SE531023C2 - Ljudåtergivningssystem - Google Patents

Description

20 25 30 531 0123 2 eller annan utrustning med digital ljudutgång kan utgöra uppspelningsenhet 2. En kabel 10, innefattar åtminstone en elektrisk ledare som företrädesvis är elektriskt isolerad från omgivningen överallt utom i nämnd kabels ändar. Om en kabel innehåller två eller fler elektriska ledare är dessa ledare dessutom elektriskt isolerade från varandra. En kabel kan innefatta en elektriskt ledande skärmning inrättad att förhindra elektromagnetiska störningar från att induceras i dess övriga ledare.

Teknikens ståndpunkt uppvisar flera problem hos dagens aktiva högtalare för Hi-fi.

Att bygga in förstärkaren i högtalarlådan innebär exempelvis att högtalaren måste utformas med detta i åtanke redan från början, eftersom förstärkarens nätdel tar upp en väsentlig volym i högtalarlådan. Detta gör att aktiva högtalare för Hi-fi är mycket dyra att tillverka, eftersom det innebär ett stort steg för en tillverkare att från grunden ta fram en helt ny konstruktion och dessutom avancerad elektronik. Uppfinningen som föreslås möjliggör istället användandet av existerande passiva högtalare för ombyggnad till aktiva sådana. Detta eftersom förstärkarenheten 9 är i samma fysiska storleksordning som den passiva elektronik som återfinns i passiva högtalare. Med dagens teknologi är detta endast realistiskt för Hi-fi genom att separera nätdelen 6 från den aktiva högtalaren 7. Att bygga in större elektronikenheter än de en passiv högtalarlåda är konstruerad för påverkar högtalarens ljudkaralctär negativt då lådans volym och form är mycket viktiga parametrar för att uppnå Hi-fi. Uppfinningen gör att fördelarna hos aktiva högtalare kan erhållas även hos traditionella, passiva högtalare.

I aktiva högtalare för Hi-fi som konstruerats som sådana från grunden måste nätdelens prestanda vägas mot hur stor plats denna får ta i högtalarlådan och hur stor och tung högtalar- lådan får vara. Om nätdelen underdimensioneras försämras ljudsystemets prestanda avsevärt.

Dessutom utvecklar nätdelen värme i närheten av förstärkarens utgångstransistorer som måste kylas på ett effektivt sätt. Detta leder till att även förstärkarens kylanordníng blir onödigt skrymmande.

Förutom problemen vid framtagandet av aktiva högtalare uppvisar tekniken idag en rad problem även för användaren. Ett exempel är kabeldragningen som är mycket mer omfattande hos dagens aktiva högtalare för Hi-fi än hos traditionella, passiva sådana. Varje högtalarlåda kräver både nätanslutning och signalkabel. Dessutom kräver många lösningar en tredje kabel för styming av den inbyggda förstärkaren. Att ha flera kablar till varje högtalare försvårar städning och uppfattas av många som störande. Vill användaren inte dra onödigt långa kablar till elnätet begränsas dessutom alternativen till möblering, eftersom högtalarna 10 15 20 25 30 53% 023 måste placeras med tillgång till vägguttag.

Problem med styrning av förstärkaren i dagens aktiva högtalare föreligger också eftersom en styrenhet 4 saknas. I konventionella system» med passiva högtalare har man en extern förstärkare eller förförstärkare som också används för att justera exempelvis ljudvolym. I digitala system med aktiva högtalare för Hi-fi måste man istället göra sådana inställningar direkt på högtalaren, fysiskt eller via fjärrkontroll. Med aktuell uppfinning implementerad ser systemet istället exakt ut som ett konventionellt system med passiva högtalare, eftersom styrenheten 4 för användaren ser ut och fungerar som förstärkaren eller förförstärkaren i det konventionella systemet med passiva högtalare.

