DE10260657A1

DE10260657A1 - Audioverstärker mit Spannungsbegrenzung in Reaktion auf den Spektralgehalt

Info

Publication number: DE10260657A1
Application number: DE10260657A
Authority: DE
Inventors: Henry Francis Blind; John Elliott Whitecar
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: GB0226326D0; DE10260657B4; US20020090096A1; US6914987B2; GB2387282B; GB2387282A

Abstract

Audiosignale werden mit gleichbleibender Empfindung der Gesamtoberwellenverzerrung selbst bei variierendem Spektralgehalt eines bestimmten Audiosignals ohne separate Begrenzung einzelner Frequenzbänder innerhalb des Audiosignals wiedergegeben. Ein Verzerrungsschwellenwert, der einen zulässigen Wert des vom Leistungsverstärker erzeugten Verzerrungsbetrags darstellt, wird in Reaktion auf den Frequenzgehalt eines Audiosignals bestimmt. Ein Verzerrungstrigger vergleicht ein gemessenes mittleres Verzerrungssignal mit dem Verzerrungsschwellenwert und vermindert die regelbare Verstärkung des Verstärkers, wenn das mittlere Verzerrungssignal den Verzerrungsschwellenwert überschreitet.

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Audiosysteme, die eine Verzerrung durch Verstärker-Signalbeschneidung mittels dynamischer Verstärkungsbegrenzung verhindern, und speziell auf Kraftfahrzeugaudiosysteme, die eine gleichbleibende Verzerrungsempfindung bei variierendem Spektralgehalt eines bestimmten Audiosignals gewährleisten.

Typische Audiowiedergabesysteme enthalten eine variabel verstärkende Verstärkerstufe, gefolgt von einem konstant verstärkenden Leistungsverstärker, der einen Ausgangswandler, wie z. B. einen Lautsprecher, versorgt. Ein der variablen Verstärkerstufe gegebener Lautstärke- oder Verstärkungsbefehl (z. B. eine Steuerspannung) steuert die vom Hörer gehörte Ausgangslautstärke.

Ein wichtiges Ziel beim Entwurf eines Audiosystems ist das Erreichen einer minimalen Verzerrung bei der Signalwiedergabe. Insbesondere bei hoher Lautstärke tritt jedoch immer etwas Verzerrung ein. Übersteigt die Größe des von der variablen Verstärkerstufe an den Leistungsverstärker gegebenen Signals ein bestimmtes Niveau, wird der Leistungsverstärker übersteuert. Diese Situation tritt ein, wenn sich das mit dem Konstantverstärkungsfaktor multiplizierte Eingangssignal am Leistungsverstärker der dem Leistungsverstärker zugeführten Versorgungsspannung nähert. Als Ergebnis ist der Leistungsverstärker ausgesteuert und Signalspitzen des Audiosignals werden durch Beschneidung verzerrt.

In Kraftfahrzeugaudiosystemen ist das Problem der Signalbeschneidung im Leistungsverstärker verschärft. Im Leistungsverstärker ist eine geringere Aussteuerungsreserve (d. h. Sicherheitsreserve) verfügbar, weil die Elektroenergieversorgung des Kraftfahrzeugs auf 12 V begrenzt ist. Eine höhere Gleichspannung kann zwar mit einem DC/DC-Umformer erreicht werden, solche Umformer sind jedoch relativ teuer. Außerdem ist in der Kraftfahrzeugumgebung Bassverstärkung zum Übertönen niederfrequenter Straßen- und Motorgeräusche notwendig, was das Eintreten von Beschneidung im Bassbereich des Audiosignals wahrscheinlicher macht.

Es ist bekannt, für den Eingang eines Verstärkers Spannungsbegrenzung oder Dynamikkompression zur Einschränkung des Auftretens von Beschneidung vorzusehen (jedoch ist ein gewisses Maß an Beschneidung bis hin zur Aussteuerungsgrenze erwünscht, andernfalls kann der Eindruck entstehen, dass das Audiosystem nicht laut genug spielt). In bisherigen Spannungsbegrenzern wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers vermindert, wenn der Leistungsverstärker einen bestimmten Anteil der Gesamtoberwellenverzerrung (THD), typischerweise etwa 10%, aufweist. Der THD-Wert von 10% stellt ein erwünschtes Maß zulässiger Verzerrung für typisches Vollband-(d. h. Breitband-)Audiomaterial, wie z. B. FM- Programme, CDs oder Tonbandkassetten dar.

