Technisches Gebiet

Ausführungsbeispiele betreffen ein System zum Filtern eines Audiosignals. Insbesondere ist das System als Tiefton Limiter ausgelegt, der vorteilhaft besonders geringe Verzerrungen bei der Wiedergabe des gefilterten Audiosignals mittels Lautsprechern ermöglichen kann. Weiterhin werden ein Audiosystem mit einem derartigen Limiter und zumindest einem Lautsprecher vorgeschlagen, sowie ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Audiosystem.

Hintergrund

In modernen Kraftfahrzeugen werden standardmäßig Audiosysteme zur Wiedergabe von Informationen oder auch Inhalten aus dem Bereich Entertainment eingesetzt. Die Lautsprecherentwicklung zur Audiowiedergabe im Fahrzeuginnenraum ist unter anderem getrieben von geringem Platzbedarf und geringen Kosten für die einzelnen Chassis. Lautsprecher mit kleiner Membran und geringem Rückvolumen weisen jedoch zum Teil Nachteile bei der Schallproduktion insbesondere niederfrequenter Signale auf (z.B. durch Strahlungsimpedanz der Lautsprechermembran und Einbauresonanzfrequenz). Die Nutzung kostenoptimierter Werkstoffe kann neben der Verringerung der Audioqualität auch eine verringerte Belastbarkeit/Leistungs- aufnahme der Lautsprecherchassis zur Folge haben. Gleichzeitig müssen Lautsprecher vor allem im niederfrequenten Bereich teils einen sehr hohen Schalldruckpegel (z.B. >100 dB in 1 m) aufweisen, um sich etwa effektiv gegen die Fahrgeräusche bei hohen Geschwindigkeiten durchsetzen zu können. Die in Fahrzeugen typischerweise verwendeten elektrodynamischen Lautsprecher werden somit teilweise nahe an ihrer mechanischen und thermischen Leistungsgrenze betrieben.

Allerdings besitzen elektrodynamische Lautsprecher nur für kleine Membranauslenkungen ein lineares Übertragungsverhalten. Mit zunehmender Auslenkung treten vor allem im Tieftonbereich deutlich hörbare Nichtlinearitäten auf. Die Gründe dafür sind im Wesentlichen im Verlauf dreier Kenngrößen eines Lautsprechers zu finden: dem Kraftfaktor des elektrodynamischen Antriebs; der Steifigkeit der Membranaufhängung; und der Induktivität der Schwingspule. Die Kennlinien dieser drei Größen verlaufen nur bei sehr kleinen Auslenkungen linear. Bei steigender Spannungsamplitude kommt es zu einer Kompression der Membranauslenkung, wodurch unerwünschte harmonische Verzerrungsprodukte auftreten. In höheren Frequenzbereichen stellt die Auslenkung hingegen kein Problem mehr dar, dort ist der Lautsprecher eher durch Überhitzung der Schwingspule bedroht.

Vor allem im PA Bereich (Live-Beschallung), aber auch zunehmend im Consumerbereich, erfolgt bei aktiv angesteuerten Lautsprechersystemen eine Limitierung der Spannungsamplitude und damit der Leistungsaufnahme. Ein als Signalfilter eingesetzter Limiter erfüllt somit meist zwei Funktionen: In erster Linie gilt es, der Zerstörung der Lautsprecher durch zu hohe mechanische Beanspruchung oder Überhitzung vorzubeugen. Zweitens sollen hörbare Verzerrungen vermieden werden. Die Begrenzung von Pegelspitzen (Peak Limiter) erfüllt wirksam die notwendige Aufgabe für den niederfrequenten Bereich. Allerdings entstehen durch die Arbeitsweise herkömmlicher Limiter durch den Regelvorgang selbst nichtlineare Verzerrungen, die umso stärker ausfallen, je abrupter die Signal amplitude manipuliert, also begrenzt wird. Zum thermischen Schutz wird mit einem Thermolimiter (Root Mean Square/RMS Limiter) bei Bedarf der Pegel begrenzt.

