DE4302057A1 - Digitisation of band-limited analogue signal for hearing aid - using amplifier with adjustable gain controlled by comparator fed from A=D converter, which stores scale unit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Digitalisierung eines bandbegrenzten, analogen Si­ gnals sowie eine Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, weiter ein Verfahren zur digitalen Filterung von di­ gitalen Signalen und ein Digitalfilter zu dessen Aus­ führung.

Insbesondere gerichtet auf die Verarbeitung analoger Sprachsignale, wie für digital arbeitende Hörhilfen, setzt sich die vorliegende Erfindung als erstes Ziel, ein Verfahren bzw. eine Einheit erstgenannter Art zu schaffen, bei welchen ein Analog-Digital-Quantisierer reduzierter Quantisierungsstufenzahl einsetzbar ist, dabei die Dynamik, bei Sprachsignalen von ungefähr 80dB, des Analogsignals im wesentlichen beibehalten wird und dabei trotz der wenigen Quantisierungsstufen der Quantisierungsfehler, bezogen auf das Nutzsignal, klein bleibt.

Durch die Möglichkeit, am Quantisierer die Quantisie­ rungsstufenzahl zu reduzieren, würde eine maßgebli­ che Reduktion der notwendigen, zu installierenden Leistungen erzielt werden.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch Vorgehen nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 mit bevorzugten Ausführungsvarianten gemäß den Ansprüchen 2 bis 7 gelöst.

Im weiteren ist es auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur digitalen Filterung bzw. ein entsprechend arbeitendes Digitalfilter vorzu­ schlagen, bei welchem Multiplikationsglieder zur Mul­ tiplikation des eingangsseitigen Digitalsignals mit den Filterkoeffizienten entfällt. Dadurch wird der Hardware-Aufwand maßgeblich reduziert.

Diese zweiterwähnte Aufgabe wird bei Vorgehen nach dem Verfahren von Anspruch 21 bzw. durch das Digital­ filter nach Anspruch 22 gelöst.

Die Erfindung wird anschließend beispielsweise an­ hand von Figuren erläutert.

Aus dieser Beschreibung gehen auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung unter ihren verschiedenen Aspekten hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Funktionsblock-Signalfluß- Diagramm einer erfindungsgemäßen Analog-Di­ gital-Verarbeitungseinheit, arbeitend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsvariante der Ver­ stärkungsregelrückführung, wie sie an der Verarbeitungseinheit gemäß Fig. 1 eingesetzt wird,

Fig. 3a anhand eines vereinfachten Funktionsblock-Si­ gnalfluß-Diagrammes, eine erste Ausführungs­ variante der anhand von Fig. 1 und 2 prinzi­ piell dargestellten, erfindungsgemäßen Ana­ log-Digital-Verarbeitungseinheit, arbeitend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 3b eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante einer an der Verarbeitungseinheit gemäß Fig. 1 wie auch gemäß Fig. 3a vorgesehenen Spei­ cher- und Skalierungseinheit in schematischer Form anhand eines Funktionsblockes,

Fig. 4 anhand eines vereinfachten Funktionsblock-Si­ gnalfluß-Diagrammes eine bevorzugte Ausfüh­ rungsvariante einer Speicher- und Skalie­ rungseinheit an der Analog-Digital-Verarbei­ tungseinheit gemäß den Fig. 1 und 2,

Fig. 5 vereinfacht, die Darstellung des Speicherin­ haltes an einer Speichereinrichtung an der wie in Fig. 4 dargestellt ausgebildeten Ein­ heit und die Funktionsweise einer ihr nachge­ schalteten, schieberegisterartig wirkenden Einheit,

Fig. 6 eine Quantisierer-Kennlinie des bevorzugter­ weise an der erfindungsgemäßen Analog-Digi­ tal-Verarbeitungseinheit eingesetzten Quanti­ sierers,

Fig. 7 eine bevorzugte Ausführungsvariante der schieberegisterartig wirkenden Einheit gemäß Fig. 4 und 5,

Fig. 8 in Form eines vereinfachten Funktionsblock- Signalfluß-Diagrammes, eine nach dem erfin­ dungsgemäßen Filterverfahren arbeitende Di­ gital-Filteranordnung,

Fig. 9 anhand eines vereinfachten Funktionsblock-Si­ gnalfluß-Diagrammes eine erfindungsgemäße Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, insbe­ sondere für den Einsatz an Audiosignalen, insbesondere an Sprachsignalen, worin das an sich erfinderische Digitalfilter nach Fig. 8 der Einheit gemäß Fig. 5 nachgeschaltet ist.

In Fig. 1 ist ein Signalfluß/Funktionsblock-Diagramm einer erfindungsgemäßen Analog-Digital-Verarbei­ tungseinheit, arbeitend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, dargestellt.

Das Analogsignal 1 wird einer Verstärkereinheit 3 zu­ geführt, deren Verstärkung G in Stufen gesteuert ein­ stellbar ist. Das verstärkte Ausgangssignal der Ver­ stärkereinheit 3 wird einem Analog-Digital-Quantisie­ rer 5 zugeführt, dessen digitales Ausgangssignal A₅ einerseits an eine Speicher- und Skalierungseinheit 7 geführt, andererseits auf eine Speichereinrichtung 9 für Verstärkungssteuerdaten, z. B. in Form des Wortes GCW, rückgeführt ist.