Breitbandaudiomaterial hat einen wesentlichen Gehalt an hohen (d. h. Hochton- )Frequenzen. Wegen der Eigenart der menschlichen Hörempfindung "verdeckt" dieser Hochtongehalt die bei niedrigeren Frequenzen auftretende Verzerrung bzw. macht sie weniger hörbar. Bei Signalen schmalerer Bandbreite (z. B. AM-Programme oder Aufnahmen von Klaviersolos) mit geringem Hochtongehalt tritt dieses Verdecken jedoch nicht ein, so dass die Audiowiedergabe wesentlich verzerrter wirkt, obwohl der Betrag der THD eigentlich nicht geändert worden ist. Deshalb können bisherige Audiosysteme, die bei Wiedergabe von Breitband- Audiosignalen gut klingen, bei Wiedergabe von bandbreitenbegrenztem Material, wie z. B. AM-Radioprogrammen, sehr verzerrt klingen.

Im Stand der Technik sind Audiosysteme bekannt, die das Audiosignal zur Spannungsbegrenzung in einzelne Bänder aufteilen. Nach der Begrenzung müssen die einzelnen Bänder dann im Ausgang wieder gemischt werden. Die Aufteilungselemente, zusätzliche Signalverarbeitungswege und die Mischelemente fügen dem Signal eine eigene Verzerrung hinzu und erhöhen die Kosten des Audiosystems wesentlich. Deshalb wäre es wünschenswert, eine Verzerrungsbegrenzung der Audiosignale zu erreichen, die der psycho-akustischen Wirkung der Hochtonverdeckung entspricht, ohne dass separate Begrenzung in mehreren Frequenzbändern erforderlich ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung hat den Vorteil der Wiedergabe von Audiosignalen mit gleichbleibender Empfindung von Gesamtoberwellenverzerrung auch bei variierendem Spektralgehalt eines bestimmten Audiosignals ohne separate Begrenzung einzelner Frequenzbänder im Audiosignal.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Apparatur bereitgestellt, die eine ein Audiosignal erzeugende Audioquelle umfasst. Ein Vorverstärker ist mit der Audioquelle gekoppelt und besitzt eine regelbare Verstärkung zur Vorverstärkung des Audiosignals. Ein Leistungsverstärker ist mit dem Vorverstärker gekoppelt und besitzt eine im Wesentlichen konstante Verstärkung zur Verstärkung des vorverstärkten Audiosignals. Ein Schwellenwertregler erzeugt einen Verzerrungsschwellenwert, der einen zulässigen, durch den Leistungsverstärker in Reaktion auf den Frequenzgehalt eines Audiosignals eingebrachten Verzerrungsbetrag darstellt. Ein mit dem Leistungsverstärker gekoppelter Verzerrungsdetektor erzeugt ein Verzerrungssignal als Reaktion auf den Verzerrungsschwellenwert und das Audiosignal. Ein Verstärkungsbegrenzer vermindert die regelbare Verstärkung, wenn das Verzerrungssignal den Verzerrungsschwellenwert überschreitet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Audiosystem der Erfindung zeigt.
Fig. 2 zeigt eine Kurvendarstellung eines Audiosignals, das an einem ersten Verzerrungsniveau beschnitten ist.
Fig. 3 zeigt eine Kurvendarstellung eines Audiosignals, das an einem zweiten Verzerrungsniveau beschnitten ist.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das einen Verstärkungssteuerungsblock der Erfindung zeigt.
Fig. 5 ist eine Kurvendarstellung, die Einregel- und Abregelfunktionen des Verstärkungssteuerungsblocks von Fig. 4 zeigt.
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, das eine erste Ausgestaltung eines Schwellenwertselektors zeigt.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausgestaltung eines Schwellenwertselektors zeigt.
Fig. 8 ist eine Kurvendarstellung, die eine erste Übertragungsfunktion zum Variieren eines Verzerrungsschwellenwerts zeigt.
Fig. 9 ist eine Kurvendarstellung, die eine zweite Übertragungsfunktion zum logarithmischen Variieren eines Verzerrungsschwellenwerts zeigt.
