DE10134927C1 - Filterschaltung und Verfahren zur Verarbeitung eines Audiosignals - Google Patents
Filterschaltung und Verfahren zur Verarbeitung eines AudiosignalsInfo
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- H03G5/12—Manually-operated control in untuned amplifiers having semiconductor devices incorporating negative feedback
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Filterschaltung zur Verarbeitung eines Audiosignals, mit einem ersten Zweig, in dem das Audiosignal im wesentlichen unverändert zu einer Ausgangs-Summierstufe geführt wird, und einem zweiten Zweig, der mehrere in Reihe geschaltete Filterstufen aufweist, wobei das Audiosignal in eine erste Filterstufe der in Reihe geschalteten Filterstufen eingegeben und über die in Reihe geschalteten Filterstufen zu der Ausgangs-Summierstufe geführt wird und wobei der zweite Zweig mehrere Nebenzweige aufweist, über die das Audiosignal weiteren Filterstufen der in Reihe geschalteten Filterstufen direkt zugeführt wird, und wobei wenigstens eine der Filterstufen einstellbar ist und die Einstellung der einen Filterstufe die Operation wenigstens einer anderen Filterstufe beeinflußt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Filterschaltung und ein Verfahren zur Verarbeitung eines Audiosi
gnals, die dazu geeignet sind, Audiosignale über der gesamten üblichen Übertragungsband
breite, etwa 10 Hz bis 50 kHz, derart zu bearbeiten, daß ein verbesserter, angenehmerer Klang
entsteht. Solche Filterschaltungen sind auch als Equalizer bekannt und werden als analoge
Schaltungen beispielsweise in Tonmischpults für die Verstärkung und/oder Aufnahme von
Musik sowie in Geräten der Konsumerelectronik, Informationstechnologie und Telekommu
nikation eingesetzt.
Die heute bekannten Filter sind in der Regel auf einen ausgewählten Frequenzbereich der Au
dio-Übertragungsbandbreite skaliert. Durch eine Kaskadenschaltung mehrerer solcher Filter
wird ein Equalizer, oder Entzerrer, gebildet, der das gesamte Audio-Frequenzspektrum ab
deckt und ein Audiosignal derart verarbeitet, daß ein gewünschter Klangeffekt und insbeson
dere eine angenehme Klangwirkung entsteht. Jeder einzelne Filter kann Regler oder Einstell
möglichkeiten für die Bandbreite, die Frequenz, die Verstärkung oder Unterdrückung
(Boost/Cut) und dergleichen enthalten, wobei diese Regler oder Einstellmöglichkeiten jeweils
auf die entsprechenden Parameter des zugehörigen Filters wirken. Die Filter des Equalizers
sind von einander unabhängig, d. h. die Einstellung eines Filters beeinflußt nicht die Einstel
lung eines anderen Filters.
Verschiedene Filtertypen und Möglichkeiten zu deren Realisierung sind bekannt. Grundsätz
lich ist die Funktion eines Filters, bestimmte Frequenzkomponenten oder -bereiche eines Si
gnals zu dämpfen oder bevorzugt zu übertragen. Filter werden unterschieden nach Art des im
Filter verarbeiteten Signals, als analoge Filter oder digitale Filter, bezüglich der schaltungs
technischen Realisierung, als Reaktanzfilter, aktive Filter oder monolithische Filter, bezüglich
des Frequenzbereichs und des Frequenzintervalls, z. B. als Tiefpaßfilter, Hochpaßfilter, Band
paßfilter, Allpaßfilter und Bandsperre, und bezüglich der Übertragungsfunktion und Im
pulsantwort, als rekursive Filter oder nicht rekursive Filter, insbesondere Tranversalfilter oder
FIR-Filter. Die Grundlagen der Filtertechnik sind z. B. beschrieben in Prof. Manfred Seifert:
Analoge Schaltungen, Verlag Technik GmbH, 1994. Weiterer Hintergrund zum Entwurf von
Filterschaltungen findet sich z. B. in Arthur B. Williams, Fred J. Taylor: Electronic Filter De
sign Handbook, Mc Graw-Hill Book Company, 1988; E. Zwicker, M. Zollner: Elektroakustik,
Springer Verlag, 1987; U. Titzer, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer Verlag,
1999.