In der Druckschrift KR 101230004 Bl ist ein klangaktives Steuersystem für einen Mehreingangslautsprecher offenbart. Ein Vorverstärker enthält einen Toneingangsanschluss. Der Vorverstärker verstärkt den Ton, der über den Toneingangsanschluss geliefert wird. Hauptverstärker verstärken das Ausgangssignal des Vorverstärkers, indem sie mit dem Vorverstärker verbunden sind. Ein Mikrocontroller steuert den Vorverstärker. Eine Relaiseinheit ist selektiv mit den Hauptverstärkern und einem Mikrocontroller verbunden. Mehrere Kompressionstreiber sind parallel an die Relaiseinheit angeschlossen.

In der Druckschrift US 3480835 sind ein thermischer RMS (root mean square) Limiter sowie ein Halbleiterschaltkreis offenbart. Allerdings kann es sein, dass die offenbarten Konzepte modernen Anforderungen nicht mehr genügen. Zusammenfassung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, verbesserte Konzepte für Limiter in der Audiosignalverarbeitung bereitzustellen, um zumindest geringere Verzerrungen bei der Audiowiedergabe zu ermöglichen oder Verzerrungen sogar ganz vermeiden zu können.

Diese Aufgabe wird gelöst gemäß den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Patentansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in Verbindung mit den Figuren beschrieben.

Entsprechend wird ein System zum Filtern eines Audiosignals vorgeschlagen. Das System umfasst zumindest einen Signaleingang zum Empfangen eines Eingangssignals und zumindest einen Signalausgang zum Ausgeben eines Ausgangssignals. Diese Anschlüsse (z.B. Input/Output einer elektronischen Schaltung) sind ausgelegt, elektrische Signale zu empfangen. Als Eingangs- und Ausgangssignal sind insbesondere Audiosignale vorgesehen.

Das System weist ferner einen Skalierungspfad, einen Limiterpfad und einen Delaypfad auf. Der Signaleingang und der Signalausgang sind mittels dieser drei Pfade miteinander verbunden. Der Limiterpfad ist dabei parallel zum Skalierungspfad ausgebildet. Der Delaypfad ist zwischen Signaleingang und Signalausgang (z.B. direkt zwischen Signal eingang und Signalausgang) parallel zu Skalierungspfad und Limiterpfad ausgebildet.

Es ist vorgesehen, dass der Skalierungspfad ausgebildet ist, durch Bilden eines Mittelwerts des Eingangssignals und unter Verwendung einer nichtlinearen Signalverarbeitung ein Skalierungssignal zu bilden. Bei der Mittelwertbildung kann z.B. ein quadratischer Mittelwert (root mean square - RMS) gebildet werden. Die nichtlineare Signalverarbeitung kann bewirken, dass erst Signalanteile ab einem bestimmten Signalpegel durch den Skalierungspfad geleitet werden. Zum Beispiel kann der Skalierungspfad ausgebildet sein, dass bei geringen Signalpegeln kein Skalierungssignal am Ende des Skalierungspfades ausgegeben wird.

Ferner ist vorgesehen, dass der Limiterpfad eine Tiefpasscharakteristik aufweist und zusätzlich ausgebildet ist, eine Phase des Eingangssignals des Systems frequenzabhängig zu ändern, um ein Limitersignal zu erzeugen. Der Limiterpfad ist ausgebildet, um das phasengeänderte Limitersignal am Ende des Limiterpfades bereitzustellen. Das System zum Filtern des Audiosignals ist ausgebildet, das unter Verwendung des Skalierungssignals skalierte Limitersignal auf ein Delaysignal des Delaypfades aufzuprägen, um das Ausgangssignal zu erzeugen. Dazu werden beispielsweise das Skalierungssignal und das Limitersignal kombiniert (z.B. mittels Multiplikation), um das skalierte Limitersignal zu erzeugen. Zum Beispiel kann dementsprechend vorgesehen sein, das Skalierungssignal zunächst mit dem Faktor -1 zu multiplizieren und dann das skalierte Limitersignal auf das Delaysignal zu addieren. Alternativ kann auch erst das skalierte Limitersignal mit Faktor -1 multipliziert werden und dann auf das Delaysignal aufaddiert werden. Alternativ kann auch der Multiplikation mit Faktor -1 das skalierte Limitersignal vom Delaysignal subtrahiert werden.

