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Verfahren zum Umwandeln von eine Schall information enthalten-
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den digitalisierten elektrischen Signalen in Schallwellen und Schaltungsanordnung
zum Durchführen dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln
von nach der Puls-Code-Modulation (PCM) unter Verwendung eines Abtastsignales mit
der Frequenz fr erzeugten und eine Schallinformation enthaltenden digitalisierten
elektrischen Signalen in Schallwellen unter Verwendung von mindestens einem elektroakustischen
Wandler. Die Erfindung betrifft weiter eine Schaltungsanordnung zum Durchführen
dieses Verfahrens.
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Die digitale Technik und die Digitalisierung von elektrischen Signalen
hat in letzter Zeit immer größere Anwendung gefunden.
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Inzwischen werden auch Schallwellen digital aufgezeichnet. Es gibt
die Digital-Schallplatte. Die Bundespost stellt die Fernsprechtechnik von der Übermittlung
von analogen Signalen auf die Übermittlung von digitalen Signalen um. Bei der Rückwandlung
der die Schallinformation enthaltenden digitalen Signale in Schallwellen ist man
jedoch bei der herkömmlichen Analogtechnik verblieben. Hierbei werden die digitalen
Signale in einem Digital-Analog-Wandler in analoge Signale gewandelt und diese werden
über Verstärker auf Lautsprecher gegeben. Damit unterwirft man sich wieder den mit
der naturgetreuen Wiedergabe von analogen Signalen verbundenen Beschränkungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, von diesen Beschränkungen
freizukommen und die Vorteile der Digitaltechnik auch bei der Rückwandlung der digitalisierten
Signale in Schallwellen zu nutzen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung
vorgesehen, daß die Umwandlung der digitalisierten Signale in Schallwellen im elektroakustischen
Wandler selbst erfolgt.
Berechnungen und Versuche zeigen, daß man
mit Miwesdet ' ' Technik mit geringerem apparativen Aufwand eine mindestens gleich
gute und überwiegend bessere Tonqualität als mit der bisherigen konventionellen
Analogtechnik erreicht.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfinderischen Grundgedankens werden
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird im folgenden auf der Grundlage einer theoretischen
Abhandlung und der Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Unter
einem digitalen Lautsprecher ist dabei ein Lautsprecher zu verstehen, dem die digitalisierten
Signale erfindungsgemäß unmittelbar zugeführt werden.
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1.0 Projektbeschreibung 1.1 Sind digitale Lautsprecher notwendig?
Als Thomas Alva Edison 1877 den Phonographen erfunden hat, wurde der Menschheit
ein langersehnter Wunsch erfüllt. Physikalische Phänomene, wie die menschliche Stimme
und Musik, konnten auf die Dauer festgehalten und zu einem beliebigen Zeitpunkt
wiedergegeben werden. Edison's Phonograph wurde von dem Grammophon abgelöst. Auf
die Schellackplatten des Grammophons folgten Ende der 40-er Jahre die Langspielplatten
aus Kunststoff. Die Erfinder und Entwickler hatten das Bestreben: Die Wiedergabequalität
zu verbessern.
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Dieser Weg wird noch heute konsequent weiterverfolgt. Das letzte Beispiel
ist die Einführung der Digital-Schallplatte (Compact-Disc). Die technische Entwicklung
bezieht sich jedoch nicht nur auf die Schallträger, sondern auch auf die ganzen
Geräte, die zur Wiedergabe dieser Tonkonserven dienen.
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Bei den Verstärkern und bei den Lautsprechern konnten in den letzten
Jahren gute Fortschritte erzielt werden. Die Verstärkertechnik ist bereits durch
die Einführung von Transistoren und rauscharmen, integrierten Baugruppen weitgehend
ausgeschöpft. Die bereits erreichten technischen Eigenschaften erfüllen alle Anforderungen.
Weitere Verbesserungen in Bezug auf Frequenzgang und Klirrfaktor würden nur meßtechnische
Ergebnisse liefern, wären jedoch für die Menschen ohne jegliche Bedeutung, da sie
weit unterhalb der Wahrnehmbarkeitsgrenze liegen.
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Bei den Lautsprechern sieht die Situation etwas anders aus.
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Es sind zwar Lautsprecherkombinationen mit sehr guter naturgetreuer
Wiedergabe verfügbar, jedoch für den Durchschnittsverbraucher wegen den enorm großen
Abmessungen und des hohen Preises unerschwinglich. Aus heutiger Sicht kann gesagt
werden, daß das schwächste Glied in einer Audio-Anlage der Lautsprecher ist.
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Der hier vorgestellte digitale Lautsprecher arbeitet nach einem völlig
neuen Prinzip. Die einzige Gemeinsamkeit mit den bisher bekannten Lautsprechern
ist lediglich, daß beide elektrische Energie in Schallwellen umsetzen.
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1.2 Nachteile der bekannten Lautsprecher.
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Lautsprecher nach dem elektro-dynamischen Prinzip sind die am häufigst
gebauten Typen. Andere Wandlertypen, wie elektrostatische, kapazitive oder der Korona-Lautsprecher
konnten sich bisher nur auf Spezialgebieten, insbesonders als Hochtonstrahler durchsetzen.
