EP0205501A1 - Method for transforming acoustic information-containing digital electric signals into acoustic waves, and circuit for implementing said method - Google Patents

Method for transforming acoustic information-containing digital electric signals into acoustic waves, and circuit for implementing said method

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EP0205501A1
EP0205501A1 EP19860900064 EP86900064A EP0205501A1 EP 0205501 A1 EP0205501 A1 EP 0205501A1 EP 19860900064 EP19860900064 EP 19860900064 EP 86900064 A EP86900064 A EP 86900064A EP 0205501 A1 EP0205501 A1 EP 0205501A1
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EP
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sampling frequency
digital
pulse
signals
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Withdrawn
Application number
EP19860900064
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Inventor
Josef Heim
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/005—Details of transducers, loudspeakers or microphones using digitally weighted transducing elements

Definitions

  • the invention relates to a method for converting digitized electrical signals generated according to pulse code modulation (PCM) using a scanning pulse with the frequency ft and containing sound information into sound waves using at least one electroacoustic transducer.
  • PCM pulse code modulation
  • the invention further relates to a circuit arrangement for performing this method.
  • the object of the invention is to get rid of these restrictions and to use the advantages of digital technology also when converting the digitized signals into sound waves.
  • the invention provides that the conversion of the digitized signals into sound waves takes place in the electroacoustic transducer itself. Calculations and tests show that this technique achieves an at least equally good and predominantly better sound quality with less equipment outlay than with previous conventional analog technology.
  • a digital loudspeaker is to be understood as a loudspeaker to which the digitized signals are fed directly according to the invention.
  • Speakers based on the electro-dynamic principle are the most frequently built types.
  • Other types of transducers such as electrostatic, capacitive or the corona loudspeaker, have so far only been able to establish themselves in special fields, in particular as high-frequency radiators.
  • the problem with all loudspeaker systems is that the entire frequency spectrum from 20 to 20,000 Hz should be radiated as linearly as possible. With this requirement cannot be met with a single loudspeaker chassis. For this reason, there are a number of combinations consisting of bass, mid and tweeter systems.
  • the frequency ranges are divided by electrical switches on the individual sound transducers. By selecting suitable combinations and filter filters, very good combinations could be created.
  • the efficiency that is to say the ratio of radiated acoustic energy to the electrical energy supplied, is only a few percent in all previously known systems.
  • the non-linear distortions are about 3% at nominal load capacity (load that can be tolerated without permanent change in the loudspeaker properties, that is to say the destruction limit) for good loudspeakers. If you consider that the entire electronics in an audio system have distortion factor values of less than 0.1% and the connected boxes produce a few percent distortion, it is understandable that the "analog loudspeakers" must be replaced by other systems, so that natural music reproduction for humans is possible without compromise.
  • the sampling frequency must be at least twice the highest frequency in the signal.
  • the original signal must not contain a frequency higher than half the sampling frequency.
  • Pulse code modulation is based on the sampling theorem and is used in digital audio technology. “Only the digitized amplitude values of an analog signal are transmitted and recorded on magnetic tape or pressed as information on a sound carrier, for example compact record. As long as the bit content (logical 0 or logical 1) can be evaluated during playback, the transmission remains uninterrupted. Another essential advantage of this technique is that only digital information needs to be dealt with during transmission or during playback. These functions are easy to integrate, and thanks to microelectronics, device prices are acceptable to a large audience.
  • Digitized analog signals can be returned to their original form with digital-to-analog converters.
  • An example of such a digitized analog signal is shown in FIG. 1.
  • the sampled values are converted into an analog voltage by a digital-to-analog converter, and after filtering, the original signal is available again.
  • the basic idea of the digital loudspeaker is based on the fact that the discrete amplitude values are emitted as small sound pulses in time with the sampling frequency by an electro-acoustic transducer. In other words, the digital information is only converted back when the sound is generated.
  • the frequency spectrum of this method is shown in FIG. 2.
  • the electro-acoustic transducer works on a fixed frequency. This frequency is the sampling frequency. If we apply the modulation to the transducer, the following frequencies are emitted:
  • the digital speaker is based on the sampling theorem.
  • the sampling theorem has been expanded to include sound reproduction. Experiments have shown that sound waves behave exactly like electrical signals.
