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Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung.
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Filteranordnungen, insbesondere Analogfilter der in Rede stehenden Art werden beispielsweise in Lautsprechersystemen eingesetzt. Derartige Lautsprechersysteme sind typischerweise als Mehrweg-Lautsprechersysteme ausgebildet, wobei neben Zweiweg-Lautsprechersystemen mit einem Hochton-Lautsprecher und einem Tiefton-Lautsprecher insbesondere auch Dreiweg-Lautsprechersysteme mit einem Hochton-Lautsprecher, einem Mittelton-Lautsprecher und einem Tiefton-Lautsprecher zum Einsatz kommen.
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Bei Analog-Filtern wird unterschieden zwischen Passiv-Filtern, die hinter einem Leistungsverstärker und vor den einzelnen Lautsprecherchassis angeordnet werden und Aktiv-Filtern, bei denen das zu verstärkende Eingangssignal mittels einer Aktiv-Weiche, gefiltert wird, die als Analog- oder IIR-Filter-Anordnung ausgebildet sein kann. Die Ausgangssignale dieser Weiche werden dann den Leistungsverstärkern für die einzelnen Lautsprecher des Mehrweg-Lautsprechersystems zugeführt.
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Bekanntermaßen können derartige Analogfilter von Filtern höherer Ordnung gebildet sein, wobei als bekannte Filtertypen Besselfilter, Butterworth-Filter oder Tschebyscheff-Filter eingesetzt werden können.
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Bei Besselfiltern erhält man im Zeitbereich auf ein Eingangssignal in Form eines Rechtecksignals eine Sprungantwort ohne Überschwinger, wobei der Frequenzgang im Übergang vom Durchlass- in den Sperrbereich aber nicht so „scharf ausgeprägt” ist wie bei Butterworth- und Tschebyscheff-Filtern.
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Bei Butterworth-Filtern ist der Frequenzgang maximal linear bis zu dem Frequenzpunkt, bei dem der Frequenzgangabfall einsetzt. Jedoch weist die Sprungantwort auf ein Rechtecksignal ein deutliches Überschwingen auf, welches mit zunehmender Ordnung der Filter immer größer wird.
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Tschebyscheff-Filter liefern höchste Filtersteilheiten beim Durchlass in den Sperrbereich bei einer definierten Welligkeit im Übertragungsbereich. Jedoch weist die Sprungantwort ein noch stärkeres Überschwingen auf, als diese bei Butterworth-Filtern der Fall ist.
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Bei sämtlichen der genannten Filtertypen wird ein summiertes Signal einer Filteranordnung aus Hoch- und Tiefpassfiltern zwar im Frequenzbereich sauber summiert, nicht jedoch im Zeitbereich. Diese nicht perfekte Summation im Zeitbereich führt zu Nichtlinearitäten der Signaldurchlaufzeiten (Gruppenlaufzeiten = group delay) im Summensignal des Mehrweg-Lautsprechersystems. Diese Nichtlinearitäten der Gruppenlaufzeit bewirken, dass ein Rechteck-Signal (als Beispiel ein sich abrupt änderndes Eingangssignal) bei der Wiedergabe mit dem Lautsprechersystem stark verformt wird. Während diese Nichtlinearitäten vom menschlichen Ohr bei Frequenzen oberhalb von 1,5 kHz nicht mehr wahrgenommen werden, werden diese im Frequenzbereich um 500 Hz als unpräzise und damit als störend empfunden, wobei die Nichtlinearitäten im Frequenzbereich zwischen etwa 50 und 150 Hz als „langsame” Bässe hörbar sind.
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Prinzipiell können derartige Klangprobleme bei der Impulsverarbeitung in Mehrweg-Lautsprechersystemen, beziehungsweise Systemen mit Subwoofern mit Satelliten-Lautsprecher, durch den Einsatz von digitalen Signalprozessen mit FIR-Filtern (finite impulse response filter) gelöst werden. Abgesehen davon, dass derartige Systeme sehr teuer sind, besteht ein wesentlicher Nachteil von digitalen Signalprozessoren mit FIR-Filtern – im Gegensatz zu digitalen Signalprozessoren mit IIR-Filtern (infinite impulse response filter) – darin, dass durch deren Einsatz, je nach gewünschter unterer Grenzfrequenz, Signalverzögerungen bis zu etwa 50 ms auftreten, was den Einsatz der Lautsprechersysteme in Echtzeitanwendungen wie Live-Übertragungen unmöglich macht. Weiterhin müssen aufgrund dieser Effekte bei Bildschirmen konventioneller Fernsehsysteme die zugehörigen Bildsignale digital verzögert werden, damit Dialoge „lippensynchron” wiedergegeben werden können.