Uppfinningen löser ovanstående problem genom att nätdelen 6 är fysiskt separerad från den aktiva högtalaren 7. Detta gör att förstärkarenheten 9 går att bygga tillräckligt liten för att möjliggöra nämnd inbyggnad i passiva högtalare, utan att för den skull göra några ljudmässiga kompromisser vad gäller effektuttag eller precision. Separationen av nätdel 6 och förstärkarenhet 9 möjliggör i sin tur en lösning även på problemet med flera kablar till varje aktiv högtalare, då en enda kabel 10 är inrättad att leverera både en digital ljudsignal och strömförsörjning från styrenheten 4 till den aktiva högtalaren 7. För att driva förstärkare för äkta Hi-fi krävs att kabel 10 är inrättad att leverera en kontinuerlig effekt på åtminstone 160 watt till varje aktiv högtalare 7. Förstärkare av exempelvis typen klass-D kan idag erhållas med mycket hög verkningsgrad. En sådan lösning skulle eventuellt kunna sänka kravet på effektöverföring och därmed också ledarnas tvärsnittsyta i kabel 10 något. Detta är dock ej lämpligt för Hi-fi med dagens teknologi eftersom distorsionen är större hos klass-D och liknande lösningar än hos analoga förstärkare som exempelvis klass-A, klass-AB och klass-B.

Denna distorsion blir tydligast hos ljud av högre frekvenser, vilket gör att förstärkare för mellanregister och diskant idag företrädesvis bör vara analoga. Klass-D och liknande förstärkarteknologier med hög verkningsgrad är lämpliga för lägfrekventa ljud (bas) eftersom distorsionen i de registren ändå är relativt stor från exempelvis högtalarelement. Det gör att kraven pä förstärkarens precision där blir lägre. Dessutom är det också basátergivningen som kräver störst effekt. Oavsett om förstärkare med mycket hög verkningsgrad används bör varje aktiv högtalare för äkta Hi-fi ha förstärkare med total uteffekt av åtminstone 150 watt. Med minimala förluster innebär detta att kabel 10 bör vara inrättad att leverera en effekt av åtminstone 160 watt kontinuerligt.

Uppfinningen möjliggör också användande av standardkabel med så få ledare att inga 10 15 20 25 30 531 023 4 specialkontakter behövs i ändarna för enkel montering. Därmed kan användaren erhålla kabel 10 som metervara och klippa upp den i optimala längder för effektiv och praktisk kabeldragning i alla typer av rum.

Vidare utnyttjar systemet tidigare kända fördelar då styrenheten 4 levererar en digital audiosignal ända till förstärkarenheten 9 i den aktiva högtalaren 7. Detta ger en brusfri signal- överföring helt utan hörbara störningar ända fram till högtalarlâdan genom att förstärkarenheten 9 kan bearbeta exakt samma ljuddata som finns på lagringsmediet 1. I högtalare för Hi-fi är det önskvärt att dela upp den elektriska signalen i åtminstone två frekvensband med ett så kallat delningsfilter. Detta för att det idag inte fmns enskilda högtalarelement för Hi-fi, som klarar att hantera hela det hörbara frekvensområdet, utan separata högtalarelement måste användas för åtminstone låg- och högfrekventa ljud (bas respektive diskant). För att ytterligare höja ljudåtergivningens korrekthet delar man ofta upp signalen ytterligare, till tre eller fler högtalarelement, exempelvis bas, mellanregister och diskant, vilket gör att högtalarelementen bara behöver arbeta i de frekvensområden där deras ljudegenskaper är som bäst. Genom att ersätta det analoga delningsfiltret i konventionella aktiva högtalare med digital filtrering i DSP 15, möjliggör uppfinningen fllterutforrnning som i praktiken är omöjlig med analog elektronik. Dessutom kan DSP 15 kompensera högtalarens ljudkaraktäristik digitalt, vilket ytterligare höjer ljudåtergivningens korrekthet och därmed gör att ljudåtergivningssystemet ytterligare närmar sig perfekt Hi-ti.

Eftersom uppfinningen gör att den elektriska audiosignalen är analog i en minimal del av ljudàtergivningssystemet blir detta mycket okänsligt för stömingar och den resulterade brusnivån är minimal.

Speciell del Beskrivning av figurer Pig. 1 visar en översikt av vad som refereras till som ljudåtergivningssystem. Nummer i figuren följt av en bokstav indikerar flera identiska komponenter. Speciellt indikerar L, R och C efter en siffra vänster, höger respektive center exempel av samma sorts komponent.

Detta är ett exempelsystem för S-vägs (bas, mellanregister och diskant) 3-kanalsljud (L, R och C), men uppfinningen begränsas ej till 3-kanalsljud utan antalet förstärkarenheter 9 och högtalare 7 i systemet kan vara godtyckligt. Likaså är antalet högtalarelement ll, 12 eller 13, samt antalet förstärkare 17 eller 20 som är kopplade till varje förstärkarenhet 9 godtyckligt. 10 15 20 25 30 531 023 5 Fig. 2 visar samma ljudåtergivriingssystem som Fig. 1, men en annan möjlig kabel- dragning mellan styrenheten 4 och de aktiva högtalarna 7, som inte är möjlig med passiva högtalare, illustreras.