Fig. 10 ist eine Kurvendarstellung, die eine erste Übertragungsfunktion zum schrittweisen Variieren eines Verzerrungsschwellenwerts zeigt.
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm, das eine Vorzugsausgestaltung eines adaptiven Filters eines Pegelmessgeräts zur Bestimmung einer oberen Eingrenzungsfrequenz zur Kennzeichnung des Spektralgehalts eines Audiosignals zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung stellt die zulässige Leistungsverstärkerausgangsverzerrung auf einen psycho-akustisch richtigen Wert entsprechend der Bandbreite oder des Spektralgehalts des Ursprungsaudiosignals ein. Wegen der Verdeckungswirkung des Hochtongehalts ist für Breitbandmaterial eine größere Verzerrung zulässig. Wenn bandbreitenbegrenztes Material ohne wesentlichen Hochtongehalt wiedergegeben wird, ist ein geringerer Betrag der Verzerrung zulässig (d. h. der Verzerrungsschwellenwert ist herabgesetzt), damit die Verzerrung nicht beginnt, störend zu wirken.
In einer ersten Ausgestaltung erfasst die Erfindung die Wahrscheinlichkeit der Wiedergabe eines bandbreitenbegrenzten Audiosignals in Reaktion auf eine Audioquelle, von der das Audiosignal erhalten wird. Es ist bekannt, dass potenziell verdeckende Signale höherer Frequenz nicht vorhanden sind, wenn das Audiosignal z. B. von einem AM-Tuner stammt, da AM-Programme diese nicht wiedergeben können. Ein bandbreitenbegrenztes Audiosignal kann jedoch auch bei Verwendung einer Breitbandaudioquelle, wie z. B. Hören eines Klaviersolos von einer CD, vorhanden sein. Deshalb wird in einer alternativen Ausgestaltung eine Echtzeit-Spektralanalyse des Audiosignals ausgeführt, wobei unabhängig von der gewählten Audioquelle zu allen Zeitpunkten ein angemessener Verzerrungsbetrag zugelassen wird.
Bezug nehmend auf Fig. 1 beinhaltet ein Audiosystem 10 durch eine Mikrosteuerung 12 gesteuerte Audioquellen 11 und führt deren einzelne Audiosignale einem Digitalsignalprozessor (DSP) 13 zu. Die verarbeiteten Audiosignale werden am Ende in Leistungsverstärkern 14 zum Betreiben der Ausgangslautsprecher 15 verstärkt. Obwohl zwei Ausgangskanäle dargestellt sind, würden Kraftfahrzeugaudiosysteme typischerweise vier Kanäle enthalten.
Audioquellen 11 enthalten einen an eine Antenne 17 angeschlossenen AM/FM- Tuner, eine Tonbandkassetteneinheit 18 und eine CD-Einheit 20. Radiozwischenfrequenz- (ZF-)Signale vom Tuner 16 und Audiosignale von der Tonbandkassetteneinheit 18 werden in Analog/Digital-(A/D-)Wandlern 21 bzw. 22 digitalisiert, bevor sie in den DSP 13 eingegeben werden. Der DSP 13 enthält einen digitalen Detektor oder Demodulator 23, der aus dem digitalisierten Ausgang des Tuners wieder Audiosignale gewinnt und diese einem Eingang eines Selektors 25 zuführt. Ein konventioneller Dekoder 24 übersetzt CD-Daten von der CD- Einheit 20 in passend formatierte Audiosignale zur Verarbeitung im DSP 13 und gibt sie an einen anderen Eingang des Selektors 25 weiter. Digitalisierte Audiosignale vom A/D-Wandler 22 können an den Selektor 25 direkt weitergegeben oder erst umformatiert (z. B. Abtastrateneinstellung) oder anderweitig nach dem Stand der Technik verarbeitet werden.
Die Mikrosteuerung 12 empfängt von einer Bedienungsperson Nutzerbefehle, wie z. B. Befehle zum Wechseln der Audioquelle oder Ändern der Lautstärke. Die Befehle werden zu den Audioquellen 11 und zum DSP 13 über einen Bus oder über Busse 26 übertragen, die außerdem festverschaltete Signalleitungen enthalten können. Zum Beispiel wird ein Nutzerbefehl zum Auswählen einer der Audioquellen durch die Mikrosteuerung 12 erfasst, die die erkannte Quelle aktiviert und eine Quellen-ID-Meldung über einen Anschluss 27 am DSP 13 an den Selektor 25 sendet. Wenn erfasst, wird ein nutzerbefohlenes Lautstärkeniveau (z. B. eine Lautstärkeerhöhung oder -verminderung) durch die Mikrosteuerung 12 an einen Verstärkungsregelungsblock 28 gesendet.