Grundsätzlich werden die digitalen Ausgangssignale A₅ des Quantisierers 5 als IST-Wert auf die Speicherein­ richtung 9 rückgeführt, worin die Steuerdaten für die Verstärkung G der Verstärkereinheit 3 andauernd so verstellt werden, daß die Ausgangswerte A₅ des Quan­ tisierers 5, genauer: ihr mittlerer Absolutwert, ei­ nem vorgebbaren SOLL-Wert entspricht, womit der be­ grenzte Wertebereich des Quantisierers 5 optimal aus­ genützt wird. Dies ist in Fig. 1 mit der die Regel­ differenz Δ bildenden Differenzbildungseinheit 10 schematisch dargestellt. Die Verstärkungswerte G und deren Verstellungswerte ΔG sind vorzugsweise in dB gerechnet.

In der Speicher- und Skalierungseinheit 7 sind alle möglichen Werte des Ausgangssignals A₅ vorabgespei­ chert, und sie sind auch, mit je allen möglichen Wer­ ten der inversen Verstärkung G, d. h. G^-1 skaliert, vorbestimmt. Kann mithin das Ausgangssignal A₅ die Anzahl n_a unterschiedlicher Werte annehmen und die Verstärkung G die Anzahl n_g, so sind in der Speicher- und Skalierungseinheit die Anzahl n_a·n_g Werte vor­ bestimmt, dabei mindestens teilweise vorabgespei­ chert, wie dies durch die Eingabe P dargestellt ist. Am Eingang E₇₁ der Speicher- und Skalierungseinheit 7 liegen die Ausgangssignale A₅ des Quantisierers 5 als Adresse an und ebenso an E₇₂ das GCW. Entsprechend dem momentanen Wert des Signals A₅ wird an der Ein­ heit 7 der zugehörige, mit der momentanen inversen Verstärkung G^-1 skalierte Datensatz adressiert. Aus­ gangsseitig A₇ der Speicher- und Skalierungseinheit 7 erscheint somit der Zahlenwert des (unverstärkten bzw. unabgeschwächten) Analogsignals 1.

Dank der eingangsseitigen Verstärkung, vor der Digi­ talisierung, und der ausgangsseitigen, nach der Digi­ talisierung erfolgenden Verstärkungskompensation wird mit einem Quantisierer 5 mit wenigen Quantisierungs­ stufen die volle Dynamik des Analogsignals in den Zahlenbereich abgebildet.

Aufgrund der Einregelung des mittleren Absolutwertes des Ausgangssignals A₅ des Quantisierers 5 auf einen vorgegebenen SOLL-Wert wird weiter die zur Verfügung stehende Dynamik des Quantisierers voll ausgenützt und damit der Quantisierungsfehler im Rahmen der vor­ gegebenen Anzahl Quantisierungsstufen minimiert, un­ abhängig vom eintreffenden Analogsignalpegel und den andauernden Pegelschwankungen. Die Möglichkeit des Einsatzes eines Quantisierers mit relativ wenigen Stufen und trotzdem einer Analog-Digital-Wandlung über die ganze Analogsignaldynamik mit stets genügend kleinem relativem Quantisierungsfehler ergibt wesent­ liche Vorteile, wenn man bedenkt, daß der Quantisie­ rer hinsichtlich Leistungsaufnahme, nebst Anti-Alia­ sing-Filter, den kritischen Schaltungsteil bei einer Analog/Digitalwandlung darstellt.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante der Rückführung des Ausgangssignals A₅ des Quantisierers 5 auf die Verstärkung G der Verstärkereinheit 3 von Fig. 1 dargestellt.

In einer Speichereinrichtung 10a sind in Funktion der absoluten Signalwerte, ausgangsseitig des Quantisie­ rers 5, Verstärkungsänderungsgrößen ΔG beider Pola­ ritäten abgespeichert. Durch Festsetzung, bei welchem Absolutwert des Ausgangssignals A₅ die Verstärkungs­ änderungen ΔG das Vorzeichen wechseln, entsprechend dem im Block 10a eingetragenen Wert A_5S, wird der einzuregelnde SOLL-Wert des mittleren Absolutwertes des Ausgangssignals A₅ des Quantisierers 5 vorgege­ ben. Bei 13 ist der Absolutwertbildner für das Signal A₅ dargestellt. Die in Funktion des Signals A₅ aus dem Tabellenspeicher 10a ausgegebenen Verstärkungsän­ derungen ±ΔG werden der Speichereinrichtung 9 mit den Verstärkungssteuerdaten, entsprechend dem Verstär­ kungssteuerwort GCW, zugeführt, welches, entspre­ chend, die Verstärkung G erhöht bzw. reduziert.

In Fig. 3a ist, ausgehend von den Fig. 1 und 2, eine mögliche Ausführungsvariante der Speicher- und Ska­ lierungseinheit 7 von Fig. 1 dargestellt. Es sind die bereits anhand von Fig. 1 und 2 verwendeten Posi­ tionsziffern für gleiche Funktionen bzw. Funktions­ blöcke etc. verwendet.

Die Verstärkung G an der Verstärkereinheit 3 ist, in Stufen G₀ . . ., G_n, durch die Steuerdaten in der Spei­ chereinrichtung 9 verstellbar. Entsprechend der An­ zahl möglicher Verstärkungen n_g = n+1 sind eine An­ zahl (n+1) Speicherabschnitte 11 ₀, 11 ₁ . . . 11 _n vorge­ sehen. In allen Speicherabschnitten 11 _x mit 0 x n sind je alle möglichen Werte des Ausgangssignals A₅, wie bei P dargestellt, vorabgespeichert, jedoch in jedem Abschnitt 11 _x mit dem inversen Wert der zugehö­ rigen Verstärkung G_x ^-1 skaliert, d. h. mit G₀⁻ G₁ ^-1 . . ., G_n ^-1. Die Speicherabschnitte 11 werden alle gemeinsam durch das am Ausgang A₅ des Quantisierers 5 erscheinende Signal adressiert, derart, daß bei ei­ nem betrachteten digitalen Ausgangssignalwert an A₅ = A_5k an allen Speicherabschnitten 11 die zugehörigen Datenwerte adressiert sind, welche, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, im Abschnitt 11 ₀, infolge der Wahl G₀ = 1, mit dem Wert A_5k am Ausgang A₅ gleichwertig, an den übrigen Abschnitten 11 _x je mit dem zugeordne­ ten inversen Verstärkungsfaktor G_x ^-1 skaliert er­ scheinen.