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Der einzige bisher verfügbare analoge (oder IIR) Filtertyp, der die Forderung nach perfekter Summierung von Hochpass- und Tiefpassfiltern sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich erfüllt, ist ein Filter erster Ordnung (also mit der Steilheit von 6 dB/Oct.). Mit so „flachen” Filtersteilheiten ist ein Lautsprechersystem weder sauber realisierbar noch sinnvoll. Bei einer Reihenschaltung mehrerer Hochpass-Stufen für den Hochton-Kanal und mehrerer Tiefpass-Stufen für den Tieftonkanal wird die Steilheit erhöht, jedoch geht dann die perfekte Summierung des Ausgangssignals im Zeitbereich verloren.
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Die
DE 36 27 679 A1 betrifft eine Filteranordnung zur Aufteilung eines Signals, insbesondere eines Audiosignals, in mehrere Komponenten unterschiedlicher Frequenzbereiche. Die Filteranordnung umfasst mehrere linearphasige Teilfilter. Die Teilfilter sind als Weichenfilter mit je einem Hochpassausgang und je einem Tiefpassausgang ausgebildet, deren Signale zueinander komplementäre Frequenzgänge aufweisen.
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Die
US 3 467 758 A betrifft ein Mehrweg-Lautsprechersystem mit einer Filteranordnung zur spektralen Aufteilung eines Audiosignals in Teilbänder, wobei Oktav-Filter und Hochpass-/Tiefpass-Filter verwendet werden und wobei die Ausgangssignale aller Filter verknüpft/summiert werden, um die kombinierten Summensignale über Verstärker verschiedenen Lautersprecher zuzuführen.
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Die
DE 195 33 946 A1 betrifft ein Verfahren zur Aufteilung eines elektrischen Frequenzgemisches in Teilfrequenzbereiche, wobei die Tiefpassfunktion durch elektrische Subtraktion eines zeitverzögerten Hochpasssignales vom Originalsignal gebildet wird. Das verzögerte oder unverzögerte Hochpasssignal des Hochpasskanals und der Tiefpasskanal können zusätzlich mit einer elektrischen Schaltungseinrichtung, welche den Phasen- und Frequenzgang des angeschlossenen Lautsprecher berücksichtigt entzerrt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filteranordnung bereitzustellen, welche eine hohe Flankensteilheit aufweist und mittels derer eine möglichst perfekte Summierung von Signalanteilen sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich erhalten wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Filteranordnung eines Lautsprechersystems umfasst mehrere Filterebenen, in welchen jeweils eine Anordnung von Hochpässen und Tiefpassen erster Ordnung vorgesehen sind. Die erste Filterebene weist einen Hochpass und einen Tiefpass auf, welchen über eine Signalverzweigung ein Eingangssignal zugeführt wird. Der Ausgang eines Hochpasses oder Tiefpasses einer Filterebene ist über eine Signalverzweigung auf einen Hochpass und Tiefpass der nächsten Filterebene geführt. Alle Hochpässe und alle Tiefpässe sind nach jeder Signalverzweigung komplementär zu zueinander ausgebildet. Die Ausgänge aller Hochpässe und Tiefpässe der letzten Filterebene sind zur Bildung von Ausgangssignalen durch Summenbildungen verknüpft. Dadurch wird ein Filter höherer Ordnung gebildet, so dass mit der Filteranordnung nicht nur Signalanteile im Frequenzbereich, sondern auch im Zeitbereich fehlerfrei summiert werden. Die Ausgangssignale werden Lautsprechern eines Mehrweg-Lautsprechersystems zugeführt.
