DE102011003470A1 - Headset und Hörer - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Hörer mit mindestens einem Mikrofon (12), einem analogen Pre-Emphasefilter (20) zur Vorentzerrung des Mikrofonsignals, einem AD-Wandler (30) zum Digitalisieren des Ausgangssignals des Pre-Emphasefilters, einer aktiven Larmkompensationseinheit (40) zum Durchführen einer aktiven Lärmkompensation basierend auf dem vorentzerrten und digitalisierten Ausgangssignal des Mikrofons (12) und zum Ausgeben eines Gegenschallsignals sowie einem DA-Wandler (50) zum Durchführen einer Analog/Digitalwandlung des durch die aktive Larmkompensationseinheit (40) erzeugten Gegenschalls vorgesehen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Headset und einen Hörer.
  • Headsets und Hörer mit einer aktiven Lärmkompensationseinheit sind hinlänglich bekannt. Die aktive Lärmkompensationseinheit kann sowohl analog als auch digital ausgeführt sein. Die Mikrofone eines Headsets oder eines Hörers mit einer aktiven Lärmkompensation erfassen Audiosignale von unterschiedlicher Herkunft und mit unterschiedlichen Pegeln. Die Mikrofone erfassen beispielsweise Störschall aus externen Schallquellen, den durch den Wiedergabewandler wiedergegebenen Schall, den Nutzschall und Schall, der aufgrund von Bewegungen zwischen dem Kopfhörer bzw. dem Headset und dem Kopf des Anwenders entsteht. Jedes dieser Schallereignisse weist ein spezifisches Spektrum mit einer spezifischen Pegelverteilung auf.
  • Es ist somit wünschenswert, einen Kopfhörer oder ein Headset mit einer aktiven Lärmkompensation vorzusehen, welche verbessert eine unregelmäßige Pegelverteilung eines Geräuschspektrums kompensieren kann.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Hörer gemäß Anspruch 1 und ein Headset gemäß Anspruch 4 gelöst.
  • Somit wird ein Hörer mit mindestens einem Mikrofon, einem analogen Pre-Emphasefilter zur Vorentzerrung des Mikrofonsignals, einem AD-Wandler zum Digitalisieren des Ausgangssignals des Pre-Emphasefilters, einer aktiven Lärmkompensationseinheit zum Durchführen einer aktiven Lärmkompensation basierend auf dem vorentzerrten und digitalisierten Ausgangssignal des Mikrofons und zum Ausgeben eines Gegenschalisignals sowie einem DA-Wandler zum Durchführen einer Analog/Digitalwandlung des durch die aktive Lärmkompensationseinheit erzeugten Gegenschalls vorgesehen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Filterparameter des Emphasefilters zum Vorentzerren des Mikrofonsignals dem maximal erwarteten Pegel der von dem Mikrofon erfassten Audiosignale angepasst.
  • Somit wird ein Headset mit mindestens einem Mikrofon, einem Emphasefilter zur Vorentzerrung des Mikrofonsignals, einem DA-Wandler zum Digitalisieren des Ausgangssignals des Emphasefilters, einer aktiven Lärmkompensationseinheit zum Durchführen einer aktiven Lärmkompensation basierend auf dem vorentzerrten und digitalisierten Ausgangssignal des Mikrofons und zum Ausgeben eines Gegenschallsignals sowie einem DA-Wandler zum Durchführen einer Analog/Digitalwandlung des durch die aktive Lärmkompensationseinheit erzeugten Gegenschalls vorgesehen.
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Steuern eines Hörers, der ein Mikrofon und eine aktive Lärmkompensationseinheit aufweist. Das Mikrofonsignal wird durch ein analoges Pre-Emphasefilter analog vorentzerrt. Das Ausgangssignal des Pre-Emphasefilters wird digitalisiert. Eine aktive Lärmkompensation wird basierend auf dem vorentzerrten und digitalisierten Ausgangssignal des Mikrofons durchgeführt und ein Gegenschall wird ausgegeben. Eine Digital/Analog-Wandlung des durch die aktive Lärmkompensationseinheit erzeugten Gegenschalls wird durchgeführt.
