DE102013223013A1

DE102013223013A1 - Optimierung von Filterkoeffizienten eines zur Filterung eines digitalen Audiosignals geeigneten FIR-Filters

Info

Publication number: DE102013223013A1
Application number: DE201310223013
Authority: DE
Inventors: Imre Csonka; Michael Ascher
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-05-13

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren von Filterkoeffizienten eines zur Filterung eines digitalen Audiosignals geeigneten FIR-Filters. Bei dem Verfahren wird eine Nutzerschnittstelle zum Einstellen des Werts zumindest eines Filterparameters eines parametrischen Filters seitens eines Nutzers, beispielsweise eines Toningenieurs, genutzt. Bei dem parametrischen Filter handelt es sich beispielsweise um ein Glockenfilter. Erfindungsgemäß wird zur Optimierung in Echtzeit ein digitales Audio-Testsignal in ein erstes IIR-Filter gespeist, wobei beruhend auf dem resultierenden Ausgangssignal des ersten IIR-Filters ein hörbares akustisches Signal an den Nutzer ausgegeben wird. Dabei wird das parametrische Filter über das erste IIR-Filter dargestellt. Wenn der Nutzer nun über die Nutzerschnittstelle den Werts eines oder mehrerer Filterparameter (beispielsweise die Mittenfrequenz eines anhebenden oder absenkenden Glockenfilters) ändert, wird das über das erste IIR-Filter dargestellte parametrische Filter entsprechend verändert und damit werden die Koeffizienten des IIR-Filters entsprechend der Änderung des Werts des einen oder der mehreren Filterparameter geändert. Die Änderung erfolgt unter kontinuierlicher Speisung des ersten IIR-Filters und Ausgeben des resultierenden akustischen Signals an den Nutzer, so dass der Nutzer in Echtzeit eine akustische Rückmeldung über den Einfluss der Änderung auf das akustische Klangbild erhält. Es wird dann schließlich festgestellt, dass der Nutzer den geänderten Wert des zumindest einen Filterparameters fixieren möchte. Nach Feststellen der vom Nutzer gewollten Fixierung des Werts wird das aktuell über das erste IIR-Filter dargestellte parametrische Filter in der so eingestellten Form in das FIR-Filter integriert.

Description

Die Erfindung betrifft das Optimieren von Filterkoeffizienten eines FIR-Filters (FIR – finite impulse response), welches zur Filterung eines digitalen Audiosignals eingesetzt wird. Das FIR-Filter ist dabei vorzugsweise in einem Equalizer enthalten, der wiederum Teil einer Audio-Wiedergabeeinheit ist, insbesondere Teil einer Audio-Wiedergabeeinheit zur Beschallung des Innenraums eines Personenkraftwagens (PKW).
Zur Filterung von digitalen Audiosignalen sind zwei gängige digitale Filter-Typen bekannt: digitale FIR-Filter (finite impulse response) und digitale IIR-Filter (infinite impulse response).
Ein digitales FIR-Filter ist ein digitales Filter mit endlicher Impulsantwort. Zur Implementierung eines FIR-Filters wird im Allgemeinen eine nichtrekursive Filterstruktur verwendet. Beispielsweise kann zur Realisierung eines FIR-Filters der Ordnung N eine N-Stufige Verzögerungsleitung von N Verzögerungselementen und N + 1 Multiplizierern verwendet werden.
Bei einem digitalen IIR-Filter handelt es sich um ein digitales Filter mit unendlicher Impulsantwort. Zur Realisierung eines IIR-Filters werden rekursive Filterstrukturen verwendet, beispielsweise eine sogenannte Direkt-Form 1 oder eine sogenannte Direkt-Form 2 des IIR-Filters. Auch hier werden Verzögerungselemente und Multiplizierer verwendet.
Die Multiplikatoren der Multiplizierer eines FIR-Filters oder eines IIR-Filters bestimmen die Impulsantwort im Zeitbereich und die Filterübertragungsfunktion im Frequenzbereich und werden auch als Filterkoeffizienten bezeichnet. Durch Veränderung der Filterkoeffizienten werden die Impulsantwort und die Filterübertragungsfunktion des FIR-Filters bzw. IIR-Filters verändert.
Während IIR-Filter Vorteile bei der intuitiven Anwendung haben (beispielsweise anschauliche Parameter wie Frequenz, Güte und Verstärkung) sowie Echtzeitfähigkeit bieten, weisen FIR Filter andere vorteilhafte Eigenschaften auf, beispielsweise eine lineare Phase, eine beliebig komplexe Frequenzantwort und aufgrund der Nichtrekursivität des Filters die Gewähr für die Stabilität des Filters.
Das Klangbild einer Audio-Wiedergabeeinheit in einem Personenkraftwagen kann durch Equalizer (typischerweise ein Equalizer pro Audiokanal) an das akustische Übertragungsverhalten in einem Fahrzeuginnenraum angepasst werden. Derartige Equalizer umfassen digitale Filter, typischerweise FIR-Filter oder IIR-Filter. Zur Optimierung eines Klangbildes einer Audio-Wiedergabeeinheit in einem bestimmten Kraftfahrzeugmodell werden herstellerseitig die Filterkoeffizienten eines digitalen Filters in einem Equalizer durch einen Toningenieur auf den jeweiligen Fahrzeuginnenraum hin optimiert.
Zur Optimierung des Klangbildes können beispielsweise eine Mehrzahl (z. B. 5 bis 10) parametrischer Filter verwendet werden, wobei die Mehrzahl der parametrischen Filter über das FIR-Filter dargestellt wird, d. h. das FIR-Filter bildet die Mehrzahl parametrischer Filter ab.
