DE10254407B4

DE10254407B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Unterdrücken einer Rückkopplung

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Publication number: DE10254407B4
Application number: DE10254407A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.-Ing. Sporer; Christian Dr.-Ing. Neubauer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: ATE315323T1; EP1518441B1; DE50302143D1; EP1518441A1; WO2004047484A1; HK1072522A1; AU2003276271A1; DE10254407A1

Abstract

Vorrichtung zum Unterdrücken einer Rückkopplung in einer Umgebung, in der sich ein Mikrophon (10) und ein Lautsprecher (13) befinden, wobei das Mikrophon (10) ein Mikrophonsignal abgibt und dem Lautsprecher (13) ein Lautsprechersignal zugeführt wird, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung (20) zum Erzeugen eines Einbettungssignals durch Einbetten eines Testsignals in das Lautsprechersignal oder in das Mikrophonsignal oder in ein modifiziertes Mikrophonsignal, wobei das Testsignal unter Verwendung einer psychoakustischen Maskierungsschwelle derart spektral gefärbt wird, dass es im Einbettungssignal nicht hörbar ist,
einer Einrichtung (50) zum Ermitteln einer Übertragungseigenschaft eines akustischen Übertragungskanals zwischen dem Lautsprecher (13) und dem Mikrophon (10) unter Verwendung des Testsignals und des Mikrophonsignals,
einem Filter (40) das durch Filtern entweder des Lautsprechersignals oder des Einbettungssignals ein gefiltertes Signal erzeugt, wobei die Übertragungscharakteristik des Filters (40) durch die Einrichtung (50) zum Ermitteln der Übertragungseigenschaft derart gesteuert wird, dass die Übertragungscharakteristik des Filters (40) die Übertragungseigenschaft des akustischen...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Audiowiedergabesysteme und insbesondere auch auf Audiowiedergabesysteme in Live-Umgebungen.
In typischen Rockkonzerten existiert eine hohe Dynamik dahin gehend, daß sich z.B. der Sänger auf der Bühne sehr viel bewegt. Dasselbe trifft oftmals für den Gitarristen zu. Andererseits sind jedoch die Lautsprecher in einer solchen Vorführungsumgebung statisch angeordnet. Daher bleibt es nicht aus, daß der Sänger samt seines Mikrophons, wie auch z.B. der Gitarrist samt seines an der Gitarre angebrachten Mikrophons manchmal etwas näher an Lautsprecher gerät und manchmal etwas weiter von Lautsprechern weg angeordnet ist. Während der Fall unproblematisch ist, in dem ein Mikrophon von einem Lautsprecher weit entfernt ist, ist der Fall, in dem ein Mikrophon sehr nahe an einem Lautsprecher angeordnet ist, sehr problematisch. Nachdem in dem Signalpfad vom Mikrophon zum Lautsprecher eine hohe Verstärkung vorhanden ist, führt eine Einkopplung des Lautsprechersignals in das Mikrophon dazu, daß das Mikrophon/Lautsprecher-System zu schwingen beginnt. Eine solche Schwingung äußert sich als Rückkopplung bei einer bestimmten Frequenz. Sie tritt immer dann auf, wenn die Amplituden- und die Phasenbedingung erfüllt ist. Die spezielle Phasenbedingung, die aktuell am besten erfüllt ist, legt die Frequenz fest, die typischerweise relativ hoch ist, so daß sich eine Rückkopplung als lautes Pfeifen bemerkbar macht. Dieses Pfeifen ist nicht nur für die Zuhörer unangenehm, sondern auch für die Künstler.
Signaltheoretisch ausgedrückt existiert ein stark zeitlich variabler Kanal von einem oder mehreren Lautsprechern zu einem oder mehreren Mikrophonen.

Bekannte Rückkopplungsunterdrückungstechniken mischen hörbare Rückkopplungstöne in das Mikrophon ein und verwenden Filter, um eine angehende Rückkopplung zu unterdrücken.

Alternative Rückkopplungsunterdrückungstechniken verwenden eine sogenannte Pitch-Shifting-Technik, um die Rückkopplung in unhörbare Teile des Spektrums zu verschieben, so daß stabile Rückkopplungstöne vermieden werden.

Während die erste Lösung eine kurze Rückkopplung benötigt, um eine Unterdrückung auszulösen, bewirkt die andere Lösung in manchen Fällen einen seltsamen Ton, der z.B. das Singen und Intonieren für Artisten schwierig macht.

Insbesondere in Mehrkanalsystemen sind die beiden genannten Rückkopplungsunterdrückungslösungen sehr problematisch wenn nicht gar undurchführbar.

Die EP 0 581 261 A1 offenbart eine Hörprothese mit einer vom Benutzer gesteuerten Rückkopplungs-Unterdrückung. Einem Mikrophon ist ein Summierer nachgeschaltet, der von dem Mikrophonsignal ein Ausgangssignal, das von einem adaptiven Filter geliefert wird, subtrahiert. Das Ausgangssignal des Summierers wird in einem Signalprozessor verarbeitet und zu einem Lautsprecher geliefert. Das Signal nach dem Signalprozessor und das Signal vor dem Signalprozessor werden dem adaptiven Filter zugeführt, um die Filtercharakteristik des adaptiven Filters zu adaptieren. Der Benutzer ist in der Lage, das adaptive Filter in verschiedene Adaptionsmodi durch eine manuelle Steuerung zu bringen. Ferner sind ein Rausch-Generator sowie ein weiterer Summierknoten vorgesehen. Um eine bessere Adaption zu erreichen, wird in Perioden relativer Ruhe, oder wenn die Umgebung gerade ein sehr leises akustisches Signal liefert, ansprechend auf eine Benutzersteuerung ein Testsignal für den zusätzlichen Summierer in das Lautsprechersignal eingebracht. Die Anwesenheit des eingebrachten Signals im Rückkopplungssignal hilft dann, wenn gerade kein akustisches Signal aus der Umgebung vorhanden ist, bei der Adaptierung des adaptiven Filters.

Das US-Patent Nr. 6,386,039 offenbart Konzepte zum Bestimmen der akustischen Raumcharakteristika eines Fahrzeuginnenraums, wobei diese Raumcharakteristika zwar durch den Fahrzeuginnenraum bestimmt sind, sich jedoch durch die Anzahl und die Bewegungen von Fahrzeuginsassen, Umgebungseinflüsse, die Geräusche bewirken (Wind), Temperaturfluktuationen, Straßenbedingungen oder Betriebsparameter (Fahrgeschwindigkeit oder Motordrehzahl) ändern können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Konzept zum Unterdrücken einer Rückkopplung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder ein Verfahren nach Patentanspruch 14 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine wirksame Rückkopplungsunterdrückung dadurch erreicht werden kann, daß ein Mikrophonsignal, das eine Überlagerung eines Nutzsignals und eines von einem Lautsprecher oder mehreren Lautsprechern stammenden Rückkopplungssignals ist, vor der Mischung bzw. Verstärkung dahin gehend verarbeitet wird, daß der Rückkopplungsanteil von dem Mikrophon signal subtrahiert wird, so daß nach der Subtraktion lediglich das Nutzsignal verbleibt.

Unabhängig davon, ob die Rückkopplungssignalkomponente im Falle eines ungünstigen Kanals, also wenn sich das Mikrophon sehr nahe am Lautsprecher befindet, groß ist oder im Falle eines günstigen Kanals, also wenn das Mikrophon relativ weit vom Lautsprecher entfernt ist, klein ist, wird die Rückkopplungssignalkomponente vorzugsweise durchgehend von dem Mikrophonsignal entfernt. Hierzu ist es nötig, die Rückkopplungssignalkomponente am Mikrophon synthetisch zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird hierzu eine Markierungsoperation dahin gehend vorgenommen, daß das Signal, das von dem Lautsprecher ausgestrahlt wird, erkannt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß entweder in das Mikrophonsignal nach der Subtraktion oder in das Mikrophonsignal vor der Subtraktion oder in das Signal nach Mischung und Verstärkung, also in das z.B. noch digital vorliegende Wiedergabesignal für einen Lautsprecher, ein Testsignal eingebettet wird.

Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zum Ermitteln einer Eigenschaft eines Übertragungskanals von dem Lautsprecher zu dem Mikrophon bzw. direkt für einen Rückkopplungsumlauf von einem Mikrophon wieder zu sich selbst zurück unter Verwendung des empfangenen Mikrophonsignals, das eine Überlagerung des Rückkopplungssignals und des Nutzsignals ist, und unter Verwendung des bekannten Testsignals, das eingebettet worden ist, eingesetzt.

Eine bevorzugte Vorgehensweise zur Ermittlung der Eigenschaft des Übertragungskanals in der Umgebung zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrophon besteht darin, eine Kreuzkorrelation zwischen dem Mikrophonsignal und dem Testsignal durchzuführen. Die Kreuzkorrelation beispielsweise liefert direkt die Impulsantwort des Kanals zwischen dem betrachte ten Lautsprecher und dem betrachteten Mikrophon. Alternative Kanalbestimmungsverfahren sind ebenfalls einsetzbar.

Unter Verwendung der ermittelten Eigenschaft des Übertragungskanals wird ein Filter eingestellt, der das Lautsprechersignal filtert, um ein gefiltertes Lautsprechersignal zu erhalten. In anderen Worten ausgedrückt wird der zeitvariante Kanal vom Lautsprecher zum Mikrophon gewissermaßen „simuliert", um das in das Mikrophon eingespeiste Rückkopplungssignal synthetisch zu berechnen, so daß es für die Subtraktionseinrichtung bereitsteht.

Die vorliegende Erfindung führt eine optimale Rückkopplungsunterdrückung durch, wenn der Kanal sich lediglich langsam ändert. Dies ist bei Konzerten in Anbetracht der durch menschliche Artisten bewirkten Bewegungen sehr oft der Fall. Auch wenn ein Künstler eine sehr schnelle Bewegung durchführt, so dauert diese schnelle Bewegung nicht besonders lang, derart, daß auf eine kurze schnelle Bewegung wieder eine langsamere Bewegung oder sogar eine Pause folgt. Das erfindungsgemäße System ist in der Lage, eine Rückkopplung nicht nur neu am Anfang des „Einschwingens" zu unterdrücken, sondern auch während des Einschwingens, dahin gehend, daß eine möglicherweise bereits begonnene Rückkopplung noch im Entstehen wieder unterdrückt, d.h. heraussubtrahiert, werden kann.

Andererseits führt eine schnelle Bewegung oftmals auch dazu, daß sich der Kanal wieder zum „Guten" ändert, so daß sich das Mikrophon wieder vom Kanal etwas weiter entfernt, was wiederum dazu führt, daß eine vielleicht im Entstehen befindliche Rückkopplung auch ohne Rückkopplungsunterdrückung wieder abflaut. Die Anforderung an einen zeitlich konstanten Kanal ist bei dem Unterdrückungskonzept der vorliegenden Erfindung daher sehr gering.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Testsignal eine Pseudorauschsequenz, die mit geringem Aufwand beispielsweise unter Verwendung rückgekoppelter Schieberegister leicht, schnell und preisgünstig erzeugt werden kann und, wenn ein solches Schieberegister an mehreren Stellen zur Verfügung gestellt wird, ohne weiteres reproduzierbar ist. Insbesondere können mehrere Schieberegistereinrichtungen, die eine solche Pseudozufallsfolge erzeugen sollen, mit dem gleichen Startwert oder "Keim" initialisiert werden. Es ist bekannt, daß Pseudo-Noise-Folgen rauschartig aussehen, jedoch eine üblicherweise relativ große Periodendauer haben. Das rauschhafte Aussehen einer Pseudo-Noise-Folge äußert sich im Frequenzbereich betrachtet dadurch, daß das Pseudo-Rausch-Signal ein weißes Spektrum hat, derart, daß alle Frequenzen gleichermaßen stark vorkommen. Wenn die Dynamik des Mikrophonsignals einigermaßen bekannt ist, so kann dieses weiße Pseudo-Noise-Signal unmittelbar eingemischt werden, wenn sichergestellt wird, daß der Pegel des eingemischten Pseudo-Noise-Signals relativ klein ist und nicht zu hörbaren Störungen führt, bzw. zu lediglich geringfügigen hörbaren Störungen führt.

Um die Wirksamkeit der Rückkopplungsunterdrückung, d.h. die Kanalsimulation zu verbessern, wird es bevorzugt, das Test- signal, unabhängig davon, ob es ein Pseudo-Noise-Signal ist oder nicht, unter Verwendung einer vorzugsweise aus dem bereits um seinen Rückkopplungsanteil befreiten Mikrophonsignal oder unter Verwendung einer aus dem verstärkten Mikrophonsignal, also dem Lautsprechersignal, abgeleiteten psychoakustischen Maskierungsschwelle zu bewerten.

Eine Addition des solchermaßen bewerteten Testsignals zum Mikrophonsignal bzw. zum Lautsprechersignal führt dazu, daß das eingebettete Testsignal für den Zuhörer nicht hörbar sein wird, so daß der Zuhörer von der ständig laufenden Rückkopplungsunterdrückungsprozedur nichts merkt.

Anders ausgedrückt, hat in diesem Fall die Rückkopplungsunterdrückung keine negativen Konsequenzen hinsichtlich der vom Zuschauer wahrgenommenen Wiedergabequalität. Andererseits ist für eine wirksame Unterdrückung, also für eine möglichst genaue Bestimmung der Impulsantwort des Kanals zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrophon, also zur genauen Simulation des Rückkopplungsanteils, ein Testsignal mit möglichst hoher Energie im Lautsprechersignal erstrebenswert. Die maximale Energie wird ohne Einbußen hinsichtlich der Audioqualität dann erreicht, wenn das Testsignal ein Pseudo-Noise-Signal ist, also sich über den gesamten relevanten Frequenzbereich erstreckt, und derart psychoakustisch gewichtet ist, daß es unter der Markierungsschwelle des Lautsprechersignals ist. In Signalanteilen des Lautsprechersignals mit hoher Maskierungswirkung ist das Testsignal daher mit einer hohen Energie vertreten, während in Signalanteilen des Lautsprechersignals mit geringer Maskierungswirkung, beispielsweise in tonalen Audioanteilen, das Testsignal mit relativ wenig oder gar keiner Energie vertreten ist, dahin gehend, daß keine Audioqualitätseinbußen für den Zuhörer entstehen.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß in dem Fall, in dem das Mikrophon nicht unmittelbar vor dem Lautsprecher ist, eher laute Lautsprechersignalpassagen problematisch sind. Aufgrund der Tatsache, daß in solchen lauten Lautsprecherpassagen normalerweise die akustischen Maskierungsschwelle relativ hoch ist, ist in solchen problematischen Lautsprechersignalanteilen auch eine beträchtliche Testsignalenergie enthalten, was unmittelbar dazu führt, daß die Kanalbestimmung und damit die Rückkopplungsunterdrückung genauer und damit wirkungsvoller stattfindet. Das für die vorliegende Erfindung bevorzugte Konzept der Verwendung von Pseudo-Noise-Testsignal in Verbindung einer psychoakustischen Gewichtung bzw. Färbung des Pseudo-Neuseh-Testsignals führt somit dazu, daß genau in dem Fall, in dem eine gut funktionierende Rückkopplungsunterdrückung gebraucht wird, als im Falle lauter Signale, auch eine gute Kanalbestimmung mit hohem Signal/Rausch-Verhältnis durchgeführt werden kann. Die in einem solchen Fall dringend benötigte gute Rückkopp- lungsunterdrückung wird erfindungsgemäß auch bereitgestellt.

