EP0890291B1 - Procede et dispositif pour transformer un signal acoustique en signal electrique - Google Patents

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EP0890291B1
EP0890291B1 EP97900600A EP97900600A EP0890291B1 EP 0890291 B1 EP0890291 B1 EP 0890291B1 EP 97900600 A EP97900600 A EP 97900600A EP 97900600 A EP97900600 A EP 97900600A EP 0890291 B1 EP0890291 B1 EP 0890291B1
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signal
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digital
counter
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Otmar Kern
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Georg Neumann GmbH
Original Assignee
Georg Neumann GmbH
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/04—Microphones

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a sound receiving arrangement according to the preamble of claim 19.
  • Such a control loop system provides a modulator synchronized by a supplied clock, whereby by Splitting the information in the modulator into several signal paths and different signal treatment, favorable noise and resolution properties can be achieved.
  • the object of the invention is a method and a Sound receiving arrangement to specify a direct conversion from one to the Sound receptor of a sound signal acting acoustic signal in a digital To enable information and the requirements regarding dynamic range, Noise and sufficient quantization to meet.
  • the invention is based on the consideration that has so far been made with regard to dynamic range and noise behavior unsurpassed principle of the capacitive converter for a to keep "real" digital microphone.
  • the well-known and mature Capacitive converter technology can thus be fully adopted.
  • the capacitive transducer is transformed into a digitizing process included that the receptor (e.g. condenser membrane) on which the acoustic signal acts as sound pressure, not in one of the signal strength is deflected proportionally, but according to the invention by a Counter-sound signal or held almost at rest by a counterforce becomes.
  • the counter signal is derived from the controlled variable of a control loop, which contains the sound receiver as a component, the controlled variable being the Contains information about the acoustic signal.
  • the reference numeral 1 is a sound generator and with the Reference numeral 2 denotes a sound receiver, which is the same or different locations can be and on the same or different electro-acoustic Converter principles can be based. It is essential that the sound receptor of the Sound receiver 2 two oppositely directed, equally large forces simultaneously act, namely the force of the incident useful sound (acoustic signal) and the counterforce of a counter signal generated by the sounder 1, which the invention has the desired effect that the sound receptor despite Exposure of the acoustic signal is largely kept in its rest position. Every smallest deviation of the receptor from its rest position in positive and negative direction can be immediately as digital information "one" or "zero" evaluate. The digital information is created directly at the receptor of the Sound receiver 2.
  • the sounder 1 can generate a counter signal which is simultaneous with the there is an acoustic signal incident on the sound receiver and the same amount As large as the acoustic signal, the counter signal becomes a controlled variable sufficiently fast control circuit derived, the sounder 1 and the Contains sound receiver 2 as a component.
  • the acoustic runtime or the structural The distance between sound generator 1 and sound receiver 2 largely determines the achievable frequency bandwidth of the control loop and should therefore, if possible be small so that the control loop works stably in the entire hearing frequency range. For the practical implementation, it is therefore favorable if sound generator 1 and Sound receiver 2 are the same location, which is equivalent to the fact that the sound receptor (e.g.
  • the Sounder 1 electrostatic or magnetic and the sound receiver 2 as Capacitor of a high-frequency resonant circuit can be realized.
  • FIGS. 1 to 3 differ in how the digitally generated directly at the receptor of the sound receiver 2 Information is evaluated and how the control loop is designed.
  • control loop is in the form of a modified one Delta-sigma modulator, such as that in the Journal Audio Professional, Issue 3/4, 1995, pages 59 to 65.
  • the sound receiver 2 is in Fig. 1 as in all other figures 2 to 4 as Capacitor of a high-frequency resonant circuit with resonant circuit inductance 22 realized.
  • the common membrane of the Sounder-sound receiver combination 1/2 first deflected and detuned the RF resonant circuit due to the changing capacitance.
  • the resonant circuit inductance 22 is part of a high-frequency demodulator 3 (phase or Amplitude demodulator), which by an RF oscillator 31 and Demodulator diode 32 is indicated in the block of the RF demodulator 3.
  • the RF demodulator 3 can therefore be very high Sensitivity are designed, which is of considerable advantage for the noise and Dynamic behavior of the overall system is.
