DE3343027C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Schaltungsan­ ordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Auf dem Markt erhältliche elektrodynamische Lautsprecher besitzen in dem für sie vorgesehenen Frequenzbereich zumeist einen ausgeglichenen Frequenzgang und bei gleichmäßiger Ansteuerung nur geringe Verzerrungen. Treten jedoch ganz plötzliche, impulsartige Amplitudenänderungen des anregenden elektrischen Audiosignals auf, dann vermag die Lautsprecher­ membran in ihrer Bewegung diesen plötzlichen Amplitudenände­ rungen nicht sogleich zu folgen; vielmehr treten nachteilige verfälschende Einschwingvorgänge auf, die sich bei einer Amplitudenerhöhung in einer allmählichen Angleichung der Membranschwingung an den erhöhten Amplitudenwert und bei einer Amplitudenverringerung in einem Nachschwingen äußern. Diese verfälschenden Einschwingvorgänge treten auch bei elektrostatischen oder magnetostatischen Lautsprechern insbesondere im Baßbereich auf. Eine weitere Einflußgröße ist bei dynamischen Lautsprechern die Membranrückstellkraft, die vor allem dann zu berücksichtigen ist, wenn das Audio­ signal ein Frequenzgemisch enthält, das für die Dauer einiger höherfrequenter Schwingungen den Durchgang der Lautsprecher­ membran durch ihre Ruhelage verhindert.

Es wurde schon versucht, die so entstandenen Fehler bei der Umsetzung von einer elektrischen in eine akustische Schwin­ gung durch eine Rückkopplung zu kompensieren. Hierzu wird die Bewegung der Membran kapazitiv, induktiv oder optisch abgetastet und werden die so erzeugten elektrischen Istwert­ signale mit den Sollwertsignalen verglichen. Abweichungen bewirken dann Spannungsstoß, der dem Sollwert überlagert wird. Das kann bei hohen Amplituden zu kurzfristigen Über­ steuerungen des Endverstärkers und damit zu großen Klirrfak­ toren führen. Ferner treten durch die hohen Stromspitzen in der Erregerwicklung des Lautsprechers in verstärktem Maße Partialschwingungen der naturgemäß nicht völlig steifen Membran auf, die wiederum ein erhöhtes Klirren zur Folge haben.

Im übrigen können derartige Nachregelungen der Membran­ auslenkung erst mit einiger Verzögerung nach Auftreten des Fehlers wirksam werden, so daß bei plötzlichen Amplituden­ änderungen, die beispielsweise häufig bei der Wiedergabe von Musik auftreten, durch den hohen Klirrfaktor der nutz­ bare Dynamikbereich eingeschränkt wird, wobei aber trotzdem ein Nachschwingen der Membran nicht verhindert werden kann.

Durch die DE-PS 31 30 353 ist es ferner bekannt, zur Verbesse­ rung des Einschwingverhaltens eines elektroakustischen Wand­ lers die jeweils aufeinanderfolgenden Scheitelwerte des elektrischen Audiosignals nach Betrag und Vorzeichen mit­ einander zu vergleichen und bei abweichenden Beträgen Korrek­ turimpulse zu erzeugen, deren Dauer höchstens dem zeitlichen Abstand der beiden betrachteten Scheitelwerte gleich ist. Die Korrekturimpulse werden dem um die Dauer der längsten Korrekturimpulse verzögerten Audiosignal überlagert. Da die Korrekturimpulse jedoch Oberwellen erzeugen, die in dem ursprünglichen Audiosignal nicht enthalten waren, erhöht sich vor allem bei starken Pegeländerungen der Klirrfaktor.

Der Erfindung liegt die allgemeine Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Wiedergabequalität eines elektroakustischen Wandlers und eine hierzu geeignete Schal­ tungsanordnung anzugeben. Insbesondere sollen die von dem elektroakustischen Wandler abgegebenen akustischen Schwingun­ gen trotz der nichtidealen Eigenschaften des Wandlers eine möglichst verzerrungsfreie Umsetzung des elektrischen Audio­ signals sein.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand des Patent­ anspruchs 3.

Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der Zeich­ nung näher beschrieben. Es zeigt darin

Fig. 1 ein sinusförmiges Audiosignal mit einem sprunghaften Amplitudenanstieg und der Verlauf des vom Wandler abgegebe­ nen akustischen Signals,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung,

Fig. 3 die Aufteilung des gesamten Frequenzbereichs des Audiosignals in drei Teilfrequenzbereiche,

Fig. 4 eine Variante der Anordnung nach Fig. 3.

Die Fig. 1a zeigt ein Audiosignal, das in einem ersten Zeitabschnitt einen rein sinusförmigen Verlauf aufweist. Mit dem Beginn eines zweiten Zeitabschnitts geht das Audio­ signal sprunghaft in eine Sinuswelle gleicher Frequenz, aber wesentlich größerer Amplitude über. In Fig. 1b ist der durch das Audiosignal ohne zusätzliche Maßnahmen ausge­ löste Verlauf der vom elektroakustischen Wandler erzeugten akustischen Schwingungen dargestellt. Wie der Vergleich der beiden Darstellungen deutlich erkennen läßt, folgt die akustische Schwingung nur allmählich dem plötzlichen Pegel­ sprung des Audiosignals. Um zu erreichen, daß die akustische Schwingung das Audiosignal möglichst gut wiedergibt, muß die Erregung des Wandlers zunächst stark und sodann immer weniger überhöht werden. Analoge Verhältnisse liegen bei einer plötzlichen Pegelverringerung des Audiosignals vor.

Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung, die zur Erzeugung eines aus dem ursprünglichen Audiosignal abgeleiteten vorverzerrten Steuersignals für den elektro­ akustischen Wandler dient. Die Vorverzerrung muß von dem augenblicklichen Verlauf des Audiosignals abhängig und so bemessen sein, daß die Unzulänglichkeiten des realen Wandler­ systems einschließlich des umgebenden Mediums möglichst weit­ gehend kompensiert werden.

Gemäß Fig. 2 wird das ursprüngliche Audiosignal AS durch einen Analog/Digital-Wandler A/D in eine Folge von Digital­ signalen DS 1 umgeformt. Die mit einer gegen die höchste Audiofrequenz hohen Folgefrequenz (Abtastfrequenz) von beispielsweise 100 kHz ausgegebenen Digitalsignale DS 1 stel­ len die Binärkodierung jeweils eines von z. B. 128 unterschie­ denen Amplitudenwerten dar. Jeder z. B. 7 Bit umfassende Wert gibt somit den im Abtastzeitpunkt vorliegenden (augen­ blicklichen) Amplitudenwert im zeitlichen Verlauf des Audio­ signals wieder.

Die Folge von Digitalsignalen DS 1 wird den Dateneingängen eines Mikrorechners R zugeführt, der im wesentlichen aus einem Mikroprozessor MP, mindestens einem programmierbaren Lesespeicher PROM und einem Schreib/Lese-Speicher RAM als Arbeitsspeicher besteht und samt einigen Hilfseinrichtungen, auf die nicht näher eingegangen wird, an sich bekannt ist.

In dem Lesespeicher PROM sind alle für die Wiedergabegüte des elektroakustischen Wandlers, also beispielsweise eines in ein Gehäuse eingebauten elektrodynamischen Lautsprechers mit einem vorgeschalteten Leistungsverstärker maßgeblichen charakteristischen Kennwerte gespeichert. Diese Kennwerte betreffen Größen wie Massenträgheit der schallabstrahlenden Membran un des vorgelagerten Luftvolumens, Einspann- und Rückstellkräfte, Resonanzfrequenzen usw. sowie gegebenenfalls Frequenzgang und Innenwiderstand des Leistungsverstärkers.

Mit Hilfe eines gleichfalls in dem bereits genannten program­ mierbaren Lesespeicher oder in einem zweiten, getrennt adres­ sierbaren Speicher gleicher Art gespeicherten Programms werden die in den Rechner eingegebenen Digitalsignale DS 1, die nunmehr als primäre Digitalsignale bezeichnet werden, entsprechend den charakteristischen Wandlerkennwerten in sekundäre Digitalsignale DS 2 umgerechnet.