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Mehrkanal-Umgebungen, bei denen mehrere Mikrophone und mehrere Lautsprecher vorhanden sind. Die Verwendung von in die einzelnen Mikrophonsignale eingebetteten unterschiedlichen Testsignalen, die vorzugsweise zueinander orthogonal sind, und die Verwendung einer Kreuzkorrelationseinrichtung für die Bestimmung jedes relevanten Kanals führen dazu, daß für jedes Mikrophon der optimale Rückkopplungsanteil berechnet werden kann. Damit findet eine flexible und an die einzelnen Mikrophonsignale genau angepaßte Rückkopplungsunterdrückung statt, da jeder Kanal einzeln simuliert wird.

Es ist zu sehen, daß für den Fall, bei dem mehrere Mikrophone und mehrere Lautsprecher an verschiedenen Orten vorgesehen sind, die Rechenleistung zur Kanalbestimmung vorzugsweise unter Verwendung einer Kreuzkorrelation beträchtlich werden kann. Dies ist jedoch nicht weiter problematisch, da eine typische Verstärkeranlage, wie z.B. ein PA-System, ein Mischpult mit beträchtlichen Ausmaßen und beträchtlichen Kosten umfaßt, wobei in einem solchen Setting einige digitale Signalprozessoren zum Berechnen der Kanaleigenschaften und zum Unterdrücken der Rückkopplungsanteile im Hinblick auf die Gesamtkosten der Anlage nicht wesentlich ins Gewicht fallen werden.

Andererseits bewirkt die vorliegende Erfindung eine effiziente Rückkopplungsunterdrückung ohne negative Konsequenzen für die Zuhörer einerseits und insbesondere auch für die Artisten andererseits mit typischerweise nahezu vernachläßigbaren Kosten bezogen auf das Gesamtsystem. Insbesondere wird Wert gelegt darauf, daß die Artisten nicht in ihrem künstlerischen Ausdruck gestört werden, derart, daß sie z.B. "eingetunte" hörbare Rückkopplungsunterdrückungstöne hören oder daß im Falle eines Pitch-Shifting die von dem Artisten wahrgenommenen Signale eine andere Tonhöhe haben als sie vom Artisten beispielsweise gesungen worden sind. Obgleich zu dieser bekannten Rückkopplungsunterdrückung bereits Nuancen hinsichtlich der Tonhöhenverschiebung ausreichen werden, sind dies dennoch Belästigungen für den Künstler, die ihn in seinem künstlerischen Ausdruck einschränken dürften. Andererseits ist es jedoch gerade der Künstler, der letztendlich bestimmt, welche Anlage für ihn bereitgestellt werden muß. Eine Marktakzeptanz des erfindungsgemäßen Konzepts ist daher zu erwarten, da das erfindungsgemäße Rückkopplungsunterdrückungskonzept den Artisten nicht weiter belästigt und ihm sogar eine maximale Bewegungsfreiheit gestattet, so daß er ohne unerwünschte Rückkopplungstöne befürchten zu müssen, den gesamten Bühnenraum zum künstlerischen Ausdruck benutzen kann, unabhängig davon, ob er in die Nähe einer Rückkopplungs-gefährdeten Lautsprecherkomponente kommt oder nicht.

Je nach Ausführungsform kann das Testsignal unmittelbar in die Lautsprechersignale, also vor der Analog/Digital-Wandlung und akustischen Wiedergabe, eingebettet werden. In diesem Fall wird die Anpassung an die psychoakustischen Eigenschaften des Lautsprechersignals am besten sein, da das psychoakustische Modell des Lautsprechersignals unmittelbar dafür aussagekräftig sein wird, was ein Zuschauer hört oder nicht.

Eine Einbettung im Lautsprechersignal hat ferner den Vorteil, daß tatsächlich Übertragungsfunktionen von jedem Lautsprecher zu jedem Mikrophon einzeln simuliert und zur Rückkopplungsunterdrückung eingesetzt werden können. Diese erfindungsgemäße Alternative führt zu einer besseren Tonqualität für den Zuhörer, erfordert jedoch höhere Rechenleistungen dahingehend, daß wenn beispielsweise drei Mikrophone und drei Lautsprecher vorhanden sind, bereits neun unterschiedliche Übertragungskanäle hinsichtlich der Eigenschaften bestimmt, mit typischerweise FIR-Filtern nachgebildet und zur Subtraktion eingesetzt werden müssen, wobei vor der tatsächlichen Subtraktion des insgesamten Rückkopp- lungssignals noch eine Addition der im beschriebenen Fall von drei Lautsprechern gelieferten drei einzelnen simulierten Rückkopplungssignale durchgeführt werden muß.

Eine andere Alternative der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Testsignal in das modifizierte Mikrophonsignal, also nach der Subtraktion einzubetten, also noch bevor die Mikrophonsignale gemischt und verstärkt werden, um ein Einbettungssignal zu erhalten. Das Einbettungssignal wird gleichzeitig dazu verwendet, um gefiltert zu werden und um das gefilterte Signal der Subtraktionseinrichtung zuzuführen. Das psychoakustische Modell wird hier vorzugsweise auf der Basis des modifizierten Mikrophonsignals gerechnet, um die Maskierungsschwelle zum optimalen Einbetten zu erhalten.

Die Informationen über die psychoakustische Maskierungsschwelle können jedoch auch von den einzelnen Lautsprechersignalen abgeleitet und der entsprechenden Einbettungseinrichtung, die vor der Mischung/Verstärkung liegt, zugeführt werden, so daß sich eine bessere Kontrolle des Testsignals ergibt.

Wie es ausgeführt worden ist, soll das Testsignal einerseits nicht hörbar sein und andererseits mit möglichst hoher Energie vorhanden sein. Wird ein psychoakustisches Model von einem Signal abgeleitet, das dem Lautsprechersignal nicht unmittelbar entspricht, sondern nur näherungsweise entspricht, so wird die Energie des eingebetteten Testsignals um einen bestimmten Sicherheitsabstand unterhalb der psychoakustischen Maskierungsschwelle gehalten, was zwar die Verschlechterung der Audioqualität unterbindet, jedoch zu einem schlechteren Signal/Rausch-Verhältnis bei der Übertragungskanalbestimmung und damit zu einer schlechteren Rückkopplungsunterdrückung führen könnte.

Andererseits sind in diesem Fall nicht so viele Kanäle zu berechnen, so daß diese Alternative rechenzeitärmer ausge bildet werden kann und somit insbesondere bei kleineren Wiedergabeanlagen oder Minimal-Wiedergabeanlagen preisgünstig eingesetzt werden kann.