Das Dokument US 4,432,097 bezieht sich auf einen Schaltkreis zur Klangfarbenregelung
bzw. für einen Klangfilter, der zwei Signalzweige umfaßt, die ein Eingangssignal einer Sum
mierstufe zuführen, wobei ein erster Signalzweig das Eingangssignal im wesentlichen unver
ändert weiterleitet, während ein zweiter Signalzweig einen Filter und eine Verstärkungsrege
lungsschaltung aufweist. Die US 4,432,097 offenbart auch eine Ausführungsform, bei der der
zweite Zweig in zwei parallele Nebenzweige aufgeteilt ist, wobei jeder der parallelen Neben
zweige jeweils einen Filter aufweist.
Filterschaltung zur Verarbeitung analoger oder digitaler Signale werden im Stand der Technik
überall dort eingesetzt, wo Lautsprecher für die Wiedergabe von Ton, wie Sprache oder Mu
sik, verwendet werden. Der Filterschaltung ist in der Regel eine Endstufe, Verstärker, und ein
Schallwandler, Lautsprecher, nachgeschaltet. Übliche Einsatzarten der Filterschaltungen des
Standes der Technik und der Filterschaltung gemäß der Erfindung sind in der Consumer
Electronic, wie in Radios, Radioempfängern, Satellitenempfängern, Fernsehempfängern,
Playstation und dergleichen, in der IT-Technik, wie in Soundkarten für Computern, und in der
Telekommunikationstechnik, wie in Mobiltelefonen und Telefonendgeräten. Die Filterschal
tung kann jedoch auch in Ton-Mischpulten und ähnlichem eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neue Filterschaltung und ein Verfahren zur
Verarbeitung eines Audiosignals anzugeben, welche Eingangssignale im gesamten für die
Übertragung von Audiosignalen üblichen Frequenzbereich, von etwa 10 Hz bis 50 kHz verar
beiten können und die eingehenden Audiosignale derart verarbeiten und entzerren, daß ein
angenehmer Höreindruck entsteht.
Diese Aufgabe wird durch eine Filterschaltung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie
durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst.
Die Erfindung sieht eine Filterschaltung und ein Verfahren zur Verarbeitung eines Audio
signals vor, die aus mehreren, miteinander verknüpften Einzelfiltern aufgebaut sind. Eine An
zahl verschiedener Filterstufen sind in Reihe geschaltet, und das Audiosignal wird in die erste
Filterstufe der in Reihe geschalteten Filterstufen eingegeben und über die Reihenschaltung zu
einem Ausgang der Filterschaltung geführt. Gleichzeitig wird das Audiosignal direkt, also
unter Umgehung der ersten, zweiten etc. Filterstufe in die weiteren Filterstufen als zusätzli
ches Eingangssignal eingegeben sowie im wesentlichen unverarbeitet zu dem Ausgang ge
führt. Am Ausgang werden das im wesentlichen unverarbeitete Audiosignal sowie das Aus
gangssignal der in Reihe geschalteten Filterstufen summiert. Die einzelnen Filterstufen sind
derart miteinander verknüpft, daß sie sich gegenseitig beeinflussen, so daß eine Veränderung
einer Filterstufe auch das Verhalten der nachfolgenden Filterstufen beeinflußt. Durch die er
findungsgemäße Verknüpfung der einzelnen Filterstufen kann über die Einstellung einzelner
Parameter ausgewählter Filterstufen eine interaktive Wechselwirkung zwischen den Filterstu
fen erreicht werden, durch die das Audiosignal auf gewünschte Weise beeinflußt werden
kann, um einen gewünschten Höreindruck zu erzeugen. Bei der anschließenden Verknüpfung
des verarbeiteten Audiosignals mit dem im wesentlichen unverarbeiteten Audiosignal in einer
Summierstufe ergibt sich eine einstellbare Entzerrungskurve, mit der bestimmte Frequenzbe
reiche betont bzw. angehoben und gleichzeitig andere Frequenzbereiche in einem gewünsch
ten Verhältnis dazu abgesenkt werden. Durch das Zusammenwirken der einzelnen Filterstufen
kann neben der reinen Frequenz-Amplitudenbearbeitung auch eine Phasenverschiebung des
Audiosignals in Abhängigkeit von der Amplitude erzeugt werden. Die erfindungsgemäße
Filterschaltung arbeitet vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 50 kHz, insbe
sondere 20 Hz bis 22 kHz.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Verknüpfung der Filterstu
fen und insbesondere die Wechselwirkung der Filterstufen unter einander zu einer vorteilhaf
ten Entzerrung und einem angenehmen Höreindruck führen, wenn das Ausgangssignal über
einen elektroakustischen Wandler geführt wird. Der angenehmere Höreindruck wird bei der
Filterschaltung gemäß der Erfindung insbesondere durch eine verbesserte Tiefenstaffelung
des Klangs, eine erhöhte Trennung der Instrumentierung, eine Verbesserung von Klarheit und
Transparenz der Töne sowie eine subjektive Lautheitserhöhung erreicht.