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Die erfindungsgemäße Filteranordnung kann einerseits als Analogfilter ausgebildet sein. Ein derartiger Analogfilter ist als Aktiv-Filter ausgebildet oder als Passiv-Filter angenähert, wobei der Passiv-Filter nach den Vorgaben des entsprechenden Aktiv-Filters abgeleitet, dimensioniert und an dessen Übertragungskurven angenähert ist. Alternativ kann die Filteranordnung in Form von IIR-Filtern in einem digitalen Signalprozessor gebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Filteranordnung bildet einen Filter höherer Ordnung, mittels dessen nach erfolgter Summierung ein exakt dem Originalsignal entsprechendes Ausgangssignal erhalten wird. Dies beruht darauf, dass mit der erfindungsgemäßen Filteranordnung nicht nur Signalanteile im Frequenzbereich, sondern auch im Zeitbereich fehlerfrei summiert werden.
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Ein wesentlicher Aspekt bei der erfindungsgemäßen Filteranordnung besteht darin, dass mit dieser nicht nur im Frequenzbereich, sondern auch im Zeitbereich eine perfekte Summation einzelner Signalanteile erfolgt. Dies wird dadurch erreicht, dass alle Hochpässe einerseits und alle Tiefpässe andererseits nach jedem Verzweigungspunkt jeweils identisch sind und diese Hochpässe und Tiefpässe komplementär zueinander ausgebildet sind, das heißt dieselbe Eckfrequenz aufweisen. Demgegenüber ist eine derartige Identität von Hochpässen und Tiefpässen zu den anderen „Hoch- und Tiefpass-Paaren” des Filters nicht erforderlich, kann jedoch für die Gesamtfilterauslegung vorteilhaft sein.
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Aufgrund der Eigenschaften kann die erfindungsgemäße Filteranordnung besonders vorteilhaft für Mehrweg-Lautsprechersysteme eingesetzt werden. Durch die fehlerfreie Summation der Einzelsignalanteile in der Filteranordnung werden Nichtlinearitäten der Gruppenlaufzeiten und dadurch bedingte unerwünschte Verformungen der Ausgangssignale des Analogfilters und somit Klangbeeinträchtigungen des Lautsprechersystems vermieden. Die Elimination von Nichtlinearitäten der Gruppenlaufzeiten bei der erfindungsgemäßen Filteranordnung ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen von Lautsprechersystemen mit einem Subwoofer und mehreren Satelliten-Lautsprechern. Bei herkömmlichen Lautsprechersystemen dieser Art wird durch die Filterung der Subwoofer-Signale typischerweise eine im ms-Sekundenbereich liegende Signalverzögerung gegenüber den Mittel- und Hochton-Signalen der Satelliten-Lautsprecher erhalten. Dies entspricht im Ortsbereich einer Verzögerungsstrecke von oft über 2 m, um welche die Schallsignale des Subwoofers gegenüber den Mittel- und Hochton-Schallsignalen der Satelliten-Lautsprecher verzögert am Ohr des Hörers ankommen, das heißt dies stellt eine deutlich hörbare Beeinträchtigung der Klangeigenschaften des Lautsprechersystems dar. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Filteranordnung können derartige Verzögerungen auf exakt oder nahezu null reduziert werden.
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Im Vergleich zum Einsatz von digitalen Signalprozessoren mit FIR-Filtern weist der erfindungsgemäße Analogfilter, aber auch der entsprechende IIR-Filter als weiteren Vorteil eine signifikant niedrige Signaldurchlaufzeit auf, so dass unerwünschte Signalverzögerungen vermieden werden. Damit können Lautsprechersysteme mit dem erfindungsgemäßen Analog- oder IIR-Filter problemlos für Live-Übertragungen eingesetzt werden.
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Weiterhin besteht ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Analog- oder IIR-Filters darin, dass mit dem Analogfilter Flankensteilheiten der frequenzabhängigen Verstärkungen erhalten werden, die optimal an die Charakteristiken von Lautsprechern von Mehrweg-Lautsprechersystemen angepasst werden können.