Ein Audioprozessorblock 30 empfängt das ausgewählte Audiosignal vom Selektor 25 durch einen Audiofilter 31. Der Audioprozessor 30 führt übliche Audioverarbeitungsfunktionen aus, wie z. B. Lautstärke (in Reaktion auf den Verstärkungsregelungsblock 28), Links/Rechts-Balance (in Reaktion auf den Balanceregelungsblock 32), Vorn/Hinten- Schwund (als Reaktion auf den Schwundregelungsblock 33) sowie Bassverstärkung und Hochtonverstärkung. Die verarbeiteten Audiosignale werden in Digital/Analog-Wandlern 34 in Analogsignale gewandelt und anschließend durch Leistungsverstärker-ICs 14 (wie z. B. der von SGS-Thomson angebotene Leistungsverstärker TDA 7563) verstärkt. Die Verstärkungssteuerung im DSP 13 erfüllt zusammen mit den D/A-Wandlern die Aufgabe eines Vorverstärkers mit variabler Verstärkung. Die Erfindung ist gleichermaßen in jedem beliebigen System anwendbar, in dem durch einen Analogverstärker mit variablem Verstärkungsfaktor verstärkte Audiosignale verwendet werden.
Wenn die Leistungsverstärker 14 durch die Analogsignale von den D/A- Wandlern 34 übersteuert werden, erzeugen sie in den Zeitpunkten, in denen das Produkt ihrer Eingangssignale multipliziert mit ihren konstanten Verstärkungsfaktoren größer ist als ihr maximaler Output, ein konventionelles Beschneidungssignal. Das Beschneidungssignal wird gewöhnlich als eine Stromsenke realisiert, und die Beschneidungserfassungsausgänge der Leistungsverstärker können miteinander festverschaltet sein und liefern ein Beschneidungssignal als logisches ODER aller Beschneidungssignale der Leistungsverstärker an den Verstärkungsregelungsblock 28. Beschneidungsdetektoren in Verstärkern 14 überwachen den Betrag der Gesamtoberwellenverzerrung (THD), der durch die Beschneidung in den wiedergegebenen Ton eingebracht wird. Die Beschneidungsdetektoren verwenden einen Verzerrungsschwellenwert zur Kennzeichnung der momentanen Beschneidungsstärke. Wird der Schwellenwert überschritten, wird ein Beschneidungssignal zur Verminderung der Verstärkung im Audioprozessor 30 an den Verstärkungsregelungsblock 28 gesendet. Wie im Fachgebiet bekannt, können die Verminderung und die schließlich erfolgende Wiederherstellung der Verstärkung vorher festgelegten Einregel- bzw. Abregelraten unterliegen.
Fig. 2 zeigt ein Audiosignal 35, das eine Beschneidungsverzerrung erfährt. Der auf ein an den Verstärkereingang gekoppeltes Vorverstärkungssignal angewendete Verstärkungsfaktor des Verstärkers würde ein Ausgangsaudiosignal mit einem durch die gestrichelte Linien dargestellten Spitzenwert erfordern, jedoch kann Signal 35 die Verstärkerversorgungsspannung V_s nicht überschreiten. Die abgeflachten Spitzen führen zur Oberwellenverzerrung, deren Stärke sowohl durch den Spitzenfehler E als auch durch die Summe der Begrenzungszeiten t_c über eine feste Zeitdauer gekennzeichnet werden kann. Fig. 3 zeigt ein Audiosignal 36, das eine stärkere Beschneidung als Signal 35 erfährt (d. h. sowohl der Fehler E als auch der Anteil der Beschneidungszeit sind höher).
