DE3630692A1 - Tonsignaluebertragungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein in digitalen Einrichtungen verwendbares Tonsignalübertragungssystem, insbesondere auf ein System, das ein Ausgabesignal mit hoher Wiedergabe­ treue erzeugen kann.

In letzter Zeit sind als Audiogeräte verschiedene digitale Geräte, wie zum Beispiel Digitalschallpattengeräte (CD) oder digitale Tonbandgeräte (DAT) auf den Markt gekommen, die Tonsignale mit hoher Güte wiedergeben.

Die Tontechnik als Medium beginnt sich in vielfältiger Weise auf mannigfaltigen Gebieten auszubreiten.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines üblichen Audiogeräts. In Fig. 1 markiert das Bezugszeichen A ein Eingabemedium, B einen Übertragungsteil mit einem Verstärker usw. und C einen Ausgabeteil mit einem Lautsprecher usw. Neuere Audiogeräte hoher Güte vermögen Übertragungsstörungen in dem Übertragungsteil B weitgehend auszuschließen.

Dies wird vor allem kraft der in neuerer Zeit bemerkenswert fortgeschrittenen Höchstintegrationstechnik (VLSI) erreicht.

Verbesserungen der Tonqualität unter Verwendung dieser Höchst­ integrationstechnik sind die Folge der Vermeidung einer Tonverschlechterung infolge einer Übertragungsstörung im Übertragungsteil B. Alle Verbesserungen beziehen sich auf eine Erhöhung der Tonqualität als Folge eines Anwachsens der Arbeitsgeschwindigkeit eines hochintegrierten Bauelements (LSI), das Digitalsignale bei dem Digitalschallplattengerät oder Digitaltonbandgerät verarbeitet, und als Folge einer sogenannten Verstärkungsverarbeitung und/oder Rauschunter­ drückungsverarbeitung, wobei die Maßnahmen einzig und allein darauf abzielen, Übertragungsstörungen auf dem Übertragungs­ weg zu unterdrücken und das über ein Eingabemedium A einge­ gebene Tonsignal dem Ausgangsteil C mit hoher Wiedergabegüte durch Verwendung von möglichst gutem Material, eines mög­ lichst guten Aufbaus usw. zuzuführen.

Tabelle 1

  besser  ○ normal  ∆ schlechter

Ferner haben mechanische Schwingungssysteme, wie zum Beispiel Mikrophone oder Lautsprecher, eine bestimmte Masse, wobei die Haltevorrichtung des Schwingungssystems auch die Wirkung eines Dämpfungsglieds ausübt. Das Vorhandensein der Masse und des Dämpfungsglieds führt zu einer gestörten Kurvenform, insbesondere zu einer Verschlechterung im Sprungverhalten und zu einer Restschwingung. Diese Neigung ist besonders bei Lautsprechern zu sehen, die viel Energie erzeugen.

Tabelle 1 zeigt die Wiedergabegüte von Einzelbauteilen nach Fig. 1. Wie aus der Tabelle klar ersichtlich, wird die Wiedergabegüte in den Ein- und Ausgangsteilen, besonders im Ausgangsteil, in großem Maße verschlechtert und es besteht ein großer Unterschied zwischen einer lebenden Stimme und einer von einem Audiogerät wiedergegebenen Stimme, obwohl diese von hoher Wiedergabegüte sein kann.

Das Tonfrequenzband reicht zum Beispiel von ungefähr 20 bis 20 000 Hz. Es ist sehr schwierig das gesamte Band dieser Frequenzen mit hoher Wiedergabetreue bei Verwendung eines einzigen Lautsprechers wiederzugeben. Üblicherweise werden mehrere Lautsprecher zur Wiedergabe einzelner Fre­ quenzbänder verwendet, um dadurch das gesamte Band der Tonfrequenzen wiederzugeben. Dieser Vorgang des Aufteilens des Eingangssignals in Frequenzbänder und der Zufuhr dieser Frequenzbänder zu mehreren entsprechenden Lautsprechern, die sogenannte Frequenzweiche, beinhaltet die folgenden beiden Näherungen bzw. Ausführungsformen.

Die eine ist ein passives Netzwerk, das eine Teilung im Leistungsverstärker der Ausgangsstufe durchführt, die andere ist ein Vielwegesystem, das die Teilung durchführt, bevor das Eingangssignal in den Leistungsverstärker eingege­ ben wird. Im allgemeinen kann das passive Netzwerk billiger als das Vielwegesystem aufgebaut werden, wohingegen das Vielwegesystem das Tonsignal mit höherer Wiedergabegüte als das passive Netzwerk wiedergeben kann. Allgemein wird das Vielwegesystem öfter verwendet.

Das Schema des Vielwege-Frequenzweichensystems ist entweder analog, wobei es eine Verbindung von R,L und C-Bauteilen aufweist, oder digital, wobei es das Eingangssignal in ein digitales Signal umsetzt und dieses verarbeitet.

Beim Analogvielwegesystem sind die Außen- bzw. Sperrbandunterdrück­ ung und die Phaseneigenschaften der Frequenzweichencharakte­ ristik schwierig miteinander in Einklang zu bringen. Die Frequenzeigenschaften der Einzelsysteme können infolge möglicher ungleicher Eigenschaften der entsprechenden in den betreffenden Systemen enthaltenen Teile ungleich sein. Andererseits sind in dem digitalen Vielwegesystem die Sperrbandunterdrückung und Phaseneigenschaften miteinan­ der im Einklang, aber die Weichenfrequenz ist einge­ schränkt. Insbesondere kann keine Tiefbandfrequenzweiche verwirklicht werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Tonsignalübertra­ gungssystem zu schaffen, das Ausgangssignale hoher Wiederga­ begüte erzeugen kann.