  • Die Erfindung betrifft den Gedanken, dass für jede Frequenz in einem Lärmspektrum unterschiedliche Pegel vorhanden sein können, welche stark voneinander abweichen können. Somit weist auch der durch die aktive Lärmkompensation erzeugte Gegenschall eine unregelmäßige Pegelverteilung auf.
  • Um dies zu vermeiden, wird ein vorzugsweise analog vorentzerrtes Audiosignal der digitalen Signalverarbeitung einer digitalen aktiven Lärmkompensation zugeführt, um eine nutzbare Gesamtdynamik erhöhen zu können. Das Eingangsaudiosignal wird einer Pre-Emphasisverarbeitung (analoge Vorentzerrung) unterzogen. Anschließend erfolgt eine Analog/Digitalwandlung. Optional kann nach der digitalen Verarbeitung eine digitale Pre-Emphasis erfolgen.
  • Die analoge und die digitale Pre-Emphasisverarbeitung hat den Vorteil, dass die nutzbare Dynamik einer Digital/Analogumwandlung und Analog/Digitalumwandlung erhöht wird und ggf. entstandene Artefakte im hörbaren Bereich minimiert werden können.
  • Die Erfindung betrifft ferner den Gedanken, wie eine digitale Lärmkompensation in einem Hörer oder Headset verbessert werden kann. Wenn beispielsweise das Leistungsspektrum und/oder die maximalen Pegel in einer lärmerfüllten Umgebung bekannt sind, dann können die Filter der Vorentzerrung entsprechend angepasst werden.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
  • 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Hörers bzw. Headsets gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines digitalen aktiven Lärmkompensationssystems zur Erläuterung der Erfindung,
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines aktiven Lärmkompensationssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
  • 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Hörers bzw. eines Headsets gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
  • 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Hörers oder eines Headsets gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
  • 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Hörers bzw. Headsets gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, und
  • 7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Hörers bzw. eines Headsets gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Hörers bzw. Headsets gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Headset weist eine Eingangseinheit 10 beispielsweise mit einem Audioeingang 11, einem ersten Mikrofon 12 und einem zweiten Mikrofon 13 auf. Das Headset weist ferner eine Pre-Emphasiseinheit 20 auf, welche die Signale der Eingangseinheit empfangen und eine Pre-Emphasisverarbeitung (Vorentzerrung) durchführen kann. Das Ausgangssignal der Pre-Emphasiseinheit 20 wird einem AD-Wandler 30 zugeführt, welcher eine Analog/Digitalwandlung durchführt. Das Ausgangssignal des AD-Wandlers 30 wird einer aktiven Lärmkompensationseinheit 40 zugeführt. Das Ausgangssignal der aktiven Lärmkompensationseinheit 40 wird einer digitalen Pre-Emphasisverarbeitungseinheit 60 zugeführt. Das Ausgangssignal der Pre-Emphasisverarbeitungseinheit 60 wird in einem DA-Wandler 50 digital/analog gewandelt. Das Ausgangssignal des DA-Wandlers 50 kann einem elektroakustischen Wiedergabewandler 70 zur Ausgabe zugeführt werden.
  • Die Larmkompensationseinheit 40 kann einen oder mehrere Lärmkompensationsfilter 41, 42 aufweisen.
  • Die Pre-Emphasiseinheit 20 kann mehrere Teileinheiten aufweisen, um jedem Eingangssignal der Eingangseinheit 10 einer Pre-Emphasisverarbeitung zuzuführen. Die Pre-Emphasiseinheit 20 führt eine analoge Vorentzerrung durch. Nach der analogen Vorentzerrung wird das Ausgangssignal der Pre-Emphasiseinheit 20 in dem AD-Wandler analog/digital gewandelt.
  • Durch das Vorsehen einer digitalen Pre-Emphasiseinheit 60 kann die Dynamik des Digital/Analogwandlers 50 erhöht werden und ferner können ggf. entstandene Artefakte vermindert werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches auf dem ersten Ausführungsbeispiel basiert, kann eine analoge Vorentzerrung bzw. Pre-Emphasis erfolgen.