Fig. 4 zeigt den Verstärkungsregelungsblock 28 detaillierter. Ein Verstärkungsbegrenzungsblock 40 empfängt das Beschneidungssignal von den Leistungsverstärkern und berechnet einen Betrag der Verstärkungsbegrenzung. Die Verstärkungsbegrenzung wird an einen Subtrahiereingang eines Summierers 41 geleitet. Ein Addiereingang des Sunimierers 41 empfängt das vom Nutzer gesetzte Lautstärkebefehlssignal. Das resultierende Verstärkungssignal wird dem Äudioprozessor zur Steuerung der auf das vorverstärkte Audiosignal angewandten Verstärkung zugeführt. Wie in Fig. 5 gezeigt, hängt der Betrag der durch die Funktion 40 erzeugten Verstärkungsbegrenzung von der Dauer ab, die das Beschneidungssignal aktiv ist. Die Verstärkungsbegrenzung steigt von Null entlang einem Kurvenabschnitt 42 mit einer ersten Rate (Einregelrate) an. Ist das Beschneidungssignal über eine außergewöhnlich lange Zeit aktiv, kann die Verstärkungsbegrenzung eine maximale Verstärkungsbegrenzung (z. B. gleich dem Lautstärkebefehl) erreichen. Wenn das Beschneidungssignal deaktiviert wird, sinkt die Verstärkungsbegrenzung gegen Null mit einer durch die Kurvenabschnitte 43 dargestellten zweiten Rate (Abregelrate).
Bisherige Systeme haben typischerweise zur Aktivierung einer Verstärkungsreduzierung einen festen Schwellenwert verwendet. Das US-Patent 6,061,455 präsentiert einen variablen Schwellenwert, wobei der Schwellenwert in Abhängigkeit des vom Nutzer befohlenen Lautstärkepegels bestimmt wird. Das gestattet, dass ein Hörer, der eine stärkere Verzerrung wünscht, diese auch erreichen kann. Übermäßige Verzerrung infolge Fehlens von Verdeckung, wenn Hochtonfrequenzen fehlen, wird jedoch durch dieses Patent nicht korrigiert.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem mit Hilfe eines Schwellenwertreglers 37 zur Erzeugung eines Verzerrungsschwellenwerts in Reaktion auf einen Frequenzgehalt des Audiosignals. In einer ersten, in Fig. 6 gezeigten Ausgestaltung empfängt der Schwellenwertregler 37 das Quellen-ID-Signal und führt eine Bestimmung des Frequenzgehalts auf der Basis der Erkennung der wiedergegebenen Audioquelle durch. Der Schwellenwertregler 37 besteht aus einem AM-Quellendetektor, der die Quellen-ID empfängt und ein Verzerrungsauswahlsignal an einen Selektor 45 im Leistungsverstärker 14 sendet. Ein hoher Schwellenwert 47 (z. B. 10% THD) und ein niedriger Schwellenwert (z. B. 2% THD) sind an entsprechende Eingänge des Selektors 45 gelegt. In einer Vorzugsausgestaltung wird der Schwellenwert 46 gewählt, wenn die aktive Audioquelle der AM-Tuner ist, für alle anderen Quellen gilt jedoch der Schwellenwert 47. Der gewählte Verzerrungsschwellenwert wird dem Beschneidungsdetektor 44 zur Unterscheidung zwischen entsprechenden Verzerrungsniveaus, z. B. größer als 2% THD, wie in Fig. 2 gezeigt, oder größer als 10%, wie in Fig. 3 gezeigt), zugeführt.
Die erste Ausgestaltung stellt eine einfache Ausführung bereit, die die vermutliche Bandbreite des Audiosignals auf der Basis des Frequenzgangs der ausgewählten Quelle ableitet, und erfordert keine Messung des Frequenzgehalts.
In einer zweiten Ausgestaltung, ebenfalls in Fig. 1 gezeigt, empfängt ein Frequenzanalysierer 38 das Audiosignal und erkennt den tatsächlichen Frequenzgehall des Radiosignals zu jedem einzelnen Zeitpunkt. Ein Signal, das den spektralen Hochtongehalt des Audiosignals zu diesem Zeitpunkt wiedergibt, wird dem Schwellenwertregler 37 zur Auswahl eines Verzerrungsschwellenwerts in Reaktion auf den betreffenden Hochtongehalt zugeführt.
Eine Vorzugsausführung dieser zweiten Ausgestaltung ist detaillierter in Fig. 7 dargestellt. Das Filter 31 ist ein adaptives Filter des im US-Patent 6,154,547 offenbarten Typs, das durch die Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierin einbegriffen ist. Dieses Filter regelt adaptiv seine obere Grenzfrequenz, so dass der Filterausgang einen festen (hohen) Anteil der ins Filter eintretenden Energie enthält. Auf diese Weise wird die Filterbandbreite adaptiv für die Aufnahme nahezu des gesamten gewünschten Signals eingestellt, wodurch etwaige unwesentliche Geräusche höherer Frequenzen eliminiert werden. Eine Pegelmessgerät- Anpassung 48 erreicht die adaptive Regelung der gleitenden Bandbreite des Filters. In der vorliegenden Erfindung wird dieselbe Pegelmessgerät-Anpassung 48 zum Erfassen des Frequenzgehalts des Audiosignals durch Überwachung der adaptiv eingestellten oberen Grenzfrequenz des Filters verwendet, die hier als obere Eingrenzungsfrequenz bezeichnet ist. Die obere Eingrenzungsfrequenz wird im Schwellenwertregler 37 durch eine Übertragungsfunktion 49 in einen Verzerrungsschwellenwert gewandelt.