Dazu ist erfindungsgemäß ein Tonsignalübertragungssystem mit a) einem Eingabeteil, b) einem Ausgabeteil und c) einem Übertragungsteil zur Übertragung eines Tonsignals vom Eingabe- zum Ausgabeteil vorgesehen, wobei der Übertra­ gungsteil eine erste Vorrichtung zur Spektrumanalyse des vom Eingabeteil eingegebenen Tonsignals und eine zweite Vorrichtung zur Verarbeitung des Tonsignals aufgrund des Ausgabesignals der ersten Vorrichtung im Einklang mit den physikalischen Eigenschaften des Ausgabeteils aufweist.

Weiterhin soll die Erfindung ein Tonsignalübertragungs­ system schaffen, das die gewünschte Frequenzeigenschaft der Frequenzweiche erfüllen, die Frequenz der Weiche frei wählen und die durch die Frequenzweiche bedingte Störung auf ein Mindestmaß herabsetzen kann.

Dazu wird erfindungsgemäß ein Tonsignalübertragungssystem mit a) einem Eingabeteil, b) einem Ausgabeteil, der mehrere Ausgabevorrichtungen mit verschiedenen physikalischen Antworteigenschaften aufweist und c) einem Übertragungsteil zur Übertragung eines Tonsignals vom Eingabeteil zum Ausgabe­ teil geschaffen, wobei der Übertragungsteil eine erste Vorrichtung zur Spektrumanalyse des vom Eingabeteil einge­ gebenen Tonsignals und eine zweite Vorrichtung zur Auf­ teilung des Tonsignals in mehrere Untertonsignale in Über­ einstimmung mit dem Ausgangssignal der ersten Vorrichtung aufweist, wobei die Untertonsignale jeweils den entsprechenden Ausgangsvorrichtungen zugeführt werden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines üblichen Audiogeräts;

Fig. 2 schematisch den Aufbau eines Systems als ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 den besonderen Aufbau eines Spektrumanalyseteils und einer Bandteilerschaltung nach Fig. 2;

Fig. 4 eine besondere Abwandlung des Aufbaus nach Fig. 2;

Fig. 5 den Grundaufbau eines digitalen Adaptivfilters;

Fig. 6 schematisch den Aufbau eines Systems als weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;

Fig. 7 ein Beispiel des Aufbaus des Verarbeitungsteils mit dem digitalen Adaptivfilter nach Fig. 5;

Fig. 8 die in Musik und der Stimme enthaltenen Frequenz­ bereiche und Lautstärken;

Fig. 9 ein schematisches Blockschaltbild des Aufbaus eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbei­ spiels;

Fig. 10 ein Toneingangssignal;

Fig. 11 ein Zeitdiagramm, das das Prinzip des vorliegenden Ausführungsbeispiels wiedergibt; und

Fig. 12 ein schematisches Blockschaltbild eines Anwendungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Systems.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Aufbau eines Systems als ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. In Fig. 2 gibt das Bezugszeichen 1 einen Eingabeteil an, der ein Tonsignal empfängt und dieses als Digitalsignal ausgibt. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet ein digitales Filter, 3 einen Spektrumanalysator, 4 eine Bandteilerschaltung, 5 a und 5 b Leistungsverstärker, 6 a einen Tiefton- bzw. Tiefbandlautsprecher und Fig. 6b einen Mittel- und Hochton- bzw. Mittel- und Hochbandlautspecher.

Der bestimmte Aufbau des Spektrumanalysators 3 und der Bandteilerschaltung 4 wird nachfolgend beschrieben. Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines solchen bestimmten Aufbaus eines Spektrumanalysators und einer Bandteilerschaltung, die ein eingegebenes Tonsignal in ein Tiefband und ein Mittel- und Hochband mit einer dazwischen liegenden Grenze von 200 Hz aufteilt.

In Fig. 3 bezeichnen die Bezugszeichen 12 und 14 digitale Tiefpaßfilter für endliche Impulsantwort nicht rekursive Tiefpaß­ filter, nachfolgend kurz Tiefpaßfilter genannt. Die Bezugszeichen 13, 15, 16, 17 und 18 markieren einen Unterabtaster, einen Null-Abtastwerte-Addierer, ein digitales Interpolationstief­ paßfilter (kurz Interpolationsfilter), eine Verzögerungs­ ausgleichsschaltung bzw. eine Mittel- und Hochbandsignal- Rechenschaltung.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der entsprechenden Bautei­ le nach Fig. 3 beschrieben. Zunächst sei davon ausgegan­ gen, daß ein digitales Tonsignal dem Tiefpaßfilter 12 zuge­ führt wird. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird als Beispiel eines typischen Eingangssignals ein digitales Tonsignal mit einer Abtastfrequenz von 44,1 kHz als Aus­ gangssignal einer herkömmlichen Digitalschallplatte (CD) angenommen. Signalanteile dieses Eingangssignals, die ober­ halb von 2 kHz liegen, werden vom Tiefpaßfilter 12 herausgefiltert. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 12 wird dann vom Unterabtaster 13 abgetastet, so daß sich eine (um 1/10 auf 4,41 kHz) verminderte Abtastfrequenz ergibt. Das digitale Tonsignal mit Signalanteilen bis zu 2 kHz, das mit 4,41 kHz abgetastet wird, wird dann der nächsten Stufe (Tiefpaßfilter 14) zugeführt, die ein Abtastsignal (4,41 kHz) ausgibt, von dem Signalanteile oberhalb von 200 Hz herausgefiltert werden.