Ausgangsseitig der Abschnitte 11 _x stehen somit die Werte A_11k = A_5k·G_x ^-1 (0 x n) an.

Diese aufgerufenen Werte A_11k, d. h. alle Ausgänge der Abschnitte 11, sind einer Multiplexer-Einheit 15 zu­ geschaltet. Die Multiplexer-Einheit 15 wird, am Ein­ gang E₁₅, entsprechend dem Eingang E₇₂ zur Speicher- und Skalierungseinheit 7 gemäß Fig. 1, mit den Ver­ stärkungssteuerdaten GCW aus der Speichereinrichtung 9 adressiert bzw. angesteuert, so daß bei Vorherr­ schen momentaner Ausgangssignale A_11k und gleichzei­ tigem Vorherrschen einer momentanen Verstärkung G_k derjenige Ausgang A_11k angewählt und durchgeschaltet wird, für den x = k gilt, somit wird A_15k = A_5k·G_k ^-1.

Wie ersichtlich, ergibt dieses Vorgehen die Möglich­ keit, ohne aufwendige Multiplikatoren die Verstär­ kungskompensation vorzunehmen.

In Fig. 3a wurde eine mögliche Realisationsvariante der Speicher- und Skalierungseinheit 7 dargestellt, welche insbesondere der Anschaulichkeit dient.

Wie in Fig. 3b dargestellt, wird aber in bevorzugter Art und Weise die Speicher- und Skalierungseinheit 7 als Speichereinheit 7a ausgebildet, worin alle mögli­ chen Werte des Signals A₅, je multipliziert mit allen inversen Verstärkungswerten G^-1, abgespeichert sind. Die Adressierung des hinsichtlich Quantisierung A_5k wie auch Verstärkung G_k richtigen Wertes erfolgt, wie in Fig. 3b ersichtlich, durch die Adressierung der Speichereinheit 7a mittels einer sowohl aus dem Wert von A_5k wie aus dem Wert von G_k gebildeten Adresse, in Analogie zur Darstellung von Fig. 1, an den Adres­ sierungseingängen E₇₁ vom Ausgang des Quantisierers 5 bzw. E₇₂ vom Ausgang der Speichereinrichtung 9 mit dem Verstärkungssteuerwort GCW. Damit entfällt der in Fig. 3a dargestellte Multiplexer 15.

Der Speicheraufwand beim Vorgehen gemäß den Fig. 3b ist insbesondere bei größeren Zahlen n_g von Verstär­ kungsstufen ΔG wesentlich.

Betrachtet man einen 5-Stufenquantisierer 5 zuzüglich separater Berücksichtigung des Vorzeichens und mithin eine mögliche Anzahl n_a von 64 (2⁵×2) und bei­ spielsweise ein Verstärkungssteuerwort in der Spei­ chereinrichtung 9 von 5 Bit, so wäre bei Vorgehen nach den Fig. 3 ein Speicheraufwand für 64·32 = 2048 Werten notwendig.

Diesbezüglich wird durch das nachfolgend beschriebene Vorgehen ein wesentlicher Vorteil erzielt.

Dabei wird davon ausgegangen, daß sich der Wert ei­ ner binären Zahl, wenn sie, z. B. bezüglich eines Gleitkommas, um eine Stelle verschoben wird, um den Faktor 2, entsprechend näherungsweise 6dB, ändert.

Davon ausgehend, wird der vorgesehene Dynamikbereich in eine Anzahl Z 6dB-Schritte unterteilt. Ohne Be­ schränkung der Allgemeinheit sei, wie schon zuvor, G₀ = 0dB gewählt und damit der Dynamikbereich gleich der maximalen Verstärkung G_max, also
G_max = Z·6dB + R,
wobei R < 6dB eine Restgröße bezeichnet. Reicht eine Verstärkungsabstufung in ΔG-Schritten von 6dB aus, so müssen, rückblickend auf die Fig. 3a, b, nur alle n_a Werte von A₅ vorabgespeichert werden, die Kompensa­ tion der Verstärkung in den erwähnten 6dB-Schritten kann durch entsprechendes Schieben der einen momenta­ nen Wert von A₅ anzeigenden Binärzahl um eine der mo­ mentanen Verstärkung entsprechende Anzahl Stellen er­ folgen. In diesem Fall müßte sogar gar nichts abge­ speichert werden, weil Adresse und Inhalt des Spei­ chers übereinstimmen.

In den allermeisten Fällen genügt eine Abstufung der Verstärkung G entsprechend ΔG-Schritten in 6dB nicht. Um dieses Problem bei gleichzeitiger Weiterverfolgung des Ziels, den Speicheraufwand zu reduzieren, zu lö­ sen, werden die 6dB-Verstärkungsschritte in k₁ Ver­ stärkungsschritte ΔG unterteilt, wobei k₁ ganzzahlig ist. Entsprechend der Anzahl k₁ Unterteilungsschritte der 6dB-Abstufungen ergibt sich eine größere oder kleinere Zahl notwendigen Speicherplatzes, indem alle zwischen den 6dB-Schritten enthaltenen Zwischenabstu­ fungen der Verstärkungskompensation, je mit allen möglichen n_a Werten des Signals A₅ multipliziert, ab­ zuspeichern sind.