Um jedoch Feststellungen über den Verlauf des Audiosignals AS treffen zu können, benötigt der Rechner R mindestens drei aufeinanderfolgende Abtastwerte des Kurvenverlaufs des Audiosignals. Er kann dann daraus sowohl die Steilheit als auch die Krümmung des Kurvenverlaufs erkennen. Die für den vorliegenden Zweck vor allem interessierenden Änderungen im Kurvenverlauf des Audiosignals AS lassen sich durch den Vergleich mit früheren Abtastwerten feststellen.

Auf die Durchführung der Umrechnungen, die auf die Lösung von Differentialgleichungen der erzwungenen Schwingung (vgl. Istvan Szabo, Einführung in die technische Mechanik, Springer- Verlag 1963, Seite 348, 349) hinausläuft, wird hier nicht mehr eingegangen.

Da jede notwendige Korrektur der primären Digitalsignale DS 1 möglichst frühzeitig erfolgen soll, muß für die Umrech­ nung des dem ersten von jeweils drei Abtastwerten zuge­ ordneten Digitalsignals der Eingang der nächsten zwei Digital­ signale abgewartet werden. Das ergibt eine Verzögerung, die neben der reinen Rechenzeit zu berücksichtigen ist.

Nach Fig. 2 wird die Folge der sekundären Digitalsignale DS 2 durch einen an den Datenausgang des Mikrorechners R angeschlossenen Digital/Analog-Wandler D/A in ein analo­ ges Steuersignal SS umgewandelt, das zur Steuerung des elek­ troakustischen Wandlers W dient. Im allgemeinen ist jedoch dem elektroakustischen Wandler W ein Leistungsverstärker EV vorgeschaltet, der das analoge Steuersignal SS erst noch verstärkt. Da in die Übertragungskette vom ursprünglichen Audiosignal AS bis zur akustischen Schwingung auch die Kenn­ daten des Leistungsverstärkers EV, insbesondere dessen Fre­ quenzgang und Innenwiderstand eingehen, müssen - wie schon erwähnt wurde - auch diese Größen zusammen mit den charakte­ ristischen Wandlerkennwerten bei der Berechnung der sekundä­ ren Digitalsignale DS 2 berücksichtigt werden.

In den letzten Jahren hat die digitale Aufzeichnung von Musik eine zunehmende Bedeutung gewonnen. Geräte zum Lesen solcher Aufzeichnungen sind in der Lage, unmittelbar eine der aufgezeichneten Information entsprechende Folge von Digitalsignalen abzugeben. Es versteht sich von selbst, daß in solchen Fällen die Bereitstellung eines Analog/Digi­ tal-Wandlers nicht erforderlich ist.

Werden elektroakustische Wandler, z. B. Lautsprecher, vorzugs­ weise für die Wiedergabe von Musik eingesetzt, dann wird der gesamte Frequenzbereich des Audiosignals in der Regel in beispielsweise drei Teilfrequenzbereiche aufgeteilt. Für jeden Teilfrequenzbereich ist ein speziell dafür ausgebil­ deter Lautsprecher vorgesehen. Die Aufteilung des Frequenz­ bereichs erfolgt durch Frequenzweichen, die als LC-Glieder, als Filter mit Operationsverstärkern oder als digitale Filter ausgebildet sein können. Letzteres ist vor allem in Verbindung mit einer digitalen Aufzeichnung zweckmäßig.

Häufig ist eine Korrektur des Audiosignals im höchsten Teil­ frequenzbereich, dem Hochtonbereich, nicht erforderlich. Dieser Fall ist in Fig. 3 dargestellt. Das ursprüngliche Audiosignal AS wird durch Frequenzweichen FW 1 bis FW 3 aufge­ teilt, wobei die Frequenzweiche FW 1 für den tiefsten und die Frequenzweiche FW 3 für den höchsten Teilfrequenzbereich durchlässig ist.