  • the fundamental meaning is that broadband electro-acoustic transducers are no longer required for sound reproduction, but only the sampling frequency of the analog signal has to be emitted with different intensities.
  • the digital loudspeaker only emits the sampling frequency with different intensities. This frequency is in the ultrasound range and is, for example, 44.1 kHz in the digital record.
  • the principle of the electro-acoustic transducer is of secondary importance. Rather, it is crucial that it is a narrowband system, that is, only the sampling frequency has to be emitted. Ceramic transducers or corona loudspeakers are suitable as sound transducers according to the ionization principle.
  • a single electro-acoustic transducer converts the electrical energy into sound waves.
  • the converter is driven as shown in FIG. 3.
  • the amplitude values are emitted from the loudspeaker with different intensities.
  • the digital-analog conversion takes place on the acoustic level. This is shown in FIG. 4.
  • a resolution number of discrete amplitude levels
  • six ten only electro-acoustic transducers are combined to form a loudspeaker system.
  • the dimensions of the individual elements are chosen so that the radiated power corresponds to the binary value of the signal amplitude.
  • the largest converter is able to radiate 50% of the total sound power. The second largest 25% etc.
  • one or more electro-acoustic transducers are activated and the total sound power corresponds to the original amplitude of the analog signal.
  • the complex digital-to-analog converter is no longer required.
  • the power amplifier also works digitally, since only the individual sound converters, depending on the bit pattern, need to be activated. Problems with non-linear distortions in the output stage cannot occur at all, since everything takes place on the digital level up to the sound generation and the power amplifier actually only consists of sixteen switching transistors.
  • the electro-acoustic transducers are chosen so that the resonance frequency of the scanning frequency is the same. On in this way a very high degree of efficiency is achieved.

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Abstract

Le haut-parleur numérique remplace les transducteurs acoustiques actuels dans l'électronique de spectacle et la technique de studio. L'idée fondamentale du haut-parleur numérique repose sur le fait que seulement les valeurs discrètes de l'amplitude d'un signal analogique numérisé sont émises par un transducteur électro-acoustique en tant que petites impulsions acoustiques au rythme de la fréquence d'échantillonnage. Autrement dit, la transformation de l'information numérique en énergie acoustique a lieu seulement lors de la production du son. La signification fondamentale est que la reproduction du son n'exige maintenant plus de transducteurs électro-acoustiques à large bande. Uniquement la fréquence d'échantillonnage du signal analogique doit être rayonnée avec différentes intensités.The digital loudspeaker replaces the acoustic transducers present in entertainment electronics and studio technology. The basic idea of the digital loudspeaker is that only the discrete values of the amplitude of a digitized analog signal are emitted by an electro-acoustic transducer as small acoustic pulses at the rate of the sampling frequency. . In other words, the transformation of digital information into acoustic energy takes place only during the production of sound. The basic meaning is that sound reproduction no longer requires broadband electro-acoustic transducers. Only the sampling frequency of the analog signal must be radiated with different intensities.

Description

Verfahren zum Umwandeln von eine Schallinformation enthal¬ tenden digitalisierten elektrischen Signalen in Schallwel¬ len und Schaltungsanordnung zum Durchführen dieses Verfah¬ rensMethod for converting digitized electrical signals containing sound information into sound waves and circuit arrangement for carrying out this method
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln von nach der Puls-Code-Modulation (PCM) unter_ Verwendung eines Ab¬ tastimpulses mit der Frequenz ft erzeugten und eine Schall¬ information enthaltenden digitalisierten elektrischen Sig¬ nalen in Schallwellen unter Verwendung von mindestens einem elektroakustischen Wandler. Die Erfindung betrifft weiter eine Schaltungsanordnung zum Durchführen dieses Verfahrens.The invention relates to a method for converting digitized electrical signals generated according to pulse code modulation (PCM) using a scanning pulse with the frequency ft and containing sound information into sound waves using at least one electroacoustic transducer. The invention further relates to a circuit arrangement for performing this method.