Ist k₁ = 2, so müssen 128 Werte vorabgespeichert wer­ den, die ΔG-Abstufung beträgt 3dB, bei k₁ = 3, 192 die ΔG = 2dB etc. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei im weiteren k₁ = 4 und mithin der ΔG entsprechen­ de Skalierungsfaktor 2^1/4, also ΔG näherungsweise 1,5dB. Der Speicheraufwand reduziert sich damit auf 4 Datensätze, je entsprechend mit 0dB, 1,5dB, 3dB, 4,5dB skalierter n_a Werte von A₅ und mithin, gemäß obigem Beispiel, auf die Abspeicherung von 256 Wer­ ten.

Die momentane Verstärkung G_k kann somit angeschrieben werden zu
G_k = G_k1 + G_k2 = Z_k (6dB) + L_k (1,5dB)
mit 0 L_k 3.

Für die inverse Verstärkung gilt damit
G_k ^-1 = G_k1 ^-1 + G_k2 ^-1 = -Z_k (6dB) -L_k (1,5dB).

In Fig. 4 ist das Funktionsblock/Signalfluß-Diagramm dargestellt, wie in bevorzugter Art und Weise die Speicher- und Skalierungseinheit 7 gemäß Fig. 1 rea­ lisiert wird.

In einem Speicherblock 7b sind alle möglichen n_a Aus­ gangswerte A₅ , welche am Ausgang des Quantisierers 5 auftreten können, abgespeichert, und zwar je skaliert mit den Werten 1, -ΔG, -2·ΔG, . . ., -(k₁-1)·ΔG. Bei der bevorzugten Wahl von ΔG zu 1,5dB, mithin ent­ sprechend je den n_a Werten A₅; -1,5dB·A₅; -3dB·A₅ und -4,5dB·A₅. Bei einem am Ausgang des Quantisie­ rers A₅ auftretenden Momentanwert wird, über den Adressierungseingang E₇₁, dieser Wert und, mit einem ersten Teil des Verstärkungssteuerwortes GCW, über den Adressierungseingang E₇₂₁, mit einem der momenta­ nen Verstärkung entsprechenden inversen Wert -L_k (ΔG) skaliert, an den Ausgang A_7b ausgegeben.

Bei einem 5Bit-Verstärkungssteuerwort GCW werden hierzu, wie in [ ] angegeben, die zwei LSB von GCW eingesetzt, mit welchen die L_k Werte 0, 1, 2, 3 adressiert werden.

Die übrigen Bits des Verstärkungskontrollwortes GCW, beim Beispiel eines derartigen 5Bit-Wortes die drei MSB, werden einer Schiebereinheit 7c zugeführt, woran die aus dem Speicherblock 7b ausgelesene Zahl, bezüg­ lich Gleitkomma, um die durch die am Steuereingang E₇₂₂ angegebene Anzahl Z_k Stellen geschoben wird.

Um dies weiter zu erläutern, ist in Fig. 5 beispiels­ weise der maximale Wert des Speicherblockes 7b darge­ stellt. Daraus ist vorerst ersichtlich, daß im Spei­ cherblock 7b 21 Bit breite Worte abgespeichert sind, wobei die linken sieben Bit Vorzeichen-Erweiterungs- Bits sind, das achte Bit ein Vorzeichen-Bit ist, das neunte bis dreizehnte Bit für L_k = 0 einem Wert am Ausgang A₅ entsprechen, und ebenfalls für L_k = 0 die Bits 15 bis 21 mit Nullen gefüllt sind. Für L_k = 0 ist ferner das vierzehnte Bit stets auf 1 gesetzt, was mit der besonderen Quantisierer-Kennlinie zu tun hat, die in Fig. 6 dargestellt ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, entspricht dieser Quantisierung die Zuordnung
m·Δ x < (m+1)·Δ→y = (m+1/2),
worin x das analoge Eingangssignal, Δ eine feste Quantisierungsstufe und y der in Einheiten dieser Quantisierungsstufe gemessene digitale Wert bedeuten. Damit nimmt m nur ganzzahlige Werte an.

Für L_k ungleich Null gelten die oben beschriebenen Beziehungen selbstverständlich nicht, sondern es sind dann die, wie vorgängig erklärt, skalierten Werte ab­ gespeichert.

Mit dem Rahmen A₇ ist das mit dem Schieber 7c ausge­ gebene Wort dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß in Funktion der Steuerung am Eingang E₇₂₂, bei den beispielsweise noch drei verbleibenden MSB des 5-Bit Verstärkungssteuerwortes GCW, am Ausgang des Schie­ bers 7b ein Wert ausgegeben wird, welcher in einer von acht Möglichkeiten bezüglich des Gleitkommas GK verschoben ist. Nach unten fortschreitend, ergeben sich um jeweils -Z_k·6dB abgeschwächte Werte. Am er­ läuterten Beispiel ergibt sich durch die Schieberein­ heit 7c eine mögliche Verstärkungskompensation von max. 42dB (7·6dB).

Bei der Schiebereinheit 7c handelt es sich vorzugs­ weise um ein Schieberegister 8, wie es in Fig. 7 dar­ gestellt ist, welches zwischen 14 und 21 mal getaktet wird für den Fall, daß, wie in bevorzugter Weise, ein serielles Laden des Registers vorgesehen ist.

Ist Z_k = 0, so werden von dem 21Bit-Wort im Speicher 7b durch 14 Takte die 14 rechten Bit in das Schiebe­ register 8 eingetaktet. Am Ausgang A₇ erscheinen die 14 Bit entsprechend der A₇-Rahmenposition in Fig. 5 für Z_k = 0.

Ist Z_k = 1, werden von dem 21Bit-Wort im Speicher 7b durch 15 Takte die rechten 15 Bit in das Schieberegi­ ster 8 eingetaktet, das rechtsäußerste Bit des 21Bit-Wortes geht bei 8a verloren. Am Ausgang A₇ er­ scheint das 14Bit-Wort entsprechend der A₇-Rahmenpo­ sition in Fig. 5 für Z_k = 1 etc.

