DE4120537A1

DE4120537A1 - Niederfrequenzkompensationsschaltung fuer tonsignale

Info

Publication number: DE4120537A1
Application number: DE4120537A
Authority: DE
Inventors: Haruo Sakata
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1992-01-02
Also published as: JPH0454100A; US5230022A; NL9101067A

Description

Die Erfindung betrifft eine Niederfrequenzkompensationsschal tung für Tonsignale und insbesondere eine Schaltung, die den Tonfrequenzgang des niederfrequenten Anteils bei der Wieder gabe von Tonsignalen verbessert.

Zur Wiedergabe von Tonsignalen wird im allgemeinen oft eine flache Frequenzamplitudencharakteristik oder eine lineare Frequenzphasencharakteristik gewählt. Eine Betonung oder Her vorhebung der tiefen Töne wird nur dadurch bewirkt, daß der niederfrequente Anteil verstärkt wird, was zur Folge hat, daß zwar das Tonvolumen im niederfrequenten Bereich zunimmt, daß jedoch eine Klarheit und Schärfe nicht erzielt werden kann.

Es ist allgemein bekannt, daß die Hörempfindlichkeit eines Menschen in Abhängigkeit von der Tonfrequenz verschiedene Empfindlichkeitszeiten hat. Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, wird die Empfindlichkeitszeit mit abnehmender Frequenz länger und mit zunehmender Frequenz kürzer. Aus diesem Grunde wird selbst ein scharfer Übergangston bei abnehmender Frequenz als nicht so scharf empfunden, wenn er über das menschliche Gehör empfangen wird.

Bisher erfolgte nahezu keine Kompensation der Phasencharak teristik bezüglich der Frequenz auf der Tonsignalsendeseite. Der Grund dafür besteht darin, daß das Hörvermögen eines Men schen nahezu phasenunempfindlich ist. Beispielsweise erfolgt die Synthese einer Grundwelle mit einer dritten harmonischen Welle so, wie es in Fig. 11A und 11B dargestellt ist. Obwohl die Phasenbeziehungen zwischen der Grundwelle und der dritten harmonischen Welle in den Fig. 11A und 11B verschieden sind, ist bekanntlich der Unterschied im Wahrnehmungsvermögen dazwischen gering.

In der letzten Zeit sind jedoch die physiologischen und psy chologischen Forschungen auf dem Gebiet des menschlichen Hör vermögens so weit fortgeschritten, daß es möglich ist, die Charakteristik der Verzögerungszeit gegenüber der Frequenz des Hörvermögens zu messen.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel von physiologischen Untersuchungen des Hörvermögens einer Katze (siehe de Boer: "Synthetic whole nerve action potentials", J. Acoust. Soc. Am., Band 58 Nr. 5, Seite 1034, Nov. 1975) und Fig. 8 zeigt ein Beispiel von Meßergebnissen. In beiden Fällen ist die Verzögerungszeit für höhere Frequenzen kürzer als für niedrige Frequenzen. Das bedeutet, daß das Signal mit der in Fig. 11A dargestellten Wellenform in gleicher Weise wie das Signal mit der Wellenform gemäß Fig. 11B wahrgenommen wird.

Bei Breitbandtonsignalen ist es ausreichend, die Phasencharak teristik des Hörvermögens, wie sie oben beschrieben wurde, nicht besonders zu berücksichtigen. Die Amplitude der ver schiedenen Frequenzanteile bleibt nahezu unverändert, wenn der ursprüngliche Ton direkt gehört wird, und wenn der Ton gehört wird, der über eine Breitbandsignalanlage ausgegeben wird. Es ist üblich, daß in beiden Fällen der niederfrequente Anteil mit einer gewissen Verzögerung gehört wird und es ist nicht notwendig, die Phasencharakteristik des Signalsystems in spe zieller Weise zu verändern.

Bei einer Schmalbandsignalübertragung fällt natürlich der hochfrequente Anteil des Signales heraus oder wird dieser Anteil gedämpft, so daß die Tonwiedergabe weit von der natur getreuen Wiedergabe des Originaltons entfernt ist. Aus diesem Grunde wird der amplitudenmodulierte Mittelwellenbereich des Rundfunks weniger klar und scharf als der UKW-Bereich gehört. Das heißt, daß bei der Tonwiedergabe durch eine Schmalbandsig nalübertragungsanlage der Anstieg der Wellenform schlecht ist, wie es in Fig. 11B dargestellt ist, wenn das Signal über das Gehör empfangen wird.