Vorgeschichte der ErfindungBackground of the invention
Die digitale Technik und die Digitalisierung von elektri¬ schen Signalen hat in letzter Zeit immer größere Anwendung gefunden. Inzwischen werden auch Schallwellen digital auf¬ gezeichnet. Es gibt die Digital-Schallplatte. Die Bundes¬ post stellt die Fernsprechtechnik von der Übermittlung von analogen Signalen auf die Übermittlung von digitalen Signa¬ len um. Bei der Rückwandlung der die Schallinformation ent¬ haltenden digitalen Signale in Schallwellen ist man jedoch bei der herkömmlichen Analogtechnik verblieben. Hierbei werden die digitalen Signale in einem Digital-Analog-Wand- ler in analoge Signale gewandelt und diese werden über Ver¬ stärker auf Lautsprecher gegeben. Damit unterwirft man sich wieder den mit der naturgetreuen Wiedergabe von analogen Signalen verbundenen Beschränkungen. Kurze Beschreibung der ErfindungDigital technology and the digitization of electrical signals have recently found increasing use. In the meantime, sound waves have also been recorded digitally. There is the digital record. The Federal Post is converting telephony technology from the transmission of analog signals to the transmission of digital signals. When converting the digital signals containing the sound information into sound waves, however, conventional analog technology has been retained. In this case, the digital signals are converted into analog signals in a digital-to-analog converter and these are sent to loudspeakers via amplifiers. With this, one again submits to the restrictions associated with the true-to-nature reproduction of analog signals. Brief description of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,von diesen Be¬ schränkungen freizukommen und die Vorteile der Digital¬ technik auch bei der Rückwandlung der digitalisierten Sig¬ nale in Schallwellen zu nutzen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Umwandlung der digitalisierten Signale in Schallwellen im elektroakusti- schen Wandler selbst erfolgt. Berechnungen und Versuche zeigen, daß man mit dieser Technik mit geringerem appara¬ tiven Aufwand eine mindestens gleich gute und überwiegend bessere Tonqualität als mit der bisherigen konventionellen Analogtechnik erreicht.The object of the invention is to get rid of these restrictions and to use the advantages of digital technology also when converting the digitized signals into sound waves. To achieve this object, the invention provides that the conversion of the digitized signals into sound waves takes place in the electroacoustic transducer itself. Calculations and tests show that this technique achieves an at least equally good and predominantly better sound quality with less equipment outlay than with previous conventional analog technology.
Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfinderischen Grundgedan¬ kens werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Expedient refinements of the basic idea of the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung wird im folgenden auf der Grundlage einer theoretischen Abhandlung und der Darstellung von Ausfüh¬ rungsbeispielen näher erläutert. Unter einem digitalen Lautsprecher ist dabei ein Lautsprecher zu verstehen, dem die digitalisierten Signale erfindungsgemäß unmittelbar zu¬ geführt werden.The invention is explained in more detail below on the basis of a theoretical treatise and the representation of exemplary embodiments. A digital loudspeaker is to be understood as a loudspeaker to which the digitized signals are fed directly according to the invention.
Als Thomas Alva Edison 1877 den Phonographen erfunden hat, wurde der Menschheit ein langersehnter Wunsch erfüllt. Phy¬ sikalische 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 Ξchellackplatten des Grammophons folgten Ende der 40-er Jahre die Langspielplat¬ ten aus Kunststoff. Die Erfinder und Entwickler hatten das Bestreben, die Wiedergabequalität zu verbessern.When Thomas Alva Edison invented the phonograph in 1877, a long-awaited wish was fulfilled. Physical phenomena, such as the human voice and music, could be recorded permanently and reproduced at any time. Edison's phonograph was replaced by the gramophone. The long-playing records made of plastic followed the gramophone gramophone records at the end of the 1940s. The inventors and developers tried to improve the reproduction quality.
Dieser Weg wird noch heute konsequent weiterverfolgt. Das letzte Beispiel ist die Einführung der Digital-Schallplatte (Co pact-Disc) . Die technische Entwicklung bezieht sich je¬ doch nicht nur auf die Schallträger, sondern auch auf die ganzen Geräte, die zur Wiedergabe dieser Tonkonserven die¬ nen. 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 weit¬ gehend ausgeschöpft. Die bereits erreichten technischen Ei¬ genschaften erfüllen alle Anforder ungen . Weitere Verbes¬ serungen 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.This path is still being followed consistently today. The last example is the introduction of the digital record (Co pact disc). However, the technical development relates not only to the sound carriers, but also to the entire devices which are used to reproduce these preserved sounds. Good progress has been made in amplifiers and speakers in recent years. The amplifier technology has already been largely exhausted by the introduction of transistors and low-noise, integrated assemblies. The technical properties already achieved meet all requirements. Further improvements with regard to frequency response and harmonic distortion would only provide measurement results, but would be of no importance to humans, since they are far below the perceptibility limit.