In jedem Fall werden aus dem 21Bit-Wort nach dem 14. Takt, also ab 15. Takt, nur noch Vorzeichen-Erweite­ rungs-Bits ausgelesen. Nach dem 14. Takt ist das Vor­ zeichen-Bit aber bereits im MSB-Speicher des Schiebe­ registers. Somit wird bevorzugterweise der Inhalt der MSB-Stufe ab dem 15. Takt, wie in Fig. 4c darge­ stellt, nicht mehr verändert, sondern lediglich noch den folgenden Stufen des Schieberegisters zugeführt. Damit können aber auch die 7 Vorzeichen-Erweiterungs- Bits VE im Speicher 7b entfallen, er wird um 1/3 kleiner.

Am dargestellten Beispiel mit einem 5Bit + Vorzei­ chen-Bit-Quantisierer und einem 5Bit-Verstärkungs­ steuerwort GCW wird mithin, mit den zwei LSB von GCW und dem Ausgangswert des Quantisierers als Adresse, im Speicherblock 7b, der entsprechend mit -L_k ΔG ska­ lierte A₅-Wert angewählt, und es wird, mittels der Schiebereinheit 7c, dieser angewählte Wert, in Funk­ tion der verbleibenden drei MSB aus dem GCW, mit -Z_k·6dB weiter skaliert.

Die beschriebene Analog-Digital-Verarbeitungseinheit eignet sich insbesondere für die Verarbeitung von Au­ diosignalen, insbesondere von Sprachsignalen. Hierzu werden in noch zu beschreibender Art und Weise der bereits beschriebenen Anordnung Filter vor- und nach­ geschaltet, wobei das nachgeschaltete Digitalfilter, bzw. das gewählte Vorgehen zur digitalen Filterung, für sich betrachtet und für weitere Anwendungsfälle einsetzbar, erfinderisch ist.

In Fig. 8 ist der prinzipielle Aufbau des erfindungs­ gemäßen Digitalfilters dargestellt. Bei dessen Er­ läuterung wird auf die Berechnungstheorie digitaler Filter nicht eingegangen, worüber, wie dem Fachmann geläufig, ein weites Schrifttum besteht.

Das digitale, zu filternde Signal wird, wie bei 20 dargestellt, einer gestrichelt umrandeten Speicher­ einheit 21 zugeführt. Bei einer je nach gewähltem Filter bestimmten Anzahl Filterkoeffizienten b_k ist in der Speichereinheit 21 eine entsprechende Anzahl Speicherabschnitte M₀ bis M_k vorgesehen. In jedem der Speicherabschnitte M₀ bis M_k sind alle möglichen Wer­ te des zugeführten, digitalen Signals 20, wie bei P dargestellt, vorabgespeichert bzw. vorbestimmt. Diese Werte sind skaliert im Abschnitt M₀ mit dem Filterko­ effizienten b₀, im Abschnitt M₁ mit dem Filterkoeffi­ zienten b₁ etc.

Die Ausgänge der Speicherabschnitte M₀ bis M_k sind einer Zeitverzögerungseinheit 23 zugeführt, worin, bezogen auf die Taktperiode T_a eines Taktgenerators 24, welcher die digitale Verarbeitung taktet, der Ausgang des Abschnittes M₀, um eine Anzahl k Taktin­ tervalle zeitverzögert, an den Ausgang A₂₃₀ gegeben wird.

Entsprechend werden die Ausgänge des Abschnittes M₁ bis M_k , wie angegeben zeitverzögert, ausgegeben. Die Ausgänge der Verzögerungseinheit 23 sind alle auf ei­ nen Addierer 25 geführt.

Mit den digitalen Eingangsdaten 20 werden an den Speicherabschnitten M die dem jeweiligen Wert der Eingangsdaten 20 entsprechenden, mit den zugehörenden Filterkoeffizienten skalierten, vorabgespeicherten Werte abgerufen und über die Zeitverzögerungseinheit 23 der Additionseinheit 25 zugespiesen. Auf diese Art und Weise wird ein linearphasiges Transversalfilter realisiert, welches keine aufwendigen Multiplikatoren verwendet.

Ein solches Filter eignet sich ausgezeichnet in Kom­ bination mit der vorbeschriebenen Analog-Digital-Ver­ arbeitungseinheit, was bereits daraus ohne weiteres ersichtlich ist, daß, sowohl ausgangsseitig der er­ wähnten Analog-Digital-Verarbeitungseinheit wie auch eingangsseitig des anhand von Fig. 8 erläuterten, er­ findungsgemäßen Filters, teilweise vorabgespeicherte Werte entsprechend den möglichen Werten des zu behan­ delnden Digitalsignals eingesetzt werden.

In Fig. 9 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ei­ ner erfindungsgemäßen Analog-Digital-Verarbeitungs­ einheit für Sprachsignale dargestellt, welches sich aus erfindungsgemäßer Kombination der anhand der Fig. 1 bis 7 dargestellten Einheit und des prinzi­ piell anhand von Fig. 8 erläuterten Digitalfilters mit weiteren zusätzlichen Aggregaten ergibt.

Das Audiosignal, insbesondere Sprachsignal, wird über ein Mikrofon 30 einem Hochpaßfilter 32 erster Ord­ nung, mit einer Grenzfrequenz von ungefähr 1kHz, zu­ geführt. Durch dieses Filter wird das Spektrum des Sprachsignals, welches im Mittel eine Überhöhung im Bereiche von 500Hz aufweist, abgeflacht, womit das Signal-zu-Quantisierungsrausch-Verhältnis über die ganze Bandbreite ausgeglichener wird. Eine Kompensa­ tion der dadurch erfolgten Klangveränderung ist in einer der Analog-Digital-Verarbeitungseinheit folgen­ den digitalen Signalverarbeitung auf einfache Art und Weise möglich.