Im Ergebnis können durch das Aufprägen des skalierten Limitersignals mit Phasenverschiebung niederfrequente Signalanteile gedämpft oder ausgelöscht werden, sodass eine fein abstimmbare und verzerrungsreduzierte oder verzerrungsfreie Dämpfung tiefer Frequenzen im Ausgangssignal erreicht werden kann. Die erfolgte Tiefpassfilterung und Phasenänderung im skalierten Limitersignal kann eine selektive Auslöschung niederfrequenter Signalanteile im Ausgangssignal verglichen mit dem Eingangssignal ermöglichen. Dadurch kann bei Wiedergabe des Ausgangssignals mittels einem Lautsprecher eine Überlastung oder ein Übersteuern des Lautsprechers auch in tiefen Frequenzen vermieden werden. Das vorgeschlagene System kann als Filter oder Limiter mit einer Hochpasscharakteristik beschrieben werden, um niederfrequente Signalanteile, die zur Überlastung oder nichtlinearen Auslenkung eines zu verwendenden Lautsprechers führen können, herauszufiltem.

Entsprechend einer Ausführungsform des Systems kann auch der Skalierungspfad eine Tiefpasscharakteristik aufweisen. Ferner kann vorgesehen sein, dass die nichtlineare Signalverarbeitung für Frequenzen mit höherer Amplitude eine höhere Verstärkung aufweist, als für Frequenzen mit geringer Amplitude. Dies kann - wie bereits erwähnt - ermöglichen, dass die Filterfunktion für niederfrequente Signalanteile erst ab einem gewissen Pegel (z.B. Einsatzschwelle) einsetzt, während niederfrequente Signalanteile mit geringem Pegel, die nicht zu einer Überlastung oder Übersteuerung des Lautsprechers führen würden, ungefiltert das System passieren können.

Mit anderen Worten kann die nichtlineare Signalverarbeitung ausgebildet sein, erst ab einer vorbestimmten Mindestamplitude des Eingangs signals das Skalierungssignal auszugeben. Für niederfrequente Signale mit geringer Amplitude oder geringem Pegel, die zu keiner starken Auslenkung eines Lautsprechers führen, ist es unter Umständen nicht notwendig, das Signal zu limitieren, da der Lautsprecher in diesem Fall alle Frequenzen verzerrungsfrei ausgeben kann. Gemäß einem Aspekt der Offenbarung ist vorgesehen, dass eine Grenzfrequenz der Tiefpasscharakteristik des Skalierungspfades und/oder Limiterpfades zwischen 20 Hz (oder 30 Hz, oder 50 Hz) und 500 Hz (oder 300 Hz, oder 200 Hz, oder 100 Hz) liegt. Insbesondere kann die Grenzfrequenz der Tiefpasscharakteristik des Skalierungspfades und/oder Limiterpfades einer spezifischen Resonanzfrequenz eines Lautsprechers entsprechen, mit dem das vorgeschlagene System betrieben werden soll.