Bei den Lautsprechern sieht die Situation etwas anders aus. Es sind zwar Lautsprecherkombinationen mit sehr guter na¬ turgetreuer Wiedergabe verfügbar, jedoch für den Durch- schnittsverbraucher wegen der enorm großen Abmessungen und des hohen Preises unerschwinglich. Aus heutiger Sicht kann gesagt werden, daß das schwächste Glied in einer Audio-An¬ lage der Lautsprecher ist.The situation is somewhat different for the speakers. Loudspeaker combinations with very good, faithful reproduction are available, but unaffordable for the average consumer because of the enormously large dimensions and the high price. From today's perspective it can be said that the weakest link in an audio system is the loudspeaker.
Der hier vorgestellte digitale Lautsprecher arbeitet nach einem völlig neuen Prinzip. Die einzige Gemeinsamkeit mit den bisher bekannten Lautsprechern ist lediglich, daß bei¬ de elektrische Energie in Schallwellen umsetzen.The digital speaker presented here works on a completely new principle. The only thing in common with the previously known loudspeakers is only that both electrical energy are converted into sound waves.
Nachteile der bekannten LautsprecherDisadvantages of the known speakers
Lautsprecher nach dem elektro-dynamischen Prinzip sind die am häufigsten gebauten Typen. Andere Wandlertypen, wie elek¬ trostatische, kapazitive oder der Korona-Lautsprecher, konn¬ ten sich bisher nur auf Spezialgebieten, insbesondere als Hochtonstrahler durchsetzen. Die Problematik aller Lautspre¬ chersysteme 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 elektri¬ sche Weichen auf die einzelnen Schallwandler aufgeteilt. Durch die Auswahl von geeigneten Kombinationen und Filter¬ weichen konnten sehr gute Kombinationen geschaffen werden. Man braucht nur eine Audio-Zeitschrift aufzuschlagen und findet sofort ein großes Angebot an unterschiedlichen Laut¬ sprechersystemen. Von der Pyramidenform bis zum gegossenen Betongehäuse ist alles vertreten, und jeder Hersteller schwört auf sein Fabrikat. Da das Klangempfinden der aMen¬ schen subjektiv ist, ist ein qualitativer Vergleich bei Lautsprechern sehr schwierig.Speakers based on the electro-dynamic principle are the most frequently built types. Other types of transducers, such as electrostatic, capacitive or the corona loudspeaker, have so far only been able to establish themselves in special fields, in particular as high-frequency radiators. The problem with all loudspeaker systems is that the entire frequency spectrum from 20 to 20,000 Hz should be radiated as linearly as possible. With this requirement cannot be met with a single loudspeaker chassis. For this reason, there are a number of combinations consisting of bass, mid and tweeter systems. The frequency ranges are divided by electrical switches on the individual sound transducers. By selecting suitable combinations and filter filters, very good combinations could be created. You only need to open an audio magazine and you will immediately find a wide range of different loudspeaker systems. From the pyramid shape to the cast concrete housing, everything is represented, and every manufacturer swears by its make. Since the sound sensation of the people is subjective, a qualitative comparison with loudspeakers is very difficult.
Der Wirkungsgrad,das heißt das Verhältnis von abgestrahlter akustischer Energie zur zugeführten elektrischen Energie, beträgt bei allen bisher bekannten Systemen nur einige Pro¬ zent. Die nicht-linearen Verzerrungen (Klirrfaktor) liegen bei Nennbelastbarkeit ( Belastung, die ohne bleibende Ände¬ rung der Lautsprechereigenschaften vertragen wird, das heißt 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 an¬ geschlossenen Boxen einige Prozent Verzerrungen produzieren, so ist es verständlich, daß die "analogen Lautsprecher" durch andere Systeme ersetzt werden müssen, damit die na¬ turgetreue Musikwiedergabe für den Menschen ohne Kompromis¬ se möglich wird.The efficiency, that is to say the ratio of radiated acoustic energy to the electrical energy supplied, is only a few percent in all previously known systems. The non-linear distortions (distortion factor) are about 3% at nominal load capacity (load that can be tolerated without permanent change in the loudspeaker properties, that is to say the destruction limit) for good loudspeakers. If you consider that the entire electronics in an audio system have distortion factor values of less than 0.1% and the connected boxes produce a few percent distortion, it is understandable that the "analog loudspeakers" must be replaced by other systems, so that natural music reproduction for humans is possible without compromise.