Es ist eingangsseitig der Analog-Digital-Verarbei­ tungseinheit kein Anti-Aliasing-Filter vorgesehen.

Ausgangsseitig des Hochpaßfilters 32 wird das Ana­ logsignal dem Verstärker 33 zugeführt, welcher, in Analogie zum vorbeschriebenen Verstärker 3, eine in 1,5dB-Stufen verstellbare Verstärkung G aufweist. Das verstärkte Analogsignal wird dem zum vorbeschriebenen Quantisierer 5 analogen Quantisierer 35 zugeführt, darin, über eine Gleichrichtereinheit 34, einem 5Bit- Quantisierer 36 und, in Parallelstruktur, einer Vor­ zeichen-Detektoreinheit 37. Abgesehen von der aus­ gangsseitig der Einheit 37 auftretenden Vorzeichen- Information VZ wird, in Analogie zum vorbeschriebenen Ausgang A₅, der Ausgang A₃₆ des 5Bit-Quantisierers 36 über die Verstärkungsänderungs-Tabelle 40, in Analo­ gie zur vorbeschriebenen 10a, über eine hier nicht dargestellte Speichereinrichtung, analog zu 9, wie vorbeschrieben, auf den Verstärker 33 rückgeführt.

Die Verstärkungssteuerdaten GCW, die Vorzeichen-In­ formation VZ und der Ausgang A₃₆ des Quantisierers 36 werden einer Speicher- und Skalierungseinheit 42 zu­ geführt. Diese ist in vier gleich aufgebaute Spei­ cher- und Skalierungsabschnitte M₀, M₁ , M₃, M₅ unter­ teilt. Der Abschnitt M₀ der Speicher- und Skalie­ rungseinheit 42 ist, wie in Fig. 4 bei 7 dargestellt und im Zusammenhang mit den Fig. 5 bis 7 erläutert, aufgebaut und ist entsprechend den Erläuterungen zu Fig. 5, in 2^-1/4-Inkrementen, darüber hinaus jedoch noch zusätzlich mit einem Filterkoeffizienten b₀ ska­ liert.

Der Abschnitt M₁ ist ebenfalls aufgebaut wie in Fig. 4 unter 7 dargestellt. Die im Abschnitt M₁ vorabge­ speicherten Datensätze sind jedoch nicht wie jene in M₀ mit b₀, sondern mit einem Filterkoeffizienten b₁ skaliert. Entsprechendes gilt für M₃ und M₅.

Ausgangsseitig der Speicher- und Skalierungseinheit 42 erscheinen, jeweils jedem der Abschnitte M₀, M₁, M₃, M₅ zugeordnet, Digitalsignale, welche folgendem entsprechen:

Aus M₀: Dem Momentanwert am Ausgang A₃₆, gesteuert durch die Verstärkungssteuerdaten GCW - entsprechend der inversen momentanen Verstärkung am Verstärker 33 -, und zusätzlich mit b₀ skaliert.

Aus M₁: Wie bei M₀, aber zusätzlich mit b₁ anstelle von b₀ skaliert.

Sinngemäßes gilt für M₃ und M₅.

Die Verstärkung G am Verstärker 33 ist zwischen 0 und 46,5dB in Schritten von 1,5dB verstellbar, abgestimmt auf die 2^-1/4-Skalierungen in M₀ und damit M₁ bis M₅.

Die diesen Abschnitten zugeordneten Schiebereinhei­ ten, gemäß 7c von Fig. 4, weiter Fig. 7, erzeugen 14Bit-Worte. Anwahl der Skalierung und das Auslesen an den Schiebereinheiten 7b wird gesteuert durch das Verstärkungssteuerwort GCW.

Um ohne analoges Anti-Aliasing-Filter auszukommen, wird an der Analog-Digital-Verarbeitungseinheit eine Abtastrate von vorzugsweise 32kHz eingesetzt und aus­ gangsseitig der Speicher- und Skalierungseinheit 42 ein Tiefpaß-Digitalfilter, prinzipiell aufgebaut ge­ mäß Fig. 8, vorgesehen. Dieses Filter ist so ausge­ legt, daß Signalkomponenten oberhalb 8kHz genügend gedämpft werden, damit die Abtastrate, ohne störende Aliasing-Komponenten zu erzeugen, auf 16kHz reduziert werden kann. Ferner ist das Filter auch so ausgelegt, daß die Filterkoeffizienten b_k für alle geradzahli­ gen k ungleich Null verschwinden. Damit wird der Rea­ lisationsaufwand wesentlich gesenkt. Es werden ledig­ lich vier Filterkoeffizienten verwendet, nämlich für k = 0, ± 1, ± 3 und ± 5. Wie erwähnt wurde, sind, entsprechend, die Datenwerte in den Abschnitten M₀, M₁, M₃, M₅ mit den zugeordneten, eben erwähnten Fil­ terkoeffizienten skaliert bzw. multipliziert gespei­ chert.

Bei der erwähnten Abtastrate von vorzugsweise 32kHz werden die Signalkomponenten der Schallquelle ober­ halb von 16kHz, wie dem Fachmann vertraut, auf den Frequenzbereich 0 . . . 16kHz heruntergefaltet (Alia­ sing-Effekt). Das digitale Tiefpaßfilter dämpft die Signalkomponenten der Schallquelle im Frequenzbereich 8 . . . 16kHz, wie auch jene, welche aus dem Frequenz­ bereich 16 . . . 24kHz in den Bereich 8 . . . 16kHz ge­ faltet wurden. Für Eingangssignale mit nur verschwin­ denden Signalkomponenten oberhalb 24kHz, also für elektrisch gewandelte akustische Signale, wird somit der Aliasing-Effekt durch Überabtastung (f₁ = 32kHz) und anschließende digitale Tiefpaßfilterung ein­ schließlich Reduktion der Abtastrate vermieden.