Um das zu vermeiden, ist bereits eine Schaltung vorgeschlagen worden, bei der die Verzögerungscharakteristik über den gesam ten Tonfrequenzbereich in Abhängigkeit von der Frequenz vari iert wird, wie es in der japanischen Patentanmeldung 60-14 496 (JP-P-62-5 713A) beschrieben ist.

Die dort beschriebene Schaltung, die beispielsweise den in Fig. 10 dargestellten Aufbau hat, dient dazu, höherfrequente Anteile stärker als niederfrequente Anteile zu verzögern, so daß der relative Wahrnehmungszeitunterschied über das gesamte Tonfrequenzband beseitigt wird.

In Fig. 10 sind ein Frequenzseparator 27, eine Verzögerungs schaltung 28 aus mehreren Verzögerungsleitungen, die verschie dene Verzögerungszeiten haben, und ein Addierer 29 darge stellt.

Ein Tonsignal wird durch den Frequenzseparator 27 auf N Fre quenzbandkanäle aufgeteilt. Das in dieser Weise auf verschie dene Frequenzbänder aufgeteilte Signal wird durch den Addierer 29 über die Verzögerungsschaltung 28 wieder zusammengesetzt. Da in diesem Fall das Signal so verzögert wird, daß die höher frequenten Anteile stärker verzögert sind, wird die Fre quenzverzögerungszeitcharakteristik des Hörvermögens kompen siert.

Der oben beschriebene Schaltungsaufbau hat jedoch den Nach teil, daß zwar im niederfrequenten Bereich Klarheit und Schär fe erzielt werden, daß jedoch Übergangstöne in ihrer Wellen form im hochfrequenten Bereich scharf werden und der Ton damit unnatürlich wird.

Durch die Erfindung sollen diese Schwierigkeiten beseitigt werden, und soll eine Niederfrequenzkompensationsschaltung für Tonsignale geschaffen werden, mit der Klarheit und Schärfe für den niederfrequenten Bereich erzielt werden, wobei gleich zeitig der Ton für den hochfrequenten Bereich nicht un natürlich werden soll.

Dazu umfaßt die erfindungsgemäße Niederfrequenzkompensations- Schaltung für Tonsignale

- eine Trenneinrichtung zum Aufteilen eines von einer bestimm ten Tonsignalquelle kommenden Tonsignals in einen niederfre quenten Signalanteil unterhalb einer bestimmten Frequenz und einen hochfrequenten Signalanteil über der bestimmten Frequenz, um den niederfrequenten Signalanteil und den hoch frequenten Signalanteil getrennt auszugeben,
- eine variable Verzögerungseinrichtung zum Verzögern des niederfrequenten Signalanteils derart, daß die Verzögerungs zeit mit der Frequenz zunimmt,
- eine feste Verzögerungseinrichtung zum Verzögern des hoch frequenten Signalanteils um eine feste Verzögerungszeit, die nahezu gleich der Verzögerungszeit ist, die für die bestimmte Frequenz durch die variable Verzögerungseinrichtung festgelegt ist, und
- eine Synthetisiereinrichtung, die die verzögerten Signale von den beiden Verzögerungseinrichtungen kombiniert.

In der oben beschriebenen Kompensationsschaltung trennt die Trenneinrichtung die Frequenzanteile des eingegebenen Tonsi gnals in einen niederfrequenten Signalanteil und einen hoch frequenten Signalanteil an der bestimmten Frequenz auf.

Das heißt, daß das niederfrequente Signal an der variablen Verzögerungseinrichtung liegt, an der die Verzögerungszeit mit steigender Signalfrequenz zunimmt. Das hochfrequente Signal liegt andererseits an der festen Verzögerungseinrichtung, die das Signal um eine feste Verzögerungszeit verzögert, die annä hernd gleich der Verzögerungszeit ist, die die variable Ver zögerungseinrichtung für die bestimmte Frequenz festlegt.