Wirkungsweise und Aufbau des digitalen LautsprechersMode of operation and construction of the digital loudspeaker
Das AbtasttheoremThe sampling theorem
Die Grundlagen für die Umsetzung von Analog-Signalen in die digitale Ebene beruhen auf nachrichten-theoretischen Unter¬ suchungen mehrerer Wissenschaftler. Bereits um 1920 haben Nyquist und Raabe die Grundlagen gelegt. 1948 veröffent¬ lichte E. Shannon seine Arbeit über das Abtasttheorem und damit hat er den Grundstein für die moderne Informations¬ theorie gelegt. Der darin enthaltene Lehrsatz beschreibt den allgemein gültigen Zusammenhang zwischen zeitkontinuier¬ lichen und zeitdiskreten Signalen, das heißt zwischen zeit¬ lich lückenlos verlaufenden Vorgängen, die sich innerhalb einer beliebigen Anzahl von Amplitudenwerten ändern können, so wie impulsförmigen Signalen, die nur innerhalb bestimm¬ ter (diskreter) Zeitwerte auftreten. Demnach läßt sich ein analoges Signal in eine Folge von zeitdiskreten Impulsen umwandeln, wenn man es in äquidistante, das heißt unterein¬ ander gleiche Zeitabstände durch Musterabnahme abtastet. Zwei Bedingungen sind einzuhalten*:The basics for the implementation of analog signals in the digital level are based on the theoretical investigations of several scientists. Nyquist and Raabe laid the foundations as early as 1920. In 1948 E. Shannon published his work on the scanning theorem and thus laid the foundation for modern information theory. The theorem contained therein describes the generally valid relationship between time-continuous and time-discrete signals, that is, between processes that run without time and that can change within any number of amplitude values, as well as pulse-shaped signals that only occur within certain ( discrete) time values occur. Accordingly, an analog signal can be converted into a sequence of discrete-time pulses if it is sampled in equidistant, that is to say the same time intervals, by sampling. Two conditions must be met * :
Die Abtastfrequenz muß mindestens den doppelten Wert der höchsten Frequenz im Signal betragen. Im Originalsignal darf keine höhere Frequenz als die Hälfte der Abtastfre¬ quenz enthalten sein.The sampling frequency must be at least twice the highest frequency in the signal. The original signal must not contain a frequency higher than half the sampling frequency.
Die Bedeutung des Shannon' sehen Theorems liegt im mathema¬ tischen Beweis, daß die Umsetzung ohne jeglichen Informa¬ tionsverlust stattfindet, obwohl der Abtastprozεß offen¬ sichtlich alle Signaländerungen zwischen den Musterentnah¬ men außer acht läßt. Diese Aussage hat für die Digitalisie¬ rung von Tonsignalen und ihre originalgetreue Reproduktion besonderes Gewicht.The importance of the Shannon theorem lies in the mathematical proof that the implementation takes place without any loss of information, although the sampling process obviously disregards all signal changes between the sample withdrawals. This statement is of particular importance for the digitization of sound signals and their faithful reproduction.
Die Puls-Code-Modulation (PCM) basiert auf dem Abtasttheo¬ rem 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 wesentli¬ cher Vorteil dieser Technik ist, daß während der Übertra¬ gung oder während der Wiedergabe nur digitale Informatio¬ nen behandelt werden müssen. Diese Funktionen lassen sich einfach integrieren,und dank der Mikroelektronik sind die Gerätepreise für ein großes Publikum akzeptabel.Pulse code modulation (PCM) is based on the sampling theorem and is used in digital audio technology. “Only the digitized amplitude values of an analog signal are transmitted and recorded on magnetic tape or pressed as information on a sound carrier, for example compact record. As long as the bit content (logical 0 or logical 1) can be evaluated during playback, the transmission remains uninterrupted. Another essential advantage of this technique is that only digital information needs to be dealt with during transmission or during playback. These functions are easy to integrate, and thanks to microelectronics, device prices are acceptable to a large audience.