Fig. 3 visar en möjlig utfontming av förstärkarenheten 9, med signalomvandling från digital till analog signal innan förstärkaren på varje kanal. Endast vissa nyckelkomponenter är illustrerade. Nummer i figuren följt av en bokstav indikerar flera komponenter av samma typ.

Fig. 4 visar en annan möjlig utformning av törstärkarenheten 9, med signalomvandling på åtminstone en av kanalerna från digital PCM-data till digital PWM-data 19, följt av för~ starkare 20 avsedd för denna typ av insignal, exempelvis förstärkare av typen klass-D. Endast vissa nyckelkomponenter är illustrerade. Nummer i figuren följt av en bokstav indikerar flera komponenter av samma typ.

Fig. 5 visar ett exempel på överlagring som möjliggör överföring av nedtransformerad lik- eller växelström och digital signal via en kabel 10 med två ledare. Nummer i figuren följt av en bokstav indikerar flera komponenter av samma typ.

Fig. 6 visar ett exempel pá överlagring som möjliggör överföring av nedtransformerad lik- eller växelström och differentiell digital signal via en kabel 10 med två ledare. Nummer i figuren följt av en bokstav indikerar flera komponenter av samma typ.

Fig. 7 visar ett exempel på överlagring som möjliggör överföring av likström med både positiv och negativ spänning relativt jord, kombinerat med differentiell digital signalöverföring via en kabel 10 med tre ledare. Nummer i figuren följt av en bokstav indikerar flera komponenter av samma typ.

Detaljerad beskrivning av uppfmníngen Beskrivningen följer signalens väg från uppspelningsenhet till högtalarelement.

Signalen från den digitala uppspelningsenheten 2 följer idag oftast någon standard för digital överföring av ljud, exempelvis S/PDIF (tillhör standard IEC~60958), AES/EBU (tillhör standard AESS) eller DSD (direct stream digital). Signalen kan antingen innehålla information om okomprimerade ljudsampel (exempelvis Pulse-code modulation - PCM), en komprimerad dataström som måste avkodas innan den kan spelas upp (exempelvis Dolby Digital” eller DTSTM), eller en dataström som direkt motsvarar en ljudsignal om den sänds genom lämplig hårdvara (DSD). Styrenheten 4 eller DSP 15 i fórstärkarenheten 9 är kapabel att avkoda en 10 15 20 25 30 531 023 komprimerad dataström.

I en föredragen utföringsforna preparerar styrenheten 4 signalen, med eller utan nämnd avkodning, genom att omvandla den så att dess egenskaper följer AES/EBU-standarden för okomprimerat stereoljud. För att styrenheten 4 ska kunna sända ljudparametrar, såsom exem- pelvis volym och andra inställningar till förstärkarenheten 9, lägger styrenheten all sådan information i den del av den utgående dataströmmen som i standarden benämns ”User Data” , det vill säga de bitar som användaren av protokollet kan sätta godtyckligt utan att strida mot standardföreskriften. Utöver denna grundläggande omkodning av data kan ytterligare valfri modifiering av data, såsom exempelvis korrektion för rummets akustik, ske i styrenheten 4.

Styrenheten 4 överlagrar sedan AES/EBU-signalen 8a och 8b enligt Fig.6 eller Fig. 7.

Högpassfilter 21a, 2lb och 23 samt lågpassfilter 22a, 22b, 24a och 24b är inrättade att separera digital signal och likströmsförsöijning på sändar- och mottagarsida. 23 innehåller även en AES/EBU-mottagare som omvandlar AES/EBU-sigrialen till ett lämpligt format, exempelvis FS, på databussen 25, som utgör ingång på DSP 15. Mellan styrenheten 4 och förstärkarenheten 9 är en kabel 10 med tre ledare inrättad att förbinda dessa enheter. Kraftiga ledare möjliggör transport av stora likströmmar för aktiva högtalare 7, avsedda för Hi-fi.