Die von der variablen Verzögerungseinrichtung und von der festen Verzögerungseinrichtung ausgegebenen Signale werden dann durch die Synthetisiereinrichtung zu einem Ausgangssignal kombiniert. Für dieses Ausgangssignal nimmt die Verzögerungs zeit mit steigender Frequenz für das niederfrequente Signal zu, während sie für das hochfrequente Signal konstant bleibt. In dieser Weise ist es möglich, den Frequenzgang des Hörver mögens bei der Wiedergabe von niederfrequenten Tonsignalen zu verbessern und im niederfrequenten Bereich Tonsignale zu er zielen, die klar und scharf sind und einen scharfen Anstieg im Übergangston zeigen.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein be sonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 in einem Blockschaltbild das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Niederfrequenzkompensations schaltung für Tonsignale,

Fig. 2 in einer graphischen Darstellung die Frequenzver zögerungszeitcharakteristik der in Fig. 1 dargestellten Schaltung,

Fig. 3 und 9 in Blockschaltbildern konkrete Ausführungsbei spiele des Frequenzseparators,

Fig. 4 in einer graphischen Darstellung die Ausgangs charakteristik des in Fig. 3 dargestellten Frequenzseparators,

Fig. 5 in einem Blockschaltbild ein konkretes Beispiel der aktiven Allbandpaßschaltung,

Fig. 6 in einer graphischen Darstellung die Ausgangs charakteristik der in Fig. 5 dargestellten Schaltung,

Fig. 7 das Schaltbild eines konkreten Ausführungsbei spiels der festen Verzögerungsschaltung,

Fig. 8 und 12 in graphischen Darstellungen die Frequenz verzögerungszeitcharakteristik des Hörvermögens,

Fig. 10 in einem Blockschaltbild ein Beispiel einer bekannten Kompensationsschaltung,

Fig. 11A und 11B die zusammengesetzte Wellenform aus einer Grundwelle und der dritten harmonischen Welle,

Fig. 12 in einer graphischen Darstellung ein Beispiel der Frequenzverzögerungszeitcharakteristik des Hör vermögens und

Fig. 13 in einem Blockschaltbild ein Beispiel der variab len Verzögerungseinrichtung.

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Niederfrequenzkompensationsschaltung für Tonsignale. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, besteht diese Kompensationsschaltung aus einem Frequenzseparator 1, der als Frequenzanteiltrenneinrichtung arbeitet, einer aktiven All bandpaßschaltung 2, die als variable Verzögerungseinrichtung arbeitet, einer festen Verzögerungsschaltung 3, die als feste Verzögerungseinrichtung arbeitet, und einem Addierer 4, der als Synthetisiereinrichtung arbeitet.

Ein Tonsignal liegt am Frequenzseparator 1. Dieser Frequenz separator 1 ist so aufgebaut, daß das Tonsignal in einen nie derfrequenten Anteil unterhalb einer bestimmten Frequenz f₀ und in einen hochfrequenten Anteil über der bestimmten Fre quenz f₀ aufgeteilt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungs beispiel liegt die vorbestimmte Frequenz f₀ bei etwa 500 Hz bis 2 kHz.

Der niederfrequente Anteil liegt an der aktiven Allbandpaß schaltung 2, in der er in Abhängigkeit von seiner Frequenz verzögert wird. Das heißt, daß die aktive Allbandpaßschaltung 2 so aufgebaut ist, daß die Verzögerungszeit mit der Frequenz zunimmt und die Verzögerungszeit am längsten, und zwar gleich τf₀ bei der bestimmten Frequenz f₀ ist.

Andererseits liegt der hochfrequente Anteil an der festen Verzögerungsschaltung 3, an der er um eine Zeit verzögert wird, die annähernd gleich der Verzögerungszeit τf₀ für die bestimmte Frequenz f₀ in der aktiven Allbandpaßschaltung 2 ist.

Die Ausgangssignale der aktiven Allbandpaßschaltung 2 und der festen Verzögerungsschaltung 3 liegen am Addierer 4, der diese Signale kombiniert und ein verzögertes synthetisiertes Signal ausgibt, das einen scharfen Anstieg des Übergangstons im nie derfrequenten Bereich des Tonsignals zeigt.

Fig. 2 zeigt die Frequenzverzögerungszeitcharakteristik des Ausgangssignals des Addierers 4 mit diesem Aufbau. Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß im niederfrequenten Bereich unter der be stimmten Frequenz f₀ die Verzögerungszeit durch die aktive Allbandpaßschaltung 2 mit steigender Frequenz erhöht wird und am längsten, d. h. gleich τf₀ bei der bestimmten Frequenz f₀ ist. Oberhalb der bestimmten Frequenz f₀ bleibt andererseits die Verzögerungszeit konstant, und zwar annähernd gleich der Verzögerungszeit τf₀, wie es durch eine ausgezogene Linie A oder eine strichpunktierte Linie B in Fig. 2 dargestellt ist.

Aufgrund dieser Charakteristik kann ein klarer deutlicher Ton im niederfrequenten Bereich erhalten werden, und ist darüber hinaus ein nicht natürliches Hörerlebnis dadurch ausgeschlos sen, daß die Verzögerungszeit im hochfrequenten Bereich kon stant ist.