Wieder alternativ kann das Testsignal in das Mikrophonsignal vor der Rückkopplungsanteil-Subtraktion eingefügt werden. Wenn der Rückkopplungsanteil genau berechnet wird, so wird das eingebettete Testsignal die Rückkopplungsanteil-Subtraktion relativ "unbeschadet" überstehen, derart, daß dieser Fall ähnlich zu dem Fall betrachtet werden kann, bei dem das Testsignal bereits in das modifizierte Mikrophonsignal eingebettet wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
1a eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Mehrkanalumgebung mit Einbettung auf der Mikrophonseite;
1b eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rückkopplungsunterdrückungskonzepts mit Einbettung auf der Mikrophonseite;
2 eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Einbettung auf der Lautsprecherseite;
3 ein Prinzipdiagramm eines Übertragungskanals; und
4 eine schematische Zusammenfassung der Vorgehensweise zur Berechnung einer Impulsantwort des in 3 gezeigten. Übertragungskanals unter Verwendung einer Kreuzkorrelation.
1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Mehrkanal-Setting, bei dem mehrere Mikrophone 10, 11, 12 sowie mehrere Lautsprecher 13, 14, 15 angeordnet sind. Zwischen den Mikrophonen auf der Mikrophonseite und den Lautsprechern auf der Lautsprecherseite ist eine Signalverarbeitungs-Vorrichtung 16 angeordnet, die irgend eine Sound-Anlage ist, die neben anderen Dingen auch eine Mischung oder Verstärkung des Tonsignals, das von den Mikrophonen eingespeist wird, durchführen kann.
Signale von den drei Lautsprechern 13, 14, 15 überlagern sich an jedem Mikrophon und bilden ein Rückkopplungssignal f_i(t) für jedes Mikrophon. Die Lautsprechersignale der Lautsprecher 13, 14, 15 werden über einen Freiraum-Übertragungskanal 17 übertragen, der derart definiert werden kann, daß von den drei Lautsprechern zum ersten Mikrophon ein erster Übertragungskanal h₁ definiert wird, daß von den drei Lautsprechern zum zweiten Mikrophon 11 ein zweiter Übertragungskanal h₂ definiert wird, daß von den drei Lautsprechern zum dritten Mikrophon 12 ein dritter Übertragungskanal h₃ definiert wird.
Bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel wird in ein modifiziertes Mikrophonsignal jeweils ein Testsignal unter Verwendung einer Einbettungseinrichtung 20, 21, 22 eingebettet, um für jeden Mikrophonkanal am Ausgang der Einrichtung 21, 21 bzw. 22 ein jeweiliges Einbettungssignal zu erhalten. Insbesondere wird in das modifizierte Mikrophonsignal des ersten Mikrophons 10 ein erstes Testsignal p₁ eingebettet, um ein erstes Einbettungssignal zu erhalten. In das modifizierte Mikrophon des Signals des zweiten Mikrophons 11 wird ein zweites Testsignal p₂ eingebettet, um ein zweites Einbettungssignal zu erhalten. Schließlich wird in das modifizierte Mikrophonsignal des dritten Mikrophons 12 ein drittes Testsignal p₃ eingebettet, um ein drittes Einbettungssignal zu erhalten.
Um von einem Mikrophonsignal am Ausgang des jeweiligen Mikrophons 10, 11, 12 zu einem jeweiligen modifizierten Mikrophonsignal zu kommen, ist ferner jedem Mikrophon eine Subtrahiereinrichtung 30, 31, 32 zugeordnet. Die Subtrahiereinrichtung ist ausgebildet, um einen simulierten Rückkopplungsanteil, der im idealen Fall gleich dem von einem Mikrophon empfangenen Rückkopplungsanteil f_i(t) ist, von dem Mikrophonsignal zu subtrahieren. Damit ist im idealen Fall am Ausgang der jeweiligen Subtrahiereinrichtung 30, 31, 32 ein modifiziertes Mikrophonsignal vorhanden, das dem ursprünglichen Nutzsignal s₁(t), s₂(t) bzw. s₃(t) entspricht.
Zur Simulation der Rückkopplungsanteile ist jedem Mikrophon ein eigenes Kanalsimulationsfilter 40, 41, 42 zugeordnet, wobei das erste Simulationsfilter 40 ausgebildet ist, um die gleiche Kanalimpulsantwort h₁(t) zu haben, wie sie im Block 17 dargestellt ist, wobei in 1b der Darstellung im Block 17 nicht nur der Freiraumkanal zugeordnet ist, sondern auch die Übertragungsfunktion durch den Block Mischung/Verstärkung 16. An dieser Stelle sei ferner drauf hingewiesen, daß die simulierte Kanalimpulsantwort ferner auch bereits die nötige Verzögerung umfaßt.
Analog ist das zweite Kanalsimulationsfilter 41 ausgebildet, um dieselbe Kanalimpulsantwort h₂(t) zu haben, wie sie im Block 17 (einschließlich Mischung/Verstärkung) skizziert ist. Schließlich ist das dritte Simulationsfilter 42 ausgebildet, um dieselbe Kanalimpulsantwort h₃(t) zu haben, wie sie im Block 17 (einschließlich Mischung/Verstärkung) angedeutet ist.
Die Kanalimpulsantworten zum Einstellen der Simulationsfilter 40, 41, 42 werden in jeweiligen Einrichtungen 50, 51, 52 zum Ermitteln einer Eigenschaft eines Übertragungskanals ermittelt. Hierzu erhält die erste Einrichtung 50 zum Ermitteln das Testsignal, das in das modifizierte Mikrophonsignal des Mikrophons 10 eingespeist worden ist. Analog hierzu erhält die zweite Einrichtung 51 zum Ermitteln das Testsignal p₂, das in der Einrichtung 21 zum Einbetten verwendet worden ist. Schließlich erhält die Einrichtung 52 zum Ermitteln für das dritte Mikrophon dasselbe Testsignal p₃, das in das modifizierte Mikrophonsignal des dritten Mikrophons eingespeist worden ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die drei Testsignale p₁, p₂, p₃ jeweils Pseudo-Noise-Sequenzen, die zueinander orthogonal sind, so daß sie durch eine in den Einrichtungen 50, 51, 52 zum Ermitteln durchgeführte Kreuzkorrelation mit dem jeweiligen Testsignal p₁, P₂, P₃ von den mit den anderen Testsignalen versehenen modifizierten Mikrophonsignalen und damit ausgestrahlten Lautsprechersignalen unterschieden werden können.
Eine Kreuzkorrelation z.B. des Mikrophonsignals des ersten Mikrophons 10 mit der Pseudo-Noise-Folge p₁ wird dazu führen, daß die mit den Pseudo-Noise-Folgen versehenen modifizierten Mikrophonsignale vom zweiten und vom dritten Mikrophon herauskorreliert werden, so daß lediglich der tatsächlich vom ersten Mikrophonsignal zu subtrahierende Rückkopplungsanteil, der problematisch hinsichtlich der Erzeugung einer Rückkopplung ist, subtrahiert wird. Es sei darauf hingewiesen, daß typischerweise, wenn in der Einrichtung 16 nicht erhebliche Mikrophon/Lautsprecher-Zuordnungsveränderungen in kurzen Zeitabständen durchgeführt werden, Rückkopplungssignale von den beiden anderen Mikrophonen 11, 12 hier unkritisch sind, da solche Rückkopplungssignale in dem Signalverarbeitungspfad, der vom ersten Mikrophon zu den drei Lautsprechern 13, 14, 15 führt, hinsichtlich einer Rückkopplungserzeugung unkritisch sind.
Bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ferner zur Filterparameterberechnung für jeden Mikrophonkanal das Einbettungssignal dieses Mikrophonkanals verwendet und gefiltert. Insbesondere wird dem Filter 40 zum Erzeugen des gefilterten Signals, das der Einrichtung 30 zuzuführen ist, das Einbettungssignal am Ausgang der Einrichtung 20 zugeführt. Entsprechend wird das Filter 41 mit dem Einbettungssignal aus der Einrichtung 21 gespeist. Darüber hinaus wird das Filter 42 mit dem Einbettungssignal aus der Einrichtung 22 gespeist.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die in 1a gezeigte Ausführungsform lediglich das Signal subtrahiert, das für ein Rückkopplung problematisch ist. Insofern problematisch für ein Rückkopplung über das erste Mikrophon ist nur das (frühere) Signal aus dem ersten Mikrophon, das (später) wieder eingekoppelt wird. So ist es in diesem Fall egal, von welchem(n) Lautsprecher(n) das erste Mikrophonsignal wiedergegeben wird. Der durch Korrelation des ersten Mikrophonsignals mit dem ersten Testsignal berechnete Kanal entspricht einem „Rückkopplungsumlauf", also einem Umlauf vom Mikrophon, über die Mischung/Verstärkung, einen bzw. mehrere Lautsprecher und den Freiraumkanal zurück zum Mikrophon (einschließlich der Übertragungscharakteristik des tatsächlich verwendeten Mikrophons). Ferner sei darauf hingewiesen, daß die ermittelte Impulsantwort h₁ „automatisch" auch die in dem Rückkopplungsumlauf aufgetretene Verzögerung beinhaltet, so daß hierfür keine weiteren Vorkehrungen getroffen werden müssen. Ferner ist in diesem Fall die Situation dahingehend transparent, daß zur spektralen Färbung die psychoakustische Maskierungsschwelle des in die Einbettungseinrichtung eingespeisten Signals herangezogen werden kann.
Alternativ könnte auch ein Lautsprechersignal zurückgeführt werden und in das Filter eingespeist werden. Je nach hauptsächlicher Abbildung eines Mikrophons auf einen Lautsprecher ist die Zuordnung derart, daß das Lautsprechersignal 13 gefiltert und zum ersten Mikrophon 10 zurückgeführt wird, prinzipiell beliebig. Wenn die dominante Zuordnung des ersten Mikrophons eher zum Lautsprecher 2 ist, so würde das Lautsprechersignal des Lautsprecher 14 über das Simulationsfilter 40 zum ersten Mikrophon zurückgeführt werden. Die Zuordnung der Lautsprechersignale zu den Mikrophonen ist somit in 1a lediglich beispielhaft zu sehen und kann auch von Zeit zu Zeit je nach Mischung in der Signalverarbeitungsvorrichtung 16 variieren.
Das in 1b gezeigte zu 1a alternative Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel dahingehend, daß Lautsprechersignale zurückgeführt werden, und nicht Einbettungssignale, und daß die Signale der verschiedenen Lautsprecher 13, 14, 15 in einer Summationseinrichtung 23 aufsummiert werden, und daß dann das Lautsprecher-Summensignal mit den entsprechenden unterschiedlichen Simulationsfiltern 40, 41, 42 gefiltert wird, um die drei synthetisierten Rückkopplungsanteile zu erzeugen, die den entsprechenden Subtraktionseinrichtungen 30, 31, 32 zugeführt werden, wie es in 1b gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß sich im Übertragungskanal 17 die Lautsprechersignale sämtlicher Lautsprecher überlagern und zu beispielsweise einem resultierenden Rückkopplungssignal f₁(t) führen, das aus Signalanteilen des ersten, zweiten und dritten Lautsprechers modifiziert um eine entsprechend definierbare Übertragungsfunktion besteht. Für die Übertragung des Summensignals der drei Lautsprecher, die sich im Freiraumübertragungskanal überlagern, zum ersten Mikrophon wird eine erste Übertragungsfunktion h₁ definiert. Für die Übertragung des Summensignals zum zweiten Mikrophon 11 wird eine Übertragungsfunktion h₂ definiert und schließlich wird für die Übertragung des Summensignals zum dritten Mikrophon 12 eine resultierende Übertragungsfunktion h₃ definiert.
Diese Übertragungsfunktionen h₁, h₂, h₃ werden in den Einrichtungen 50, 51, 52 wieder vorzugsweise durch Kreuzkorrelation mit der entsprechenden, einem bestimmten Mikrophon zugeordneten Pseudo-Neuseh-Folge p₁, p₂ bzw. p₃ ermittelt. Die Ausführung der Subtraktionseinrichtungen 30, 31, 32, der Einbettungseinrichtungen 20, 21, 22 sowie der Simulati onsfilter 40, 41, 42 ist wie in dem anhand von 1a beschriebenen Ausführungsbeispiel gestaltet.
Nachfolgend wird auf das in 2 schematisch dargestellte weitere Ausführungsbeispiel eingegangen. Im Unterschied zu den in 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispielen findet die Einbettung des Testsignals nicht auf der Mikrophonseite, sondern auf der Lautsprecherseite statt. Damit können nicht nur drei verschiedene Kanäle, sondern n × m verschiedene Kanäle definiert werden, wobei n eine Anzahl der Lautsprecher größer oder gleich 1 ist, und wobei m eine Anzahl der Mikrophone größer oder gleich 1 ist. Durch Korrelieren des Ausgangssignals des ersten Mikrophons 10 mit dem ersten Testsignal p₁ kann der Kanal vom Lautsprecher 1 zum ersten Mikrophon M1 berechnet werden, der mit h₁₁ bezeichnet ist. Durch Korrelieren des Ausgangssignals des ersten Mikrophons 10 unter Verwendung der zweiten Pseudo-Noise-Sequenz p₂ kann der Kanal vom zweiten Lautsprecher 14 zum ersten Mikrophon 10, der mit h₁₂ bezeichnet ist, berechnet werden. Analog hierzu kann durch Korrelation des Mikrophonsignals des ersten Mikrophons 10 mit der dritten Pseudo-Noise-Sequenz p₃ der Kanal vom Lautsprecher LS3 zum ersten Mikrophon M1 simuliert werden, der mit h₁₃ bezeichnet ist.
Analog hierzu kann für die Ausgangssignale der Mikrophone 11 und 12 vorgegangen werden, wie es anhand der Einrichtungen 50, 51, 52 zum Ermitteln angedeutet ist. Die Einrichtungen 50, 51, 52 sind somit in der Lage, für den Kanal von jedem Lautsprecher zu jedem Mikrophon eine eigene Kanalübertragungsfunktion zu berechnen, mit der jedes einzelne Lautsprechersignal gefaltet werden kann, was in den Simulationsfiltern 40, 41, 42 stattfindet, um dann z.B. innerhalb der Subtraktionseinrichtung 30, 31 bzw. 30 oder in einem vorgeschalteten Block aus den drei Kanalausgangssignalen für jedes Mikrophon den resultierenden Rückkopplungsanteil durch Addition zu berechnen, um zu einem resultierenden Rückkopplungsanteil zu kommen. Dies wird dann von dem in ein jeweiliges Mikrophon eingespeisten Rückkopplungssignal f_i(t) subtrahiert, um zu einem modifizierten Mikrophonsignal für jedes Mikrophon zu gelangen, bei dem jeder Kanal selektiv berücksichtigt worden ist.