Im nächsten Jahrzehnt wird mit Sicherheit Satelliten-Rund¬ funk und -Fernsehen eingeführt. Die digitale Übertragung von Tonsignalen wird im Rundfunkbereich auch in absehbarer Zeit Wirklichkeit. Als Tonträger ist die digitale Schall¬ platte bereits auf dem Markt und wird sehr rasch die bis¬ herige Analog-Technik ablösen.In the next decade, satellite broadcasting and television will certainly be introduced. The digital transmission of sound signals will also become a reality in the radio sector in the foreseeable future. The digital record is already on the market as a sound carrier and will very quickly replace the previous analog technology.
Die Anwendung des Abtasttheorems für die SchallwieάergabeThe application of the sampling theorem for sound reproduction
Digitalisierte Analog-Signale können mit Digital-Analog- Wandlern wieder in die ursprüngliche Form zurückversetzt werden. Ein Beispiel für ein solches digitalisiertes Ana- log-Signal ist in Fig. 1 dargestellt.Digitized analog signals can be returned to their original form with digital-to-analog converters. An example of such a digitized analog signal is shown in FIG. 1.
Bei der Wiedergabe wer- n die Abtastwerte von einem Digital- Analog-Wandler in eine Analog-Spannung umgesetzt,und nach der Filterung steht das Originalsignal wieder zur Verfü¬ gung.During playback, the sampled values are converted into an analog voltage by a digital-to-analog converter, and after filtering, the original signal is available again.
Der Grundgedanke des digitalen Lautsprechers beruht auf der Tatsache, daß die diskreten Amplitudenwerte als kleine Schallimpulse im Takt der Abtastfrequenz von einem elektro- akustischen Wandler abgestrahlt werden. Mit anderen Worten gesagt, erfolgt die Rückwandlung der digitalen Information erst bei der Schallerzeugung.The basic idea of the digital loudspeaker is based on the fact that the discrete amplitude values are emitted as small sound pulses in time with the sampling frequency by an electro-acoustic transducer. In other words, the digital information is only converted back when the sound is generated.
In Fig. 2 ist das Frequenzspektrum dieses Verfahrens darge¬ stellt. 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:The frequency spectrum of this method is shown in FIG. 2. The electro-acoustic transducer works on a fixed frequency. This frequency is the sampling frequency. If we apply the modulation to the transducer, the following frequencies are emitted:
a) das Analog-Signal b) die Abtastfrequenz c) die Summenfrequenz (Abtastfrequenz + Signal) d) die Differenzfrequenz (Abtastfrequenz - Signal)a) the analog signal b) the sampling frequency c) the total frequency (sampling frequency + signal) d) the difference frequency (sampling frequency - signal)
Nur die Signalfrequenz liegt in dem hörbaren Bereich, so daß die Abtastfrequenz bzw. die Summen- und Differenzfre¬ quenzen den Wiedergabevorgang nicht beeinträchtigen.Only the signal frequency lies in the audible range, so that the sampling frequency or the sum and difference frequencies do not impair the playback process.
Der digitale Lautsprecher basiert auf dem Abtasttheorem. Das Abtasttheorem wurde auf die Schallwiedergabe erweitert. Durch Experimente konnte nachgewiesen werden, daß sich die Schallwellen genauso verhalten wie die elektrischen Signale.The digital speaker is based on the sampling theorem. The sampling theorem has been expanded to include sound reproduction. Experiments have shown that sound waves behave exactly like electrical signals.
Die fundamentale Bedeutung liegt darin, daß für die Schall¬ wiedergabe jetzt keine breitbandigen elektro-akustischen Wandler mehr erforderlich sind, sondern lediglich nur die Abtastfrequenz des Analog-Signals mit unterschiedlicher In¬ tensität abgestrahlt werden muß.The fundamental meaning is that broadband electro-acoustic transducers are no longer required for sound reproduction, but only the sampling frequency of the analog signal has to be emitted with different intensities.