Bei einem parametrischen Filter sind ein oder mehrere grundsätzliche Filterparameter wie beispielsweise die Frequenz, Güte oder Verstärkung des Filters einstellbar. Beispielsweise handelt es sich hierbei um ein Hochpass-, Tiefpass- oder ein Glockenfilter. Durch das parametrische Filter kann beispielsweise ein bestimmter Frequenzbereich um eine vorgegebene Mittenfrequenz herum im Frequenzspektrum angehoben oder abgesenkt werden. Der Parameter Frequenz gibt beispielsweise die Mittenfrequenz des jeweiligen Frequenzbereichs an, der Parameter Verstärkung gibt den Grad der Anhebung bzw. Absenkung des jeweiligen Frequenzbereichs an und der Parameter Güte bestimmt die Bandbreite des Filters.
Die Optimierung kann in Echtzeit erfolgen, indem die Filtercharakteristik durch Änderung der Filterkoeffizienten sukzessive verändert wird und das resultierende akustische Klangbild seitens des Toningenieurs jeweils bewertet wird. Die Filtercharakteristik wird durch Änderung der Filterkoeffizienten solange optimiert, bis sich für den Toningenieur ein optimales Klangbild ergibt.
Zur Optimierung der Filterkoeffizienten in Echtzeit ist die FIR-Filtertechnologie im Audiobereich ungeeignet, da für eine Veränderung eines FIR-Filters erst alle Filterkoeffizienten eines FIR-Filters von einer Steuereinheit einer Entwicklungsumgebung zu der Audio-Wiedergabeeinheit, die den Equalizer und das FIR-Filter umfasst, übertragen werden müssen und diese Filterkoeffizienten in dem FIR-Filter eingestellt werden müssen. Typischerweise werden für eine gute Frequenzauflösung über den gesamten Hörbereich FIR-Filter mit mindestens 1000 oder mehr Filterkoeffizienten eingesetzt. Das Übertragen und Einstellen einer derart hohen Anzahl von Filterkoeffizienten kann typischerweise nicht ohne ein Abreißen des Audio-Streams durchgeführt werden. Außerdem ist das Übertragen und Einstellen einer derart hohen Anzahl von Filterkoeffizienten mit einer Latenz verbunden, so dass bei Änderung eines Filterparameters eines parametrischen Filters durch den Toningenieur das FIR-Filter erst mit zeitlicher Verzögerung auf die geänderte Vorgabe reagiert. Bei Verwendung eines FIR-Filters in einem Equalizer ist die Abstimmung der Filterkoeffizienten daher kaum oder nur sehr schwer in Echtzeit möglich. Trotz der akustischen Vorteile ist die Anwendung eines FIR-Filters in einem Equalizer aufgrund der mangelnden Eignung zur Echtzeitoptimierung daher eingeschränkt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Optimieren von Filterkoeffizienten eines digitalen FIR-Filters anzugeben, welches die vorstehend beschriebenen Nachteile ausräumt. Ferner ist die Aufgabe auf die Angabe einer entsprechenden Einrichtung zum Optimieren von Filterkoeffizienten eines digitalen FIR-Filters gerichtet.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren von Filterkoeffizienten eines zur Filterung eines digitalen Audiosignals geeigneten FIR-Filters in Echtzeit. Bei dem Verfahren wird eine Nutzerschnittstelle zum Einstellen des Werts eines oder mehrerer Filterparameter eines parametrischen Filters seitens eines Nutzers, beispielsweise eines Toningenieurs, genutzt. Vorzugsweise können über die Nutzerschnittstelle die Filterparameter einer Mehrzahl von parametrischen Filtern vorgegeben werden.
Bei dem parametrischen Filter handelt es sich beispielsweise um einen Bandpass oder eine Bandsperre, insbesondere um ein Glockenfilter. Über die Nutzerschnittstelle sind beispielsweise die Verstärkung, die Mittenfrequenz und die Güte des parametrischen Filters, insbesondere des Glockenfilters, veränderbar.
Erfindungsgemäß wird zur Optimierung in Echtzeit ein digitales Audio-Testsignal in ein erstes IIR-Filter gespeist, wobei beruhend auf dem resultierenden Ausgangssignal des ersten IIR-Filters ein hörbares akustisches Signal an den Nutzer ausgegeben wird. Anhand der Rückmeldung über das akustische Signal kann der Nutzer dann eine Optimierung der Filtereinstellung vornehmen.
Die Filterkoeffizienten des ersten IIR-Filters sind so gewählt, dass bei Einstellung dieser Filterkoeffizienten das IIR-Filter ein über die Nutzerschnittstelle vorgegebenes parametrisches Filter abbildet.
Ändert der Nutzer nun über die Nutzerschnittstelle den Werts zumindest eines Filterparameters (beispielsweise die Mittenfrequenz eines anhebenden oder absenkenden Glockenfilters), wird das über das erste IIR-Filter dargestellte parametrische Filter entsprechend verändert und damit werden die Koeffizienten des IIR-Filters entsprechend der Änderung des Werts geändert. Die Änderung erfolgt unter kontinuierlicher Speisung des ersten IIR-Filters und Ausgeben des resultierenden akustischen Signals an den Nutzer, so dass der Nutzer in Echtzeit eine akustische Rückmeldung über den Einfluss der Änderung auf das akustische Klangbild erhält und so den Filterparameter bzw. die Filterparameter optimal einstellen kann.
Es wird nach einem zeitlich kürzeren oder längeren Änderungsprozess schließlich festgestellt, dass der Nutzer den geänderten Wert fixieren möchte (da sich dieser Wert des Filterparameters oder die geänderten Werte mehrerer Filterparameter aus Sicht der Nutzer beispielsweise vorteilhaft auf das Klangbild auswirkt bzw. auswirken). Beispielsweise wird der Filterparameter über ein dem Stellelement zugeordnetes Stellelement seitens des Nutzers geändert. Beendet der Nutzer die Betätigung des Stellelements nach der Optimierung (beispielsweise durch Loslassen einer Maustaste, die vorher während der Veränderung des Filterparameters dauerhaft zu betätigen war), ist dies beispielsweise ein Indiz dafür, dass der Nutzer den geänderten Wert des Filterparameters fixieren möchte.