Das Digitalfilter kann mit der reduzierten Abtastrate von 16kHz betrieben werden. Die Anordnung der Zeit­ verzögerungsglieder 44, ausgelegt entsprechend der halben, verwendeten Taktfrequenz 1/2 f₁, ergibt sich ohne weiteres aus Fig. 6 mit pro Abschnitt M entspre­ chender Signalaufteilung je für b_+k und b_-k. Die ver­ zögerten Signale F₀ bis F₅, je für b_±k und je aus ei­ nem der Abschnitte M₀ bis M₅, werden, wie anläßlich von Fig. 5 erläutert wurde, einer Additionseinheit 45 zugeführt, an deren Ausgang A₄₅ pro Takt ein Digital­ wert erscheint als Ausgangswert der erfindungsgemäßen Analog-Digital-Verarbeitungseinheit mit eingebau­ ter Anti-Aliasing-Verarbeitung.

Claims (23)

1. Verfahren zur Digitalisierung eines bandbegrenz­ ten, analogen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das analoge Signal (1) gesteuert verstärkt (3) wird,
• - das verstärkte Analogsignal mit einer vorgegebe­ nen Anzahl Quantisierungsstufen digitalisiert (5) wird,
• - mit den digitalisierten Analogsignalen die Ver­ stärkung (G) des Analogsignals (1) so gestellt wird, daß der zeitliche Mittelwert des Betrages des digitalisierten Analogsignals (A₅ ) auf einen SOLL-Wert geregelt wird,
• - alle entsprechend der Anzahl Quantisierungsstufen möglichen Werte des digitalisierten Analogsignals (A₅) vorabgespeichert (7) werden,
• - mit dem jeweiligen digitalisierten Analogsignal (A₅) und der jeweils vorherrschenden Verstärkung (G) das dem digitalisierten Analogsignal (A₅) entsprechende, vorabgespeicherte (7) Signal, ver­ stärkt mit der der vorherrschenden Verstärkung (G) inversen Verstärkung (G^-1), abgerufen wird.

2. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß mit dem digitalisierten Analogsignal (A₅) Verstärkungsänderungswerte (ΔG) abgerufen werden und der SOLL-Wert durch Wahl, bei welchem Wert des digi­ talisierten Analogsignals (A₅) ein Vorzeichenwechsel der abgerufenen Verstärkungsänderungswerte (ΔG) er­ folgt, vorgegeben wird.

3. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß, zur Berücksichtigung der vorherrschenden Verstärkung (G), alle möglichen Werte des digitalisierten Analogsignals (A₅) je mit allen inversen Werten (G^-1) der Verstärkung vorabgespei­ chert (P) und durch ein jeweils vorherrschendes, di­ gitalisiertes Analogsignal (A₅) sowie einen jeweils vorherrschenden Verstärkungssteuerwert (GCW) adres­ siert (E₇₁, E₇₂) und abgerufen werden.

4. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß mittels eines vorherr­ schenden Wertes des digitalisierten Analogsignals (A₅) der entsprechende, vorabgespeicherte (7b) Wert adressiert (E₇₁) und zur mindestens teilweisen Be­ rücksichtigung der vorherrschenden Verstärkung (G) der adressierte Wert bezüglich eines Gleitkommas (GK), um eine durch mindestens einen Faktor des vor­ herrschenden Verstärkungssteuerwertes (GCW) angegebe­ ne (E₇₂₂) Anzahl Stellen geschoben, ausgegeben wird.

5. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß alle möglichen Werte des digitalisierten Analogsignals (A₅), je mit vorgegebenen, ersten in­ versen Verstärkungsfaktoren skaliert, vorabgespei­ chert werden (7b) und, zur Berücksichtigung der vor­ herrschenden Verstärkung, mit dem vorherrschenden Wert des digitalisierten Analogsignals (A₅) und einem ersten Faktor des vorherrschenden Verstärkungssteuer­ wertes (GCW) ein vorabgespeicherter Wert aufgerufen (E₇₁, E₇₂₁) und, um eine durch einen weiteren Faktor des vorherrschenden Verstärkungssteuerwertes gegebene (E₇₂₂) Anzahl Stellen bezüglich des Gleitkommas (GK) geschoben, ausgegeben wird.

6. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verstärkung in Stufen entsprechend einem Faktor gemäß dem Basiswert der digitalen Darstellung des digitalisierten Analogsi­ gnals verstellbar ist.

7. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stufen weiter unterteilt werden, vor­ zugsweise in Stufen entsprechend Faktoren entspre­ chend näherungsweise 1,5dB bzw. 2^1/4.

8. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:

• - eine Verstärkereinheit (3), der das Analogsignal (1) zugeführt ist und deren Verstärkung (G) in Stufen (G₀-G_n, ΔG) verstellbar ist,
• - der Verstärkereinheit (3) nachgeschaltet, ein Analog-Digital-Quantisierer (5),
• - dem Analog-Digital-Quantisierer (5) nachgeschal­ tet, eine Speicher- und Skalierungseinheit (7),

wobei:

• - der Ausgang des Quantisierers (A₅) über eine Ver­ gleichseinheit (10) in regelndem Sinne auf einen Verstärkungssteuereingang (9) an der Verstärker­ einheit (3) rückgeführt ist,
• - der Ausgang des Quantisierers (5) und der Ausgang der Vergleichseinheit (10) auf Ausgabesteuerein­ gänge (E₇₁, E₇₂) an der Speicher- und Skalie­ rungseinheit (7) wirken.

9. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach An­ spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ gleichseinheit (10) einen Tabellenspeicher (10a) um­ faßt, dem eingangsseitig mindestens der Absolutwert des digitalisierten Analogsignals vom Ausgang (A₅) des Quantisierers (5) zugeführt ist und welcher aus­ gangsseitig auf den Verstärkungssteuereingang (9) wirkt.

10. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher- und Skalierungseinheit eine Speicher­ einrichtung (7a, 11 _x, 15) umfaßt und sowohl der Aus­ gang des Quantisierers (5, 35) wie auch derjenige der Vergleichseinheit (10a) auf Adreßeingänge (E₇₁, E₇₂) an der Speichereinrichtung (7a, 11 _x, 15) wirken.

11. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher- und Skalierungseinheit (7) eine Spei­ chereinrichtung (7b) sowie eine schieberegisterartig arbeitende, der Speichereinrichtung (7b) nachgeschal­ tete Einheit (7c) umfaßt und daß der Ausgang des Quantisierers (5) auf Adreßeingänge (E₇₁) an der Speichereinrichtung (7b) und mindestens ein Teil des Ausganges der Vergleichseinheit (10a) auf Steuerein­ gänge (E₇₂₂ ) an der schieberegisterartig arbeitenden Einheit (7c) geführt sind und dabei vorzugsweise ein weiterer Teil des Ausganges der Vergleichseinheit (10a) auch auf Adressierungseingänge (E₇₂₁) an der Speichereinrichtung (7b) geführt ist.

12. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach An­ spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrich­ tung (7c) ein Schieberegister (8) umfaßt, das vor­ zugsweise seriell aus der Speichereinrichtung (7b) geladen wird, und daß die eingangsseitige Register­ stufe (MSB) ausgangsseitig, ab einer vorgegebenen An­ zahl Einlesezyklen, auf ihren Eingang schaltbar ist.

13. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach An­ spruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangs­ wort (A₅) des Quantisierers (5) über die Verstär­ kungsänderungstabelle (10) mit positiven und negati­ ven Verstärkungsänderungen (ΔG) auf den Verstärkungs­ steuereingang (9) wirkt.

14. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Digitalverarbeitung in binärer Form erfolgt und die Verstärkung (G) in Schritten von 2^1/4, im wesent­ lichen entsprechend 1,5dB, abgestuft ist.

15. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 8 bis 14, für die Verarbeitung bandbe­ grenzter Analogsignale, insbesondere von Sprachsigna­ len, dadurch gekennzeichnet, daß der Quantisierer (5, 35) ein 6Bit-Quantisierer ist, darin eingeschlos­ sen ein Vorzeichen-Bit, welcher vorzugsweise einen Absolutwertbildner (34) mit nachgeschaltetem 5Bit- Quantisierer (5) sowie einen Vorzeichendetektor (37) umfaßt.

16. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach An­ spruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Verarbeitung bei einer Taktfrequenz erfolgt, die hö­ her ist als die doppelte Grenzfrequenz des Analogsig­ nalbandes, vorzugsweise bei ca. vierfacher Frequenz.

17. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkereinheit (33) ein Hochpaßfilter (32) vorgeschaltet ist, bei der Verarbeitung von Sprachsi­ gnalen vorzugsweise ein Filter erster Ordnung mit ei­ ner Grenzfrequenz von ca. 1kHz.

18. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher- und Skalierungseinheit (42) ein digita­ les Tiefpaßfilter (44, 45) nachgeschaltet ist.

19. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach An­ spruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spei­ cher- und Skalierungseinheiten (M₀, M₁ . . .) vorgesehen sind, deren vorabgespeicherte Werte mit den Filterko­ effizienten (b_k) skaliert sind, und daß die Ausgänge der Speicher- und Skalierungseinheiten zur Bildung des Digitalfilters, spezifisch über Zeitverzögerungs­ glieder (44), einer Additionseinheit (45) zugeführt sind.

20. Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, wie nach An­ spruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Digital­ filter bei tieferer, vorzugsweise halber Frequenz be­ trieben ist als die ihm vorgeschaltete Verarbeitungs­ einheit.

21. Verfahren zur digitalen Filterung von digitalen Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß man

• - die möglichen anfallenden Digitalsignale, multi­ pliziert mit den Filterkoeffizienten, in je den Filterkoeffizienten zugeordneten Speicher- und Skalierungseinheiten (M₀-M_k) bildet,
• - durch Adressierung aller Speicher- und Skalie­ rungseinheiten mit einem jeweils anfallenden Di­ gitalsignal und durch diesen Einheiten zugeordne­ tes, zeitverschobenes Aufschalten der jeweiligen, von diesen Einheiten angegebenen Werte auf eine Summationseinheit die Filterung vornimmt.

22. Digitalfilter zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind,

• - der Anzahl Filterkoeffizienten entsprechend, eine Anzahl Speicher- und Skalierungseinheiten (M₀-M_k), je mit allen Werten eines zugeführten, zu filternden Digitalsignals in jedem der Abschnitte mit einem der Filterkoeffizienten skaliert,
• - daß die Speicher- und Skalierungseinheiten durch das jeweils anfallende Digitalsignal adressierbar (20) sind, je zur Ausgabe des dem vorliegenden Digitalsignal entsprechenden, mit dem entspre­ chenden Filterkoeffizienten skalierten Wertes, und
• - daß die Ausgänge der Speicher- und Skalierungs­ einheiten, über ihnen spezifisch zugeordnete Zeitverzögerungsorgane (44), einer Summationsein­ heit (25) zugeführt sind.