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Generell entsprechen die Frequenzgänge von Lautsprecher-Chassis einer Reihenschaltung von Hochpass- und Tiefpassfiltern mit mehr oder weniger großen Welligkeiten im Übertragungsbereich. Daher ist insbesondere die Steilheit eines den unteren Frequenzbereich des Übertragungsbereichs modellierenden internen Hochpassfilters von der Konstruktion des Chassis abhängig. Bei Tiefton-Lautsprechern und Mittelton-Lautsprechern in jeweils geschlossenen Gehäusen als Bestandteilen von Dreiweg-Lautsprechersystemen beträgt diese Steilheit typischerweise 12 dB/Oct. Bei Hochton-Lautsprechern derartiger Dreiweg-Lautsprechersysteme liegt diese Steilheit oft sogar noch höher.
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Aufgrund dieser Filterwirkungen als innere Eigenschaften der Chassis von Hochton-Lautsprechern, Mittelton-Lautsprechern und Tiefton-Lautsprechern ist es erforderlich, Filter mit entsprechenden Steilheiten für derartige Lautsprecher einzusetzen. Dies bedeutet, dass Filter 1. Ordnung, das heißt Filter mit Steilheiten von 6 db/Oct. für derartige Lautsprechersysteme nicht ausreichend sind. Vielmehr müssen Filter höherer Ordnung mit Steilheiten von mindestens 12 db/Oct. eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Filteranordnung erfüllt diese Anforderungen, so dass die Filteranordnung mit den Lautsprechern des Lautsprechersystems so dimensioniert werden kann, dass eine perfekte Annäherung an die geforderten Signalverläufe in den einzelnen Pfaden des Mehrweg-Lautsprechersystems ermöglicht wird.
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Die erfindungsgemäße Filteranordnung kann für beliebige Mehrweg-Lautsprechersysteme eingesetzt werden, wobei durch eine geeignete Dimensionierung des Analogfilters für die Kanäle das Mehrweg-Lautsprechersystem eine perfekte Summation der Einzelsignale sowohl im Frequenz- und Zeitbereich erhalten wird. Insbesondere kann der Analogfilter für Zwei-, Drei- und Mehrweg-Lautsprechersysteme verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist, dass für den Mittelton-Lautsprecher eines Dreiweg-Lautsprechersystems Flankensteilheiten von 12 db/Oct. – oder noch höher – erhalten werden können, was mit bisher bekannten Analog- oder IIR-Filtern nicht möglich war. Derartige hohe Flankensteilheiten von Mittelton-Lautsprechern und entsprechend auch den weiteren Mehrweg-Lautsprechersystemen sind insbesondere auch deshalb erforderlich, um unerwünschte Interferenzen zwischen den von den Lautsprechern abgegebenen Schallsignalen zu vermeiden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1a: Erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filteranordnung für ein Dreiweg-Lautsprechersystem.
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1b: Variante der Ausführungsform gemäß 1a.
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2a: Frequenzgang der einzelnen Ausgangs-Kanäle der Filteranordnung gemäß 1a für die unterschiedlichen Lautsprecher des Dreiweg-Lautsprechersystems.
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2b: Frequenzgang der einzelnen Ausgangs-Kanäle der Filteranordnung gemäß 1b für die unterschiedlichen Lautsprecher des Dreiweg-Lautsprechersystems.
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3: Frequenzgang der Phasenantwort der einzelnen Ausgangs-Kanäle der Filteranordnung gemäß 1b für die unterschiedlichen Lautsprecher des Dreiweg-Lautsprechersystems.
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4: Frequenzgang der Gruppenlaufzeiten der einzelnen Kanäle der Filteranordnung gemäß 1b für die unterschiedlichen Lautsprecher des Dreiweg-Lautsprechersystems.
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5a: Schematische Darstellung der zeitabhängigen Sprungantwort auf ein Rechtecksignal für das System gemäß 1b.
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5b: Schematische Darstellung der zeitabhängigen Sprungantwort auf ein Rechtecksignal für eine nach dem Stand der Technik realisierte Drei-Weg-Weiche.
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6a: Zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filteranordnung für ein Dreiweg-Lautsprechersystem.
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6b: Variante der Ausführungsform gemäß 6a.
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1a zeigt ein Beispiel der erfindungsgemäßen Filteranordnung in Form eines Analogfilters 1 für ein Dreiweg-Lautsprechersystem. Generell kann die Filteranordnung auch von IIR-Filtern eines digitalen Signalprozessors gebildet sein. Das Dreiweg-Lautsprechersystem umfasst einen Hochton-Lautsprecher 2, einen Mittelton-Lautsprecher 3 und einen Tiefton-Lautsprecher 4, welche an Ausgängen des Analogfilters 1 angeordnet und in 1 schematisch dargestellt sind.
