DE19923170A1 - Volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern beispielsweise bei Kopfhörern, Headsets, Funkgeräten, Mobiltelefonen o. ä., wobei ein Schallwandler erstens mindestens mit einem Digital-Analog-Wandler direkt und/oder hiernach seriell folgend, zweitens eine rechnergestützte, digitale Tonsignal-Verarbeitungseinheit mit diversen, vorwiegend digitalen Tonsignal-Ein- und/oder -Ausgängen galvanisch verbunden/gespeist/versorgt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern beispielsweise bei Kopfhörern, Headset's, Funkgeräten, Mobiltelefonen o. Ä.

Bei Kopfhörern, als beispielhafte, optimierte, kopfbezogene Beschallungsquelle ist hinlänglich bekannt, daß lineare und nichtlineare Verzerrungen durch den Tonsignal-Verstärkungsprozess und die mechanischen Eigenschaften von Schallwandlern während der Wandlung des elektrischen Wechselsignales zu akustischen Wellen erzeugt werden.

Ferner wird dies in unserer komplett digitalisierten Zeit ein Problem, wenn das "schlechteste Element" bei der Tonsignal-Aufnahme-Übertragung-Wiedergabe (nachrichten- systemtheoretisch betrachtet) immer noch der Wiedergabe-Bereich oder Schallwandler ist; trotz der physikalisch-geometrisch kleinen Abmessungen u. a. eines dynamischem Kopfhörer- Lautsprechers. Offen legt dies beispielsweise ein wandler-typischer Klirrfaktorwert von üblicher Weise ca. 50% bei Tonfrequenzen unter 100 Hz!

Gerade bei auf den Erfinder zurückgehenden Surround-/Vorneortungskopfhörern oder digitalen Tonsignalverarbeitungsgeräten für den portablen Surround-Hörgenuß ist dies (räumliches Hören von Hör-Tieffrequenz-Tonsignalen) unzuträglich und vermischt/verschmiert räumlich-spektrale Tonsignalpartien (sind nicht exakt oder nicht außerhalb des Kopfes lokalisierbar).

Zudem ergibt sich das Problem, erhebliche Verlustenergien bei kabellosen Kopfhörern durch das Tonsignal-Verstärken etc. managen zu müssen/zu erhalten, was eine erheblich zeiteingegrenzte Benutzung von Infra-Rot-/FM-Kopfhörern zur Folge hat (z. B. Batterien schnell leer); ähnliches gilt für kabel-/schnurlose Funk-/Telefone etc.!

Die meisten Tonsignal-Verarbeitungsprozesse werden heutzutage digital gelöst; seit kurzem auch im Bereich sogenannter, digitaler Mikrofone. Folglich begibt man sich derzeit "notgedrungen" auf analoge Schallwandlungswege, die veraltet, analog anzutreiben sind und sammelt bis kurz vor dem Ohr (als Schallempfänger) zahlreiche, unkontrollierbare Tonsignal- Verzerrungen.

Ferner sind hinlänglich binaurale Tonsignalfilterungen bekannt, welche eine dreidimensional- räumliche Auflösung von Hörereignissen mittels Stereokopfhörer ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung hat deshalb die Aufgabe, ohne analoge Schaltungskomponenten, also ohne Tonsignalverstärkung Kopfhörer-Schallwandler direkt anzutreiben/zu versorgen/zu speisen. Die Vorteile liegen auf der Hand, da inzwischen die Technik der Digital-Analog- Wandlung ausgereift ist!

Das Verwendungsfeld ist, hiermit ausdrücklich herausgestellt, nicht nur auf "kleinere" Kopfhörer-Schallwandler u. s. w. begrenzt, sondern auf jegliche Art von Schallwandlergröße (siehe Lautsprecher) und deren Tonsignal-Versorgung übertragbar!

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhaft ergänzende Ausführungen legen die Unteransprüche 1 bis 12 dar.