Die erfindungsgemäße Filterschaltung kann durch einen analogen Schaltkreis ebenso realisiert
werden wie durch einen programmierten digitalen Algorithmus. Das Filter kann somit in
Software, Firmware oder Hardware realisiert sein.
Grundsätzlich wird bei der Erfindung das Audio-Eingangssignal in zwei Wege aufgeteilt:
über den ersten Weg oder Zweig wird das Audiosignal als ein Bezugsignal im wesentlichen
unverarbeitet, im Verhältnis 1 : 1, einem nicht-invertierenden Eingang einer Ausgangs-
Summierstufe zugeführt. Der zweite Weg oder Zweig wird vorzugsweise über eine regelbare
Verstärkerstufe geführt, deren Ausgangssignal als Haupt-Amplitudensteuerung für alle nach
folgenden Filterstufen dient. Dieses Ausgangssignal der regelbaren Verstärkerstufe wird meh
reren Nebenzweigen zugeführt, wobei die Nebenzweige an ihren Eingängen jeweils Wider
stände aufweisen, welche das Audiosignal gewichten und auf die verschiedenen Filterstufen
verteilen.
Optional kann der erste Zweig eine Schaltfunktion oder einen Schalter zum Abschalten des
Bezugssignals zur Summierstufe aufweisen. Dies hat zur Folge, daß nur das im zweiten
Zweig geführte Audiosignal am Ausgang der Filterschaltung anliegt. Dieses Signal kann dann
an anderer Stelle, z. B. in einem Ton-Mischpult über Hilfswege, seinem ursprünglichen Au
diosignal bzw. dem Bezugssignal zugemischt werden.
Die in dem zweiten Zweig in Reihe geschalteten Filterstufen umfassen vorzugsweise ein
Steuerfilter, ein modifiziertes Bandpaßfilter und ein modifiziertes Universalfilter, die in dieser
Reihenfolge in Reihe geschaltet sind. Das Steuerfilter ist als ein aktiver Flächeneinsteller rea
lisiert. Ein Flächeneinsteller ist im Prinzip ein Filter, das Bässe und Höhen regelt, wobei die
Frequenzen für die Bässe und Höhen fest voreingestellt sind und die Amplituden für Bässe
und Höhen regelbar sind. Erfindungsgemäß ist das Steuerfilter so realisiert, daß es für einen
höheren Frequenzbereich in Frequenz und Amplitude fest eingestellt ist, und für einen tieferen
Frequenzbereich eine feste Frequenz und eine variable Amplitude aufweist, wobei die varia
ble Amplitude über einen Regler eingestellt werden kann.
Das Ausgangssignal des Steuerfilters wird dem modifizierten Bandpaßfilter zugeführt, wobei
das Bandpaßfilter als weiteres Eingangssignal das im wesentlichen unverarbeitete Audiosi
gnal über einen weiteren, gewichteten Nebenzweig empfängt. Dieses modifizierte Bandpaß
filter betont den tiefen Frequenzbereich des Audiosignals und wirkt wie ein frequenzabhängi
ger Widerstand gegen Masse, der bei einer gewünschten Frequenz, z. B. 50 Hz, sein Maxi
mum erreicht.
Das Ausgangssignal der Reihenschaltung aus dem Steuerfilter und dem modifizierten Band
paßfilter wird einem Steuereingang des modifizierten Universalfilters zugeführt. Durch in
dem Steuerfilter vorhandene Regler und die Summierung der Funktionen von Steuerfilter und
modifiziertem Bandpaßfilter wird am Eingang des modifizierten Universalfilters eine Fre
quenz- und Phasenregulierung des Baßbereichs bewirkt. Die Wirkung dieser beiden Filter
zusammen ist somit in Kombination anders, als wenn jeweils nur einer der Filter vorhanden
wäre oder die Filter voneinander entkoppelt wären.