I en annan föredragen utföringsforrn preparerar styrenheten 4 signalen, med eller utan nämnd avkodning, genom att omvandla den så att dess egenskaper följer S/PDIF-standarden för okomprimerat stereoljud. Styrenheten kan omkoda signalen som i föregående utföríilgsforrn med enda skillnaden att kodningen i denna utföringsform följer S/PDIF- standarden. styrenheten 4 överlagrar sedan S/PDIF-signalen 8 enligt Fig. 5. Högpassfilter 21 och 23 samt lågpassfilter 22 och 24 är inrättade för att separera digital signal och strömförsörjning på sändar- respektive mottagarsida. 23 innehåller även en S/PDIF-mottagare som omvandlar S/PDIF-signalen till ett lämpligt format, exempelvis FS, på databussen 25, som utgör ingång på DSP 15. Mellan styrenheten 4 och förstärkarenheten 9 är en kabel 10 med två ledare inrättad att förbinda dessa enheter. Kraftiga ledare möjliggör transport av stora strömmar för aktiva högtalare 7 , avsedda för Hi-fi.

I ytterligare en utföringsform sänder styrenheten den digitala ljudsignalen genom en separat ledare i samma kabel 10 som strömsförsörjningen till förstärkarenheten 9, vilket totalt ger tre eller fyra ledare beroende på om förstärkarenheten 9 även kräver negativ spänningsmatning i förhållande till jord. Då kan fortfarande tillräckligt kraftiga ledare användas för att leverera stora strömmar till aktiva högtalare 7, avsedda för Hi-fi. 10 15 20 25 30 531 023 7 I ytterligare en utföringsform av uppfmningen ser systemet ut som i någon av föregående utföringsformer, men den av styrenheten 4 till de aktiva högtalarna 7 avgivna digitala signalen är av någon annan utformning alternativt modulerad i en bärvåg, som ändå möjliggör för förstärkarenheten 9 att med lämplig mottagare 14 tyda signalens digitala innehåll.

I ytterligare en utföringsform av uppfinningen ser systemet ut som i någon av föregående utföringsformer, men styrenheten 4 utför ingen omkodning alls, utan DSP 15 i förstärkarenheten 9 gör istället motsvarande omkodning. Denna lösning kräver att information om ljudvolym redan ligger i dataströmmen från uppspelningsenheten 2, att styrenheten 4 lägger denna information till en i övrigt oförändrad, komprimerad dataström eller att ljuddatat i sig ändrats för att justera volymen.

Förstärkarenheten 9 extraherar data med lämplig mottagare 14 och behandlar lik- eller växelströmmen i ledare 26 och 27 (Fig. 5), alternativt 26a, 26b och 27 (Fig. 6 eller Fig. 7), för att försörja förstärkarenheten 9 med lämpliga spânningsnivåer för de olika komponenterna på denna. Att hela nätdelen, eller dess transformator 6 år fysiskt separerad från törstärkarens aktiva komponenter, exempelvis 17 eller 20, innebär inte en försämring av prestanda. För att fortfarande snabbt kunna leverera mycket stora strömmar till förstärkarna 17 eller 20 kopplas 18 parallellt med Kondensatorerna 18 kan då de är uppladdade leverera mycket stora strömmar under en kortare tid. lämpliga kondensatorer strömförsörjningen till förstärkarna.

I en föredragen utföringsform (Fig. 3) är omvandlare för digital till analog signal (D/A-omvandlare) l6a, l6b och 16c inrättade att skapa en analog elektrisk signal som direkt motsvarar de ljudvågor som högtalarelementen ll, 12 och 13 ska sända ut i rummet. Analoga förstärkare 17a, l7b och l7c av typen klass-A, klass-AB, klass-B eller liknande är inrättade att förstärka den elektriska audiosigtialen efter DlA~omvandlarna 16a, 16b och 16c.

I en annan föredragen utföringsform (Fig. 4) är omvandlare för digital PCM-signal till PWM-signal (PWM-processor) 19 inrättade att, på åtminstone en av kanalerna på samma förstärkarenhet 9, exempelvis kanalen för lågfrekventa signaler (bas), efter DSP 15 skapa en digital PWM-signal. För att förstärka denna PWM-signal är en förstärkare av typen klass-D eller liknande 20 inrättad, vilket ger hög verkningsgrad.