Nach Feststellen der vom Nutzer gewollten Fixierung wird das aktuell über das erste IIR-Filter dargestellte parametrische Filter in der so eingestellten Form in das FIR-Filter integriert. Dies bedeutet, dass die Filterfunktion des FIR-Filters dann die Filterfunktion des parametrischen Filters umfasst. Das FIR-Filter kann dabei zusätzlich noch die Filterfunktionen von weiteren parametrischen Filtern umfassen, die beispielsweise bereits vor der Optimierung des aktuell optimierten parametrischen Filters optimiert wurden.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ermöglicht eine Filteroptimierung eines parametrischen Filters in Echtzeit mittels des ersten IIR-Filters ohne die sich verändernden vielen Filterkoeffizienten des FIR-Filters während der Optimierung laufend an ein FIR-Filter übertragen zu müssen. Erst nach Feststellen einer gewünschten Fixierung zumindest eines Filterparameters werden die Filterkoeffizienten des FIR-Filters angepasst, um das in dem ersten IIR-Filter aktuell eingestellte parametrische Filter mit der aktuellen Filtereinstellung in das FIR-Filter zu übernehmen. Die Latenz und ein einmaliger, kurzer Aussetzer des Audiodatenstromes durch die Übertragung der FIR-Filterkoeffizienten ist zu diesem Zeitpunkt aber nicht kritisch, da die Optimierung des Filterparameters ja bereits stattgefunden hat.
Vorzugsweise wird ein einziger Filterparameter verändert und entsprechend das erste IIR-Filter daran angepasst. Dann wird festgestellt, dass der Wert dieses einen Filterparameters fixiert werden soll, und dann wird das parametrische Filter mit der aktuellen Einstellung der Filterparameter in das FIR-Filter übertragen. Es wäre aber auch denkbar, dass mehrere Filterparameter verändert werden und erst nachdem festgestellt wird, dass die eingestellten Werte der mehreren Filterparameter fixiert werden sollen, die Einstellung in das FIR-Filter übernommen.
Während der Optimierung des parametrischen Filters werden beispielsweise die Filterkoeffizienten für den ersten IIR-Filter von einer Steuerungseinheit an die Audio-Wiedergabeeinheit übertragen und geändert; hierbei handelt es sich aber nur um weniger Filterkoeffizienten, beispielsweise je nach Implementierung um 5–10 Filterkoeffizienten
Das Setzen oder Ändern eines parametrischen Filters (beispielsweise mittels einer grafischen Nutzeroberfläche (GUI – Graphical User Interface)) kann die folgenden drei Phasen umfassen:
In der ersten Phase wird der zu ändernde Filterparameter eines parametrischen Filters über das dem Filterparameter zugeordnete Stellelement angewählt; bei dem Stellelement handelt es sich beispielsweise um ein auf einem Bildschirm der Entwicklungsumgebung dargestellten Schieber, der über eine Eingabegerät (beispielsweise eine Computermaus) verschobenen werden kann. In einer zweiten Phase wird der Filterparameter unter akustischer Rückmeldung in Echtzeit durch den Nutzer geändert. In einer dritten Phase wird seitens des Nutzers dann die Änderung durch Beenden der Betätigung des Stellelements finalisiert. Die erste und die zweite Phase werden dann über das erste IIR-Filter realisiert, so dass eine akustische Rückmeldung der Änderung in Echtzeit damit möglich ist. Erst bei Finalisieren der Änderung wird das resultierende parametrische Filter in das FIR-Filter durch Übertragen entsprechend angepasster Filterkoeffizienten übertragen.
Vorzugsweise wird ein Audio-Testsignal in eine Filter-Kaskade gespeist, welche das FIR-Filter und das erste IIR-Filter umfasst, beispielsweise ist der Eingang des ersten IIR-Filters in Signalrichtung hinter dem Ausgang des FIR-Filters angeordnet. Während der Optimierung eines Filterparameters wirkt dann sowohl das FIR-Filter als auch das erste IIR-Filter auf das Audio-Signal.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Audio-Testsignal in eine Filter-Kaskade gespeist, welche das FIR-Filter, das erste IIR-Filter und ein zweites IIR-Filter umfasst. Der Eingang des ersten IIR-Filters ist beispielsweise ausgangsseitig des FIR-Filters angeordnet und der Eingang des zweiten IIR-Filters ist beispielsweise ausgangsseitig des ersten IIR-Filters angeordnet.
In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn über die Nutzerschnittstelle der Wert zumindest eines Filterparameters eines vorher in das FIR-Filter übernommenen parametrischen Filters änderbar ist. Zur Änderung eines bereits übernommenen parametrischen Filters wird das vorher in das FIR-Filter übernommene parametrische Filter in das zweite IIR-Filter übernommen, wobei dieses parametrische Filter auch weiterhin in dem FIR-Filter verbleibt. Im Rahmen der Übernahme in das zweite IIR-Filter wird die Verstärkung des parametrischen Filters invertiert, so dass die Verstärkung des parametrischen Filters in dem zweiten IIR-Filter invertiert zu der Verstärkung des entsprechenden parametrischen Filters in dem FIR-Filter ist.
Das zweite IIR-Filter hat dann die Aufgabe, ein bereits vorher in das FIR-Filter übernommenes parametrisches Filter mit invertierter Verstärkung abzubilden und aufgrund der inversen Verstärkung das in dem FIR-Filter enthaltene parametrische Filter zu kompensieren. Zur Kompensation wird in dem zweiten IIR-Filter die Verstärkung des parametrischen Filters invertiert, so dass sich das parametrische Filter in dem FIR-Filter und das parametrische Filter mit invertierter Verstärkung in dem zweiten IIR-Filter gegenseitig in ihrer Wirkung in der Gesamtübertragungsfunktion der Filter-Kaskade im Wesentlichen aufheben. Die Optimierung des parametrischen Filters erfolgt über das erste IIR-Filter, über welches das zu optimierende parametrische Filter dargestellt wird, wie dies bereits vorstehend beschrieben wurde.