Zum Ausgleich der durch Korrektureinheiten K 1 und K 2 aus Analog/Digital-Wandler, Rechner und Digital/Analog-Wandler verursachten Signallaufzeit ist im höchsten Teilfrequenzbe­ reich ein Laufzeitglied DEL vorgesehen. Die elektroakusti­ schen Wandler und die vorgeschalteten Leistungsverstärker sind mit W 1 bis W 3 bzw. mit EV 1 bis EV 3 bezeichnet.

Anstelle eines passiven Laufzeitgliedes kann auch eine takt­ gesteuerte Schieberegisteranordnung vorgesehen werden, der allerdings ein Analog/Digital-Wandler vorgeschaltet und ein Digital/Analog-Wandler nachgeschaltet werden muß. Indes­ sen kann der Analog/Digital-Wandler in Verbindung mit einer digitalen Aufzeichnung wieder entfallen. Ferner läßt sich die Schieberegisteranordnung durch einen weiteren Mikrorech­ ner ersetzen, dessen alleinige Aufgabe nunmehr in der Signal­ verzögerung besteht.

Durch zeitlichen Versatz der Abtasttakte in den Analog/Digi­ tal-Wandlern A/D 1 bzw. A/D 2 für den Tiefton- und Mittelton­ bereich, vorzugsweise um eine halbe Taktperiode, ist es möglich, gemäß Fig. 4 die primären Digitalsignale DS 11 und DS 12 beider Teilfrequenzbereiche den Dateneingängen eines gemeinsamen Mikrorechners RG abwechselnd zuzuführen und ebenso abwechselnd zu verarbeiten. Voraussetzung dafür ist eine ausreichend hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit des Mikro­ rechners RG und selbstverständlich eine angepaßte Programmie­ rung.

Die vom Mikrorechner Rg ausgegebenen sekundären Digitalsi­ gnale müssen entsprechend ihrer Zugehörigkeit auf die beiden dem Tiefton- und Mitteltonbereich zugeordneten Kanäle ver­ teilt werden. Das geschieht mit Hilfe eines durch den Mikro­ rechner Rg gesteuerten Multiplexers MUX. Der Multiplexer MUX kann jedoch entfallen, wenn die nachfolgenden Digital/ Analog-Wandler D/A 1 und D/A 2 für eine taktgesteuerte Über­ nahme der digitalen Eingangsinformation ausgebildet sind und die mit der Datenausgabe des Mikrorechners Rg synchronen Übernahmetakte gegenseitig phasenverschoben sind.

Claims (7)