Um das Signal mit der verminderten Abtastfrequenz auf das ursprüngliche Signal zurückzuführen, werden im Null- Abtastwerte-Addierer 15 zu dem Ausgangssignal des Tief­ paßfilters 14 9 Null-Abtastwerte addiert. Auf diese Weise geht die Abtastfrequenz auf ihren ursprünglichen Wert (44,1 kHz) zurück. Das Interpolationsfilter 16 setzt die neun Nullwerte in weitere Werte um, die sinusförmig oder ähnlich zwischen den beiden Endanteilen der Werte interpoliert werden. Das heißt, es entsteht ein digitales Tiefbandausgangssignal, bei dem Frequenzanteile oberhalb von 200 Hz herausgefiltert sind.

Andererseits werden die Mittel- und Hochtonausgangssignale aus dem Eingangssignal und dem Tieftonausgangssignal berech­ net. Zunächst wird in der Verzögerungsausgleichsschaltung 17 das Eingangssignal mit dem Tieftonausgangssignal syn­ chronisiert, das heißt, das Eingangssignal wird solange verzögert, bis das Tieftonausgangssignal erhalten wird. Die Mittel- und Hochbandsignal-Rechenschaltung 18 berechnet ein digitales Mittel- und Hochtonausgangssignal aus dem synchronisierten Eingangs- und Tieftonausgangssignal.

Auf diese Weise erlaubt die Verwendung verschiedener digi­ taler Tiefpaßfilter und die Änderung der Abtastfrequenzen eine digitale Verarbeitung eines Tiefbandsignals von zum Beispiel sogar 200 kHz, das heißt eines Tiefbandsignals mit einer Periode von 5 ms ohne große Anforderungen an die Rechenarbeit zu stellen. Dieses System mit mehreren digitalen Tiefpaßfiltern, Unterabtastern usw. entspricht einem Spektrum­ analyseteil und einem Signalkorrektursystem, das in einer Zeit der Größenordnung einer ms eine Frequenzanalyse durch­ führt und zwischen einem Tiefband und einem Mittel- und Hochband wählt.

Anhand von Fig. 4 wird nun eine digitale 113 Hz-Frequenz­ weiche beschrieben, die eine Abwandlung zu der Kombination des Spektrumanalyseteils und Bandteilerteils nach Fig. 2 darstellt. Eine Mittelwertberechnungsschaltung 19 berech­ net alle 1/220,5 s den Mittelwert aus 200 Impulsen eines digitalen Eingangstonsignals mit einer Abtastfrequenz von 44,1 kHz. Dasselbe Eingangssignal wird auch in einen Pufferspeicher 20 eingegeben. Um die Ausgangsdaten der Mittelwertberechnungsschaltung 19 alle 1/220,5 s auf deren ursprüngliche Abtastfrequenz von 44,1 kHz zurückzuführen, werden 199 Nullwerte im Null-Abtastwerte-Addierer 15 zwischen allen Signalen und den darauffolgenden Signalen addiert. Das digitale Interpolationsfilters 16 verarbeitet die 199 Null-Abtastwerte so, daß der Raum zwischen den Endabtastwerten sinusförmig interpoliert wird, wodurch sich ein digitales Tiefbandausgangssignal ergibt, bei dem Frequenzanteile oberhalb von 113 kHz bzw. Hz herausge­ filtert sind.

Andererseits wird das Mittel- und Hochtonsignal als Differenz zwischen den Eingangsdaten und den Tiefton- Ausgangsdaten, wie vorstehend ausgeführt, berechnet. Der Pufferspeicher 20 ist notwendig zur Synchronisation der Eingangssignale und der Tieftonausgangssignale. Diesbezüg­ lich spricht die zur Übertragung von 200 Werten bei einer Frequenz von 44,1 kHz näherungsweise der halben Wellen­ länge eines Signals mit 113 Hz, das heißt näherungsweise 4,5 ms. Selbst wenn zur Berechnung 2,5 ms erforderlich sind, ergeben sich insgesamt 7 ms, eine Zeit, in der sich eine Tonschwingung mit einer Geschwindigkeit von 340 m/s näherungsweise 2,4 m ausbreitet. Selbst wenn die Berechnungs­ vorrichtungen bzw. -vorgänge der Mittel- und Hochband- Ausgangssignale bei einem Echtzeitlautsprecher verwendet werden, kann dieser Zeitverzug durch menschliches Empfin­ dungsvermögen nicht erfaßt werden und verursacht keine Empfindung von Unverträglichkeit.

Die vorstehende Beschreibung ist zwar aufgrund von Normen für Digitalschallplatten ausgeführt worden, sie ist aber auch wirkungsvoll anwendbar bei anderen Tonsignalen, wie zum Beispiel bei einer Frequenz von 31,5 kHz, die als Norm bei den 8-mm-Videobandrekordern (VTR) gilt, und einem digitalen Tonsignal mit einer Frequenz von 48 kHz, die bei einem digitalen Tonbandgerät (DAT) verwendet wird. Selbst wenn ein analoges Eingangssignal in ein digitales Signal in der Eingangsstufe des Systems umgesetzt wird, kann das digitale Signal in dem System verwendet werden.