Beispielsweise ist der Limiterpfad ausgebildet, zwischen Frequenzen oberhalb und unterhalb der Grenzfrequenz der Tiefpasscharakteristik eine Phasendifferenz von 180° oder ungeraden Vielfachen von 180° (z.B. 540°) zu erzeugen. Diese angestrebte Phasendifferenz kann durch reale Filter wegen endlicher Flankensteilheit der Filterkurve oft nicht direkt erreicht werden, daher kann die Phasendifferenz innerhalb bestimmter Toleranzwerte liegen. Dabei kann die Toleranz für den Frequenzab stand einer Dekade weniger 10% (oder weniger als 5%) und/oder mehr als 3% (oder mehr als 4%) betragen (z.B. Phasendifferenz von mehr als 540 ^o -50°=490° zwischen Signalanteilen mit einer Frequenz von 200 Hz und einer Frequenz von 2 kHz). Zum Beispiel kann die Toleranz der Phasendifferenz für einen Frequenzab stand von zwei Dekaden weniger als 3% (oder weniger als 2%) und/oder mehr als 1% betragen.

Gemäß einem Aspekt kann vorgesehen sein, dass der Skalierungspfad ferner einen Signalverarbeitungsblock zum Einstellen einer Kompression des Skalierungssignals aufweist. Zum Beispiel kann dadurch ein Attack und/oder Release des Skalierungssignals einstellbar sein. Die Glättung des Signals kann eine weiterhin reduzierte Erzeugung von Harmonischen durch das Filtersystem selbst bewirkten, sodass nicht aufgrund des gefilterten Ausgangssignal durch das Filter selbst erzeugte Verzerrungen bei der Wiedergabe des Ausgangssignals mittels eines Lautsprechers entstehen.

Das vorgeschlagene System kann wie bereits erwähnt als Limiter für tiefe Frequenzen ausgebildet sein. Dementsprechend kann für niederfrequente Signalanteile unterhalb einer Grenzfrequenz im Ausgangssignal eine Dämpfung gegenüber dem Eingangssignal ermöglicht werden, wobei der Dämpfungsgrad bei höheren Amplituden stärker ist als bei niedrigen Amplituden.

Ein weiterer Aspekt betrifft ein Audiosystem umfassend ein zuvor oder nachfolgend beschriebenes System sowie zumindest einen Lautsprecher. Es ist vorgesehen, dass zumindest eine Grenzfrequenz der Tiefpasscharakteristik des Skalierungspfades und/oder Limiterpfades an einen Frequenzgang des zumindest einen Lautsprechers angepasst ist. Durch die individuelle An- passung der Grenzfrequenz, ab der die Limiterfunktion des Systems einsetzt, kann der Lautsprecher optimiert betrieben werden. Insbesondere können tiefe Frequenzen mit einem bestimmten Pegel, die der Lautsprecher noch verzerrungsfrei wiedergeben kann, im Ausgangssignal des Systems verbleiben, sodass z.B. ein besonders gutes Hörerlebnis gewährleistet werden kann. Ferner kann z.B. auch das Delay im Delaypfad des Systems und/oder das Zeitfenster der quadratischen Mittelwertbildung im Skalierungspfad kann an den Frequenzbereich des Lautsprechers angepasst werden.

Insbesondere ist bei dem Audiosystem vorgesehen, dass eine Grenzfrequenz der Tiefpasscharakteristik des Skalierungspfades und/oder Limiterpfades einer spezifischen Resonanzfrequenz des Lautsprechers entspricht. Mit anderen Worten kann der Frequenzbereich eingeschränkt werden, in dem der Lautsprecher seine höchste Auslenkung aufweist. Jedes Lautsprecherchassis weist eine spezifische Resonanzfrequenz f _s auf. Für einen Frequenzbereich <= f _s ist die Membranauslenkung am höchsten, wovon harmonische Verzerrungen am meisten abhängen. Dies gilt für jedes Lautsprecherchassis, egal ob Subwoofer (gesamter Übertragungsbereich ca. 20 - 150 Hz, mit f _s bspw. 35 Hz), Mitteltonchassis (mit f _s bspw. 200 Hz) oder Hochtöner (mit f _s bspw. 2000 Hz). Durch die Anpassung der Grenzfrequenz an den verwendeten Lautsprecher kann das Audiosystem besonders vorteilhaft bezüglich der Balance zwischen kraftvoller Wiedergabe tiefer Frequenzen und Vermeidung von harmonischen Verzerrungen durch Übersteuerung des Lautsprechers betrieben werden.