Im folgenden wird der konkrete Schaltungsaufbau des Frequenz separators 1, der aktiven Allbandpaßschaltung 2 und der festen Verzögerungsschaltung 3 im einzelnen beschrieben.

Wie es in Fig. 9 dargestellt ist, kann der Frequenzseparator 1 aus einem Tiefpaßfilter LPF und einem Hochpaßfilter HPF be stehen, die Frequenzamplitudencharakteristiken haben, deren Kurven einander an der bestimmten Frequenz f₀ schneiden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. In der Praxis ist es schwierig, die in Fig. 4 dargestellte flache Charakteristik zu erzielen. Um daher einen flacheren Frequenzgang zu erzielen, kann der Frequenzseparator 1 so ausgebildet sein, wie es in Fig. 3 dar gestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind ein Tief paßfilter 10 und ein Differentialverstärker 11 vorgesehen. Das Tonsignal liegt am Tiefpaßfilter 10, so daß ein Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 10 in einem bestimmten niederfrequenten Bereich erhalten wird, wobei gleichzeitig dieses Ausgangssi gnal und das oben erwähnte Tonsignal am Differentialverstärker 11 liegen, um das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 10 vom Tonsignal abzuziehen. In dieser Weise kann ein Ausgangssignal erhalten werden, das dem Ausgangssignal eines Hochpaßfilters HPF äquivalent ist. Mit dem in Fig. 3 dargestellten Aufbau ist es möglich, einen flachen Frequenzgang zu erzielen, bei dem die Amplitude nahezu konstant bleibt, wie es in Fig. 4 darge stellt ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der aktiven Allband paßschaltung 2 anhand von Fig. 5 beschrieben. In Fig. 5 ist ein Transistor Tr dargestellt, an dessen Basis der niederfre quente Signalanteil E₁ liegt, der vom Tonsignal abgetrennt wird. Widerstände R₀ sind mit dem Kollektor und dem Emitter dieses Transistors jeweils verbunden. Zusätzlich sind eine Induktivität jx und ein Widerstand R mit dem Kollektor und dem Emitter jeweils verbunden, und wird ein Ausgangssignal E₂ mit variabler Verzögerung vom Verbindungspunkt J des Widerstandes R und der Induktivität jx abgenommen.

Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung hat eine flache Fre quenzamplitudencharakteristik, wobei die Verzögerungszeit des Signals E₂ bezüglich des Signals E₁ annähernd proportional mit der Frequenz im Bereich zwischen 0 und der vorbestimmten Fre quenz f₀ ansteigt. Fig. 6 zeigt diese Frequenzverzögerungs zeitcharakteristik. Der Aufbau ist dabei so gewählt, daß die längste Verzögerungszeit an der bestimmten Frequenz f₀ erhal ten wird. Diese Schaltung ist weiterhin so ausgebildet, daß die Verzögerungszeitcharakteristik in Abhängigkeit von der Stärke des Widerstandes R variiert. In dieser Weise kann die Charakteristik durch ein Ändern des Widerstandes R so variiert werden, wie es durch die Kurven A und B in Fig. 6 dargestellt ist. Wenn keine zufriedenstellende Verzögerungszeit erhalten wird, kann die notwendige Anzahl von in Fig. 5 dargestellten Schaltungen 2 verwandt werden, die in Reihe geschaltet werden, wie es in Fig. 13 dargestellt ist.

Im folgenden wird anhand von Fig. 7 ein Beispiel der festen Verzögerungsschaltung 3 beschrieben. Diese Schaltung 3 bildet eine Verzögerungsschaltung aus einer Verzögerungsleitung mit mehreren Abgriffen TP₁ bis TP_n wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Durch die Wahl eines dieser Abgriffe ist es möglich, die feste Verzögerungszeit auf den längsten Wert τf₀ an der be stimmten Frequenz f₀ im niederfrequenten Bereich einzustellen, die durch die variable Verzögerungseinrichtung 2 gegeben ist. In dieser Weise ist es möglich, die in Fig. 2 dargestellte Frequenzverzögerungszeitcharakteristik zu erhalten.

Wie es oben beschrieben wurde, ist bei dem vorliegenden Aus führungsbeispiel der Anstieg des Übergangstons im niederfre quenten Bereich unterhalb der bestimmten Frequenz durch das Hörvermögen scharf, wie es durch die Kennkurve in Fig. 2 an gegeben ist, und ist es möglich, einen klaren deutlichen Ton mit niedriger Frequenz zu erhalten. Da die Zeitverzögerung im hochfrequenten Bereich oberhalb der bestimmten Frequenz f₀ konstant ist, verschwindet andererseits die Schärfe in der Wellenform in diesem Frequenzbereich, so daß es möglich ist, einen natürlichen Ton zu erhalten.

