient dazu, die Laufzeit des der Pegelabsenkungseinheit 2 zuzuführenden Signals entsprechend der benötigten Zeit zur Pegeldetektion und zur Aussteuerungsregelung sowie zur vorausschauenden Signalanalyse erhöhen, so dass jeder Signalpegel auch entsprechend seiner eingangsseitig erfahrenen Pegelanhebung ausgangsseitig wieder abgesenkt wird. Dieses Zeitverzögerungsglied 15 ist in den 1 und 2 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet.
Das zeitverzögerte Eingangssignal wird der Pegelabsenkungseinheit 2 zugeführt. Das Signal E' mit abgesenktem Pegel wird dem Signalprozessor 4 zugeführt an dessen Ausgang es als Signal A' wieder anliegt. In diesem Beispiel wird das Signal A' einem Dynamikkompressor 22 zugeführt. In Verbindung mit dem an dessen Ausgang anliegenden Begrenzerverstärker 20 werden sehr schnell auftretende Signalspitzen, die noch zu einer Übersteuerung führen, auf einen Maximalwert begrenzt. Dadurch nimmt zwar die Dynamik, d. h. die Differenz zwischen maxima ler und minimaler Amplitude ab, und bei hohen Signalpegeln treten nichtlineare Verzerrungen auf, diese werden allerdings weit weniger störend empfunden als das Clipping des unprozessierten Signals.
Dieses Signal wird der Pegelanhebungseinheit 5 zugeführt. Das mit der Pegelanhebungseinheit 5 verbundene Zeitverzögerungsglied 16 weist darauf hin, dass die Pegelanhebung entsprechend der Laufzeit des Eingangssignals E auf der Übertragungsstrecke 3 verzögert ist. Dieses Zeitverzögerungsglied 16 garantiert somit eine korrekte Pegelabsenkung/Pegelanhebung.
Das am Ausgang der Pegelanhebungseinheit 5 anliegende Signal wird in diesem Ausführungsbeispiel einem Begrenzerverstärker 21 zugeführt. Dieser Begrenzerverstärker 21 hat die Aufgabe eine Übersteuerung angeschlossener Endgeräte (wie z. B. Endstufen, Lautsprecher etc.) sicher abzufangen.

1: Signaleingang
2: Pegelabsenkungseinheit
3: Übertragungsstrecke
4: Signalprozessor
5: Pegelanhebungseinheit
6: Signalausgang
7: erster Pegeldetektor
8: zweiter Pegeldetektor
9: dritter Pegeldetektor
10: erste Pegelvorhersageeinheit
11: zweite Pegelvorhersageeinheit
12: erster Verzweigungspunkt
13: zweiter Verzweigungspunkt
14: Rechenwerk
15: erstes Zeitverzögerungsglied
16: zweites Zeitverzögerungsglied
17: Sättigungseinheit
18: Rücksetzeinheit
20: erster Begrenzerverstärker
21: zweiter Begrenzerverstärker
22: Dynamikkompressor
23: pegelbeeinflussende Parameter
E: Eingangssignal
A: Ausgangssignal
E': Signal
A': Signal
S': Signal