Nachfolgend wird die Erfindung näher erläutert:
Im einzelnen ist durch einen Infra-Rot-/Lichtwellenleiter bzw. Ultraschall-Übertragungsstrecke, elektromagnetische Wellenempfang/-Demodulation sowie Sensor mit nachfolgendem Signalwandler oder direkten Digitalsignalempfang ein Nutzsignal vorgegeben, welches durch den/einen Schallwandler zu Gehör gelangen soll. Qualitätsbezogen ist für Kopfhörer (Headset's) der höchste, Standard zu betrachten, weshalb Funkgeräte, (Mobil-)Telefone eher eine minderwertigere Tonqualität benötigen. Das Problem der Verstärkung mit Verlusten ist hierbei auch gegeben - deshalb der erfindungsgemäße Verzicht auf analoge Verstärkereinheiten. In der vorliegenden Ausführung soll jedoch die binaurale Kopfhörer-Wiedergabe im Vordergrund stehen; zukünftige Erweiterungen für Lautsprecher/-Boxen sind möglich. Hierzu ist das digitale Nutz-Ton-/Signal einer rechnergestützten Datenverarbeitungseinheit zugeführt, welche das digitale Signal wie folgt zerlegt/bearbeitet, und schließlich einer Digital-Analog-Wandlung unterworfen ist. Im Falle einer mehrfachen/zweifachen, parallel (zum Schallwandler befindlich) geschalteten Digital-Analog-Endwandlung zum nötigen, analogen Speisetonsignalen für den Schallwandler ist eine wechselsignal-wellenbezogene Aufsplittung* in positive und negative (Halbwellen-)Anteile errechnet/erzeugt. Bei einem Sinussignal ist dies vereinfacht erklärt mit "positiv" gleich dem Wellenbereich der ersten Periodenhälfte (0 bis 180 Grad) und "negativ" gleich dem Wellenbereich der zweiten Periodenhälfte (< 180 bis < 360/0 Grad). Der Wellennulldurchgang ist demnach von einem der beiden Digital-Analog-Wandler bzw. deren zugeführten Signalteilpartien mit abgedeckt. Diese Aufsplittung* entfällt bei einem Digital- Analog-Wandler oder vervielfacht sich bei noch weiteren Digital-Analog-Wandler-Einheiten, welche vorwiegend parallel zum Schallwandler galvanisch verbunden sind. Damit ist der maximale Wechselspannungs-Spitzenwert kaskadisch erweitert/erweiterbar.

In Bezug auf die o. g., digital-rechnergestützten Signalverarbeitungsprozesse ist, aufgrund der grundsätzlich nicht über die Hörfrequenz zeitgleichen Impuls-Wiedergabe-Fähigkeit von Schallwandlern, eine digitale Voraus-Zeitverzögerung über die Frequenz, Phasen-Voraus- Entzerrung und Frequenzgangentzerrung einbezogen. Neben einer abrufbaren, zeitvarianten/zeitdynamischen, also Realtime-Beinflussung (vgl. Kopfdrehung beim nicht fixierten, normalem Kopfhörer-Hören gegeben - hier auch mittels zeitvarianter Stereofilterung einbeziehbar!) dieser digitalen Vorausregelung ist erfindungsgemäß eine permante Realtime- Meß-/Sensor-/-Abtastung der vor dem Ohr bzw. der Ohrmuschel und dem Schallwandler auftretenden linearen/nichtineare Verzerrungen bzw. Stehwellen geschaffen, womit Effekte der Im-Kopf-Lokalisation bei binauraler, räumlicher Kopfhörer-Beschallung ausgeschaltet sind (vgl. freier Schalleinfall ohne Stehwellen!). Dies macht sich insbesondere im Baß-Hörbereich bei der Kopfhörer-Beschallung/Hören bemerkbar, wenn ansonsten ungünstiger Weise Klirrfaktor-Werte von < 50% (unterhalb einer Frequenz von ca. 100 Hz) 3D-Klanggeschehen verschmieren. Gerade bei Lautstärke-/Schallwandler-Membran-Auslenkungserhöhung ist dies vielfach verstärkt vorzufinden (weiter erhöht, wenn analoge Verstärker in das "Klipping" hinzu geraten; vgl. leistungsschwache portabel-CD-/-Cassetten-Abspielgeräte). Individuelle, binaurale, Richtungsvorfilterungen sind im in Rede stehenden, digitalen Signalverarbeitungs-Prozedere einbezogen und beispielsweise mittels austauschbaren Steckkartenspeicher-Einheiten einbringbar/hinzu addierbar.

Für Stereo-/Multi-/Mehrkanal-Kopfhörer-Tonwiedergabe-Varianten ist der o. g. Aufwand kaskadisiert.

In einer Signalfluß-Übersicht durchläuft demnach ein (vorzugsweise digital erhaltenes) Ton- Nutzsignal einen Zuleitungsweg/Übertragungsstrecke (direkt-digital oder z. B. per Lichtwellenleitung und Wandlung), wird statisch und/oder zeitvariant, frequenzabhängig pegel- /phasen-entzerrt und delayed, so daß "Schutzeffekte" u. a. eines nicht-idelaen Schallwandlers die Nahfeldreflexionen/Stehwellen im Ohrmuschel-/Schläfen-Schallwandler-/Membran- Zwischenraum sensorisch erfaßt sowie eliminiert sind. Hierbei sind sensorisch Analog-Digital- Wandlungen selbstverständlich inbegriffen. Bei zwei oder noch weiteren, parallel zu einem Schallwandler geschalteten Digital-Analog-Wandlern findet dann rechnergestütz zudem vor der Analog-Tonsignal-Wandlung/-Herstellung eine Wellenaufsplittung* statt (* entfällt bei einer Analog-Digital-Wandler-Speisung).