Die Einstellung des modifizierten Universalfilters erfolgt über zwei Signalwege: das Sum
menausgangssignal aus dem Steuerfilter und dem Bandpaßfilter steuert über einen Span
nungsteiler den nicht-invertierenden Eingang einer ersten Integratorstufe an, welche als Tief
paß arbeitet. Dem Tiefpaß sind ein Bandpaß und ein Hochpaß nachgeschaltet, wobei Tiefpaß,
Bandpaß und Hochpaß insgesamt so kombiniert sind, daß sie eine erste und eine zweite Inte
gratorstufe umfassen, die weiter unten noch näher ausgeführt ist.
Der zweite Ansteuerweg erfolgt über einen weiteren Nebenzweig mit dem im wesentlichen
unverarbeiteten Audiosignal über den nicht-invertierenden Eingang einer Verstärkerstufe. Der
Ausgang dieser Verstärkerstufe ist über einen Knoten mit dem nicht-invertierenden Eingang
der Hochpaßstufe des modifizierten Universalfilters verbunden, an dem ferner ein Regler
angeschlossen ist. Dieser Knoten führt über einen weiteren Regler zum Ausgang des Univer
salfilters, der auf einen invertierenden Eingang der Ausgangs-Summierstufe gelegt ist.
Mit dem zuerst genannten Regler läßt sich die Bandbreite des Universalfilters einstellen, wel
che den Frequenzbereich für die Mitten-Hochton-Absenkung bzw. -Anhebung bestimmt.
Über den zweiten Regler kann das Ausgangssignal des Universalfilters auf die Summierstufe
aufgeregelt werden. Dieser Regler kann auch als Prozeß-Regler bezeichnet werden.
Erfindungsgemäß kann in einem weiteren Nebenzweig ein Hoch- und Obertonfilter vorgese
hen sein, der das im wesentlichen unverarbeitete Audiosignal empfängt und dessen Ausgang
mit dem nicht-invertierenden Eingang der Ausgang-Summierstufe verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäße Verteilung des Audiosignals auf die Filterstufen und der Filter
ausgangssignale sowie des Bezugssignals auf die invertierenden und nicht-invertierenden
Eingänge der Ausgangs-Summierstufe entsteht eine Wechselwirkung von Frequenz und Pha
se des Audiosignals am Ausgang des Summierers. Diese Wechselwirkung, zusätzlich erwei
tert durch Regler und/oder Schalter sowie Einsteller in den einzelnen Filterstufen bestimmt
die Frequenzentzerrung, oder Klangfilterkurven, der erfindungsgemäßen Filterschaltung.
Während im Stand der Technik vergleichbare Filterschaltungen oder Entzerrer mehrere in
Reihe oder parallel geschaltete Filterstufen verwendeten, welche sich im wesentlichen nicht
gegenseitig beeinflussen sollten, haben die Erfinder ein neuartiges Filter gefunden, bei der die
Wechselwirkung zwischen den einzelnen Filterstufen gezielt genutzt wird, um eine ge
wünschte Entzerrung und Klangverbesserung zu erreichen. Dieses Filter, das als analoge Fil
terschaltung beschrieben wurde, ist in gleicher Weise auch als digitales Filter in einem Com
puterprogramm realisierbar.
Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsform mit Bezug auf die
Zeichnung näher erläutert. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Filterschaltung;
Fig. 2 einen detaillierten Schaltplan der erfindungsgemäßen Filterschaltung; und
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfah
rens in einem Computerprogramm.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filterschaltung als
schematisches Blockdiagramm.
In Fig. 1 ist ein Audio-Eingangssignal mit in und ein Audio-Ausgangssignal mit out bezeich
net. Das Audio-Eingangssignal in wird in zwei Zweige 20, 22 aufgeteilt, wobei der erste
Zweig 20 als Bezugszweig bezeichnet werden kann und der zweite Zweig 22 als Filterzweig.
Der Bezugszweig 20 weist eine 1 : 1-Treiberstufe 13 auf, welche das Audio-Eingangssignal in
unverarbeitet dem nicht-invertierenden Eingang einer Summierstufe 12 zuführt.
Am Eingang des Filterzweiges 22 liegt eine regelbare Verstärkerstufe 1, welche eine Ampli
tudensteuerung des Audio-Eingangssignals in für die nachfolgenden Filterstufen durchführt,
darüber hinaus das Audio-Eingangssignals in jedoch nicht weiter verarbeitet. Das Ausgangs
signal der regelbaren Verstärkerstufe 1 wird über mehrere parallel geschaltete Widerstände 2-
A, 2-B, 2-C, 2-D, 2-E auf mehrere, bei der gezeigten Ausführung fünf, (5), Nebenzweige auf
geteilt, wobei die Widerstände dazu dienen, das Verhältnis der Nebenzweige einzustellen.