Die Problematik aller Lautsprechersysteme
ist, daß das gesamte
Frequenzspektrum von 20 bis 20.000 Hz möglichst linear abgestrahlt werden soll.
Mit einem einzigen Lautsprecherchassis kann diese Forderung nicht erfüllt werden.
Aus diesem Grunde existieren eine Reihe von Kombinationen, bestehend aus Tief-,
Mittel- und Hochtonsystemen. Die Frequenzbereiche werden durch elektrische Weichen
auf die einzelnen Schallwandler aufgeteilt. Durch die Auswahl von geeigneten Kombinationen
und Filterweichen konnten sehr gute Kombinationen geschaffen werden. Man braucht
nur eine Audio-Zeitschrift aufzuschlagen und findet sofort ein großes Angebot an
unterschiedlichen Lautsprechersystemen. Von der Pyramidenform bis zum gegossenen
Betongehäuse ist alles vertreten und jeder Hersteller schwört auf sein Fabrikat.
Da das Klangempfinden der Menschen subjektiv ist, ist ein qualitativer Vergleich
bei Lautsprechern sehr schwierig.
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Der Wirkungsgrad, d. h., das Verhältnis von abgestrahlter akustischer
Energie zur zugeführten elektrischen Energie, beträgt bei allen bisher bekannten
Systemen nur einige Prozent. Die nicht-linearen Verzerrungen (Klirrfaktor) liegen
bei Nennbelastbarkeit (Belastung, die ohne bleibende Änderung der Lautsprechereigenschaften
vertragen wird, d. h., Zerstörungsgrenze) für gute Lautsprecher bei ca. 3 %. Wenn
man bedenkt, daß die gesamte Elektronik in einem Audio-System Klirrfaktorwerte von
unter 0,1 % aufweist, und die angeschlossenen Boxen einige Prozent Verzerrungen
produzieren, so ist es verständlich, daß die "analogen Lautsprecher" durch andere
Systeme ersetzt werden müssen, damit die naturgetreue Musikwiedergabe für den Menschen
ohne Kompromisse möglich wird.
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2.0 Wirkungsweise und Aufbau des digitalen Lautsprechit«. ' ' 2.1
Das Abtasttheorem.
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Die Grundlagen für die Umsetzung von Analog-Signalen in die digitale
Ebene beruhen auf nachrichten-theoretischen Untersuchungen mehrerer Wissenschaftler.
Bereits um 1920 haben Nyquist und Raabe die Grundlagen gelegt. 1948 veröffentlichte
E. Shannon seine Arbeit über das Abtasttheorem und damit hat er den Grundstein für
die moderne Informationstheorie gelegt.
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Der darin enthaltene Lehrsatz beschreibt den allgemein gültigen Zusammenhang
zwischen zeitkontinuierlichen und zeitdiskreten Signalen, d. h., zwischen zeitlich
lückenlos verlaufenden Vorgängen, die sich innerhalb einer beliebigen Anzahl von
Amplitudenwerten ändern können, so wie impulsförmigen Signalen, die nur innerhalb
bestimmter (diskrete) Zeitwerte auftreten. Demnach läßt sich ein analoges Signal
in eine Folge von zeitdiskreten Impulsen umwandeln, wenn man es in äquidistante,
d. h., untereinander gleiche Zeitabstände durch Musterabnahme abtastet. Zwei Bedingungen
sind einzuhalten: Die Abtastfrequenz muß mindestens den doppelten Wert der höchsten
Frequenz im Signal betragen. Im Originalsignal darf keine höhere Frequenz als die
Hälfte der Abtastfrequenz enthalten sein.
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Die Bedeutung des Shannon'schen Theorems liegt im mathematischen Beweis,
daß die Umsetzung ohne jeglichen Informationsverlust stattfindet, obwohl der Abtastprozess
offensichtlich alle Signaländerungen zwischen den Musterentnahmen außer acht läßt.
Diese Aussage hat für die Digitalisierung von Tonsignalen und ihre originalgetreue
Reproduktion besonderes Gewicht.
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Die Puls-Code-Modulation (PCM) basiert auf dem Abtasttheorem und wird
in der digitalen Audio-Technik angewandt. Nur die digitalisierten Amplitudenwerte
eines Analog-Signals werden übertragen und auf Magnetband aufgezeichnet oder als
Information auf einen Tonträger, zum Beispiel Compact-Schallplatte, gepreßt. Solange
bei der Wiedergabe die Bit-Inhalte (logisch 0 oder logisch 1) bewertet werden können,
bleibt die Übertragung störungsfrei. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Technik
ist, daß während der Übertragung oder während der Wiedergabe nur digitale Informationen
behandelt werden müssen. Diese Funktionen lassen sich einfach integrieren und dank
der Mikroelektronik sind die Gerätepreise für ein großes Publikum akzeptabel.
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Im nächsten Jahrzehnt wird mit Sicherheit Satelliten-Rundfunk und
-Fernsehen eingeführt. Die digitale Übertragung von Tonsignalen
wird
im Rundfunkbereich auch in absehbarer. Zeit so Wirklichkeit. Als Tonträger ist die
digitale Schallplatte bereits auf dem Markt und wird sehr rasch die bisherige Analog-Technik
ablösen.