  • the output signal of the RF demodulator 3 is fed to a comparator 4, whose output signal is at the receptor (membrane) of the sound receiver 2 directly represents digitally generated digital information, i.e., the Deviation of the diaphragm position in a positive or negative direction as an "O" signal or "1" signal.
  • This digital signal represents a 1-bit word.
  • the output signal of the comparator 4 controls the counting direction (Up / Down input) of a 4-stage counter 5, the clock input CLK of one Clock 9 (CTL Network) with, for example, 64 times that at Digitization of audio signals with a standard sampling frequency (FS) of 48 kHz becomes.
  • the 4-bit word on the parallel outputs of the counter 5 becomes one digital filter 10 and on the other hand a 4-bit digital / analog converter 6 fed.
  • the 4-bit signal converted into an analog signal is or multi - stage integration and difference formation using a chain of Difference and Intergierprocessn 7.1 to 7.N passed to the in the quantization process resulting bit patterns statistically in the frequency transmission range distribute and the quantization noise in a frequency range above the Focus hearing frequency range. That at the end of the chain of difference and Intergierprocessn 7.1 to 7.N resulting signal is in a driver amplifier 8 amplified, whose output signal drives the sounder 1.
  • the control loop from the Blocks 2, 3, 4, 5, 6, 7.1 to 7.N., 8 and 1 are now closed. How nice mentioned, as a result of the effect of this control loop, those by the incident The forces acting on the membrane are neutralized.
  • the digital filter 10 at the parallel inputs A, B, C and D the 4-bit word of the parallel outputs of the counter 5 is at the same clock frequency (3.072 MHz) clocked like the counter 5.
  • the filter 10 serializes the parallel 4-word, due to the 64-fold oversampling, a 20-bit signal 12 with the 48 kHz sampling frequency at the output of the digital filter. 10 occurs.
  • an FIR filter is preferably provided. With the digital Filtering also the noise components located above the listening area in the 4-bit output signal of counter 5 effectively suppressed.
  • the 20-bit serial digital output signal 12 can also be in any other data formats can be converted.
  • a format converter is shown in FIG. 1 11 indicated, the serial input SER.IN fed the signal 12 becomes.
  • the clock input CLK and another, which serves the word synchronization FRM CTL input are connected to the clock 9.
  • the optional one Format converter 11 produces a parallel output signal on its Multiple outputs, the first of which has LSB (corresponding to the least significant Bit) and the last with MSB (corresponding to the most significant bit) are designated.
  • the format converter 11 has an output AES / EBU for an AES / EBU interface and a free OTHER output FORM for a selectable other digital format.
  • the control loop can be modified from the embodiment according to FIG. 1 as a 1-bit converter be carried out so that the output 5 when the counter 5 is omitted of the comparator 4 directly with the chain of differential and integration stages 7.1 to 7.N is connected. Furthermore, the modulated RF oscillation does not need to be demodulated first and then digitized (using an RF demodulator 3 with a downstream comparator 4), but can; like Figures 2 and 3 show, immediately converted in a stage 30 into a (digital) 1-bit signal become.
  • the stage 30 contains a limiter amplifier or comparator 31 which the phase-modulated RF oscillation at the oscillating circuit coil 22 directly into one Rectangular signal converted with digital logic level.
  • phase-locked RF clock oscillator 33 which is the resonant circuit consisting of the capacitive sound receiver 2 and the oscillating circuit coil 22, via the coupling capacitor 35 excites and is synchronized by the clock oscillator 9 if necessary.
  • the 1-bit signal sequence which the Information of the sound receptor deflection from the rest position carries.
  • this function is represented by a D flip-flop executed.
  • the 1-bit signal is now with the required Oversampling, from which the desired quantization of the useful signal results, read into the digital filter 10 and the differential and integration stages 7.1 to 7.N fed.
  • the embodiment according to FIG. 3 differs from the embodiment according to Fig. 2 in that the difference and typical for a delta-sigma converter Integrating stages 7.1 to 7.N with digital filter 10 are eliminated and by one high-resolution analog-digital converter 50 (in the example considered as a counter trained) and a high-resolution digital-to-analog converter 60 are replaced, so that the control loop is closed again.