Ein weiterer Aspekt betrifft ein Fahrzeug umfassend ein zuvor oder nachfolgend beschriebenes Audiosystem. Der zumindest eine Lautsprecher ist z.B. ein Mitteltöner. In Fahrzeugen werden oftmals aus Platzgründen keine Subwoofer eingesetzt, daher kann eine Limitierung tiefer Frequenzen durch das Filtersystem für die Audiowiedergabe mittels im Fahrzeug vorhandener Mitteltöner besonders vorteilhaft für eine verzerrungsarme Audiowiedergabe sein.

Figurenkurzbeschreibung

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Beispiel eines Systems zum Filtern eines Audiosignals;

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild eines Audiofilters; und

Fig. 3a, 3b je eine beispielhafte Darstellung der Filterfunktion eines im System verwendeten Allpassfilters und Tiefpassfilters.

Beschreibung

Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Dickenabmessungen von Linien, Schichten und/oder Regionen um der Deutlichkeit Willen übertrieben dargestellt sein. Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren, die lediglich einige exemplarische Ausführungsbeispiele zeigen, können gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten bezeichnen.

Ein Element, das als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „verkoppelt“ bezeichnet wird, mit dem anderen Element direkt verbunden oder verkoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Solange nichts anderes definiert ist, haben sämtliche hierin verwendeten Begriffe (einschließlich von technischen und wissenschaftlichen Begriffen) die gleiche Bedeutung, die ihnen ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die Ausführungsbeispiele gehören, beimisst.

Fig. 1 ein schematisches Beispiel eines Systems 10 zum Filtern eines Audiosignals. Das System 10 weist einen Signal eingang 10a und einen Signalausgang 10b auf. Ein Eingangssignal wird zwischen Signal eingang 10a und Signalausgang 10b über parallel angeordnete Signalpfade geleitet und verarbeitet. Dabei ist ein Skalierungspfad 11 parallel zu einem Limiterpfad 12 angeordnet. Ein Skalierungssignal wird mit einem Limitersignal am Ende von Skalierungspfad 11 und Limiterpfad 12 kombiniert und mit einem Delaysignal am Ausgang eines Delaypfades 13 kombiniert. Dadurch erzeugt das Filtersystem 10, z.B. ein Audiolimiter, ein verarbeitetes Signal, das über den Signalausgang 10b ausgegeben wird.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Audiofilters 20 in detaillierterer Ausführung. Der beispielhaft gezeigte Audiofilter 20 zeigt einen Ansatz zur Limitierung der Membranauslenkung. Ebenso wie das System in Fig. 1 weist der Audiofilter drei Signalpfade auf. In einem Skalierungspfad 21 wird ein Eingangssignal x(t) zunächst tiefpassgefiltert, bevor der RMS-Wert ermittelt wird (Signalverarbeitungsblöcke „Tiefpass RMS“ und „RMS“). Mit einer nichtlinearen Kennlinie (schematisch dargestellt im nachfolgenden Signalverarbeitungsblock) werden die RMS-Werte auf einem Wertebereich von Null bis Eins abgebildet. Dieser Signalverlauf kann folgend mit einem Hüllkurvendetektor mit einstellbarer Attack- und Release-Zeit geglättet werden (z.B. letzter Signalverarbeitungsblock „Attack Release). Nachdem dieses Signal mit -1 multipliziert wurde, dient es als Skalierungsfaktor (z.B. Skalierungssignal).