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Ein in einem Signalgenerator 5 generiertes Eingangssignal durchläuft eine Signalverzweigung 6, wobei ein Zweig des Eingangssignals auf einen Hochpass erster Ordnung 7 und der zweite Zweig auf einen Tiefpass erster Ordnung 8 geführt ist. Der Hochpass 7 und der Tiefpass 8 bilden Filterelemente einer ersten Filterebene des Analogfilters 1. Generell werden in der vorliegenden Anmeldung die Begriffe Hochpass 7 und Tiefpass 8 als Kurzform für einen Hochpassfilter erster Ordnung beziehungsweise Tiefpassfilter erster Ordnung verwendet.
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Der Ausgang des Hochpasses 7 der ersten Filterebene verzweigt an einer weiteren Signalverzweigung 6 auf einen Hochpass 7 und einen Tiefpass 8 in einer zweiten Filterebene. Ebenso verzweigt der Ausgang des Tiefpasses 8 der ersten Filterebene auf einen Hochpass 7 und einen Tiefpass 8 in der zweiten Filterebene.
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Diese Strukturbildung wird für die Bildung der dritten und vierten Filterebene des Analogfilters 1 gemäß 1 fortgesetzt. Somit verzweigt der Ausgang jedes Hochpasses 7 oder Tiefpasses 8 der zweiten Filterebene auf einen Hochpass 7 und Tiefpass 8 der dritten Filterebene. Entsprechend verzweigt jeder Hochpass 7 oder Tiefpass 8 der dritten Filterebene auf einen Hochpass 7 und Tiefpass 8 der vierten Ebene.
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Damit ergibt sich die in 1 dargestellte Struktur des Analogfilters 1 mit vier Filterebenen, wobei in 1 immer alle Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 einer Filterebene untereinander gezeichnet sind. Aufgrund der Verzweigungsstruktur der Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 von der einen Filterebene zur nächsten weist die n-te Filterebene 2n Elemente in Form eines Hochpasses 7 oder Tiefpasses 8 auf.
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Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Analogfilter 1 ist, dass alle Hochpässe 7 und ebenso alle Tiefpässe 8 nach jeder Verzweigung 6 identisch sind. Weiterhin sind diese Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 komplementär ausgebildet, das heißt sie weisen identische Eckfrequenzen auf.
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Die Tief- und Hochpass-Paare nach anderen Verzweigungspunkten 6, zum Beispiel auch in unterschiedlichen Filterebenen, können dagegen prinzipiell andere Eckfrequenzen aufweisen. Im vorliegenden Fall jedoch sind die Hochpässe 7 aller Filterebenen identisch. Ebenso sind die Tiefpässe 8 aller Filterebenen identisch. Die Eckfrequenzen der Hochpässe 7 beziehungsweise Tiefpässe 8 liegen im vorliegenden Fall bei 2 kHz.
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1a zeigt das Prinzip der Summierung der Ausgänge aller Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 der vierten und letzten Filterebene, die durch Summierer in Form von Summationsglieder 9a, 9b, 9c verknüpft sind, wobei die so gebildeten Ausgangssignale des Analogfilters 1 über Leistungsverstärker 10 den einzelnen Lautsprechern des Lautsprechersystems zugeführt werden. Generell ist es entscheidend, dass bei dem erfindungsgemäßen Analogfilter 1 die Ausgänge aller Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 durch Summation zu Ausgangssignalen, die auf Lautsprecher führen, verknüpft sind.
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Die Ausgänge des obersten Hochpasses 7 und des obersten Tiefpasses 8 der vierten Filterebene sind auf ein Summationsglied 9a geführt, dessen Ausgangssignal auf den Hochton-Lautsprecher 2 des Lautsprechersystems geführt sind.
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Die Ausgänge des untersten Hochpasses 7 und des untersten Tiefpasses 8 der vierten Filterebene sind auf ein Summationsglied 9c geführt, dessen Ausgangssignal auf den Tiefton-Lautsprecher 4 des Lautsprechersystems geführt ist.