Im allgemeinen ändert sich die Charakteristik eines digita­ len Filters nicht. Es sind aber digitale Adaptivfilter bekannt, die ihre Charakteristik adaptiv dadurch ändern können, daß sie schaltbare Abgriffpositionen wechseln oder die Konstante des Konstantenmultiplizierers in Überein­ stimmung mit dem digitalen Eingangssignal oder vorein­ gestellten Steuerdaten wechseln.

Fig. 5 zeigt den Grundaufbau eines digitalen Adaptivfilters. In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 21 ein digitales Filter, dessen Charakteristik in Übereinstimmung mit Steuer­ daten einer Steuerschaltung 22 gewählt werden kann. Die Bezugszeichen x _j, y _j und d _j bezeichnen Eingangssignal­ daten, Ausgangssignaldaten bzw. Zieldaten, die die Ziel­ eigenschaften usw. angeben. Die Steuerschaltung 22 wählt eine Konstante eines Konstantenmultiplizierers oder eine Abgriffposition im digitalen Filter 21 in Überein­ stimmung mit den Daten x _j, y _j und d _j. Dadurch ergeben sich verschiedene Filter, mit verschiedenen Frequenzen, Verzögerungseigenschaften usw.

Fig. 6 zeigt als ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungs­ beispiel ein System, bei dem digitale Adaptivfilter verwendet werden. Das digitale Tonsignal wird in einen Eingabe­ teil 31 eingegeben und einem digitalen Adaptivfilter-Verarbei­ tungsteil 32 zugeführt, der seinerseits drei Leistungsver­ stärkern 10 a, 10 b, 10 c, die mit Tief-, Mittel- und Hochton­ lautsprechern 11 a, 11 b und 11 c verbunden sind, ein Ausgangs­ signal zuführt, so daß diese Lautsprecher schließlich ideale Ausgangssignale erzeugen können. Der digitale Adaptivfilter- Verarbeitungsteil 32 weist mehrere parallel und in Serie verbundene digitale Adaptivfilter auf. Der Grund dafür ist, daß die Anzahl der zur Durchführung einer genauen Verarbeitung verwendeten Verzögerungsstufen, sei es in einem nicht rekursiven Filter oder in einem Filter für unendliche Impuls­ antwort (IIR-Filter), 3 oder 4 beträgt, wogegen eine scharfe Frequenzcharakteristik nicht mit digitalen Filtern aus 3 oder 4 Verzögerungsstufen erreichbar ist. Die scharfe Frequenzcharakteristik wird durch eine Reihenschaltung mehrerer digitaler Adaptivfilter erreicht. Es ist in der Tat unmög­ lich, eine Gruppe von digitalen Einzelsystemfiltern mit einer komplizierten Frequenzcharakteristik, zum Beispiel mit einer Vielfalt von Spitzenfrequenzen zu schaffen, wenn die Frequenzcharakteristik vielfältig geändert wird.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel des Aufbaus des digitalen Adaptiv­ filter-Verarbeitungsteils 32 gemäß Fig. 6. In Fig. 7 wird ein digitales Tonsignal über den Eingabeteil 31 einem Eingangsanschluß 35 zugeführt. Zieldaten werden von einer Zieldateneinstellschaltung einem Anschluß 36 zugeführt. Mehrere digitale Adaptivfilter 41 a bis 46 a, 41 b bis 46 b und 41 c bis 46 c werden parallel und seriell als Matrix verbunden. Jedes digitale Adaptivfilter kann zum Beispiel einen Aufbau, wie in Fig. 5 gezeigt, haben. Addierglieder 47, 48 und 49 addieren die Ausgangssignale der betreffen­ den digitalen Adaptivfilter und führen ihren Ausgangstonsig­ nalen Anschlüsse 37, 38 und 39 zu, die zu Tief-, Mittel­ und Hochtonlautsprechern 11 a, 11 b bzw. 11 c führen. Die am Anschluß 36 eingegebenen Zieldaten beinhalten Daten zur Einstellung der Charakteristik jedes einzelnen digitalen Adaptivfilters.

Nun wird die Anwendung des vorstehenden Systems beschrieben.

Einer der grundlegenden Nachteile bei dem Vielwegesystem ist, daß ein Ton eines einzelnen Instruments oder eine Stimme einer einzelnen Person durch unterschiedliche Laut­ sprecher in Abhängigkeit der in dem Ton oder der Stimme enthaltenen Frequenzen wiedergegeben wird. Auf diese Art verändert sich ein akustisches Bild oder wird undeutlich. Vielfältige Maßnahmen zur Vermeidung dieser Erscheinungen sind vorgeschlagen worden, aber sie sind nicht befrie­ digend. Die Einführung eines digitalen Adaptivfilters würde jedoch eine Lösung ermöglichen. Bild 8 zeigt die ent­ sprechenden in der Musik und der Stimme enthaltenen Frequen­ zen und Lautstärken. Ein Berufssolist könnte eine Stimme hervorbringen, die 3 bis 6 dB höher liegt als die gezeigte Stimme, die aber offensichtlich im Frequenzbereich und in der Lautstärke gegenüber dem gesamten Orchester einge­ schränkt ist. Gemäß Fig. 6 sollte daher das Mittelband­ wiedergabesystem, insbesondere der Lautsprecher 11 b, mög­ lichst breitbandig gewählt werden. Im allgemeinen ist die Störung so lange gering wie die Lautstärke nicht außer­ ordentlich vergrößert wird. Es kann zum Beispiel ein Laut­ sprecher mit einem einzigen Kegel eines Durchmessers von 10 bis 16 cm verwendet werden.