  • Eine Pre-Emphase gemäß der Erfindung stellt z. B. eine Anhebung von hohen Frequenzen und eine Absenkung von tiefen Frequenzen während eines Aufzeichnens oder Sendens eines Signals dar. Die Anhebung oder Absenkung der hohen und tiefen Frequenzen wird anschließend bei der Wiedergabe oder beim Empfang rückgängig gemacht, so dass eine originalgetreue Übertragung bzw. Aufzeichnung oder Erfassung erfolgen kann. Mit anderen Worten, eine Pre-Emphase bewirkt eine Anhebung der hohen Frequenzen und eine Absenkung der tiefen Frequenzen. Eine Emphase stellt also eine beabsichtigte Änderung der Amplitude/Frequenzcharakteristik eines Audiosignals dar, um beispielsweise das Rauschen zu unterdrücken.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines digitalen aktiven Lärmkompensationssystems zur Erläuterung der Erfindung. Der von dem Mikrofon erfasste Schall x(t) wird über einen AD-Wandler 30 digitalisiert, einer aktiven Lärmkompensation unterzogen (in 2 nicht gezeigt), und der durch die aktive Lärmkompensation berechnete Gegenschall yd(n) wird durch einen DA-Wandler 50 wieder in ein analoges Signal y(t) umgewandelt. In 2 ist unten links der maximal auftretende Pegel bei dem Eingangssignal x(t) und rechts ist der maximal auftretende Pegel des Gegenschalls yd gezeigt. Wie links unten zu sehen, weist das Spektrum des Eingangssignals x über die Frequenz einen sehr variablen Verlauf auf. Der in 2 unten rechts gezeigte Gegenschall weist ebenfalls einen sehr variablen Verlauf auf. In den beiden unteren Bildern in 2 ist jeweils das Quantisierungsrauschen QR und der jeweilige Signalrauschabstand SNR xd(fi) und SNRyd(fi) gezeigt. Dies hat zur Folge, dass die zur Verfügung stehenden Dynamikbereiche nicht ausreichend ausgenutzt werden können.
  • Für eine optimale AD oder DA-Wandlung sollte vorzugsweise der höchste zu erwartende Pegel den vollen Darstellungsbereich (full scale) des Wandlers einnehmen, ohne dass es zu einer Übersteuerung kommen kann. Dies ist notwendig, damit die größtmöglichste auftretende Amplitude noch verarbeitet werden kann. Andererseits hat dies jedoch zur Folge, dass der Signal-Rausch-Abstand SNR bei anderen Frequenzen schlechter ist als bei der maximalen Auslenkung.
  • Wenn beispielsweise bei einer ersten Frequenz der maximale Pegel 40 dB kleiner ist als der maximal mögliche Pegel, dann hat dies zur Folge, dass der Signal-Rausch-Abstand SNR 40 dB kleiner als möglich ist. Genauer betrachtet kann dies zu einem Verlust von 6 bis 7 Bit an Auflösung führen. Dies ist unerwünscht insbesondere im Hinblick darauf, dass die Auflösung eines DA-Wandlers und/oder eines AD-Wandlers typischerweise 12 bis 24 Bit beträgt. Der reduzierte Signal-Rausch-Abstand kann zu einem akustischen Rauschen führen und die Funktion der aktiven Lärmkompensation erheblich stören.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines aktiven Lärmkompensationssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das System weist ein Eingangssignal x(t), ein erstes analoges Filter (Eingangs-Pre-Emphasefilter) 20, einen AD-Wandler 30, ein erstes digitales Filter (Eingangs-Deemphasefilter) 21, eine nicht weiter dargestellte Audioverarbeitungseinheit, ein zweites digitales Filter (Ausgangs-Pre-Emphasefilter) 60, einen DA-Wandler 50 und ein zweites analoges Filter (Ausgangs-Pre-Emphasefilter) 61 auf. Durch das erste analoge Filter 20 kommt es bei entsprechender Auslegung der Filterparameter zu einem Abgleich des maximal möglichen Pegels am AD-Wandler.
  • Durch das zweite digitale Filter 60 kommt es zu einer gleichmäßigeren spektralen Verteilung der Maximalpegel am D/A-Wandler. Somit weisen die durch die AD- und DA-Wandler zu verarbeitenden Eingangs- und Ausgangssignale einen besseren Signal-Rausch-Abstand auf.