Wie durch den "Widerstand" 2-D in Fig. 1 angedeutet, müssen die Widerstände nicht not
wendig in allen Nebenzweigen vorgesehen sein, solange das gewünschte Verhältnis zwischen
den einzelnen Nebenzweigen erreicht wird. Bei einer Softwarerealisierung der Erfindung
können die Verstärkerstufe durch eine Multiplikation und die Widerstände durch entspre
chende Wichtungsfunktionen verwirklicht werden.
In dem Bezugszweig 20 kann optional (nicht gezeigt) ein Schalter vorgesehen bzw. eine
Schaltfunktion realisiert sein, um diesen Zweig zu unterbrechen, so daß das unverarbeitete
und unverstärkte Audiosignal nicht zu Summierstufe 12 gelangt. Es liegt dann nur das gefil
terte Signal am Ausgang der Filterschaltung an, wobei das Bezugssignal an anderer Stelle,
z. B. in einem Audio-Mischpult über Aux send/return-Wege, dem gefilterten Signal aufge
mischt werden kann.
Im ersten Nebenzweig A sind ein Steuerfilter 3, ein modifiziertes Bandpaßfilter 6 und ein
modifiziertes Universalfilter 7 in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet, wobei das Aus
gangssignal des modifizierten Universalfilters 6 dem invertierenden Eingang der Summierstu
fe 12 zugeführt wird. Der zweite Nebenzweige B enthält ein optionales Hoch- und Oberton
filter 4, dessen Ausgangssignal dem nicht-invertierenden Eingang der Summierstufe 12 zuge
führt wird. Das Eingangssignal des Hoch- und Obertonfilters 4 wird auch dem Steuerfilter 3
zugeführt. Der dritte Nebenzweig C führt das im wesentlichen unverarbeitete Audiosignal
zusammen mit dem Ausgangssignal des Steuerfilters 3 auf den Eingang des Bandpaßfilters 6.
Über den vierten Nebenweg D wird das im wesentlichen unverarbeitete Audiosignal dem
Universalfilter 7 direkt zugeführt. Über den fünften Nebenzweig E wird das amplitudenver
stärkte, im übrigen aber unverarbeitete Audiosignal direkt auf einen nicht-invertierenden Ein
gang der Summierstufe 12 geführt.
Das modifizierte Universalfilter 7 umfaßt grundsätzlich eine erste Eingangsstufe mit einem
Spannungsteiler 8, der das Ausgangssignal des modifizierten Bandpaßfilters 6 empfängt und
an den Eingang des Universalfilterkerns 14 anlegt. Das modifizierte Universalfilter 7 weist
eine zweite Eingangsstufe mit einem Vorverstärker 9 auf, die das im wesentlichen unverar
beitete Audiosignal empfängt und deren Ausgang über einen Ausgangsknoten 15 mit einem
Regler 10 und dem Universalfilterkern 14 verbunden ist. Der Knoten 15 ist auch auf einen
Ausgangsregler 11 geführt, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang der Summierstu
fe 12 verbunden ist. Der Universalfilterkern 14 umfaßt, wie unten noch näher erläutert ist, ein
Tiefpaßfilter, ein Bandpaßfilter und ein Hochpaßfilter und deckt das gesamte hörbare Spek
trum von 20 Hz bis 22 kHz ab. Insbesondere werden in dem modifizierten Universalfilter über
den Regler 10 Frequenzbereiche eingestellt, die angehoben oder angesenkt werden sollen.
Zum Beispiel kann der Regler 10 eine Bandbreite von etwa 1 kHz. bis etwa 22 kHz abdecken.
Das Steuerfilter 3 und das modifizierte Bandpaßfilter 6 dienen zur Ansteuerung des Univer
salfilters 7 und spezieller des Universalfilterkerns 14. Sie sind für einen bestimmten Fre
quenzbereich festdimensioniert und für einen weiteren Frequenzbereich variabel einstellbar,
wie mit Bezug auf Fig. 2 noch näher erläutert ist. Das Bandpaßfilter 6 ist aufgebaut wie ein
frequenzabhängiger Widerstand gegen Masse und erzeugt eine Baßfrequenz von etwa 50 Hz,
wie ebenfalls mit Bezug auf Fig. 2 näher erläutert ist. Wie bereits erwähnt, ist das Steuerfilter
als aktiver Flächeneinsteller realisiert, der für einen höheren Frequenzbereich eine feste Fre
quenz- und Amplitudeneinstellung aufweist und für einen niedrigeren Frequenzbereich eine
feste Frequenzeinstellung und eine variable Amplitudeneinstellung.