Claims

Verfahren zur Aussteuerungsregelung eines Eingangssignals (E) in einem oder in mehreren Kanälen einer Signalverarbeitungseinheit, mit einer zwischen einem Signaleingang (1) und einem Signalausgang (6) liegenden Übertragungsstrecke (3), wobei in jedem Kanal ein Pegel des Eingangssignals (E) in einer Pegelabsenkungseinheit (2) abgesenkt wird, danach einem Signalprozessor (4) zugeführt wird und anschließend in einer Pegelanhebungseinheit (5) wieder angehoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Kanäle mindestens ein Pegeldetektor (7, 8, 9) vorgesehen ist, der ein Signal (E, S', A') auf der Übertragungsstrecke (3) abgreift und in Abhängigkeit von der Amplitude des Signals (E, S', A') die Pegelabsenkung und/oder die Pegelanhebung regelt.
Signalverarbeitungseinheit mit einem oder mehreren Kanälen, wobei jeder Kanal einen Signaleingang (1) zum Anlegen eines Eingangssignals (E), einen Signalausgang (6) zum Abgreifen eines auf einer Übertragungsstrecke (3) zwischen dem Signaleingang (1) und dem Signalausgang (6) übertragenen Ausgangssignals (A), einen auf der Übertragungsstrecke (3) angeordneten Signalprozessor (4), eine zwischen dem Signaleingang (1) und dem Signalprozessor (4) angeordnete Pegelabsenkungseinheit (2) zur Pegelabsenkung des dem Signalprozessor (4) zugeführten Signals (E'), eine zwischen dem Signalprozessor (4) und dem Signalausgang (6) angeordnete Pegelanhebungseinheit (5), welche den Pegel des von dem Signalprozessor (4) verarbeiteten Signals (A') wieder anhebt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Kanäle mindestens ein Pegeldetektor (7, 8, 9) auf der Übertragungsstrecke (3) zur Überwachung einer Signalamplitude vorgesehen ist und dass die Pegelabsenkung eines Eingangssignals (E) durch die Pegelabsenkungseinheit (2) und/oder die Pegelanhebung des Signals (A') durch die Pegelanhebungseinheit (5) in Abhängigkeit von der Signalamplitude einstellbar ist.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pegelabsenkungseinheit (2) aus einer oder mehreren Stufen besteht.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pegelanhebungseinheit (5) aus einer oder mehreren Stufen besteht.
Signalprozessor nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pegelabsenkung und/oder die Pegelanhebung kanalselektiv oder für mehrere oder für alle Kanäle gemeinsam ausgebildet ist.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pegelabsenkung und/oder die Pegelanhebung frequenzselektiv oder breitbandig ausgebildet ist.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Pegeldetektor (7) zum Abgreifen des der Pegelabsenkungseinheit (2) zugeführten Eingangssignals (E) vorgesehen ist, der beim Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude des Eingangssignals (E) die Pegelabsenkung so regelt, dass das Signal (E') am Eingang des Signalprozessors (4) eine ebenfalls vorgebbare Signalamplitude nicht überschreitet.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pegeldetektor (7) im Signaleingangsbereich an einem ersten Verzweigungspunkt (12) auf der Übertragungsstrecke (3) zwischen dem Signaleingang (1) und der Pegelabsenkungseinheit (2) angeordnet ist.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pegeldetektor (7) im Signaleingangsbereich auf der Übertragungsstrecke (3) zwischen dem Signaleingang (1) und der Pegelabsenkungseinheit (2) angeordnet ist.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pegeldetektor (7) als Spitzenwertdetektor ausgebildet ist.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Pegeldetektor (7) eine erste Pegelvorhersageeinheit (10) zugeordnet ist, die in Form einer Abschätzung einer Signalverarbeitung im Signalprozessor (4) ein mögliches Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude eines Signals (S') im Signalprozessor (4) vorhersieht und die Pegelabsenkung so regelt, dass das Überschreiten dieser vorgegebenen Signalamplitude im Signalprozessor (4) verhindert wird.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Pegeldetektor (7) ein erstes Zeitverzögerungsglied (15) zugeordnet ist, welches das eingehende, der Pegelabsenkungseinheit (2) zuzuführende Eingangssignal (E) entsprechend der benötigten Zeit zur Pegeldetektion und zur Aussteuerungsregelung verzögert.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zeitverzögerungsglied (15) als Signalspeicher ausgeführt ist.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Pegeldetektor (8) vorgesehen ist, der durch die Auswertung einer Sättigungseinheit (17) des Signalprozessors (4) ein Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude eines Signals (S') innerhalb des Signalprozessors (4) detektiert und die Pegelabsenkung entsprechend der tatsächlichen Überschreitung der vorgegebenen Amplitude erhöht.
Signalprozessor nach Anspruch 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Pegeldetektor (9) vorgesehen ist, der ein Signal (A') am Ausgang des Signalprozessors (4) zwischen dem Signalprozessor (4) und der Pegelanhebungseinheit (5) abgreift und der beim Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude des Signals (A') die Pegelabsenkung entsprechend der tatsächlichen Überschreitung der vorgegebenen Signalamplitude erhöht.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Pegeldetektor (9) als Spitzenwertdetektor ausgebildet ist.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude mindestens eines der Signale (E, S', A') ein oder mehrere pegelbeeinflussende Parameter (23) in einer oder mehreren Filterstufen des Signalprozessors (4) eingestellt werden.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Überschreiten einer vorgegebenen Amplitude von mindestens einem der Signale (E), (S'), (A') einem Rechenwerk (14) angezeigt wird, das die pegelbeeinflussenden Parameter (23) einstellt.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Pegelanhebungseinheit (5) ein zweites Zeitverzögerungsglied (16) zugeordnet ist, welches die Pegelanhebung entsprechend der Laufzeit eines Signals von der Pegelabsenkungseinheit (2) zur Pegelanhebungseinheit (5) verzögert, so dass der Pegel in der Pegelanhebungseinheit (5) entsprechend seiner eingangsseitig in der Pegelabsenkungseinheit (2) erfahrenen Pegelabsenkung wieder anhebbar ist.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem der Pegeldetektoren (7, 8, 9) eine zweite Pegelvorhersageeinheit (11) zugeordnet ist, die in Form einer Abschätzung einer Signalverarbeitung auf der Übertragungsstrecke (3) zwischen dem Signaleingang (1) und der dynamischen Pegelanhebungseinheit (5) ein mögliches Überschreiten einer vorgebbaren Signalamplitude am Signalausgang (6) voraussieht und die Pegelanhebung so regelt, dass das Ausgangssignal (A) die vorgegebene Signalamplitude nicht überschreitet.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Pegelabsenkungseinheit (2) und der Pegelanhebungseinheit (5) eine Rücksetzeinheit (18) zugeordnet ist, die für eine Rücknahme der dynamischen Pegelanpassung sorgt.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücknahme der Pegelanpassung in einer oder mehreren Stufen oder stetig erfolgt.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellzeit für die Rücknahme der dynamischen Pegelanpassung einstellbar ist.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Signalprozessor (4) und der Pegelanhebungseinheit (5) ein erster Begrenzerverstärker (20) vorgesehen ist, der die Signalamplitude begrenzt.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Signalprozessor (4) und der Pegelanhebungseinheit (5) ein Dynamikkompressor (22) vorgesehen ist.
Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Pegelanhebungseinheit (5) und dem Signalausgang (6) ein zweiter Begrenzerverstärker (21) vorgesehen ist, der die Amplitude des Ausgangssignals (A) auf eine vorgebbare Amplitude begrenzt.