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Die Ausgänge der restlichen Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 sind auf eine Kaskade von insgesamt acht Summationsglieder 9b geführt, wobei das Ausgangssignal des letzten Summationsglieds 9b der Kaskade auf dem Mittelton-Lautsprecher 3 des Lautsprechersystems geführt ist.
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In 1a ist mit der Bezugsziffer 11 ein weiteres Summationsglied bezeichnet. Dies stellt keinen physikalischen Summierer dar, sondern veranschaulicht, dass sich am Ohr eines Hörers die von den Lautsprechern des Lautsprechersystems generierten Schallsignale zu einem Gesamtsignal überlagern.
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Bei der Grundform der Summierung haben die Flanken des Mitteltöner-Frequenzgangs lediglich eine Steilheit von 6 dB/Oct.
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1b zeigt eine Variante der Ausführungsform gemäß 1a. Die Anordnung der Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 des Analogfilters 1 gemäß 1b entspricht der Anordnung gemäß 1a. Die Ausführungsform gemäß 1b unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel gemäß 1a in der Summierung der Ausgangssignale der Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 der letzten Filterebene.
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Bei der Ausführungsform gemäß 1b werden Ausgangssignale von Hochpässen 7 und Tiefpässen 8 auf erste Summationsglieder 9b geführt. Der Ausgang eines ersten Summationsglieds 9b sowie des obersten Hochpasses 7 und des obersten Tiefpasses 8 der letzten Filterebene sind auf ein Summationsglied 9a geführt, dessen Ausgang über einen Leistungsverstärker 10 zum Hochton-Lautsprecher 2 geführt ist. Die Ausgänge der mittleren Summationsglieder 9b sind auf ein weiteres Summationsglied 9a geführt, dessen Ausgang über einen Leistungsverstärker 10 auf den Mittelton-Lautsprecher 3 geführt ist. Schließlich sind der Ausgang des untersten Summationsglieds 9b sowie des untersten Hochpasses 7 und des untersten Tiefpasses 8 der letzten Filterebene auf ein Summationsglied 9c geführt, dessen Ausgang über einen Leistungsverstärker 10 zum Tiefton-Lautsprecher 4 geführt ist.
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Mit dieser Summation sind höhere Flankensteilheiten erzielbar als mit der Anordnung gemäß 1a.
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2a zeigt den Frequenzgang der Verstärkungen der einzelnen Kanäle des Analogfilters 1 gemäß 1a. Dabei ist mit „Hochtöner” der zum Hochton-Lautsprecher 2 geführte Kanal des Analogfilters 1, das heißt das Ausgangssignal am Summationsglied 9a, bezeichnet. Entsprechend sind mit den Begriffen „Mitteltöner” und „Tieftöner” die zu dem Mittelton-Lautsprecher 3 beziehungsweise Tiefton-Lautsprecher 4 fahrenden Ausgangssignale des Analogfilters 1 bezeichnet. Mit „Summe” ist in 2 das Summensignal aller drei Einzelsignale bezeichnet.
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Wie aus 2a ersichtlich, addieren sich die frequenzabhängigen Verstärkungen zu einem frequenzunabhängigen Summensignal, das heißt es erfolgt eine gleichförmige Verstärkung aller Frequenzanteile.
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Wie aus 2a weiter ersichtlich, weist der Mitteltöner im vorliegenden Fall eine relativ geringe Flankensteilheit von etwa 6 db/Oct. auf. Durch eine geeignete Dimensionierung des Analogfilters 1, wobei dieser wenigstens vier oder besser sogar fünf Filterebenen aufweist, lassen sich Flankensteilheiten von 12 db/Oct. oder höher erhalten.
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Durch eine Auslegung des Analogfilters 1 mit vier oder mehr Filterebenen kann das Verhalten der einzelnen Lautsprecher des Lautsprechersystems in die Dimensionierung des Analogfilters 1 mit einbezogen werden, so dass 2a entsprechende Kurvenverläufe nicht allein den Analogfilter 1, sondern das Gesamtsystem bestehend aus Analogfilter 1 und den Lautsprechern des Lautsprechersystems repräsentieren. Dasselbe gilt für die Kennlinien der 3 bis 5.
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2b zeigt den Frequenzgang der Verstärkungen der einzelnen Kanäle des Analogfilters 1 gemäß 1b. Die dort gewählten Bezeichnungen entsprechen den Bezeichnungen von 2a.