Es sei nun davon ausgegangen, daß ein Tonsignal mit einer Mischung aus einem Anteil eines vollen Orchesters und einem Anteil einer von einem Solo bestimmten Stimme in den Eingabeteil gemäß Fig. 6 eingegeben wird. Das Eingangs­ signal kann in Abhängigkeit vom Frequenzband (in dem zum Beispiel 95% der gesamten Signalenergie vorhanden sind) und der Lautstärke in zwei Bestandteile eingeteilt werden. Das heißt der Anteil des vollen Orchesters wird ein breit­ bandiges Signal mit großem Lautstärkebereich, wogegen der von dem Solo bestimmte Stimmenanteil verhältnismäßig schmalbandig und in der Lautstärke beschränkt ist (siehe Fig. 8) .

So wird die Beschaffenheit dieses Eingangstonsignals in den Steuerschaltungen (siehe Fig. 7) der Eingangsstufe der digitalen Adaptivfilter 41 a bis 41 b des digitalen Adaptivfilter-Verarbeitungsteils 32 bestimmt, um dadurch die entsprechenden Frequenzcharakteristiken auszuwählen.Wenn z.B. der durch das Solo bestimmte Stimmanteil eingegeben wird, werden die Charakteristiken der digitalen Adaptiv­ filter 43 a bis 43 c, 44 a bis 44 c, die die Ausgangssignale für den Mitteltonlautsprecher festlegen, so eingestellt, daß ihre Bandpässe breiter sind als wenn der Orchesteranteil eingegeben wird, während die Charakteristiken der digitalen Adaptivfilter, die die Ausgangssignale für die Tief- und Hochtonlautsprecher bestimmen, so eingestellt werden, daß ihre Bandpässe schmäler werden. Ein solcher Aufbau erlaubt es, eine Solostimme, auf deren Klangbild großer Wert gelegt wird, allein vom Mitteltonlautsprecher auszu­ geben , wodurch eine Verschiebung und Verfälschung des akustischen Bildes vermieden wird. Andererseits wird das Gesamtorchester, bei dem mehr Wert auf Breitbandigkeit, weiten Lautstärkebereich und niedrigen Störfaktor gelegt wird als auf das Klangbild, vom Vielwegesystem ausgegeben. Bei dieser Anwendung werden die Charakteristiken der digi­ talen Adaptivfilter in Übereinstimmung mit dem Eingangs­ signal gesteuert.

Nun werden die Zieldaten beschrieben. Als Einstellparameter für diese Zieldaten werden die Beschaffenheit der Quelle (Art), Lautsprechercharakteristiken, wiedergegebenes Klangfeld, Vorliebe des Benutzers usw. betrachtet.

Es gibt verschiedene Gattungen, wie zum Beispiel Klassik, Jazz, Pop, Rock und Stimme als Beschaffenheit der Quelle (Art). Aufzeichnung/Mischung könnten mehr oder weniger die für die entsprechenden Gattungen passende Klangfarbe schaffen, während alle Wiedergabesysteme selbst nicht notwendigerweise passend für diese Gattungen sind. Zum Beispiel soll ein Wiedergabesystem, das tiefe und hohe Töne verstär­ ken kann, für Pop und Rock geeignet sein. Daher werden für jede Gattung geeignete Zieldaten in einem Festspeicher oder dergleichen festgelegt. Beim Abspielen kann der Be­ nutzer gewünschte, für jede Gattung vorgesehene Zieldaten auswählen, indem er einen Gattungswähler verwendet, und sie den entsprechenden digitalen Adaptivfiltern zuführen. Für Lautsprechercharakteristiken werden digitale Adaptiv­ filter-Zieldaten in Abhängigkeit von Frequenzgang, Richt­ wirkung, Dämpfungsfaktor, Impedanz usw. des anzuschließen­ den Lautsprechersystems gewählt. Zur Wiedergabe des Klang­ felds werden Zieldaten in Abhängigkeit von der Wahl eines Lautsprechers, der akustischen Eigenschaft eines Wieder­ gabeklangfelds, der Mehrfachverarbeitung bei Verwendung eines Klangsystems usw. eingestellt. Die Bevorzugung des Benutzers steht mit all diesen Einstellungen im Zusammenhang.

Für eine ideale Wiedergabe sind allgemein die folgenden drei Auffassungen verbreitet:

• Die PHF-Schule ... sieht es als ideal an, eine physikalisch hohe Wiedergabegüte zu erzielen. Im allgemeinen wird dieses Konzept im Bereich der Verarbeitung des elektrischen Signals angewandt,
• die SHF-Schule ... sieht es als ideal an, die Wiedergabe in genau dem gleichen Klang wie das Original zu erzielen. Signalwandler, wie z.B. Lautsprecher sind noch nicht ausgereift und physikalisch unvollkommen. Daher muß irgendwo ein Kompromiß getroffen und eine Klangfärbung in Kauf genommen werden. Viele Befürworter der SHF- Schule sind Liebhaber klassischer Musik.
• Die GR-Schule ... beabsichtigt, gute, angenehme Musik zu schaffen, ohne allzusehr am ursprünglichen Klang festzuhalten. Diese Auffassung wird von Liebhabern leichter Musik stark unterstützt.