Wie es oben beschrieben wurde, kann durch die Niederfrequenz kompensationsschaltung für Tonsignale aufgrund der Tatsache, daß das Tonsignal in einen niederfrequenten Signalanteil und einen hochfrequenten Signalanteil aufgeteilt wird, ein klarer und deutlicher Ton mit niedriger Frequenz über die variable Verzögerungseinrichtung erhalten werden, die die Verzögerungs zeit mit der Frequenz des niederfrequenten Signalanteils er höht. Da gleichzeitig im hochfrequenten Bereich das Signal um eine Verzögerungszeit verzögert wird, die annähernd gleich der Verzögerungszeit an der bestimmten Frequenz ist, die durch die variable Verzögerungseinrichtung erhalten wird, verschwindet die Schärfe in der Wellenform in diesem Frequenzbereich und ist es möglich, einen natürlichen Ton zu erhalten.

Claims

1. Niederfrequenzkompensationsschaltung für Tonsignale mit
einer Trenneinrichtung zum Aufteilen eines Tonsignals von einer bestimmten Tonsignalquelle in einen niederfrequenten Signalanteil unterhalb einer bestimmten Frequenz und in einen hochfrequenten Signalanteil über der bestimmten Frequenz, um getrennt den niederfrequenten Signalanteil und den hochfre quenten Signalanteil auszugeben,
einer variablen Verzögerungseinrichtung, die den niederfre quenten Signalanteil verzögert,
einer festen Verzögerungseinrichtung, die den hochfrequenten Signalanteil verzögert, und
einer Synthetisiereinrichtung, die die von den beiden Ver zögerungseinrichtungen ausgegebenen verzögerten Signale kom biniert,
dadurch gekennzeichnet, daß die variable Verzögerung seinrichtung (2) die Verzögerungszeit mit der Frequenz des niederfrequenten Signalanteils erhöht, und die feste Verzöge rungszeit der festen Verzögerungseinrichtung (3) nahezu gleich der Verzögerungszeit ist, die für die bestimmte Frequenz durch die variable Verzögerungseinrichtung (2) festgelegt wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung (1),
ein Tiefpaßfilter (10), das den niederfrequenten Signalanteil unterhalb der bestimmten Frequenz auf das anliegende Tonsignal ausgibt, und
einen Differentialverstärker (11) umfaßt, der den niederfre quenten Signalanteil vom anliegenden Tonsignal abzieht und den hochfrequenten Signalanteil über der vorbestimmten Frequenz ausgibt.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Verzögerungseinrichtung (2) ein aktives Allband paßfilter ist, das
einen Transistor (Tr), an dessen Basis der niederfrequente Signalanteil liegt,
einen Widerstand (R), der mit dem Emitter des Transistors (Tr) verbunden ist, und
eine Induktivität (jx) aufweist, die mit dem Kollektor des Transistors (Tr) verbunden ist,
wobei ein verzögertes Ausgangssignal vom Verbindungspunkt des Widerstandes (R) und der Induktivität (jx) abgenommen wird.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Verzögerungseinrichtung (3)
einen Eingang, an dem der hochfrequente Signalanteil liegt,
und mehrere Ausgänge für die verzögerten Ausgangssignale auf weist, die verschiedene Verzögerungszeiten haben,
wobei das verzögerte Signal von einem der Ausgänge mit einer Zeitverzögerung abgenommen wird, die nahezu gleich der Zeit verzögerung ist, die für die bestimmte Frequenz durch die variable Verzögerungseinrichtung (2) festgelegt wird.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Frequenz in einem Frequenzbereich zwischen 500 Hz und 2 kHz liegt.

6. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere aktive Allbandpaßfilter (2) in mehreren Stufen in Reihe zueinander geschaltet sind.

7. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Allbandpaßfilter (2) die längste Verzögerungszeit an der bestimmten Frequenz hat.

8. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung (1, Fig. 9),
ein Tiefpaßfilter (LPF), das den niederfrequenten Signalanteil unterhalb der bestimmten Frequenz auf das anliegende Tonsignal ausgibt, und
ein Hochpaßfilter (HPF) umfaßt, das den hochfrequenten Signal anteil über der vorbestimmten Frequenz auf das anliegende Ton signal ausgibt.