  • the digital output signal 12 which in the considered example is shown as a serial signal and which in the previous described in the format converter 11 in any other formatted digital Output signals can be converted.
  • the one converted to an analog microphone 4 remain from the advantages of the "real" digital microphone Microphones according to Figures 1 to 3, the advantages with regard to the low sound receptor deflection and the associated improvements explained at the beginning in terms of linear and non-linear distortions and sensitivity obtained if the amplifier 20 with a sufficiently large gain is trained. For example, with a gain factor of 100 Amplifier 20, the membrane deflection of the sound receiver 2 and that electrical output signal of the sound receiver 2 by the appropriate amount reduced.

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Claims (36)

  1. Procédé pour la conversion d'un signal acoustique provenant d'un organe récepteur d'un récepteur sonore (2) en un signal électrique, caractérisé en ce que l'organe récepteur est renforcé par l'action sur le signal acoustique d'un signal de réaction, de façon telle que l'organe récepteur est sensiblement maintenu dans sa zone de repos malgré l'action du signal acoustique, en ce que le signal de réaction est déduit d'un gain de boucle d'une boucle de régulation (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.1 à 7.N, 8), boucle dans laquelle le récepteur sonore (2) est un élément constitutif, et de sorte que le gain de boucle contienne une information sur le signal acoustique en action, et en ce que chaque déviation de l'organe récepteur de sa position de repos génère directement les informations numériques "zéro" ou "un".
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de réaction est généré par un émetteur sonore (1) qui est couplé de manière acoustique au récepteur sonore (2).
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal de réaction est généré par un émetteur sonore (1) et en ce que l'organe récepteur est prévu pour être en même temps partie génératrice de sons et reproductrice de sons d'une combinaison composée d'un émetteur sonore et d'un récepteur sonore.
  4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que une membrane est prévue comme organe récepteur.
  5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un élément de construction monté de manière élastique ou comme un ressort, est prévu comme organe récepteur.
  6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'émetteur sonore (1) et le récepteur sonore (2) sont montés selon des principes de conversion électroacoustique arbitraires.
  7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déviations de l'organe récepteur sont converties directement au moyen d'un comparateur (31) en un signal numérique.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, pour l'obtention du signal de réaction, le signal numérique est converti de manière inverse au moyen d'un convertisseur numérique / analogique (6') en un signal analogique.
  9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la boucle de régulation travaille selon le principe d'un modulateur Delta Sigma à un ou plusieurs étages, le récepteur étant inséré dans la fonction de comparaison du modulateur Delta Sigma.
  10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le modulateur Delta-Sigma est réalisé selon une technique à 1 bit ou à plusieurs bits.
  11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'organe récepteur module la phase et/ou l'amplitude d'un circuit oscillateur HF, dont le récepteur sonore (2) est l'élément constitutif capacitif.
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le circuit oscillateur HF est connecté à un démodulateur HF (3) lequel démodule en phase et/ou en amplitude l'oscillation HF.
  13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'oscillation HF modulée en phase est directement numérisée au moyen d'un comparateur limiteur (31) et l'oscillation HF numérisée est convertie directement en un signal numérique porteur de l'information du récepteur par un comparateur de phase numérique (32).
  14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déviations du récepteur sonore sont transformées en un signal électrique analogique, lequel, après amplification (20) est fourni (figure 4) comme signal de réaction à l'émetteur sonore (1).
  15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le signal de sortie électrique analogique est converti (21) en un signal numérique.
  16. Procédé selon l'une des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que le signal numérique est filtré (10) de telle sorte que les informations temporelles sont converties en informations d'amplitude.
  17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que le signal numérique transformé est converti en un autre format de données de sorte que les informations dans le plan des temps sont transformées dans le plan des amplitudes.
  18. Procédé selon l'une des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce qu'un filtre FIR à réponse impulsionnelle finie est utilisé comme filtre numérique (10).