Weiterhin ist bemerkenswert, daß wirkliche eigene Absicht und Grundsatz sehr verschieden sind. Wenn eine große Anzahl von Audio-Liebhabern darüber befragt werden, was ein guter Klang ist, werden sie antworten, daß es die physikalisch hohe Wiedergabegüte (PHF) ist. Der von mehr als 90 Prozent der käuflichen Lautsprechersysteme erzeugte Klang ist jedoch künstlich. Möglicherweise ist die wirkliche eigene Vorstellung entweder für die hohe Tonwiedergabetreue (SHF) oder die gute Wiedergabe (GR), aber im Grundsatz ist man für die physikalisch hohe Wieder­ gabetreue. Um der psychologischen Einstellung eines solchen Benutzers gerecht zu werden, ist es wichtig, einen grund­ sätzlich auf eine physikalisch hohe Wiedergabetreue ausge­ richteten, d.h. transparenten Aufbau zu verwenden. Unter anderen Gesichtspunkten wird ein Zielsignalwert nach Wunsch gewählt. Natürlich gibt es verschiedene Vorzugsrichtungen innerhalb der SHF- und GR-Schulen. Es gibt verschiedene Lager, wie z.B. Liebhaber des angenehmen Tons, Liebhaber der harmonischen Gesinnung, die großen Wert auf Harmonie legen, Liebhaber des ausgeprägten Tons, Liebhaber eines weiten Lautstärkebereichs, Liebhaber des Echoklangs usw. Diese Bevorzugungen werden in steuerbaren physikalischen Beträgen geändert, und dann als Zieldaten den entsprechen­ den digitalen Adaptivfiltern zugeführt.

Es gibt viele Leute, die die Wiedergabe eines ausgeprägten Merkmals in jeder Konzerthalle wünschen. Natürlich werden Ziel­ daten in Abhängigkeit der entsprechenden akustischen Eigen­ schaften der Hallen den entsprechenden digitalen Adaptiv­ filtern zugeführt. Eine mannigfaltige Anwendung dieser digitalen Adaptivfilter und Verwendung von digitalen Adaptivfiltern in den vorstehend genannten Eingängen selbst können unabhängig voneinander oder miteinander verbunden sein. Diese Einstellungen, das heißt Zieldaten, weisen Daten zur Steuerung der Frequenzgänge, Verzögerungseigen­ schaften, Position der Tonquelle und Richtwirkung usw. auf. Die Anzahl dieser Zieldaten vergrößert sich in dem Maße, wie ihre Systematisierung vorwärtsschreitet und die einzelnen Zieldaten werden für sich genommen kompli­ zierter, wodurch eine große Speicherkapazität erforderlich wird. Daher ist es vorteilhaft, Steuereingangssignale und einzelne Zielsignalwerte in einem tragbaren Speicher, wie zum Beispiel einem Festspeicher (ROM), einer Karte, einem Baustein usw. zu speichern. In diesem Falle ist es auch vorteilhaft, in dem Speicher Daten zur Erläuterung des Hintergrunds am Ort der Durchführung, Zieldaten usw. zu speichern.

Wenn Musikinformation mittels verschiedener Aufzeichnungs- bzw. Wiedergabemedien zum Benutzer übertragen wird, können die Eigenschaften des Klangfelds usw. als Zieldaten über­ tragen werden.

In einem System, das, wie vorstehend ausgeführt, digitale Adaptivfilter verwendet, wird das Spektrum eines eingege­ benen Tonsignals in den entsprechenden Steuerschaltungen der digitalen Adaptivfilter analysiert. Wenn in diesem Fall das Signal in Frequenzbänder aufgeteilt wird, kann die Art der Aufteilung veränderbar gehalten werden. Die Steuerung der digitalen Adaptivfilter durch andere Parameter kann Tonsignale mit vielfältiger Beschaffenheit wiedergeben.

Nun wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem ein Signal im Einklang mit den oben erwähnten Lautsprecher­ charakteristiken korrigiert wird.

Fig. 10 zeigt ein eingegebenes Tonsignal. Fig. 11 stellt ein Zeitdiagramm zur Erklärung der erfindungsgemäßen Arbeits­ weise dar. Zunächst wird die Kurvenform des eingegebenen, in Fig. 10 gezeigten Tonsignals erfaßt und spektral analysiert. Für diesen Fall sollte die Abtastfrequenz zweimal so hoch wie die maximale Tonfrequenz fm oder höher gewählt werden, zum Beispiel oberhalb von 40 kHz.

Die Ergebnisse dieser Analyse und Daten, die die einge­ gebenen Antwortcharakteristiken der Lautsprecher anzeigen und vorher im Speicher gespeichert worden sind, werden dazu verwendet, ein korrigiertes Signal in einer Zeit (tc) von ungefähr einigen ms zu berechnen. In Fig. 10 wird die Kurvenform des Signals (Fig. 11(a) ), das in Wirklich­ keit zu einer Zeit t _n+1 eingegeben worden ist, den Laut­ sprechern zu einer um tc von der Zeit t _n+1 verzögerten Zeit t _n+1 + tc zugeführt. Fig. 11(b) zeigt die Schwingungs­ position eines Lautsprechers, die erhalten wird, wenn die eingegebene Kurvenform gemäß Fig. 11(a), wie sie dasteht, dem Lautsprecher zugeführt wird. Eine Zeit t _n+1 t _n gibt ein Intervall einer Abtastung an.