Fig. 8 zeigt ein erstes Beispiel einer Übertragungsfunktion, wobei ein niedriger Schwellenwert verwendet wird, wenn die obere Eingrenzungsfrequenz unter einer vorbestimmten Übergangsfrequenz (z. B. ein Wert im Bereich von etwa 3 kHz bis etwa 5 kHz) liegt und ein hoher Schwellenwert (z. B. 10%) verwendet wird, wenn die obere Eingrenzungsfrequenz über der Übergangsfrequenz liegt. Fig. 8 zeigt außerdem die in der vorherigen Ausgestaltung verwendete Übertragungsfunktion, wobei die Auswahl auf der Audioquellen-ID und nicht auf dem tatsächlichen Frequenzspektralgehalt beruht (d. h. die Wahl des AM-Tuners als Quelle führt zu einem Schwellenwert von 2%, die Wahl anderer Quellen zu einem Schwellenwert von 10%).
Fig. 9 zeigt eine alternative Ausgestaltung, wobei eine größtenteils kontinuierliche Übertragungsflmktion einen mit Ansteigen der oberen Eingrenzungsfrequenz kontinuierlich ansteigenden VerTerrungsschwellenwert ergibt. Die Ausgestaltung erfordert, dass der Leistungsverstärker-IC einen kontinuierlich einstellbaren Verzerrungsschwellenwert verwendet. Alternativ kann der Leistungsverstärker mit dem DSP zur Vorhersage der Verstärkersignalbeschneidung und zum Erzeugen eines simulierten Beschneidungssignals unter Verwendung jedes beliebigen gewünschten Schwellenwerts modelliert werden. Vorzugsweise ist die Übertragungsfunktion logarithmisch zur Anpassung an die nichtlineare psychoakustische Hörempfindlichkeit des menschlichen Gehörs angepasst. Wie in der Ausgestaltung der Fig. 10 gezeigt, kann der Schwellenwert in einer Vielzahl von Schritten ansteigen. Vorzugsweise können die Schritte wie gezeigt logarithmisch ansteigen.
Der Frequenzanalysierer 38, der die Pegelmessgerät-Anpassung 48 (siehe Fig. 7) enthält und die obere Eingrenzungsfrequenz erzeugt, wird in Fig. 11 zusammen mit weiteren Details des Filters 31 gezeigt. Ein Eingangsmittler besteht aus einem Absolutwertblock 50, der ein gleichgerichtetes Audiosignal an einen Tiefpassfilter 51 leitet. Ähnlich wird das Ausgangsaudiosignal durch einen Absolutwertblock 52 an einen Tiefpassfilter 53 gegeben. Die Tiefpassfilter 52 und 53 bestehen vorzugsweise aus Potenzfiltern mit Signalrückführung, die eine obere Grenzfrequenz von etwa 100 Hz haben. Die Differenz zwischen dem mittleren Audioausgang des Tiefpassfilters 53 und dem ins Verhältnis gesetzten Eingangsmittelwert von einem Vervielfacher 54 wird in einem Summierer 55 abgeleitet. Ein Schwellenwertblock 56 empfängt eine Konstante c₁, die vorzugsweise gleich Null ist, so dass der Schwellenwertblock 56 das positive oder negative Vorzeichen der Differenz am Summierer 55 erkennt. Ist die Differenz negativ (d. h. der Ausgangssignalmittelwert ist größer als vorgesehen), dann veranlasst der Schwellenwertblock 56 einen Multiplexer 57, auf eine Einregelzeitkonstante c₂ umzuschalten. Andernfalls wird der Multiplexer 57 auf eine Verzögerungszeitkonstante c₃ geschaltet. Das Produkt aus Fehler und Einregel- oder Verzögerungszeitkonstante erzeugt ein Anpassungs-Delta (Δ) zum Anpassen des Filters.
Das adaptive Filter der Erfindung hat vorzugsweise die Form eines Filters mit Signalrückführung. Bevorzugt ist ein Filter erster Ordnung mit der Form:

y_n = b₀ (x_n + x_n-1) + a₁ (y_n-i),

wobei y der Filterausgang, x der Filtereingang, b₀ und a₁ die adaptiven Filterkoeffizienten sind. Zur Sicherstellung, dass sich die Filterkoeffizienten zum Erreichen einer Verstärkung Eins im Filter im Gleichlauf befinden, existiert zwischen den Filterkoeffizienten eine Beziehung vorzugsweise wie folgt:

a₁ = (0,5 - b₀) × 2.
Wie in Fig. 11 gezeigt, erhält man den Filterkoeffizienten b₀ am Ausgang des Multiplexers 58. Koeffizient b₀ wird durch einen z^-1-Einheit-Verzögerungsblock verzögert und danach an einen Eingang des Summierers 61 gegeben. Ein zweiter Eingang des Summierers 61 empfängt das Anpassungs-Delta (Δ) von einem Vervielfacher 62, so dass der Koeffizient b₀ entsprechend dem adaptiven Wert des Deltas (Δ) aktualisiert werden kann. Der Ausgang des Summierers 61 ist an den Eingang eines Schwellenwertblocks 63 und an einen der Eingänge des Multiplexers 58 gekoppelt. Der Schwellenwertblock 63 vergleicht den Ausgang des Summierers 61 (d. h. den aktualisierten Wert von Koeffizient b₀) mit einer Konstante es, die die Mindestfrequenz darstellt, auf die die obere Grenzfrequenz des Filters abgesenkt werden sollte. Anders ausgedrückt verkörpert c₅ einen niedrigeren Anpassungsgrenzwert für Koeffizient b₀. Die Konstante c₅ ist auch an den verbleibenden Eingang des Multiplexers 58 angeschlossen. Der Ausgang des Schwellenwertblocks 63 steuert den Multiplexer 58 so, dass er den aktualisierten Wert des Koeffizienten b₀ vom Summierer 61 wählt, außer wenn b₀ unterhalb Konstante c₅ fällt, in welchem Fall der Multiplexer 58 so geschaltet wird, dass er Mindestwert c₅ wählt.
Um den Koeffizienten a1 zu erhalten, ist der aktuelle Wert von b₀ an einen Subtrahiereingang eines Summierers 64 aufgeschaltet. Ein Addiereingang des Summierers 64 empfängt eine Konstante c₆, die vorzugsweise gleich 0,5 ist. Der Ausgang des Summierers 64 wird in einem Verdopplungsblock 65 verdoppelt, so dass an dessen Ausgang Koeffizient a1 zur Verfügung steht.
Das adaptive Filter 31 enthält einen Multiplizierer 66 zum Multiplizieren des Koeffizienten b₀ mit dem aktuellen Wert des Audioeingangssignals x₀. Der Ausgang des Vervielfachers 66 ist an den Summiereingang des Summierers 67 und durch einen Einheitsverzögerungsblock 68 an einen zweiten Eingang des Summierers 67 angeschlossen. Der Ausgang des Summierers 67 ist an einen Summiereingang des Summierers 70 angeschlossen. Der Filterkoeffizient a₁ wird an einen der Eingänge eines Multiplizierers 71 gegeben. Der Ausgang des Summierers 70 wird durch einen Einheitsverzögerungsblock 72 an einen zweiten Eingang des Multiplizierers 71 gegeben. Deshalb realisiert Filter 31 die oben angegebene Gleichung eines Filters mit Signalrückführung für die erste Ableitung.
Koeffizient b₀ ist die Verstärkung des Filters und kennzeichnet außerdem die obere Eingrenzungsfrequenz des Filters. Deshalb wird er dem Schwellenwertregler 37 zur Bereitstellung des Eingangswerts für die Übertragungsfunktion zugeführt, um den entsprechenden Verzerrungsschwellenwert der Erfindung zu erzeugen.