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Auch bei dem in 2b gezeigten Beispiel addieren sich die frequenzabhängigen Verstärkungen zu einem frequenzunabhängigen Summensignal. Im Vergleich zum Beispiel gemäß 2a werden jedoch erheblich höhere Flankensteilheiten erzielt, die für den Mitteltöner bei 12 db/Oct. liegen. Dies beruht auf der verbesserten Summation der Ausgangssignale der Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 der letzten Filterebene in der Filteranordnung gemäß 1b.
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3 zeigt die Frequenzabhängigkeit des Phasengangs der Kanäle des Analogfilters 1 gemäß 1b. Wie aus 3 ersichtlich, zeigen die einzelnen Kanäle des Analogfilters 1, das heißt der Hochtöner, Mitteltönen und der Tieftöner, starke Frequenzabhängigkeit. Jedoch ist das Summensignal „Summe” nicht phasenabhängig. Dies bedeutet, dass mit dem Summensignal ein phasenunabhängiges Gesamt-Ausgangssignal für die Lautsprecher des Lautsprechersystems bereitgestellt wird.
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Entsprechendes gilt für die in 4 dargestellte Frequenzabhängigkeit der Ausgangssignale der Kanäle des Analogfilters 1 gemäß 1b. Auch hier überlagern sich die Gruppenlaufzeiten des Hochtöners, Mitteltöners und Tieftöners zu einem frequenzunabhängigen Summensignal.
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Die Charakteristik des erfindungsgemäßen Analogfilters 1 gemäß 1b, welche in den 2 bis 5 veranschaulicht ist, führt dazu, dass in den einzelnen Kanälen des Analogfilters 1 nicht nur im Frequenzbereich, sondern auch im Zeitbereich eine perfekte Überlagerung der Ausgangssignale der einzelnen Kanäle erfolgt.
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Dies wiederum führt dazu, dass mit dem erfindungsgemäßen System ein Eingangssignal am Ausgang des Analogfilters 1 beziehungsweise der Lautsprecher des Lautsprechersystems exakt wiedergegeben wird.
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5a veranschaulicht dies am Beispiel einer Sprungantwort auf ein Eingangssignal in Form eines Rechtecksignals im Vergleich zu einer typischen (nach bisherigem Stand der Technik perfekt dimensionierten) 3-Weg-Weiche nach 5b.
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Die einzelnen zeitlichen Verläufe der Ausgangssignale der Kanäle des Analogfilters 1 (Hochtöner, Mitteltöner, Tieftöner) weichen zwar von der Rechteckform des Eingangssignals ab, das Summensignal „Summe” liefert jedoch wieder exakt das dem Eingangsignal entsprechende Rechtecksignal. Dies bedeutet, dass bei dem erfindungsgemäßen System (5a) keinerlei Signalverfälschungen durch Nichtlinearitäten in den Gruppenlaufzeiten auftreten, im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Systemen (5b).
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6a zeigt eine weitere Ausführungsform eines Analogfilters 1 für ein Dreiweg-Lautsprechersystem mit einem Hochton-Lautsprecher 2, einem Mittelton-Lautsprecher 3 und einem Tiefton-Lautsprecher 4, wobei das Lautsprechersystem identisch zur Ausführungsform gemäß 1a ist.
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Der Analogfilter 1 gemäß 6a weist entsprechend der Ausführungsform gemäß 1 vier Filterebenen auf, wobei die einzelnen Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 in weiterer Übereinstimmung mit der Ausführungsform gemäß 1a identisch ausgebildet sind. Auch die Anordnung der Summationsglieder 9a, 9b, 9c gemäß 6a entspricht der Anordnung gemäß 1a.
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Der Analogfilter 1 gemäß 6a unterscheidet sich von der Ausführungsform in 1a dadurch, dass die Anzahl der eingesetzten Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 erheblich niedriger ist. Dennoch weisen die Analogfilter 1 der 1 und 6a exakt dieselben Filtereigenschaften auf. Dies beruht darauf, dass der Aufbau des Analogfilters 1 von 6a aus der Struktur des Analogfilters 1 von 1a durch eine Reduktion abgeleitet ist, die die Funktion des Analogfilters 1 invariant lässt.