Je nach Ausführungsform kann eine Einrichtung 50 zum Ermitteln vollständig parallel ausgeführt sein, um gewissermaßen gleichzeitig die Kanalimpulsantworten h₁₁, h₁₂ und h₁₃ zu berechnen. Die entsprechende Einrichtung könnte jedoch auch seriell ausgeführt sein, wobei dann im Hinblick auf eine optimale zeitliche Synchronität der drei Kanäle h₁₁,h₁₂ h₁₃ untereinander ein Zwischenspeicher bevorzugt wird. Unter Inkaufnahme eines gewissen Fehlers könnte jedoch auf eine solche Zwischenspeicherung verzichtet werden, derart, daß die drei zueinander gehörigen Impulsantworten von jedem der Lautsprecher 13, 14, 15 zu dem ersten Mikrophon 10 zwar nicht auf denselben Zeitraum, sondern auf aufeinanderfolgende Zeiträume bezogen sind, was jedoch dann unschädlich ist, wenn sich die Signale in einer Umgebung nicht all zu schnell ändern, und zwar bezogen auf die zur Korrelation benötigte Zeit.
Ebenso können die Filtereinrichtungen 40, 41, 42 seriell oder parallel ausgeführt sein, wobei eine parallele Ausführung die, besten Ergebnisse liefert, derart, daß für jeden möglichen Kanal der in 2 möglichen Kanäle ein eigenes einzelnes Simulationsfilter vorgesehen wird, derart, daß die Filtereinrichtung 40 beispielsweise eigentlich drei einzelne Simulationsfilter umfaßt, deren Filterkoeffizienten unter Verwendung der entsprechenden Kanalimpulsantwort h₁₁, h₁₂, h₁₃ eingestellt werden. Die Aufaddition der drei simulierten Rückkopplungsanteile von jedem Lautsprecher in einen resultierenden Rückkopplungsanteil könnte daher auch in der Filtereinrichtung 40 unmittelbar im Anschluß an die Berechnung der entsprechenden Impulsantworten und die Faltung der Lautsprechersignale mit diesen Impulsantworten vonstatten gehen. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sollte ebenso wie bei dem in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispielen die drei Testsignale p₁, p₂, p₃ möglichst gut orthogonal zueinander sein. Diese Bedingung ist durch Pseudo-Noise-Sequenzen einfach und sicher zu erreichen, wobei diese Eigenschaft auch nicht durch eine psychoakustische Filterung der Testsignale vor dem Einbetten verlorengeht.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sei angemerkt, daß ein Lautsprechersignal das Signal ist, das ein Zuhörer tatsächlich hört. Im Hinblick auf eine nichthörbare Einbettung der Testsignale in die Lautsprechersignale wird die Einbettung daher am besten durchgeführt werden können, wenn die Lautsprechersignale zur Berechnung der psychoakustischen Maskierungsschwellen herangezogen werden.
So könnte auch bei dem in 1b gezeigten Ausführungsbeispiel ein psychoakustisches Modell auf der Basis der jeweiligen Lautsprechersignale 13, 14, 15 berechnet werden und zum Einbetten in die entsprechenden Mikrophonsignale in den Einrichtungen 20, 21 bzw. 22 herangezogen werden. So können im psychoakustischen Modell ohne weiteres Verstärkungen berücksichtigt werden, die zwischen einem Mikrophon und einem Lautsprecher in der Einrichtung 16 stattfinden. Wird jedoch in der Einrichtung 16z.B. im Falle eines Mischvorgangs eine erhebliche Addition/Subtraktion bzw. sonstige Verarbeitung der Mikrophonsignale durchgeführt, so daß ein Lautsprechersignal nicht nur im wesentlichen das Ausgangssignal eines einzigen Mikrophons wiedergibt, sondern Ausgangssignale mehrerer Mikrophone wiedergibt, so wird eine Einbettung eines Testsignals unter Verwendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle ungenauer. Dies liegt daran, daß einerseits nicht unmittelbar ein einziges Lautsprechersignal zur Berechnung der psychoakustischen Maskierungsschwelle hergenommen werden kann, und andererseits auch nicht unmittelbar ein Mikrophon zur Berechnung der psychoakustischen Maskierungsschwelle hergenommen werden kann. Nachdem die Mischung im Mischpult 16 jedoch deterministisch erfolgt, wird es in einem solchen Fall bevorzugt, eine psychoakustische Maskierungsschwelle eines entsprechend dem Mischvorgang nachgebildeten Signals zu berechnen, um ein Lautsprechersignal zu erhalten, in dem, wenn das Lautsprechersignal die Kombination mehrerer Mikrophonsignale ist, die Testsignale mehrerer Mikrophone unterschiedlich stark oder gleich stark eingebettet sind, wobei die Testsignale insgesamt gesehen jedoch der psychoakustischen Maskierungsschwelle eines Lautsprechersignals im wesentlichen folgen, so daß eine Einbettung mit maximaler Energie erreicht wird, während gleichzeitig keine oder nur vernachlässigbar kleine Audioqualitätseinbußen bewirkt werden.
Nachfolgend wird zusammengefaßt, wie die Impulsantwort h(t) eines Kanals durch Kreuzkorrelation bestimmt wird. Hierzu wird der Kanal mit einem zeitdiskreten Testsignal p(t) beaufschlagt. Der Kanal gibt ausgangsseitig ein Empfangssignal y(t) aus, das, wie es bekannt ist, der Faltung des Eingangssignals und mit der Kanalimpulsantwort entspricht. Zur nachfolgenden Erläuterung einer Vorgehensweise zur Bestimmung der Kreuzkorrelation anhand von 4 wird auf eine Matrixschreibweise übergegangen. Beispielhaft wird eine Kanalimpulsantwort mit lediglich zwei Werten h₀ und h₁ ohne Einschränkung der Allgemeinheit angenommen. Die Kanalimpulsantwort h₀, h₁ kann als Kanalimpulsantwortmatrix H(t) geschrieben werden, die die in 4 gezeigte Bandstruktur hat, wobei die restlichen Elemente der Matrix mit Nullen aufgefüllt werden. Darüber hinaus wird das Anregungssignal p(t) als Vektor geschrieben, wobei hier angenommen wird, daß das Anregungssignal ohne Einschränkung der Allgemeinheit lediglich drei Samples p₀, p₁, p₂ hat.
Es kann gezeigt werden, daß die in 3 dargestellte Faltung der in 4 dargestellten Matrix-Vektor-Multiplikation entspricht, so daß sich ein Vektor y für das Ausgangssignal ergibt. Die Kreuzkorrelation kann als Erwartungswert E{...} der Multiplikation des Ausgangssignals y(t) mit dem konjugiert-komplex-transponierten Anregungssignal p^*T geschrieben werden. Der Erwartungswert berechnet sich als Grenzwert für N gegen unendlich über die in 5 dargestellte Aufsummation von einzelnen Produkten für verschiedene Anregungssignale p_i. Die Multiplikation und anschließende Aufsummation ergibt die Kreuzkorrelationsmatrix, die in 4 links oben dargestellt ist, wobei dieselbe gewichtet mit dem Effektivwert des Anregungssignals p ist, der mit σ_p ² dargestellt ist. Zum unmittelbaren Erhalten der Kanalimpulsantwort h(t) wird beispielsweise die erste Zeile der Kanalimpulsantwortmatrix genommen, woraufhin die einzelnen Komponenten durch σ_p ² geteilt werden, um unmittelbar die einzelnen Komponenten der Kanalimpulsantwort h₀, h₁ zu erhalten.