Aufbau des digitalen LautsprechersStructure of the digital speaker
Wie bereits erwähnt, strahlt der digitale Lautsprecher nur die Abtastfrequenz mit unterschiedlicher Intensität ab. Die¬ se 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, das heißt, nur die Abtastfrequenz muß abgestrahlt werden. Als Schallwandler eignen sich keramische Wandler oder Korona-Lautsprecher nach dem Ionisations-Prinzip.As already mentioned, the digital loudspeaker only emits the sampling frequency with different intensities. This frequency is in the ultrasound range and is, for example, 44.1 kHz in the digital record. The principle of the electro-acoustic transducer is of secondary importance. Rather, it is crucial that it is a narrowband system, that is, only the sampling frequency has to be emitted. Ceramic transducers or corona loudspeakers are suitable as sound transducers according to the ionization principle.
Zwei Bauarten des digitalen Lautsprechers werden bespro¬ chen:Two types of digital speakers are discussed:
a) Ein einziger elektro-akustischer Wandler setzt die elek¬ trische Energie in Schällwellen um. Der Wandler wird ge¬ mäß der Darstellung in Fig. 3 angesteuert. Die Amplitu¬ denwerte werden mit unterschiedlicher Intensität von dem Lautsprecher abgestrahlt.a) A single electro-acoustic transducer converts the electrical energy into sound waves. The converter is driven as shown in FIG. 3. The amplitude values are emitted from the loudspeaker with different intensities.
b) Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Digital-Analog- Umsetzung auf der akustischen Ebene. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Bei einer Auflösung (Anzahl der diskreten Amplitudenstufen) von 16 Bit zum Beispiel werden sech¬ zehn einzige elektro-akustische Wandler zu einem Laut¬ sprechersystem zusammengefaßt. Die Abmessungen der ein¬ zelnen Elemente sind so gewählt, daß die abgestrahlte Leistung dem Binärwert der Signalamplitude entspricht. Der größte Wandler ist in der Lage, 50 % der Gesamt¬ schalleistung abzustrahlen. Der zweitgrößte 25 % usw. Je nach Amplitudenwert werden ein oder mehrere elektro- akustische Wandler aktiviert,und die gesamte Schallei¬ stung entspricht der Originalamplitude des Analog-Sig- nals .b) In this embodiment, the digital-analog conversion takes place on the acoustic level. This is shown in FIG. 4. With a resolution (number of discrete amplitude levels) of 16 bits, for example, six ten only electro-acoustic transducers are combined to form a loudspeaker system. The dimensions of the individual elements are chosen so that the radiated power corresponds to the binary value of the signal amplitude. The largest converter is able to radiate 50% of the total sound power. The second largest 25% etc. Depending on the amplitude value, one or more electro-acoustic transducers are activated and the total sound power corresponds to the original amplitude of the analog signal.
Der aufwendige Digital-Analog-Wandler wird nicht mehr benö¬ tigt. Der Leistungs-Endverstärker arbeitet auch digital, da nur die einzelnen Schallwandler, je nach Bit-Muster, akti¬ viert werden müssen. Probleme mit nicht-linearen Verzerrun¬ gen in der Endstufe können gar nicht auftreten, da bis zu der Schallerzeugung alles auf der digitalen Ebene abläuft und der Leistungsverstärker eigentlich nur aus sechzehn Schalttransistoren besteht.The complex digital-to-analog converter is no longer required. The power amplifier also works digitally, since only the individual sound converters, depending on the bit pattern, need to be activated. Problems with non-linear distortions in the output stage cannot occur at all, since everything takes place on the digital level up to the sound generation and the power amplifier actually only consists of sixteen switching transistors.