Es ist in diesem Fall von Vorteil, wenn über die Nutzerschnittstelle ein vorher in das FIR-Filter übernommenes parametrisches Filter zwecks Änderung des Werts zumindest eines Filterparameters aus einer Mehrzahl bereits in das FIR-Filter übernommener parametrischer Filter auswählbar ist. Gemäß dem Verfahren wird die seitens des Nutzers über die Nutzerschnittstelle getroffene Auswahl eines vorher in das FIR-Filter übernommenen parametrischen Filters entgegennommen. Das über die Nutzerschnittstelle ausgewählte parametrische Filter wird in das erste IIR-Filter unter Beibehaltung dieses parametrischen Filters in dem FIR-Filter rückübernommen. Die Optimierung des ausgewählten parametrischen Filters erfolgt dann über das erste IIR-Filter, wie dies bereits vorstehend beschrieben wurde.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Optimieren von Filterkoeffizienten eines zur Filterung eines digitalen Audiosignals geeigneten FIR-Filters in Echtzeit. Die Einrichtung umfasst eine Audio-Wiedergabeeinheit mit zumindest einem Equalizer mit dem FIR-Filter und dem ersten IIR-Filter. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine Audio-Wiedergabeeinheit für einen Personenkraftwagen, insbesondere um einen Verstärker eines Infotainmentsystems eines Personenkraftwagens. Es ist eine Nutzerschnittstelle zum Einstellen des Werts zumindest eines Filterparameters eines parametrischen Filters seitens eines Nutzers vorgesehen. Bei der Nutzerschnittstelle handelt es sich vorzugsweise um eine Nutzerschnittstelle einer Entwicklungsumgebung zur fahrzeugherstellerseitigen Optimierung der Filterkoeffizienten. Ferner ist eine Steuereinheit zur Steuerung der Filtercharakteristik des FIR-Filters und des ersten IIR-Filters vorgesehen; diese ist vorzugsweise mit der Nutzerschnittstelle und mit der Audio-Wiedergabeeinheit gekoppelt. Die Nutzerschnittstelle und die Steuereinheit können beispielsweise über ein tragbares Notebook realisiert werden. Die Steuerung erfolgt in Abhängigkeit des über die Nutzerschnittstelle eingestellten Werts des zumindest einen Filterparameters.
Die erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt es, ein digitales Audio-Testsignal in ein erstes IIR-Filter einzuspeisen und ein auf dem Ausgangssignal des ersten IIR-Filters beruhendes akustisches Signals an den Nutzer auszugeben. Das parametrische Filter wird über das erste IIR-Filter dargestellt. Die Einrichtung ist eingerichtet, eine über die Nutzerschnittstelle vorgenommene Änderung des Werts zumindest eines Filterparameters auszuwerten. Der über das erste IR-Filter dargestellte parametrischen Filter und damit der erste IIR-Filter werden dabei entsprechend der über die Nutzerschnittstelle vorgenommenen Änderung des Werts des zumindest einen Filterparameters unter kontinuierlicher Speisung des ersten IIR-Filters verändert und das resultierende akustischen Signals an den Nutzer ausgegeben. Ferner ist die Einrichtung in der Lage, eine vom Nutzer gewünschte Fixierung des geänderten Werts des zumindest einen Filterparameters festzustellen, und nach Feststellen der gewollten Fixierung, das in dem ersten IIR-Filter aktuell eingestellte parametrische Filter in das FIR-Filter zu übernehmen.
Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Einrichtung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung. An dieser Stelle nicht explizit beschriebene vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung entsprechen den beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Equalizer eine Filter-Kaskade aufweist, die das FIR-Filter, das erste IIR-Filter und optional auch das zweite IIR-Filter umfasst.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Equalizer für ein Audio-Signal, der eine vorstehend beschriebene Filter-Kaskade aufweist, die ein FIR-Filter, ein erstes IIR-Filter und ein zweites IIR-Filter umfasst.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Audio-Wiedergabeeinheit mit einem derartigen Equalizer.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In diesen zeigen:
1 eine beispielhafte Entwicklungsumgebung zum Optimieren von Filterkoeffizienten eines FIR-Filters;
2 eine beispielhafte grafische Nutzeroberfläche;
3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Optimieren von Filterkoeffizienten eines FIR-Filters; und
4 eine stark schematisierte Darstellung der Veränderung der Zustände der Filter FIR, IIR1 und IIR2 während einer beispielhaften Abfolge von Optimierungshandlungen des Nutzers.
1 zeigt eine beispielhafte Entwicklungsumgebung zum Optimieren von Filterkoeffizienten eines FIR-Filters FIR in einem Equalizer EQ.
Eine Notebook NB umfasst eine grafische Nutzeroberfläche GUI und eine Steuerprogramm ST1 zur Bereitstellung von berechneten Filterkoeffizienten und weiterer Steuersignalen für einen Verstärker AMP.
Über die Nutzeroberfläche GUI können verschiedene parametrische Glockenfilter (z. B. 5 bis 10 Glockenfilter) zur Filterung eines digitalen Audiosignals S1 seitens des Toningenieurs gesetzt und jeweils zur Optimierung in ihren Parametern Mittenfrequenz f, Verstärkung G und Güte Q verändert werden. Die Einstellung der Filterparameter der parametrischen Filter werden auf dem Bildschirm des Notebooks dargestellt und können über ein Eingabegerät des Notebooks optimiert werden, beispielsweise über ein Touchpad mit zugehörigen Tasten, über eine Computermaus oder über den Bildschirm direkt im Fall eines berühungsempfindlichen Bildschirms. Über das Eingabegerät kann die Stellung von auf dem Bildschirm dargestellter Stellelemente verändert werden, die den einzelnen Filterparametern eines parametrischen Filters zugeordnet sind.