Wird anstatt eines weißen Anregungssignals p(t) ein spektral gefärbtes Anregungssignal verwendet, so kann die spektrale Färbung durch eine digitale Filterung dargestellt werden, wobei das Filter durch eine Filterkoeffizientenmatrix Q beschrieben wird. In der in 4 in der letzten Zeile dargestellten Gleichung ergibt sich ebenfalls ausgangsseitig die Korrelationsmatrix H, nun jedoch noch gewichtet mit dem Erwartungswert über Q × Q^H. Durch Division der einzelnen Impulsantwortkoeffizienten h₀, h₁ durch den Erwartungswert über Q × Q^H, also durch Berücksichtigung des Färbungsfilters beispielsweise in der Einrichtung 50 zum Ermitteln einer Eigenschaft des Übertragungskanals von 1a, 1b oder 2 kann unmittelbar die Kanalimpulsantwort hinsichtlich ihrer einzelnen Komponenten bestimmt werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß das Kreuzkorrelationskonzept zum Berechnen der Impulsantwort ein iteratives Konzept ist, wie es aus dem in 4 dargestellten Summationsansatz für den Erwartungswert ersichtlich ist. Die erste Multiplikation des Reaktionssignals mit dem konjugiert-komplextransponierten Anregungssignal liefert bereits einen ersten noch sehr groben Schätzwert für die Kanalimpulsantwort, der mit jeder weiteren Multiplikation und Aufsummation immer besser wird. Wird die gesamte Matrix H(t) durch den iterativen Summationsansatz berechnet, so stellt sich heraus, daß die in 4 links oben zu Null gesetzten Elemente der Bandmatrix H(t) nach und nach gegen Null gehen, während in der Mitte, also dem Band der Matrix, die Koeffizienten der Kanalimpulsantwort h(t) verbleiben und bestimmte Werte annehmen. Noch einmal sei darauf hingewiesen, daß es nicht erforderlich ist, die gesamte Matrix zu berechnen. Es genügt, lediglich z.B. eine Zeile der Matrix H(t) zu berechnen, um die gesamte Kanalimpulsantwort zu erhalten.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Konzept nicht auf die anhand von 4 beschriebene Vorgehensweise zur Berechnung der Kreuzkorrelation beschränkt ist. Sämtlichen anderen Verfahren zum Berechnen der Kreuzkorrelation zwischen einem Meßsignal und einem Reaktionssignal sind ebenfalls einsetzbar. Andere Verfahren zur Bestimmung einer Impulsantwort anstelle der Kreuzkorrelation können ebenfalls verwendet werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die verwendeten Pseudo-Noise-Sequenzen hinsichtlich ihrer Länge abhängig von der zu erwartenden Impulsantwort des betrachteten Kanals dimensioniert sein sollten. So sind für größere akustische Umgebungen durchaus Impulsantworten mit der Länge von einigen wenigen Sekunden denkbar. Dieser Tatsache muß durch Auswahl einer entsprechenden Länge der Pseudo-Noise-Sequenzen zur Korrelation Rechnung getragen werden.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, daß das Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
An dieser Stelle sei noch einmal darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Konzept für beliebige Anzahlen von Mikrophonen und beliebige Anzahlen von Lautsprechern eingesetzt werden kann. Dies bedeutet selbstverständlich auch, daß das erfindungsgemäße Konzept bereits für einen Lautsprecher und ein Mikrophon vorteilhaft eingesetzt werden kann. Dies ergibt sich unmittelbar aus den 1a, 1b und 2, wenn das zweite und das dritte Mikrophon 11, 12 sowie der zweite und der dritte Lautsprecher 14, 15 ignoriert werden und ebenfalls die von diesen Signalen angesprochenen Blöcke weggedacht werden.
An dieser Stelle sei ferner darauf hingewiesen, daß die Einbettung des Testsignals nicht unbedingt in das modifizierte Mikrophonsignal oder das Lautsprechersignal zu erfolgen hat, sondern daß auch eine Einbettung des Testsignals in das Mikrophonsignal vor der entsprechenden Subtraktionseinrichtung erfolgen kann, obgleich das Einbetten des Testsignals nach der Subtraktionseinrichtung bevorzugt wird. Dies liegt daran, daß im Falle einer nicht so günstigen Kanalimpulsantwortberechnung und damit im Falle eines nicht besonders präzise synthetisierten Rückkopplungsanteils das eingebettete Testsignal durch die Subtraktion eines nicht genau passenden Rückkopplungsanteils u. U. beschädigt werden könnte, was zu einer weiteren Erschwerung der Kanalsimulation durch die Einrichtungen 50, 51, 52 führen dürfte.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in einem Mehrkanal-Setting wird somit in jedes Mikrophonsignal ein nicht-hörbares Breitbandsignal eingebettet. Dieses Signal wird hinsichtlich seiner spektralen Einhüllenden adaptiv an den aufgezeichneten Ton angepaßt, wobei ein psychoakustisches Modell eingesetzt werden kann, welches prinzipiell beliebig sein darf und basierend auf Zeitbereichsdaten oder aber auch basierend auf Frequenzbereichsdaten berechnet werden kann. Als Breitbandsignal wird eine Pseudo-Rausch-Sequenz bevorzugt, da bei einer solchen Sequenz eine Orthogonalität zwischen mehreren Sequenzen ohne weiteres erreicht werden kann.
Für jedes Mikrophon wird das aufgezeichnete Signal vor dem Einbetten mit dem Pseudo-Rausch-Signal verglichen und verwendet, um die akustischen Eigenschaften von allen Lautsprechern zu dem entsprechenden Mikrophon zu berechnen. Als Vergleichsoperation wird eine Kreuzkorrelation bevorzugt, die, wenn der in 4 dargestellte iterative Algorithmus eingesetzt wird, Rechenzeit-unaufwendig mit einer beliebig skalierbaren Genauigkeit berechnet werden kann. Die Skalierbarkeit liefert insbesondere die Möglichkeit, für spezielle Situationen eine schnelle, jedoch gröbere Berechnung vorzusehen, beispielsweise bei einer Rockgruppe, bei der sehr viel Bewegung auf der Bühne herrscht, während für andere Anwendungsszenarien, wie z.B. eine Rockgruppe, bei der die Artisten eher statisch sind, z.B. eine Skalierung hin zu einer größeren Anzahl von Iterationswerten durchgeführt werden könnte, da die einzelnen Kanäle weniger zeitvariant sind.
Unter Verwendung eines entsprechenden Kanals wird ein inverses Filter angelegt, um unerwünschte Komponenten zu unterdrücken. Das inverse Filter wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Simulationsfilter und die entsprechenden zugeordneten Subtraktionseinrichtungen realisiert. Die Verwendung von Mikrophonsignalen ermöglicht eine Speicherung von spektral geformten PNS-Signalen, so daß eine Interferenz mit ursprünglichen Schallsignalen vermieden wird, und daß ein psychoakustisches Modell zur Berechnung der spektralen Formung lediglich einmal berechnet werden muß, und nicht in der entsprechenden Einrichtung zum Ermitteln noch einmal berechnet werden muß.
Alternativ wird, wie es anhand von 2 dargestellt worden ist, ein eindeutiges PNS-Signal in das Signal von jedem Lautsprecher eingebettet. Diese Vorgehensweise der Einbettung auf Lautsprecherseite ermöglicht die Messung eines Pfades von jedem Lautsprecher zu jedem Mikrophon. Ein Unterdrückungsfilter wird verwendet, und zwar separat für jeden Lautsprecher, wodurch eine bessere Tonqualität erreicht wird, jedoch auf Kosten höheren Rechenaufwands, der jedoch im Hinblick auf die Gesamtkosten von mittleren bis größeren Tonanlagen nicht besonders ins Gewicht fallen dürfte.