Die vorstehende Rechnung besteht zunächst in einer Be­ rechnung der Position und der Beschleunigung des Laut­ sprechers zur Zeit t _n +tc, wobei sie die zuletzt einge­ gebenen Signale zur festen Positionierung des Lautsprecher­ schwingungssystems in einer Idealposition zur Zeit t _n+1 + tc für das zur Zeit t _n+1 eingegebene Signal verwendet. Darauf wird ein tatsächliches korrigiertes Eingangssignal für den entsprechenden Lautsprecher unter Verwendung von drei Bedingungen berechnet, das heißt, der Position und Beschleunigung des Lautsprecherschwingungssystems zur Zeit t _n +tc, der Idealposition des Lautsprecherschwingungs­ systems zur Zeit t _n+1 + tc und Daten über physikalische Eigenschaften einschließlich der im Speicher gespeicherten Masse, Antriebskraft und Dämpfung des Lautsprecher­ schwingungssystems.

Dieses korrigierte Eingangssignal wird dem entsprechenden Lautsprecher zur Zeit t _n+1 + tc, wie in Fig. 11(c) gezeigt, zugeführt. Als Ergebnis nimmt das Schwingungssystem mit einer Zeitverzögerung tc vom Eingangssignal eine zum Ein­ gangssignal sehr getreue Position ein. Auf diese Weise kann das Schwingungssystem wie in Fig. 11(d) ge­ zeigt schwingen, wobei die Schwingungen der Teilung und die verschlechterten Übergangserscheinungen gemäß Fig. 11(b) weitgehend unterdrückt sind.

Fig. 9 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des vor­ stehenden Aufbaus. Gemäß Fig. 9 wird ein Tonsignal im Eingangsteil 105 eingegeben und dem Spektrumanalyseteil 107 über das Digitalfilter 106 zugeführt, wodurch Signale entsprechend der obigen Beschreibung erzeugt werden. Daten, die die physikalischen Eigenschaften der Lautsprecher 111 angeben und im Speicher 108 gespeichert sind, und Daten des Spektrumanalyseteils 107 werden der Berechnungsschal­ tung für das korrigierte Signal 109, die einen Mikro­ prozessor für einen besonderen Zweck, insbesondere einen digitalen Signalmikroprozessor (DSP), dessen Verwendung neuerdings verbreitet ist, aufweist, zugeführt. Das Bezugs­ zeichen 110 bezeichnet einen Verstärker.

Fig. 12 ist eine schematische Ansicht eines Systems mit drei Lautsprechern, bei dem die Erfindung verwendet wird. Die vorstehend genannten korrigierten Signale für das tiefe, mittlere und hohe Band werden in Korrekturschalt­ kreisen für das niedrige, mittlere und hohe Band 109 a, 109 b und 109 c berechnet. Die für diese Berechnung verwende­ ten Daten werden vom Speicher 108′ in Übereinstimmung mit den physikalischen Eigenschaften der Lautsprecher 111 a, 111 b und 111 c zugeführt.

Wenn eine Berechnungsschaltung für ein korrigiertes Signal, so wie vorstehend ausgeführt, aus digitalen Adaptivfiltern so wie zum Beispiel oben erwähnt, aufgebaut ist, wird sie ein korrigiertes Signal, wie in Fig. 11(c) erzeugen.

Im allgemeinen beruht die Gültigkeit der Berechnung des Fourierspektrums eines Tonsignals auf der Tatsache, daß das Empfangsorgan des menschlichen Ohrs so betrachtet wird, als analysiere es selbst ein Tonspektrum und identi­ fiziere den Ton. Menschen richten unbewußt ihre Auf­ merksamkeit hauptsächlich auf die Spitzen des Fourier­ spektrums eines Tonsignals, wenn sie miteinander sprechen, und erkennen andere dadurch, daß sie deren Stimmen vonein­ ander unterscheiden. Mit anderen Worten, das menschliche Sinnesorgan entnimmt und verarbeitet die Information des Spektrums.

Wie vorstehend beschrieben, ist der Mensch in der Lage, fortwährend eine solche komplizierte Verarbeitung durchzu­ führen. Wenn andererseits eine Maschine, zum Beispiel ein Digitalcomputer, abgetastete Information verarbeitet, wächst die Rechenzeit stark mit der Anzahl der zu behan­ delnden Daten. Neuerdings sind jedoch Prozessoren auf den Markt gekommen, die zur Behandlung solcher aufeinander­ folgenden Daten sehr gut geeignet sind. Der Einsatz eines solchen Prozessors würde es ermöglichen, das vorstehende System zu verwirklichen.

Die Erfindung schafft somit ein Tonsignalübertragungssystem, mit einem Eingabeteil, einem Ausgabeteil und einem dazwi­ schen angebrachten Übertragungsteil. Der Übertragungsteil analysiert das Spektrum des eingegebenen Tonsignals und führt eine Signalverarbeitung in Abhängigkeit des Ergeb­ nisses der Analyse und in Übereinstimmung mit den physika­ lischen Antworteigenschaften des Ausgabeteils durch.