In 2 ist die Bildschirmausgabe einer beispielhaften Nutzeroberfläche GUI dargestellt. In dem aktuellen Zustand sind beispielsweise drei parametrische Filter P₁, P₂ und P₃ gesetzt. Über einzelne Stellelemente können jeweils die Frequenz f, die Güte Q und die Verstärkung G der einzelnen parametrischen Filter P₁, P₂ und P₃ vom Nutzer zwischen vorgegebenen Grenzen max und min variiert werden. Bei der Einstellung in 2 wird das digitale Audio-Testsignal S₁ über das Filter P₁ in einem mittleren Frequenzbereich angehoben (G > 0), über das Filter P₂ ein oberer Frequenzbereich abgehoben (G > 0) und über das Filter P₃ in einem oberen Frequenzbereich abgesenkt (G < 0).
Die gesetzten parametrischen Glockenfilter sollen über ein FIR-Filter FIR in dem Equalizer EQ dargestellt werden; während der Optimierung der parametrischen Filter werden aber auch die beiden IIR-Filter IIR1 und IIR2 in 1 zur Darstellung der parametrischen Filter genutzt.
Basierend auf der Nutzervorgabe werden in einem Steuerprogramm ST1 Filterkoeffizienten für das FIR-Filter FIR und die beiden weiteren IIR-Filter IIR1 und IIR2 berechnet.
Die Filterkoeffizienten werden an eine verstärkerinterne Steuereinheit ST2 in dem Verstärker AMP übertragen, der die Filterkoeffizienten an die Filter FIR, IIR1 und IIR2 weiterleitet und den Betrieb der Filter FIR, IIR1 und IIR2 basierend auf entsprechenden Steuersignalen des Steuerprogramms ST2 koordiniert.
Ein digitales Audio-Testsignal S1 wird in eine Filter-Kaskade des Equalizers EQ gespeist. Die Filterkaskade umfasst das FIR-Filter FIR und die IIR-Filter IIR1 und IIR2. Beispielsweise wird das digitate Audio-Testsignal S1 in das FIR-Filter FIR gespeist, wobei das digitale Ausgangssignal S2 des FIR-Filters FIR in den Eingang des IIR-Filters IIR1 gespeist wird, und das digitale Ausgangssignal S3 des IIR-Filters IIR1 in den Eingang des IIR-Filters IIR2 gespeist wird. Es ist jedoch jede andere beliebige Reihenfolge zwischen den Filtern FIR, IIR1 und IIR2 denkbar. Der Equalizer EQ und die Filterkaskade werden beispielsweise mittels eines digitalen Signalprozessors realisiert.
Vor dem FIR-Filter FIR kann optional noch ein Analog/Digital-Wandler vorgesehen sein, um im Fall eines analogen Audio-Signals dieses in ein digitales Signal zu wandeln.
Ausgangsseitig des Filters IIR2 wird das digitale Audiosignal über einen Digital-Analog-Wandler D/A in ein analoges Signal gewandelt, über einen analogen Verstärker AV verstärkt und dann über einen Lautsprecher LS als akustisches Signal ausgegeben.
Eine entsprechende Kette aus Equalizer, Digital-Analog-Wandler D/A, Analogverstärker AV und Lautsprecher ist für jeden Audio-Kanal vorgesehen (nicht dargestellt). Beispielsweise sind 7 Audio-Kanäle vorgesehen, die über 7 verschiedene Lautsprecher ausgegeben werden.
Anhand von 3 wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zum Optimieren von Filterkoeffizienten eines FIR-Filters beschrieben. Das Optimieren eines bereits gesetzten parametrischen Filters oder das Optimieren eines neu gesetzten Filters läuft in drei Phasen ab:
In einer ersten Phase wird über die grafische Benutzeroberfläche ein bereits gesetztes parametrisches Filter ausgewählt oder ein neues parametrisches Filter gesetzt und die IIR-Filter IIR1 und IIR2 entsprechend voreingestellt (s. Schritte 100–120). In einer zweiten Phase (s. Schritte 130–150) wird das parametrische Filter durch Verändern eines Filterparameters verändert, wobei die Veränderung des Filterparameters durch eine Änderung der Filterkoeffizienten des IIR-Filter IIR1 abgebildet wird. Der Nutzer erhält hierbei eine akustische Rückmeldung über die Veränderung des Filterparameters. Nach Beenden der Betätigung des Stellelements für den geänderten Filterparameter wird in der dritten Phase die Änderung des Filterparameters finalisiert.
Während das optimierende parametrische Filter in der ersten Phase und die zweite Phase über das IIR-Filter IIR1 dargestellt wird und eine akustische Rückmeldung der Änderung in Echtzeit damit möglich ist, wird erst in der dritten Phase die Änderung in das FIR-Filter FIR übertragen.
Im Einzelnen werden beispielsweise folgende Schritte durchgeführt:
Als Voraussetzung zum Optimieren der Filterkoeffizienten in Echtzeit wird in Schritt 90 das digitale Audio-Testsignal S1 in die serielle Filterkaskade aus den Filtern FIR, IIR1 und IIR2 gespeist und über den Lautsprecher LS ein resultierendes akustisches Signal ausgegeben. Die Ausgabe des akustischen Signals erfolgt im Wesentlichen kontinuierlich auch während der nachfolgenden Schritte (lediglich bei Änderung der Filterkoeffizienten des FIR-Filters FIR bricht die Ausgabe des akustischen Signals kurzzeitig hörbar ab).
In Schritt 100 wird über die grafische Benutzeroberfläche GUI ein bereits gesetztes parametrisches Filter ausgewählt, welches optimiert werden soll, beispielsweise indem ein Stellelement eines parametrischen Filters in der grafischen Benutzeroberfläche GUI seitens des Nutzers angewählt wird (s. 2). Alternativ wird über die grafische Benutzeroberfläche GUI ein neues parametrisches Filter gesetzt. Beispielsweise wird hierzu in der grafischen Benutzeroberfläche GUI in 2 ein neues Filter F4 ergänzt. Ein neu gesetztes parametrische Filter wird mit einer Verstärkung G = 1 (d. h. G = 0 dB) initialisiert. Das neu gesetzte parametrische Filter ist bei Initialisierung zunächst noch neutral (d. h. ohne Auswirkung auf das Klangbild) und hat beispielsweise eine Übertragungsfunktion H (z) = 1.