Claims

Vorrichtung zum Unterdrücken einer Rückkopplung in einer Umgebung, in der sich ein Mikrophon (10) und ein Lautsprecher (13) befinden, wobei das Mikrophon (10) ein Mikrophonsignal abgibt und dem Lautsprecher (13) ein Lautsprechersignal zugeführt wird, mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (20) zum Erzeugen eines Einbettungssignals durch Einbetten eines Testsignals in das Lautsprechersignal oder in das Mikrophonsignal oder in ein modifiziertes Mikrophonsignal, wobei das Testsignal unter Verwendung einer psychoakustischen Maskierungsschwelle derart spektral gefärbt wird, dass es im Einbettungssignal nicht hörbar ist, einer Einrichtung (50) zum Ermitteln einer Übertragungseigenschaft eines akustischen Übertragungskanals zwischen dem Lautsprecher (13) und dem Mikrophon (10) unter Verwendung des Testsignals und des Mikrophonsignals, einem Filter (40) das durch Filtern entweder des Lautsprechersignals oder des Einbettungssignals ein gefiltertes Signal erzeugt, wobei die Übertragungscharakteristik des Filters (40) durch die Einrichtung (50) zum Ermitteln der Übertragungseigenschaft derart gesteuert wird, dass die Übertragungscharakteristik des Filters (40) die Übertragungseigenschaft des akustischen Übertragungskanals nachbildet, und einer Einrichtung (30) zum Subtrahieren des gefilterten Signals von dem Mikrophonsignal, wobei sich das modifizierte Mikrophonsignal mit unterdrückter Rückkopplung ergibt, aus dem das Lautsprechersignal erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Testsignal (20) ein Pseudo-Noise-Signal ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung zum Ermitteln eine Kreuzkorrelation unter Verwendung des Testsignals und des Mikrophonsignals durchführt, um eine Kanalimpulsantwort als Übertragungseigenschaft des Übertragungskanals zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Einrichtung (30) zum Subtrahieren im Zeitbereich eine abtastwertweise Subtraktion durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der das Filter (40) ein digitales Filter ist, dessen Koeffizienten so einstellbar sind, dass eine Impulsantwort des Filters der Kanalimpulsantwort innerhalb einer vorbestimmten Abweichungsschwelle entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere Mikrophonsignale von mehreren Mikrophonen (10, 11, 12) zugeführt werden, bei der für jedes Mikrophonsignal eine eigene Einrichtung zum Einbetten (20, 21, 22) eines Testsignals vorgesehen ist, bei der jede Einrichtung zum Einbetten (20, 21, 22) mit einem unterschiedlichen Testsignal gespeist wird, wodurch aus jedem Mikrophonsignal ein eigenes Einbettungssignal erzeugt wird, wobei die Testsignale zueinander innerhalb einer Abweichungsschwelle orthogonal sind; bei der für jedes Mikrophonsignal eine Einrichtung (50, 51, 52) zum Ermitteln vorgesehen ist, die jeweils eine Kanalimpulsantwort eines Kanals von einem Mikrophon über einen oder mehrere Lautsprecher wieder zurück zu dem Mikrophon ermittelt, und bei der für jedes Mikrophonsignal ein eigenes Filter (40, 41, 42) zum Filtern des Einbettungssignals vorgesehen ist, wodurch die gefilterten Signale erhalten werden, die Einrichtungen zum Subtrahieren (30, 31, 32) der gefilterten Signale von dem jeweils zugehörigen Mikrophonsignal zugeführt werden (1a).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,bei der eine Mehrzahl von Lautsprechern (13, 14, 15) und eine Mehrzahl von Mikrophonen (10, 11, 12) vorgesehen sind, bei der jedem der Mikrophonsignale eine eigene Einrichtung (20, 21, 22) zum Einbetten des Testsignals (p1, p2, p3) in das modifizierte Mikrophonsignal zugeordnet ist, bei der jede der Einrichtungen (20, 21, 22) zum Einbetten mit einem anderen Testsignal (p1, p2, p3) gespeist wird, wobei die Testsignale zueinander orthogonal sind, bei der für jedes der Mikrophonsignale eine eigene Einrichtung (50, 51, 52) zum Ermitteln der Übertragungseigenschaften vorgesehen ist, wobei jede dieser Einrichtungen unter Verwendung des dem betreffenden Mikrophon zugeordneten Testsignals eine Kanalimpulsantwort erzeugt auf der Basis einer Summe von Lautsprechersignalen, die das betreffende Mikrophon erreicht, bei der für jedes der Mikrophonsignale ein eigenes Filter (40, 41, 42) zum Erzeugen der gefilterten Signale aus der Summe der Lautsprechersignale (13, 14, 15) vorgesehen ist, deren Ausgangssignale jeweils einer Einrichtung (30, 31, 32) zum Subtrahieren des gefilterten Signals vom zugehörigen Mikrophonsignal zugeführt werden (1b).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der eine Mehrzahl von Lautsprechern (13, 14, 15) und eine Mehrzahl von Mikrophonen (10, 11, 12) vorgesehen sind. bei der für jedes Lautsprechersignal eine eigene Einrichtung (20, 21, 22) zum Einbetten des Testsignals (p1, p2, p3) in das jeweilige Lautsprechersignal vorgesehen ist, bei der jede der Einrichtungen (20, 21, 22) zum Einbetten mit einem anderen Testsignal (p1, p2, p3) gespeist wird, wobei die Testsignale zueinander orthogonal sind, bei der für jedes Mikrophonsignal – eine eigene Einrichtung (50, 51, 52) zum Ermitteln vorgesehen ist, die jeweils Kanalimpulsantworten für akustische Kanäle von jedem der Lautsprecher zu dem betreffenden Mikrophon berechnet, wobei für einen Kanal von einem Lautsprecher zu einem Mikrophon das Testsignal, das in das Lautsprechersignal für den Lautsprecher eingebettet worden ist, verwendet wird, – eine Anzahl von Filtern vorgesehen ist, die gleich der Anzahl der Lautsprecher ist, – jedes der Lautsprechersignale mit einem dem Mikrophonsignal zugeordneten Filter gefiltert wird, – die gefilterten Lautsprechersignale summiert werden, wodurch jeweils ein dem betreffenden Mikrophonsignal zugeordnetes resultierendes synthetisiertes Rückkopplungssignal erhalten wird, das in der jeweils zugeordneten Einrichtung zum Subtrahieren (30, 31, 32) jeweils vom entsprechenden Mikrophonsignal subtrahiert wird (2).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung (16) zum Umsetzen von einer oder von mehreren modifizierten Mikrophonsignalen in eines oder mehrere Signale, aus denen die Lautsprechersignale abgeleitet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Einrichtung (16) zum Umsetzen eine Mischung und/oder eine Verstärkung der modifizierten Mikrophonsignale durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Einbetten eines Testsignals das Testsignal in das Lautsprechersignal einbettet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung (20) zum Einbetten das Testsignal in das modifizierte Mikrophonsignal einzubetten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Mehrzahl von Mikrophonen und eine Mehrzahl von Lautsprechern vorhanden sind, bei der ferner eine Mischeinrichtung (16) zum Mischen von zwei oder mehreren modifizierten Mikrophonsignalen vorhanden ist, um eines oder mehrere Lautsprechersignale zu erzeugen.
Verfahren zum Unterdrücken einer Rückkopplung in einer Umgebung, in der sich ein Mikrophon (10) und ein Lautsprecher (13) befinden, wobei das Mikrophon (10) ein Mikrophonsignal abgibt und dem Lautsprecher (13) ein Lautsprechersignal zugeführt wird, mit folgenden Schritten: Erzeugen eines Einbettungssignals durch Einbetten (20) eines Testsignals entweder in das Lautsprechersignal oder in das Mikrophonsignal oder in ein modifiziertes Mikrophonsignal, wobei das Testsignal unter Verwendung einer psychoakustischen Maskierungsschwelle derart spektral gefärbt wird, dass es im Einbettungssignal nicht hörbar ist, Ermitteln einer Übertragungseigenschaft (50) eines akustischen Übertragungskanals zwischen dem Lautsprecher (13) und dem Mikrophon (10) unter Verwendung des Testsignals und des Mikrophonsignals, Erzeugen eines gefilterten Signals durch Filtern (40) entweder des Lautsprechersignals oder des Einbettungssignals, wobei die Übertragungscharakteristik des Filters (40) durch die Einrichtung (50) zum Ermitteln der Übertragungseigenschaft derart eingestellt wird, dass die Übertragungscharakteristik des Filters (40) die Übertragungseigenschaft des akustischen Übertragungskanals nachbildet, und Subtrahieren (30) des gefilterten Signals von dem Mikrophonsignal, wodurch sich das modifizierte Mikrophonsignal mit unterdrückter Rückkopplung ergibt, aus dem das Lautsprechersignal erzeugt wird.