1. Verfahren zur Verbesserung der Wiedergabequalität von elektro­ akustischen Wandlern bei der Umwandlung eines Audiosignals in akustische Schwingungen im Hörbereich, wobei das Audio­ signal als Analogsignal oder als Folge von momentane Ampli­ tudenwerte kennzeichnenden primären Digitalsignalen vorliegt, insbesondere bei plötzlichen Pegeländerungen des Audio­ signals, dadurch gekennzeichnet,
daß ein als Analogsignal vorliegendes Audiosignal mit Hilfe eines Analog/Digital-Wandlers (A/D) in eine Folge von pri­ mären Digitalsignalen (DS 1) umgesetzt wird,
daß die ursprünglich vorliegende oder durch Umsetzung aus einem Analogsignal gewonnene Folge von primären Digitalsi­ gnalen (DS 1) einem Mikrorechner (R) zugeführt wird, daß in einem zum Mikrorechner (R) gehörenden Lesespeicher (PROM) alle für den elektroakustischen Wandler (W) charakteri­ stischen Kennwerte (Massenträgheit der schallabstrahlenden Membran und des Luftvolumens, Einspann- und Rückstellkräfte, Resonanzfrequenzen usw.) sowie Kennwerte (Frequenzgang und Innenwiderstand) eines dem elektroakustischen Wandler (W) gegebenenfalls vorgeschalteten Endverstärkers (EV) eingegeben sind,
daß die dem Mikrorechner (R) zugeführte Folge von primären Digitalsignalen (DS 1) mit Hilfe eines gleichfalls in dem Lesespeicher (PROM) gespeicherten Programms nach Maßgabe der charakteristischen Kennwerte des elektroakustischen Wandlers, der Verstärkerkennwerte und des Verlaufs des Audio­ signals in eine Folge von sekundären Digitalsignalen (DS 2) umgerechnet wird und
daß die Folge der sekundären Digitalsignale (DS 2) durch einen Digital/Analog-Wandler (D/A) in ein hinsichtlich der momentanen Amplitudenwerte verändertes analoges Steuersignal (SS) umgewandelt wird, das den elektroakustischen Wandler (W) bzw. einen diesem vorgeschalteten linearen Endverstärker (EV) steuert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeuchnet, daß der Frequenzbereich des Audiosignals (AS) in mehrere Teilfrequenzbereiche aufgespalten wird und daß die Veränderung des analogen Steuersignals (SS) minde­ stens im unteren Teilfrequenzbereich erfolgt, wobei die Steuersignale in den weiteren Frequenzbereichen eine der Rechenzeit und der Dauer der Digital/Analog-Umsetzung sowie gegebenenfalls der Analog/Digital-Umsetzung entsprechende Verzögerung erhalten.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Folge von momentane Amplitudenwerte kennzeichnenden primären Digitalsignalen (DS 1) an den Dateneingängen eines im wesentlichen aus einem Mikroprozessor (MP), einem Lese­ speicher (PROM) und einem Schreib/Lese-Speicher (RAM) beste­ henden Mikrorechners (R) anliegt,
daß mit den Datenausgängen des Mikrorechners (R) die Eingän­ ge eines Digital/Analog-Wandlers (D/A) verbunden sind und daß an den Ausgang des Digital/Analog-Wandlers (D/A) der elektroakustische Wandler (W) bzw. der Eingang eines diesem vorgeschalteten Endverstärkers (EV) angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Analog/Digital-Wandler (A/D) vorge­ sehen ist, an dessen Eingang das als Analogsignal vorliegende Audiosignal (AS) anliegt und der an seinen Ausgängen eine Folge von primären Digitalsignalen (DS 1) abgibt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Frequenzweichen (FW 1 bis FW 3) zur Aufteilung des Frequenzbereichs des Audiosignals in mehrere Teilfrequenzbereiche vorgesehen sind, daß für jeden Teil­ frequenzbereich ein Endverstärker (EV 1 bis EV 3) und ein elek­ troakustischer Wandler (W 1 bis W 3) vorhanden ist und daß mindestens im tiefsten Teilfrequenzbereich eine aus einem Mikrorechner (R), einem Digital/Analog-Wandler (D/A) und gegebenenfalls einem Analog/Digital-Wandler (A/D) bestehende Korrektureinheit (K 1, K 2) angeordnet ist, während in den restlichen Teilfrequenzbereichen Einrichtungen (DEL) zur Signalverzögerung vorgesehen sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die primären Digitalsignale (DS 11) des tiefsten und mindestens des nächsthöheren Frequenzbe­ reichs zeitversetzt den Dateneingängen eines gemeinsamen Mikrorechners (Rg) zugeführt werden und daß an die Datenaus­ gänge des Mikrorechners (Rg) ein durch den Mikrorechner (Rg) gesteuerter Multiplexer (MUX) angeschlossen ist, der die im tiefsten und mindestens dem nächsthöheren Frequenz­ bereich zugeordneten sekundären Digitalsignale (DS 21, DS 22) abwechselnd auf die Eingänge der entsprechenden Digital/Ana­ log-Wandler (D/A 1, D/A 2) durchschaltet.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die primären Digitalsignale (DS 11) des tiefsten und mindestens des nächsthöheren Frequenzbe­ reichs zeitversetzt den Dateneingängen eines gemeinsamen Mikrorechners (Rg) zugeführt werden, daß die Eingänge der Digital/Analog-Wandler (D/A 1, D/A 2) für den tiefsten und mindestens für den nächsthöheren Frequenzbereich parallel geschaltet und mit den Datenausgängen des Mikrorechners (Rg) verbunden sind und daß die Übernahme der sekundären Digitalsignale (DS 21, DS 22) in die Digital/Analog-Wandler (D/A 1 , D/A 2) durch vom Mikrorechner (Rg) gelieferte Signale zeitlich versetzt steuerbar ist.