Es werden in Schritt 110 die Filterparameter des entweder bereits vorher gesetzten oder neugesetzten parametrischen Filters für die Voreinstellung der IIR-Filter IIR1 und IIR2 erfasst: f = f₁, Q = Q₁ und G = G₁. Im Fall eines neu gesetzten parametrischen Filters werden Standardwerte für die Parameter f, Q und G verwendet, wobei der Standardwert G₁ für die Verstärkung dann 1 (= 0 dB) ist (s. oben).
In Schritt 120 wird das parametrische Filter mit den erfassten Filterparameter f = f₁, Q = Q₁ und G = G₁ in das IIR-Filter IIR1 übernommen. Dadurch dass das parametrische Filter über das IIR-Filter IIR1 abgebildet wird, kann das parametrische Filter in Echtzeit durch entsprechende Änderung der Filterkoeffizienten des IIR-Filters IIR1 unter akustischer Rückmeldung geändert werden.
Außerdem wird im Fall eines bereits vorher gesetzten parametrischen Filters das parametrische Filter auch in das IIR-Filter IIR2 übernommen, jedoch mit inverser Verstärkung 1/G₁ (d. h. mit dem negativen dB-Wert der Verstärkung G₁, sofern mit dB-Werten gearbeitet wird). Die Motivation hierfür ist, dass im Fall eines bereits im FIR-Filter FIR gesetzten parametrischen Filters dieses parametrische Filter im FIR-Filter FIR durch das parametrische Filter in dem IIR-Filter IIR2 kompensiert wird. Das parametrische Filter kann dann in der zweiten Phase über das IIR-Filter IIR1 geändert werden, ohne dass während der zweiten Phase die Koeffizienten des FIR-Filters FIR angepasst werden müssen.
Sollte es sich bei dem parametrischen Filter um ein neu gesetztes parametrisches Filter handeln, welches noch nicht in dem FIR-Filter FIR integriert ist, wird keine Übernahme in das IIR-Filter IIR2 durchgeführt, da das neu gesetzte parametrische Filter noch nicht in dem FIR-Filter integriert ist und daher nicht kompensiert werden muss.
Über ein Stellelement der grafischen Benutzeroberfläche GUI führt der Nutzer nun eine Änderung des Werts eines Parameters f, Q oder G durch. Diese Änderung wird von dem Steuerprogramm ST1 entgegengenommen (s. Schritt 130) und von dem Steuerprogramm ST1 werden basierend auf dem geänderten Wert des geänderten Parameters f, Q oder G geänderte Filterkoeffizienten für das IIR-Filter IIR1 berechnet. Diese geänderten Filterkoeffizienten werden an die Steuereinheit ST2 in dem Verstärker AMP übertragen und die Filterkoeffizienten in dem IIR-Filter IIR1 entsprechend eingestellt, so dass das über das IIR-Filter IIR1 dargestellte parametrische Filter verändert wird (s. Schritt 140).
Die Schritte 130 und 140 werden solange wiederholt, bis festgestellt wird, dass der Nutzer die Betätigung des Stellelements für den geänderten Filterparameter beendet (s. Abfrage 150), beispielsweise wenn der Nutzer die Betätigung einer Taste einer Computermaus beendet, wobei mit der Computermaus die Stellung des auf dem Bildschirm dargestellten Stellelements steuerbar ist und die Taste während der Änderung des auf einem Bildschirm dargestellten Stellelements kontinuierlich zu betätigen ist.
Sofern die Betätigung des Stellelements beendet wurde, wird in der dritten Phase (s. Schritt 160) das in dem IR-Filter IIR1 aktuell eingestellte parametrische Filter mit dem geänderten Filterparameter in das FIR-Filter FIR integriert und das IIR-Filter IIR1 durch Anpassen der Filterkoeffizienten des IIR-Filters IIR1 so eingestellt, dass es neutral ist und keine Wirkung mehr auf das Signalspektrum des Signals S4 am Ausgang der Filterkaskade mehr hat; beispielsweise wird eine Filterübertragungsfunktion H_IIR1 des IIR-Filters IIR1 von H_IIR1(z) = 1 eingestellt.
Ferner wird das in dem IIR-Filter IIR2 eingestellte parametrische Filter mit der inversen Verstärkung 1/G₁ auch in das FIR-Filter FIR integriert, so dass sich in dem FIR-Filter FIR das nicht geänderte parametrische Filter mit der Verstärkung G₁ und das parametrische Filter mit der inversen Verstärkung 1/G₁ neutralisieren. Sofern es sich im Schritt 100 statt um ein bereits gesetztes parametrisches Filter um ein neugesetztes parametrisches Filter handelt, existiert im IIR-Filter IIR2 kein parametrisches Filter mit inverser Verstärkung, so dass kein parametrisches Filter mit inverser Verstärkung in das FIR-Filter FIR integriert wird.
Zum Integrieren des in dem IIR-Filter IIR1 enthaltenen parametrischen Filters und des in dem IIR-Filter IIR2 enthaltenen parametrischen Filters in das FIR-Filter FIR werden passende Filterkoeffizienten des FIR-Filters seitens des Steuerprogramms ST1 berechnet und an die Steuereinheit ST2 im Verstärker AMP zwecks Anpassung der Filterkoeffizienten übertragen. Andere bisher in dem FIR-Filter FIR enthaltende parametrische Filter bleiben dabei erhalten.
Nach dem Ändern der Filterkoeffizienten des FIR-Filters FIR im Schritt 160 beginnt das Verfahren wieder von neuem und ein bereits gesetztes parametrisches Filter wird ausgewählt oder ein neues parametrisches Filter wird gesetzt (s. Schritt 100).