Die elektro-akustischen Wandler werden so gewählt, daß die Resonanzfrequenz der Abtastf equenz gleich ist. Auf diese Weise wird ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht. The electro-acoustic transducers are chosen so that the resonance frequency of the scanning frequency is the same. On in this way a very high degree of efficiency is achieved.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Umwandeln von nach der Puls-Code-Modula¬ tion (PCM) unter Verwendung eines Abtastimpulses mit der Frequenz ft erzeugten und eine Schallinformation enthaltenden digitalisierten elektrischen Signalen in Schallwellen unter Verwendung von mindestens einem elektroakustischen Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung im elektroakustischen Wandler selbst er¬ folgt.1. A method for converting according to the pulse code modulation (PCM) using a scanning pulse with the frequency ft generated and containing sound information digitized electrical signals into sound waves using at least one electroacoustic transducer, characterized in that the conversion in the electroacoustic transducer itself.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalisierten elektrischen Signale mit dem die Frequenz ft aufweisenden Abtastimpuls getastet und an¬ schließend auf den elektroakustischen Wandler gegeben werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the digitized electrical signals are keyed with the sampling pulse having the frequency ft and then given to the electroacoustic transducer.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalisierten elektrischen Signale auf einen Di¬ gital-Analog-Wandler gegeben, dessen Ausgangssignal ei¬ nem auf die Abtastfrequenz abgestimmten selektiven Ver¬ stärker zugeführt, dieser mit einem die Abtastfrequenz ft aufweisenden und mit der PCM synchronisierten Impuls getastet und sein Ausgangssignal auf den elektroakusti¬ schen Wandler gegeben wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the digitized electrical signals are given to a digital-to-analog converter, the output signal of which is supplied to a selective amplifier which is matched to the sampling frequency and which has a sampling frequency ft and with the PCM synchronized pulse is keyed and its output signal is given to the electroacoustic transducer.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalisierten elektrischen Signale auf einen Spei¬ cher gegeben und nach Bit-Muster abgespeichert werden, die Signale aus dem Speicher mit einem die Abtastfre- quenz ft aufweisenden und mit der PCM synchronisierten Impuls abgerufen und über Treiber auf jedem Bit-Muster zugeordnete elektroakustische Wandler gegeben werden. 4. The method according to claim 2, characterized in that the digitized electrical signals are given to a memory and stored according to bit patterns, the signals are retrieved from the memory with a pulse having the sampling frequency ft and synchronized with the PCM and Electroacoustic transducers assigned to drivers on each bit pattern are given.
5. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elek¬ troakustischen Wandler auf die Abtastfrequenz abge¬ stimmt sind.5. Circuit arrangement for performing the method according to claim 1 to 4, characterized in that the electro-acoustic transducers are tuned to the sampling frequency.
6. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Digital-Ana¬ log-Wandler an die Quelle der digitalisierten Signale angeschlossen ist, ein selektiver Verstärker am Ausgang des Digital-Analog- Wandlers und an dessen Ausgang der elektroakustische Wandler liegt und der Steuereingang des selektiven Verstärkers an die Quelle eines die Ab¬ tastfrequenz ft aufweisenden und mit der PCM synchroni¬ sierten Impulses angeschlossen ist.6. Circuit arrangement for performing the method according to claim 4, characterized in that a digital-analog converter is connected to the source of the digitized signals, a selective amplifier at the output of the digital-to-analog converter and at the output of the electroacoustic converter lies and the control input of the selective amplifier is connected to the source of a pulse having the sampling frequency ft and synchronized with the PCM.
7. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher an die Quelle der digitalisierten Signale und sein Steuer¬ eingang an die Quelle eines die Abtastfrequenz ft aufwei¬ senden und mit der PCM synchronisierten Impulses ange¬ schlossen ist, und elektroakustische Wandler mit binär abgestufter Leistung an die Ausgänge des Speichers an¬ geschlossen sind.7. Circuit arrangement for carrying out the method according to claim 4, characterized in that a memory is connected to the source of the digitized signals and its control input to the source of a sampling frequency ft and sending synchronized with the PCM pulse, and electroacoustic transducers with binary graded power are connected to the outputs of the memory.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den elektroakustischen Wandlern vorgeschaltete Treiber.8. Circuit arrangement according to claim 7, characterized by drivers connected upstream of the electroacoustic transducers.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Quelle der digitalisierten Sig¬ nale der Abtastkopf eines digital arbeitenden Schall¬ speichermediums ist.9. Circuit arrangement according to claim 5 to 8, characterized ge indicates that the source of the digitized signals is the scanning head of a digitally working sound storage medium.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Quelle der digitalisierten Sig¬ nale der Ausgang einer digital arbeitenden Schallsig¬ nalquelle ist. 10. Circuit arrangement according to claim 5 to 8, characterized ge indicates that the source of the digitized signals is the output of a digitally working sound signal source.
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