Eine digitale Abhörlautstärke-Regelung ist folglich hierbei selbstverständlich!

Claims (12)

1. Volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern, mit Anwendungsbereich u. a. bei Kopfhörern, Headset's, Funkgeräten und Telefonen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schallwandler erstens mindestens mit einem Digital-Analog-Wandler direkt und/oder hiernach seriell folgend, zweitens eine rechnergestützte, digitale Tonsignal-Verarbeitungseinheit mit diversen, vorwiegend digitalen Tonsignal-Ein- und/oder -Ausgängen galvanisch verbunden/gespeist/versorgt ist.

2. Volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern mit erweitertem, analogem Verstärkungsauflösungsbereich, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein, also vorzugweise eine Mehrzahl von vorwiegend parallel geschalteten Digital-Analog-Wandlern den Schallwandler galvanisch verbunden versorgen.

3. Volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern, nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei paralleler Verschaltung/Verknüpfung von zwei Digital-Analog-Wandlern der eine die Digital-Analog-Wandlung des positiven Wellenanteils eines zu wandelnden Wechselsignales analog erzeugt/wiedergibt und der zweite den negativen Wellenanteil des zu wandelnden Wechselsignales analog erzeugt/wiedergibt.

4. Volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern mit Steuer-/Regeleinheit, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine rechnergestützte, digitale, gegengekoppelt regelbare Tonsignal-Verarbeitung das zur Digital-Analog-Wandlung bestimmte Signal aufbereitet.

5. Volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern mit Schwingverhaltens-Erfassung, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Meß-Sensor mit nachfolgender Analog-Digital-Wandlung das Schwingverhalten des Wandlers und/oder das akustische Stehwellenfeld zwischen vorwiegend der Ohrmuschel und dem Wandler aufnimmt.

6. Volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern mit rechnergestützter Signalbeeinflussung, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Digital-Analog-Wandlung eine digitale, zeitdynamisch-/realtime-regelbare, frequenzabhängig variable Signalpegelentzerrung stattfindet.

7. Volldigitale Tonsignal-Versorgungseinheit mit rechnergestützter Signalbeeinflussung, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor der digitalen, zeitdynamischen, frequenzabhängig variablen Pegelentzerrung eine mittels programmierbaren Festspeicher-Medium beeinflußbare Vorfilterung und/oder Phasengang-Vorentzerrung eingebunden ist.

8. Volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern mit rechnergestützter Signalbeeinflussung und Angleichung des Impulsverhaltens einer zeitungleich abgeschickten Wellenfront durch das nicht ideale Wandlermechanik-Verhalten, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das analog zu wandelnde, digitale Signal einer frequenzabhängig unterschiedlichen, nach der Digital-Analog-Wandlung als solches zu wertenden, partiellen Ton-/Signalverzögerung unterworfen ist.

9. Volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern mit diskretem Signalaustausch, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Digital- Analog und/oder Analog-Digital-Wandler und/oder Meß-Sensoren bzw. Meß-Sensor-Signale und/oder vornehmlich digital zugelieferte und folglich analog wiederzugebende Signale diskret getrennt, zeitvariant, bidirektional-rechnergestützt verarbeitet sind.

10. Volldigitale Tonsignal-Versorgung von Schallwandlern mit Wellen-Splittung, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das digital aufbereitete Ton-/Wechselsignal vor der Digital-Analog-Wandlung auf digitalem Wege in positive bzw. Plus-Wellenanteile und negative bzw. Minus-Wellenanteile rechnergestützt aufgetrennt ist.

11. Volldigitale Tonsignal-Versorgung mit variabler Nutzsignal-Einspeisung, nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine direkt-digitale und/oder indirekte Signal-Einkopplung per Schnittstelle zur Wandlung von anderen Datenformaten und/oder physikalischen Signalformaten geschaffen ist.

12. Volldigitale Tonsignal-Versorgung mit variabler Nutzsignal-Einspeisung, nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalischen Signalformate aus vorwiegend modulierten, elektromagnetischen ultraschall-akustischen Wellen-Sensoren und/oder infrarot-technischen und/oder monochromatischen Licht-/Wellen-Sensoren sowie Übertragungswegen bzw. Sende- Empfangseinheiten geschaffen sind.