Claims (15)

1. Tonsignalübertragungssystem, gekennzeichnet durch einen Eingabeteil (A; 1; 31; 105) , b) einen Ausgabeteil (C) und c) einen Übertragungsteil (B) zur Übertragung eines Tonsignals zwischen dem Eingabeteil und dem Ausgabeteil (C) wobei der Übertragungsteil eine erste Vorrichtung (3; 107) zur Spektralanalyse des über den Eingabeteil einge­ gebenen Tonsignals und eine zweite Vorrichtung (4; 32) zur Verarbeitung des Tonsignals in Abhängigkeit vom Ausgangs­ signal der ersten Vorrichtung und in Übereinstimmung mit den physikalischen Eigenschaften des Ausgabeteils auf­ weist.

2. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgabeteil (C) mehrere Ausgabe­ vorrichtungen (6 a, b; 11 a, b, c; 111 a, 111 b, 111 c) aufweist, die hinsichtlich der physikalischen Antworteigenschaften voneinander abweichen, und daß die zweite Vorrichtung (4; 32) eine Vorrichtung zur Aufteilung des Tonsignals in mehrere Untertonsignale aufweist, die den entsprechenden Ausgabevorrichtungen (6 a, b; 11 a, b, c; 111 a, b, c) zugeführt werden.

3. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsteil (B) eine dritte Vorrichtung (108; 108′) zur Abgabe von Daten über die physikalischen Antworteigenschaften des Ausgabeteils an die zweite Vorrichtung (4; 32) aufweist.

4. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Vorrichtung (108; 108′) einen Speicher zur Speicherung von Daten über die physika­ lische Antworteigenschaft des Ausgabeteils aufweist.

5. Tonsignalübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die zweite Vorrichtung (4; 32; 109; 109 a, b, c) ein digitales Adaptivfilter (21; 32; 41 a, b, c bis 46 a, b, c) mit einer steuerbaren Übertragungscha­ rakteristik aufweist.

6. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (4; 32) seriell verbundene Filtervorrichtungen (41 a, b, c bis 46 a, b, c) mit mehreren seriell verbundenen digitalen Adaptivfiltern aufweist.

7. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (4; 32) eine parallel geschaltete Filtervorrichtung (41 a, b, c bis 46 a, b, c) mit mehreren parallel geschalteten der seriell verbundenen Filtervorrichtungen aufweist.

8. Tonsignalübertragungssystem, gekennzeichnet durch a) einen Eingabeteil (A; 1; 31; 105), b) einen Ausgabeteil mit mehreren Ausgabevorrichtungen, die verschiedene physi­ kalische Antworteigenschaften besitzen und c) einen Übertra­ gungsteil (B) zur Übertragung eines Tonsignals zwischen dem Eingabeteil und dem Ausgabeteil, wobei der Übertragungsteil eine erste Vorrichtung (3; 107) zur Spek­ tralanalyse des über den Eingabeteil eingegebenen Tonsignals und eine zweite Vorrichtung (4; 109) zur Aufteilung des Tonsignals in mehrere Untertonsignale in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal der ersten Vorrichtung aufweist, wobei die Untertonsignale den entsprechenden der Ausgabevorrichtungen zugeführt werden.

9. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das der ersten Vorrichtung (A; 1; 31; 105) zugeführte Tonsignal ein digitales Tonsignal und die erste Vorrichtung ein erstes Tiefpaßfilter (12), in das das digitale Tonsignal eingegeben wird, einen Unter­ abtaster (13) zur Unterabtastung des vom Tiefpaßfilter ausgegebenen Ausgangssignals und ein zweites digitales Tiefpaßfilter (14), in das das vom Unterabtaster ausgegebene Signal eingegeben wird, aufweist.

10. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (4; 109) eine Vorrichtung zur Erzeugung eines ersten Ausgangston­ signals für eine der Ausgabevorrichtungen (6 a, b; 11 a, b, c; 111 a, b, c) in Übereinstimmung mit einem vom zweiten digitalen Tiefpaßfilter (14) ausgegebenen Signal, eine Vorrichtung (20) zur gegen­ seitigen zeitlichen Abstimmung des ersten Ausgabetonsignals und des vom Eingabeteil eingegebenen Tonsignals und eine Vorrichtung (15, 16, 19) zur Erzeugung eines zweiten einer aus der Anzahl der Ausgabevorrichtungen zugeführten Ton­ signals in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen dem ersten ausgegebenen Tonsignal und dem von dem Eingabe­ teil eingegebenen Tonsignal aufweist.

11. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das der ersten Vorrichtung (3; 107) zugeführte Tonsignal ein digitales Tonsignal und die erste Vorrichtung eine Vorrichtung (19) zum Empfang des digitalen Tonsignals und zur Berechnung des Mittelwerts mehrerer aufeinanderfolgenden Werte des Tonsignals aufweist.

12. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (4; 109) ein digitales Adaptivfilter (32; 41 a, b, c bis 46 a, b, c) mit einer steuerbaren Übertragungscharakteristik aufweist.

13. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (4; 109) seriell verbundene Filtervorrichtungen (41 a, b, c bis 46 a, b, c) mit mehreren seriell verbundenen digitalen Adaptivfiltern aufweist.

14. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (4; 109) mehrere parallel verbundene der seriell verbundenen Filtervor­ richtungen aufweist.

15. Tonsignalübertragungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (4; 109) einen Datengenerator (33) zur Abgabe von Daten, die der physi­ kalischen Antwortcharakteristik des Ausgabeteils entsprechen, an das digitale Adaptivfilter (32; 41 a, b, c bis 46 a, b, c) aufweist.