Claims

1. Eine Apparatur, bestehend aus:
einer Audioquelle, die ein Audiosignal erzeugt;
einem Vorverstärker, der an die Audioquelle gekoppelt ist und eine regelbare Verstärkung zur Vorverstärkung des Audiosignals hat;
einem Leistungsverstärker, der an den Vorverstärker gekoppelt ist und eine im Wesentlichen konstante Verstärkung zur Verstärkung des vorverstärkten Audiosignals hat;
einem Schwellenwertregler zur Erzeugung eines Verzerrungsschwellenwerts, der einen Betrag einer Verzerrung darstellt, der in Reaktion auf den Frequenzgehalt des Audiosignals durch den Leistungsverstärker zulässigerweise eingebracht wird;
einem Verzerrungsdetektor, der mit dem Leistungsverstärker gekoppelt ist und in Reaktion auf den Verzerrungsschwellenwert und das Audiosignal ein Verzerrungssignal erzeugt;
einem Verstärkungsbegrenzer zur Verminderung der regelbaren Verstärkung, wenn das Verzerrungssignal den Verzerrungsschwellenwert überschreitet.

2. Die Apparatur nach Anspruch 1, weiter bestehend aus: einem an die Audioquelle gekoppelten Frequenzanalysierer, der ein Frequenzerfassungssignal zur Charakterisierung des Frequenzgehalts des Audiosignals erzeugt, wobei das Frequenzerfassungssignal dem Schwellenwertregler zugeführt wird.

3. Die Apparatur nach Anspruch 2, wobei das Frequenzerfassungssignal proportional zu einer oberen Frequenz ist, unterhalb derer ein vorher festgelegter Teil des Audiosignals enthalten ist.

4. Die Apparatur nach Anspruch 3, wobei der Verzerrungsschwellenwert in Reaktion auf ein Ansteigen des Frequenzerfassungssignals ansteigt.

5. Die Apparatur nach Anspruch 3, wobei der Verzerrungsschwellenwert in Reaktion auf ein Ansteigen des Frequenzerfassungssignals logarithmisch ansteigt.

6. Die Apparatur nach Anspruch 3, wobei der Verzerrungsschwellenwert in Reaktion auf ein Ansteigen des Frequenzerfassungssignals schrittweise ansteigt.

7. Die Apparatur nach Anspruch 3, wobei der Verzerrungsschwellenwert in Reaktion auf das Ansteigen des Frequenzerfassungssignals in einem Bereich von etwa 204, bis etwa 10% variiert.

8. Die Apparatur nach Anspruch 1, wobei der Schwellenwertregler den Frequenzgehalt in Reaktion auf die Art der Audioquelle bestimmt.

9. Ein Verfahren zur Verzerrungsbegrenzung in einem Audiosystem, bestehend aus den Schritten:

- Erzeugen eines Audiosignals von einer Audioquelle;

- Vorverstärken des Audiosignals in Reaktion auf eine regelbare Verstärkung;

- Leistungsverstärken des vorverstärkten Audiosignals in Reaktion auf eine feste Verstärkung;

- Erkennen eines Frequenzgehalts des Audiosignals;

- Erzeugen eines Verzerrungsschwellenwerts in Reaktion auf den erkannten Frequenzgehalt, wobei der Verzerrungsschwellenwert einen zulässigen Wert des vom Leistungsverstärker erzeugten Verzerrungsbetrags darstellt;

- Erfassen eines durch die Leistungsverstärkung eingebrachten Verzerrungsniveaus;

- Vermindern der regelbaren Verstärkung, wenn das erfasste Verzerrungsniveau den Verzerrungsschwellenwert überschreitet.

10. Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Erkennungsschritt die Bestimmung eines der Audioquelle innewohnenden Frequenzgehalts umfasst.