  • Wenn die zu erwartenden Audiosignale in einer lärmerfüllten Umgebung bekannt sind, dann können die Filterparameter entsprechend ausgelegt werden.
  • Durch die Filter 20 und 60 ändert sich jedoch die Übertragung des gesamten Signalpfades. Um eine Änderung der Empfangs- und Sendepfade zu vermeiden, wird hinter dem AD-Wandler 30 ein erstes digitales Filter 21 und hinter dem DA-Wandler 50 ein zweites analoges Filter 61 vorgesehen, wobei das erste digitale Filter 21 ein Ausgleichsfilter (Deemphasis, Rückentzerrung) bezüglich des ersten analogen Filters 20 darstellt, und das zweite analoge Filter 61 stellt ein Ausgleichsfilter (Deemphasis, Rückentzerrung) bezüglich des zweiten digitalen Filters 60 dar.
  • Mit dem aktiven Lärmkompensationssystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann somit der Signal-Rausch-Abstand verbessert werden, wodurch weniger Rauschen zu hören ist.
  • 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Hörers bzw. eines Headsets gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Hörer bzw. das Headset weist ein Mikrofon 12, einen AD-Wandler 30, einen aktiven Lärmkompensationsfilter 40, einen DA-Wandler 50 sowie einen elektroakustischen Wiedergabewandler 70 und eine Sekundärstrecke 100 auf. Die aktive Lärmkompensation gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel erfolgt vorzugsweise nach dem Feed Forward-Prinzip. Ein Audiosignal wird durch das Mikrofon 12 erfasst und als ein Ausgangssignal x(t) ausgegeben. Dieses Ausgangssignal x(t) wird einer AD-Wandlung in dem AD-Wandler 30 unterzogen und es wird ein digitales Ausgangssignal xd(n) an das Filter 40 ausgegeben. Das Ausgangssignal des Filters yd(n) wird an den DA-Wandler 50 ausgegeben, der wiederum ein analoges Ausgangssignal y(t) ausgibt. Dieses analoge Ausgangssignal y(t) wird dem elektroakustischen Wiedergabewandler 70 zugeführt.
  • Die Übertragungsstrecke von dem Lautsprecher 70 sowie die akustische Strecke stellt die sog. Sekundärstrecke 100 dar. Das Ausgangssignal y(t) des DA-Wandlers 50 wird dem Lautsprecher 70 zugeführt, der wiederum einen Gegenschall u(t) abgibt, welcher den Störschall d(t) überlagert, um diesen zu kompensieren. Das Ergebnis dieser Kompensation stellt das Überlagerungssignal e(t) dar.
  • 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Hörers oder eines Headsets gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Der Hörer bzw. das Headset gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem Hörer bzw. Headset gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel von 4. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Mikrofon 12 vor dem Lautsprecher vorgesehen ist und das Filter 40 als ein Feedback-Filter ausgestaltet ist, wobei ein Überlagerungssignal e(t) zu dem Eingang des AD-Wandlers 30 zurückgeführt wird.
  • 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Hörers bzw. Headsets gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Der Hörer bzw. das Headset gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel basiert auf dem Hörer bzw. Headset gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, wobei Angleich- und Ausgleichsfilter 20, 21; 60, 61 vor und hinter dem AD-Wandler sowie dem DA-Wandler vorgesehen sind. Die Funktion der Filter 20, 21, 60, 61 entspricht der Funktion der Filter gemäß 3.
  • 7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Hörers bzw. eines Headsets gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Der Hörer bzw. das Headset gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel beruht auf dem Hörer bzw. Headset gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel zusätzlich mit den in 3 gezeigten Angleich- und Ausgleichsfiltern 20, 21, 60, 61, welche vor und hinter dem AD-Wandler 30 und dem DA-Wandler 50 vorgesehen sind.
  • Zur Bestimmung der Parameter der Filter 20, 21, 60, 61 ist es vorteilhaft, wenn der maximal mögliche Pegel Smaxx(f) durch das Außenmikrofon 12 bzw. das Innenmikrofon 12 ermittel wird. Alternativ dazu kann der Maximalpegel auch geschätzt werden.