4 zeigt stark schematisiert die Veränderung der Zustände der Filter FIR, IIR1 und IIR2 während einer beispielhaften Abfolge von Optimierungshandlungen des Nutzers.
In Darstellung A ist noch kein parametrisches Filter gesetzt worden, die Filter FIR, IIR1 und IIR2 sind neutral und wirken nur als Signalverbindung mit der Verstärkung 1 ohne Einfluss auf das Spektrum des Ausgangssignals S4.
In Darstellung B ist anschließend ein neues zunächst neutrales parametrisches Filter P₁ mit der Verstärkung G₁ = 0 über die grafische Benutzeroberfläche GUI gesetzt worden und in das IIR-Filter IIR1 übernommen worden. Die Filterparameter weisen einen Initialisierungszustand a auf (s. P_1,a).
In Darstellung C hat der Nutzer danach den Zustand des parametrischen Filters P₁ durch Ändern der Stellung des Stellelements eines Filterparameters (beispielsweise Verstärkung G) geändert und in einen Zustand b überführt und hat die Betätigung des Stellelements soeben beendet.
Daraufhin wird das parametrische Filter P₁ mit dem Zustand b der Filterparameter in das FIR-Filter FIR integriert (s. Darstellung D).
Anschließend möchte der Nutzer das parametrische Filter P₁ in dem Zustand b weiter optimieren und wählt dieses über die Nutzeroberfläche GUI aus.
Daraufhin wird in Darstellung E das parametrische Filter P₁ mit dem Zustand b in das IIR-Filter IIR1 übernommen. Außerdem wird das parametrische Filter P₁ mit inverser Verstärkung in das IIR-Filter IIR2 übernommen; dieser Zustand der Filterparameter ist in 4 als „b*” bezeichnet.
Über ein Stellelement ändert der Nutzer daraufhin den Wert eines Filterparameters. Das über das IIR-Filter IIR1 dargestellte parametrische Filter wird entsprechend der Änderung des Werts des Filterparameters geändert; es ergibt sich ein Zustand c des parametrischen Filters P₁, welches über das IIR-Filter IIR1 abgebildet wird (s. Darstellung F). Das in dem IIR-Filter IIR2 eingestellte parametrische Filter P₁ im Zustand b* kompensiert das über das FIR-Filter FIR dargestellte parametrische Filter im Zustand b. Eine Änderung des parametrischen Filters kann in Echtzeit über das IIR-Filter IIR1 abgebildet werden, ohne dass die Filterkoeffizienten des FIR-Filters FIR geändert werden müssen.
Nach Beenden der Betätigung des Stellelements (s. Darstellung G) wird das in dem IIR-Filter IIR1 aktuell eingestellte parametrische Filter P₁ mit dem Zustand b in das FIR-Filter FIR integriert, außerdem wird das IIR-Filter IIR1 in einen neutralen Zustand versetzt, in dem es wie eine neutrale Durchverbindung wirkt. Ferner wird das in dem IIR-Filter IIR2 aktuell eingestellte parametrische Filter P₁ mit inverser Verstärkung (Zustand b*) in das FIR-Filter FIR integriert und das IIR-Filter IIR2 in einen neutralen Zustand versetzt, in dem es wie eine neutrale Durchverbindung wirkt.
Das parametrische Filter P₁ im Zustand b und das parametrische Filter P₁ im Zustand b* kompensieren sich im FIR-Filter FIR, so dass das FIR-Filter FIR effektiv das parametrische Filter P₁ im optimierten Zustand c abbildet.
Anschließend wird in Darstellung H ein weiteres parametrisches Filter P₂ neu gesetzt und dieses Filter in das IIR-Filter IIR1 übernommen. Die Optimierung des zweiten parametrischen Filters P₂ läuft dann in gleicher Weise ab, wie dies vorstehend in Bezug auf das parametrische Filter P₁ erläutert wurde.
Nach Abschluss der gesamten Optimierung sind die Filterkoeffizienten des FIR-Filters so eingestellt, das das FIR-Filter FIR eine Mehrzahl von optimierten parametrischen Filtern P₁, P₂ ... P_n umfasst. Die IIR-Filter IIR1 und IIR2 sind dann in einem neutralen Zustand und bewirken keine Signalveränderung (bis auf eine Verzögerung des gesamten Signals). Die Entzerrung des Audio-Signals wird dann über das FIR-Filter FIR bewerkstelligt. Es wäre aber auch denkbar, dass die IIR-Filter IIR1 und IIR2 nach Abschluss der Optimierung mit parametrischen Filtern belegt bleiben.
Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet sowohl einen FIR-Filter als auch ein oder mehrere IIR-Filter. Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet die Vorteile der FIR-Filter mit den Vorteilen der IIR-Filter, nämlich die Änderbarkeit eines IIR-Filters in Echtzeit, die Eignung für intuitives Tuning eines IIR-Filters sowie die vorteilhaften Übertragungseigenschaften eines FIR-Filters (wie beispielsweise geringe Phasenverzerrungen und Stabilität). Es ist grundsätzlich im Beispiel von 1 bis 4 mittels eines FIR-Filters und zweier IIR-Filter eine beliebige Anzahl von parametrischen Filtern implementierbar, so dass komplexe Filterkurven realisierbar sind.