In einem zweiten Signalpfad, einem Limiterpfad 22, wird ein Limitersignal berechnet. Ein der Offenbarung zugrundeliegender Aspekt ist, das Eingangssignal x(t) frequenzabhängig in seinem Betrag- und Phasenverlauf zu ändern. Zielverlauf der Phase ist eine Phasendifferenz von n* 180° für n = 1, 3, 5, usw. zwischen den Frequenzen kleiner einer Eckfrequenz f _c und Frequenzen größer der Eckfrequenz f _c (cutoff-Frequenz; s. dazu auch Fig. 3a, 3b). Außerdem soll die Frequenzen oberhalb f _c in ihrem Betrag gedämpft werden. Diese Zielfunktion kann z.B. aus einer Kombination von einem Allpassfilter z.B. 2. Ordnung und einem Tiefpassfilter z.B. 2. Ordnung umgesetzt werden (Signalverarbeitungsblock „Allpass Limiter“ und „Tiefpass Limiter“; s. auch Fig. 3a, 3b).

Ein dritter Signalpfad ist eine Delaypfad 23, der eine zeitliche Verzögerung des Eingangssignals x(t) bewirkt (Signalverarbeitungsblock „Delay“). Nachdem das Limitersignal mit dem Skalierungsfaktor normiert wurde, wird es dem Delaysignal aufgeprägt, um am Signalausgang als Ausgangssignal y(t) ausgegeben zu werden.

Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt. Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder mit einem oder mehreren vorstehend (z.B. Fig. 1) oder nachstehend (z.B. Fig. 3-5) beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt sind. Fig. 3a, 3b zeigen je eine schematische Darstellung einer Filterfunktion eines im System 10 oder Audiosystem 20 verwendeten Allpassfilters und Tiefpassfilters. Fig. 3a, 3b zeigen Betragsspektrum 31 und den Phasenverlauf 32 beider einzelnen Filterglieder und beider Filterglieder zusammen. Die Filterkurven von Allpass, Tiefpass und der Kombination Gesamt sind durch die unterschiedlichen Schraffierungen dargestellt.

Der Phasenverlauf nähert sich zu tiefen Frequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz f _c , hier beispielhaft 300 Hz, gegen 0° an; bei f _c beträgt die Phase 180° und oberhalb f _c nähert sich der Phasenverlauf gegen 540°. Der Betragsverlauf ist identisch mit den Betragsverlauf des Tiefpassfilters. Durch die sampleweise Multiplikation des Limitersignals (mittels Allpass und Tiefpass verarbeitet) mit dem Skalierungssignal wird ein weiterer Phasenversatz um 180° aufgeprägt und wird abhängig von dessen Amplitude skaliert.

Dieses skalierte und phasengedrehte Limitersignal wird dem verzögerten Eingangssignal (am Ende des Delaypfades 13, 23) aufaddiert und es erfolgt eine frequenzabhängige Auslöschung bzw. Dämpfung der Signalamplitude im Ausgangssignal y(t). Der Grad der Dämpfung ist abhängig vom RMS-Wert des Eingangssignals x(t) und kann über die nichtlineare Kennlinie im Skalierungspfad 11, 21 fein abgestimmt werdende höher der RMS-Wert desto höher der Grad der Dämpfung. Durch den weichen Verlauf der Phase und des Betrags des Limitersignals, bzw. der Filter zur Erzeugung des Limitersignals verläuft die Auslöschung bzw. die Limitierung des Eingangssignals sehr homogen und verzerrungsfrei.

Aspekte der Offenbarung betreffen einen verzerrungsfreien Tiefton Limiter. Das vorgeschlagene System kann ein Ausgangssignal erzeugen, das ein Übersteuern eines Lautsprechers bei der Wiedergabe vermeidet oder reduziert und bei welchem durch die Filterfunktion selbst besonders geringe harmonische Verzerrungen gegenüber dem Eingangssignal hinzugefügt werden. Der vorgeschlagene Limiter kann mit entsprechender Dimensionierung in allen Bereichen der Audioverarbeitung eingesetzt, z.B. Live-Beschallung, Home-Audio oder in Fahrzeugen.