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Bei dieser Reduktion wird der Umstand ausgenützt, dass alle Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 aller Filterebenen der Analogfilter 1 identisch sind. Damit ergeben sich bei der Signalverstärkung in den vier Filterebenen in der Filterstruktur des Analogfilters 1 mehrere Pfade identischer Verstärkungen. So existiert bei der Filterstruktur gemäß 1a bei Durchlauf durch die vier Filterebenen ein Pfad, wo das Signal in der Reihenfolge mit den Elementen Hochpass-Tiefpass-Hochpass-Tiefpass verstärkt wird. Weiterhin existiert ein Pfad wo das Signal nacheinander mit den Elementen Hochpass-Hochpass-Tiefpass-Tiefpass verstärkt wird.
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In diesen Pfaden sowie in sämtlichen weiteren Pfaden, wo das Signal zweimal mit einem Hochpass 7 und zwei mal mit einem Tiefpass 8 verstärkt wird, wird dieselbe Gesamtverstärkung erhalten.
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Diesen Umstand ausnützend, ist in der Struktur des Analogfilters 1 gemäß 6a nur noch ein Pfad der Signalverstärkung in den vier Filterebenen vorhanden, der zwei Hochpässe 7 und zwei Tiefpässe 8 enthält. Das Ausgangssignal dieses Pfads ist dabei nicht nur auf ein Summationsglied 9b geführt, sondern auf alle anderen Summationsglieder 9b, auf welche Ausgangssignale von Pfaden mit zwei Tiefpässen 8 und Hochpässen 7 der Filterstruktur gemäß 1a geführt sind. Damit ersetzt der Pfad der Filterstruktur gemäß 6a mit zwei Hochpässen 7 und zwei Tiefpässen 8 in identischer Weise alle weiteren Pfade mit zwei Hochpässen 7 und Tiefpässen 8 der Filterstruktur gemäß 1a.
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In identischer Weise sind in der Filterstruktur gemäß 6a alle Pfade mit drei Hochpässen 7 und einem Tiefpass 8 der Filterstruktur gemäß 1a auf einen Pfad reduziert.
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Ebenso sind in der Filterstruktur gemäß 6a alle Pfade mit einem Hochpass 7 und drei Tiefpässen 8 der Filterstruktur gemäß 1a auf einen Pfad reduziert.
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6b zeigt eine Variante der Ausführungsform gemäß 1b. Bei der Ausführungsform gemäß 6b ist die Anzahl der Hochpässe 7 und Tiefpässe 8 gegenüber der Ausführungsform von 6a noch etwas weiter reduziert, ohne die Charakteristik des Analogfilters 1 zu ändern. Dieser Teil der Vereinfachung beruht darauf, dass das oberste und das unterste Hochpass/Tiefpasspaar der 4. Filterebene im Grundschema gemäß 1b keine Funktion haben, weil die Signale unmittelbar nach der Filterung wieder aufsummiert werden und deshalb speziell in diesem Summierungsschema weggelassen werden können. Eine weitere Vereinfachung beruht darauf, dass alle Summationsglieder vom Typ 9b weggelassen werden können, weil beispielsweise auch ein um den Faktor 3 verstärktes Signal herangezogen werden kann, statt die Summe aus drei identischen Signalpfaden zu bilden. Zur Verstärkung der Signale sind in der Anordnung gemäß 6b entsprechende Spannungsverstärker 12a, 12b vorgesehen. Dabei erfolgt in dem Spannungsverstärker 12a eine Signalverstärkung um den Faktor 3, in dem Spannungsverstärker 12b eine Signalverstärkung um den Faktor 6.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Analogfilter
- 2
- Hochton-Lautsprecher
- 3
- Mittelton-Lautsprecher
- 4
- Tiefton-Lautsprecher
- 5
- Signalgenerator
- 6
- Signalverzweigung
- 7
- Hochpass
- 8
- Tiefpass
- 9a
- Summationsglied
- 9b
- Summationsglied
- 9c
- Summationsglied
- 10
- Leistungsverstärker
- 11
- Summationsglied (akustische Summierung der Lautsprecher-Systeme)
- 12a
- Spannungsverstärker
- 12b
- Spannungsverstärker