I ytterligare en föredragen utföringsform är en förstärkare med hög verkningsgrad 20, exempelvis av typen klass-D, inrättad att, på åtminstone en av kanalerna på samma förstärkar- 10 15 20 25 531 023 8 enhet 9, exempelvis kanalen för lågfrekventa signaler (bas), förstärka en analog signal skapad av en D/A-omvandlare 16. (En klass-D förstärkare levererar en pulsad signal där strömpulsernas varaktighet eller inbördes avstånd styrs så att när de integreras av den mekaniska trögheten i en bashögtalare så erhålles önskat ljud under det att av pulstâget alstrade övertoner släcks ut av samma tröghet. Genom att förstärkaren i princip arbetar som en switch blir effektförlusterna och värmeutvecklingen i förstärkaren små respektive liten.

Denna förstärkattyp förses ändå ofta med ett elektriskt rekonstruktionsfilter på utgången vilket tar bort högfrekventa komponenter före den kabel som är inrättad att leverera signalen till aktuell högtalarelement. Detta för att ge en högre ljudkvalitet och samtidigt minimera de antenneffekter som annars uppstår. ) Efter förstärkning och eventuell rekonstruktionstiltrering i förstärkarna 17 eller 20 är en högtalarkabel inrättad att sammanbinda var och en av dessa förstärkare direkt med respektive högtalarelement ll, 12 och 13.

Inom ramen för uppfinningen kan man även tänka sig att respektive förstärkarenheter monteras fast på baksidan av respektive högtalare och avger en analog ljudsignal som också filtreras av högtalarens inbyggda filter. Härigenom kan redan existerande högtalare användas utan ingrepp.

Inom ramen för uppfinningen kan man tänka sig att förstärkarenhcterna i eller på hög- talarna individuellt, antingen genom inställning vid vaije förstärkarenhet eller centralt från styrenheten, ställs in vad det gäller exempelvis frekvensbandsgränserna, tiltrens brantheter och andra parametrar för drivníngen av de respektive högtalarelementen i högtalarna.

Uppfinningen ger användaren ett mycket stort val vad det gäller anslutandet av högtalarna som kan förbindas efter varandra och/eller genom förgrenande och dessutom kan befmtliga högtalare användas.

Claims (6)

10 15 20 25 30 531 B23 PATENIKRAV

1. l. Ett ljudåtergivningssystem för Hi-fi med digital signalöverföring från en uppspelningsenhet (2) via en styrenhet (4) till en eller flera aktiva högtalare (7) med i eller vid dessa anordnade törstärkarenheter (9) kännetecknat av att styrenheten (4) är att styra ljudparametrar och sända både digital signal (3, 8) och likström (5) för att driva förstärkarenheterna (9) och att styrenheten (4) är inrättad att överlagra en enkel eller differentiell digital signal (8 eller 8a och 8b) tillsammans med likströmmen (5) på gemensamma ledare i en kabel (10) med åtminstone tvâ ledare.

2. Ett ljudâtergivningssystem enligt patentkrav 1, kännetecknat av att styrenheten (4) är inrättad att överlagra en differentiell digital signal (8a och 8b) och likströmförsörjningen på gemensamma ledare i enkabel (10) med åtminstone tre ledare.

3. Ett ljudåtergivningssystem enligt något av föregående patentkrav, kännetecknat av att en nätdel (6) för likströmmen till högtalarna är integrerad i styrenheten (4).

4.' Ett ljudåtergivningssystem enligt något av föregående patentkrav kännetecknat av att förstärkarenheterna (9) är inrättade att dela upp den från den gemensamma kabeln utsorterade digitala signalen motsvarande det ljud som skall levereras av respektive högtalare, i åtminstone två olika frekvensband, samt omvandla och förstärka resulterande signaler separat för avgivande till motsvarande högtalarelement i respektive högtalare.

5. Ett ljudâtergivningssystem enligt patentkrav 4, ikännetecknat av att minst en, i synnerhet för det högsta frekvensbandet avsedd förstärkare i en förstärkarenhet (9) är en analog förstärkare.

6. Ett ljudâtergivningssystem enligt något av föregående krav, kännetecknat av att den från styrenheten avgivna digitala signalen och drivströmxnen avges till samtliga högtalare eller grupper av högtalare vars respektive förstärkare är inrättade att ur den digitala ljudsignalen eller signaler utsortera ljudinformationen just för den högtalaren, så att högtalarna kan anslutas i rad efter varandra eller med förgreningar. --._...._----~-~.-