Claims

Verfahren zum Optimieren von Filterkoeffizienten eines zur Filterung eines digitalen Audiosignals (S₁) geeigneten FIR-Filters (FIR), mit den Schritten: – Bereitstellen einer Nutzerschnittstelle (GUI) zum Einstellen des Werts zumindest eines Filterparameters (f, Q, G) eines parametrischen Filters seitens eines Nutzers; – Speisen (90) eines digitalen Audio-Testsignals (S₂) in ein erstes IIR-Filter (IIR1) und Ausgeben eines auf dem Ausgangssignal des ersten IIR-Filters (IIR1) beruhenden akustischen Signals an den Nutzer, wobei das parametrische Filter über das erste IIR-Filter (IIR1) dargestellt wird; – Entgegennehmen (130) einer über die Nutzerschnittstelle (GUI) seitens des Nutzers vorgenommenen Änderung des Werts zumindest eines Filterparameters (f, Q, G), Verändern (140) des über das erste IIR-Filter (IIR1) dargestellten parametrischen Filters und damit des ersten IR-Filters (IIR1) entsprechend der Änderung des Werts des zumindest einen Filterparameters (f, Q, G) unter kontinuierlicher Speisung des ersten IIR-Filters (IIR1) und Ausgeben des resultierenden akustischen Signals an den Nutzer; – Feststellen (150) einer vom Nutzer gewünschten Fixierung des geänderten Werts des zumindest einen Filterparameters; und – nach Feststellen der gewollten Fixierung, Integrieren (160) des in dem ersten IIR-Filter (IIR1) aktuell eingestellten parametrischen Filters in das FIR-Filter (FIR).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Audio-Testsignal (S₁) in eine Filter-Kaskade gespeist wird, welche das FIR-Filter (FIR) und das erste IIR-Filter (IIR1) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei – das Audio-Testsignal (S₁) in eine Filter-Kaskade gespeist, welche das FIR-Filter (FIR), das erste IIR-Filter (IIR1) und ein zweites IIR-Filter (IIR2) umfasst, und – über die Nutzerschnittstelle (GUI) der Wert zumindest eines Filterparameters (f, Q, G) eines vorher in das FIR-Filter (FIR) integrierten parametrischen Filters änderbar ist, und – das Verfahren den zusätzlichen Schritt umfasst: – Übernehmen (130) des vorher in das FIR-Filter (FIR) integrierten parametrischen Filters mit invertierter Verstärkung in das zweite IIR-Filter (IIR2) unter Beibehaltung dieses parametrischen Filters in dem FIR-Filter (FIR).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei nach Feststellen der gewollten Fixierung zusätzlich auch das vorher in das zweite IIR-Filter (IIR2) übernommene parametrische Filter mit invertierter Verstärkung in das FIR-Filter (FIR) integriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei – über die Nutzerschnittstelle (GUI) ein vorher in das FIR-Filter (FIR) integriertes parametrisches Filter zwecks Änderung des Werts zumindest eines Filterparameters auswählbar ist, und – das Verfahren den zusätzlichen Schritt umfasst: – Übernehmen eines ausgewählten vorher in das FIR-Filter (FIR) integrierten parametrischen Filters in das erste IIR-Filter (IIR1) unter Beibehaltung dieses parametrischen Filters in dem FIR-Filter (FIR).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das parametrische Filter ein Glockenfilter ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei über die Nutzerschnittstelle (GUI) eine, mehrere oder sämtliche der folgenden Filterparameter eines parametrischen Filters veränderbar sind: – eine Verstärkung (G), – eine Frequenz (f), – eine Güte (Q).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Nutzerschnittstelle (GUI) zum Einstellen des Werts eines Filterparameters ein dem Filterparameter zugeordnetes Stellelement umfasst; – eine vom Nutzer gewünschte Fixierung des geänderten Werts eines Filterparameters bei nutzerseitigem Beenden der Betätigung des Stellelements festgestellt wird; und – nach Beenden der Betätigung des Stellelements das aktuell eingestellte parametrische Filter in das FIR-Filter (FIR) übernommen wird.
Einrichtung zum Optimieren von Filterkoeffizienten eines zur Filterung eines digitalen Audiosignals (S₁) geeigneten FIR-Filters (FIR), umfassend – eine Audio-Wiedergabeeinheit (AMP) mit zumindest einem Equalizer (EQ) mit dem FIR-Filter (FIR) und dem ersten IIR-Filter (IIR1) und – eine Nutzerschnittstelle (GUI) zum Einstellen des Werts zumindest eines Filterparameters (f, G, Q) eines parametrischen Filters seitens eines Nutzers, und – eine Steuerungseinheit (ST1, ST2) zur Steuerung der Filtercharakteristik des FIR-Filters (FIR) und des ersten IIR-Filters (II1) in Abhängigkeit eines über die Nutzerschnittstelle eingestellten Werts zumindest eines Filterparameters (f, G, Q), wobei die Einrichtung eingerichtet ist, – ein digitales Audio-Testsignal (S₂) in ein erstes IIR-Filter (FIR) einzuspeisen und ein auf dem Ausgangssignal des ersten IIR-Filters (IIR1) beruhendes akustisches Signal an den Nutzer auszugeben, wobei das parametrische Filter über das erste IIR-Filter (IIR1) dargestellt wird, – den über das erste IIR-Filter (IIR1) dargestellten parametrischen Filter und damit den ersten IIR-Filter (IIR1) entsprechend einer über die Nutzerschnittstelle (GUI) vorgenommenen Änderung des Werts zumindest eines Filterparameters unter kontinuierlicher Speisung des ersten IIR-Filters (IIR1) zu verändern und das resultierende akustischen Signals an den Nutzer auszugeben, – eine vom Nutzer gewünschte Fixierung des geänderten Werts des zumindest einen Filterparameters festzustellen, und – nach Feststellen der gewollten Fixierung, das in dem ersten IIR-Filter (IIR1) aktuell eingestellte parametrische Filter in das FIR-Filter (FIR) zu integrieren.
Einrichtung nach Anspruch 9, wobei der Equalizer (EQ) eine Filter-Kaskade aufweist, die das FIR-Filter (FIR) und das erste IIR-Filter (IIR1) umfasst.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei die Audio-Wiedergabeeinheit (AMP) eine Audio-Wiedergabeeinheit für einen Personenkraftwagen ist.
Equalizer (EQ) für ein Audio-Signal (S1), der eine Filter-Kaskade aufweist, die ein FIR-Filter (FIR), ein erstes IIR-Filter (IIR1) und ein zweites IIR-Filter (IIR2) umfasst.
Audio-Wiedergabeeinheit (AMP) mit zumindest einem Equalizer (EQ) nach Anspruch 12.