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2.2 Die Anwendung des Abtasttheorems für die Schallwiedergabe Digitalisierte
Analog-Signale können mit Digital-Analog-Wandler wieder in die ursprüngliche Form
zurückversetzt werden. Auf der Abbildung 1 ist ein digitalisiertes Analog-Signal
zu sehen.
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Abbildung 1 Bei der Wiedergabe werden die Abtastwerte von einem Digital-Analog-Wandler
in eine Analog-Spannung umgesetzt und nach der Filterung steht das Originalsignal
wieder zur Verfügung.
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Der Grundgedanke des digitalen Lautsprechers beruht auf der Tatsache,
daß die diskreten Amplitudenwerte als kleine Schallimpulse (auf Abbildung 1 gelb
gekennzeichnet) im Takt der Abtastfrequenz von einem elektro-akustischen Wandler
abgestrahlt werden. Mit anderen Worten gesagt, erfolgt die Ruckwandlung der digitalen
Information erst bei der Schallerzeugung.
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Abbildung 2 Der elektro-akustische Wandler arbeitet auf einer festen
Frequenz. Diese Frequenz ist die Abtastfrequenz. Geben wir die Modulation auf den
Schallwandler, so werden folgende Frequenzen abgestrahlt: a) das Analog-Signal b)
die Abtastfrequenz c) die Summenfrequenz (Abtastfrequenz + Signal) d) die Differenzfrequenz
(Abtastfrequenz - Signal) Nur die Signalfrequenz liegt in dem hörbaren Bereich,
so daß die Abtastfrequenz bzw. die Summen- und Differenz frequenzen den Wiedergabevorgang
nicht beeinträchtigen.
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Der digitale Lautsprecher basiert auf dem Abtasttheorem. Das Abtasttheorem
wurde auf die Schall wiedergabe erweitert. Durch Experimente konnte nachgewiesen
werden, daß sich die Schallwellen genauso verhalten wie die elektrischen Signale.
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Die fundamentale Bedeutung liegt darin, daß fur die Schallwiedergabe
jetzt keine breitbandigen elektro-akustischen Wandier mehr erforderlich sind, sondern
lediglich nur die Abtastfrequenz des Analcg-Signals mit unterschiedlicher Intensitat
abgestrahlt werden muß.
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2.3 Aufbau des digitalen Lautsprechers.
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Wie bereits erwähnt, strahlt der digitale Lautsprecher nur die Abtastfrequenz
mit unterschiedlicher Intensität ab Diese Frequenz liegt im Ultraschall-Bereich
und beträgt bei der digitalen Schallplatte zum Beispiel 44,1 kHz. Es ist zweitrangig,
nach welchem Prinzip der elektro-akustische Wandler arbeitet. Vielmehr ist entscheidend,
daß es sich dabei um ein Schmalband-System handelt, d. h., nur die Abtastfrequenz
muß abgestrahlt werden. Als Schallwandler eignen sich keramische Wandler oder Korona-Lautsprecher
nach dem Ionisations-Prinzip.
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Zwei Bauarten des digitalen Lautsprechers werden besprochen: a) Ein
einziger elektro-akustischer Wandler setzt die elektrische Energie in Schallwellen
um. Die Ansteuerung erfolgt gemäß Abbildung 3. Die Amplitudenwerte werden mit unterschiedlicher
Intensität von dem Lautsprecher abgestrahlt.
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Abbildung 3 b) Selbst die Digital-Analog-Umsetzung erfolgt auf derbakustischen
Ebene, Abbildung 4. Bei einer Auflösung (Anzahl der diskreten Amplitudenstufen)
von 16 Bit zum Beispiel werden 16 einzelne elektro-akustische Wandler zu einem Lautsprechersystem
zusammengefaßt. Die Abmessungen der einzelnen Elemente sind so gewählt, daß die
abgestrahlte Leistung dem Binärwert der Signalamplitude entspricht. Der größte Wandler
ist in der
Lage, 50 % der Gesamtschalleistung abzustrantl'eht.
Der Eweit: größte 25 % usw. Je nach Amplitudenwert werden ein oder mehrere elektro-akustische
Wandler aktiviert und die gesamte Schall leistung entspricht der Originalamplitude
des Analog-Sågna Abbildunq 4 Det aufwendige Digital-Analog-Wandler wird nicht mehr
benötigt. Der Leistungs-Endverstärker arbeitet auch digital, da nur die einzelnen
Schallwandler, je nach Bit-Muster, aktiviert werden müssen. Probleme mit nicht-linearen
Verzerrungen in der Endstufe können garnicht auftreten, da bis zu der Schallerzeugung
alles auf der digitalen Ebene abläuft und der Leistungsverstärker eigentlich nur
aus 16 Schalttransistoren besteht.
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Die elektro-akustischen Wandler werden so gewählt, daß die Resonanzfrequenz
der Abtastfrequenz gleich ist. Auf diese Weise wird ein sehr hoher Wirkungsgrad
erreicht.