  • Für das Filter 20 gilt dann
    Figure 00080001
  • Hieraus kann gefolgert werden, dass keine 100%ige Angleichung des Spektrums benötigt wird, sondern dass eine Begrenzung der Signaldynamik bereits zu einem ausreichenden Ergebnis führen kann. Für das Filter 21 für die digitale Ausgleichsfilterung gilt dann:
    Figure 00080002
  • Somit entspricht dann das Filter 61 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel:
    Figure 00080003
  • Das Ausgleichsfilter 61 sollte dann wie folgt beschrieben werden können:
    Figure 00080004
  • Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel (Feed-Back), welches ein Innenmikrofon 12 aufweist, sollte dann das Filter 20 wie folgt beschrieben werden:
    Figure 00080005
  • Das Filter 21 entspricht dann dem inversen Filter 20, d. h.
  • Figure 00080006
  • Für das Filter 60 gilt dann
    Figure 00080007
  • Damit gilt dann für das Filter 61
    Figure 00080008
  • Die Filter 20, 60, 21, 61 gemäß der Erfindung dienen explizit nicht einer Filterung an den Rändern des zu verarbeitenden Frequenzbereichs, sondern beziehen sich auf den zu verarbeitenden Frequenzbereich und ermöglichen eine Verbesserung des Signal-Rausch-Abstandes. Die Übertragungsfunktionen der Filter gemäß der Erfindung sind derart ausgestaltet, dass der maximale und der minimale Wert der Verstärkung zwischen 20 Hz und einem Viertel der Abtastfrequenz mit mindestens 3 dB voneinander abweichen.

Claims (5)

  1. Hörer, mit mindestens einem Mikrofon (12), mindestens einem analogen Pre-Emphasefilter (20) zum Vorentzerren eines Mikrofonsignals, einem AD-Wandler (30) zum Digitalisieren des Ausgangssignals des Pre-Emphasefilters (20), einer aktiven Lärmkompensationseinheit (40) zum Durchführen einer aktiven Lärmkompensation basierend auf dem vorentzerrten und digitalisierten Ausgangssignal des Mikrofons (12) und zum Ausgeben eines Gegenschallsignals, und einem DA-Wandler (50) zum Durchführen einer Digital/Analog-Wandlung des durch die aktive Lärmkompensationseinheit (40) erzeugten Gegenschalls.
  2. Hörer nach Anspruch 1, wobei die Filterparameter des Pre-Emphasefilters (20) an den maximal erwarteten Pegel der von dem Mikrofon (12) erfassten Audiosignale angepasst sind.
  3. Hörer nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem digitalen Pre-Emphasefilter (60) zwischen der aktiven Lärmkompensationseinheit und dem DA-Wandler (50).
  4. Headset, mit mindestens einem Mikrofon (12), mindestens einem analogen Pre-Emphasefilter (20) zum Vorentzerren eines Mikrofonsignals, einem AD-Wandler (30) zum Digitalisieren des Ausgangssignals des Emphasefilters (20), einer aktiven Lärmkompensationseinheit (40) zum Durchführen einer aktiven Lärmkompensation basierend auf dem vorentzerrten und digitalisierten Ausgangssignal des Mikrofons (12) und zum Ausgeben eines Gegenschallsignals, und einem DA-Wandler (50) zum Durchführen einer Digital/Analog-Wandlung des durch die aktive Lärmkompensationseinheit (50) erzeugten Gegenschalls.
  5. Verfahren zum Steuern eines Hörers, der ein Mikrofon (12) und eine aktive Lärmkompensationseinheit (40) aufweist, mit den Schritten: analoges Vorentzerren eines Mikrofonsignals durch ein analoges Pre-Emphasefilter (20), Digitalisieren des Ausgangssignals des Pre-Emphasefilters (20), Durchführen einer aktiven Lärmkompensation basierend auf dem vorentzerrten und digitalisierten Ausgangssignal des Mikrofons (12) und Ausgeben eines Gegenschallsignals, und Durchführen einer Digital/Analog-Wandlung des durch die aktive Lärmkompensationseinheit (50) erzeugten Gegenschalls.
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