  19. Dispositif récepteur sonore, avec un récepteur sonore (2) dans lequel est disposé un organe récepteur, caractérisé en ce que l'organe récepteur est renforcé par effet d'un signal de réaction sur un signal acoustique, de sorte que l'organe récepteur est sensiblement maintenu dans son état de repos en dépit de l'effet du signal acoustique, en ce que le signal de réaction est dérivé du gain de boucle d'une boucle de régulation (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.1 à 7.N, 8), laquelle boucle de régulation contient le récepteur sonore (2) comme partie constitutive, et de sorte que le gain de boucle contienne l'information sur le signal acoustique agissant, et en ce que chaque déviation de l'organe récepteur de son état de repos engendre directement l'information numérique sous forme de "zéro" ou de "un".
  20. Dispositif récepteur sonore selon la revendication 19, caractérisé en ce que le signal de réaction est généré par un émetteur sonore (1) lequel est couplé de manière acoustique au récepteur sonore (2).
  21. Dispositif récepteur sonore selon la revendication 19, caractérisé en ce que le signal de réaction est généré par un émetteur sonore (1) et en ce que l'organe récepteur est prévu en même temps comme élément de production sonore et de reproduction sonore dans une combinaison émetteur sonore - récepteur sonore.
  22. Dispositif récepteur sonore selon l'une des revendications 19 à 21, caractérisé en ce qu'une membrane est prévue comme organe récepteur.
  23. Dispositif: récepteur sonore selon l'une des revendications 19 à 21, caractérisé en ce que il est prévu un élément monté de manière élastique ou configuré en ressort servant d'organe récepteur.
  24. Dispositif récepteur sonore selon l'une des revendications 19 à 23, caractérisé en ce que l'émetteur sonore (1) et le récepteur sonore (2) sont réalisés selon des principes de transformation électroacoustique arbitraires.
  25. Dispositif récepteur sonore selon la revendication 19, caractérisé en ce que les déviations de l'organe récepteur sont converties au moyen d'un comparateur (31) directement en un signal numérique.
  26. Dispositif récepteur sonore selon la revendication 25, caractérisé en ce que le signal numérique est converti en un signal analogique pour produire le signal de réaction au moyen d'un convertisseur numérique / analogique (6').
  27. Dispositif récepteur sonore selon l'une des revendications 1 à 26, caractérisé en ce que la boucle de régulation fonctionne selon le principe d'un modulateur Delta-Sigma à un ou plusieurs étages, de sorte que l'organe récepteur est introduit dans la fonction de comparaison du modulateur Delta-Sigma.
  28. Dispositif récepteur sonore selon la revendication 27, caractérisé en ce que le modulateur Delta-Sigma met en oeuvre une technique à 1 bit ou à plusieurs bits.
  29. Dispositif récepteur sonore selon l'une des revendications 19 à 28, caractérisé en ce que le récepteur sonore module la phase et/ou l'amplitude d'un circuit oscillant HF, dont le récepteur sonore (2) est la partie capacitive.
  30. Dispositif récepteur sonore selon la revendication 29, caractérisé en ce que le circuit oscillant HF est connecté à un démodulateur HF (3) lequel réalise une démodulation de l'oscillation HF modulé en phase et/ou en amplitude.
  31. Dispositif récepteur sonore selon la revendication 29, caractérisé en ce que l'oscillation HF modulée en phase est directement numérisée par un comparateur limiteur (31) et l'oscillation HF numérisée est directement convertie en un signal numérique portant l'information au moyen d'un comparateur de phase (32).
  32. Dispositif récepteur sonore selon la revendication 19, caractérisé en ce que les déviations de l'organe récepteur sont converties en un signal électrique analogique lequel, après une amplification résultante (20), est fourni comme signal de réaction (figure 4) à l'émetteur sonore (1).
  33. Dispositif récepteur sonore selon la revendication 32, caractérisé en ce que le signal de sortie électrique analogique est converti en un signal numérique (21).
  34. Dispositif récepteur sonore selon l'une des revendications 25 à 31, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre numérique (10) pour le filtrage du signal numérique de sorte que les informations temporelles soient converties en informations d'amplitude.
  35. Dispositif récepteur sonore selon la revendication 34, caractérisé en ce que le signal numérique transformé est converti en un autre format de données de sorte que les informations soient transformées du plan temporel dans le plan des amplitudes.
  36. Dispositif récepteur sonore selon la revendication 34 ou 35, caractérisé en ce qu'un filtre FIR à réponse impulsionnelle finie est utilisé comme filtre numérique (10).
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