Die Summe der Funktionen dieser beiden Filter wird der ersten Eingangsstufe 8 des Univer
salfilters 7 bzw. Universalfilterkerns 14 zugeführt, wobei über den im Steuerfilter 3 vorhan
denen Regler, der auch als Baßsoundregler bezeichnet werden kann, und die Addition mit
dem modifizierten Bandpaßfilter eine gewünschte Frequenzentzerrung in dem modifizierten
Universalfilter 7 eingestellt werden kann.
Vereinfacht gesagt bewirkt hierbei das Steuerfilter 3 eine Frequenzselektion, das Bandpaßfil
ter 6 eine Frequenzaddition im Baßbereich und somit eine Phasenverschiebung und der Reg
ler 10 im Universalfilter 7 eine Frequenzregelung.
Zum Beispiel kann in dem modifizierten Universalfilter der Frequenzbereich von etwa 20 bis
150 Hz verstärkt, der Frequenzbereich von etwa 150 bis 500 Hz abgesenkt, und der darüber
hinausgehende Frequenzbereich wieder verstärkt werden. Der Regler 10 kann den Bereich der
Frequenzabsenkung einstellen, z. B. auf etwa 150 bis 700 Hz (größte Bandbreite, kleinstes Q)
oder auf gewünschte andere Werte, die Absenkung kann z. B. ausgedehnt werden auf bis zu
20 kHz, so daß nur die Spitzenwerte über 20 kHz bis etwa 22 kHz verstärkt werden.
Für die weitere Bearbeitung von Hochton-Frequenzen oder zur Erzeugung zusätzlicher
Obertöne (Harmonische) kann das Eingangssignal optional dem Hoch- und Obertonfilter 4
zugeführt werden. Das optionale Hoch- und Obertonfilter 4 betont den höheren Frequenzbe
reich. Als weitere Optionen können in dem Nebenzweig B ein Kompressor/Begrenzer zur
Pegelkontrolle, eine Stufe zur Zeitkorrektur oder dergleichen eingesetzt werden.
Die erste Eingangsstufe des Universalfilters 7 mit dem Spannungsteiler 8 ist ein wichtiger
Schaltungspunkt in der erfindungsgemäßen Filterschaltung zur Ansteuerung und Einstellung
des Universalfilters. Das Universalfilter kann zusätzlich durch Integration von Reglern
und/oder zuschaltbaren Induktivitäten bei diesem Steuereingang weitere Operationen und
Schaltungserweiterungen für eine noch weitergehende Klangfilterung vorsehen.
Am Ausgang des Universalfilters 7 können für die weitere Verarbeitung des Audiosignals
beispielsweise wiederum ein Kompressor/Begrenzer, ein Zeitkorrekturelement oder derglei
chen vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Filterschaltung ist im folgenden mit Bezug auf Fig. 2 mit weiteren
Einzelheiten erläutert.
Fig. 2 zeigt dieselben Grundelemente wie das Blockschaltbild der Fig. 1, welche mit densel
ben Bezugszeichen bezeichnet sind. Diese umfassen die regelbare Verstärkerstufe 1 am Ein
gang des Filterzweiges 22, das Widerstandsnetzwerk 2, mit den Widerständen 2-A, 2-B, 2-C,
2-D und 2-E, welche die Gewichtung der Nebenzweige einstellen, das Steuerfilter oder Flä
cheneinsteller 3, das modifizierte Bandpaßfilter 6, das modifizierte Universalfilter 7, das
Hoch- und Obertonfilter 4 und den Regler 11 sowie die Treiberstufe 13 im ersten oder Be
zugszweig 20 und die Ausgangs-Summierstufe 12.
Das Audio-Eingangssignal in wird über den Bezugszweig 20 durch die 1 : 1-Treiberstufe 13,
die einen Operationsverstärker OP13 aufweist, und über einen Widerstand dem nicht
invertierenden Eingang eines als Summierer konfigurierten Operationsverstärker OP12 der
Ausgangs-Summierstufe 12 zugeführt. In dem Bezugszweig 20 kann optional ein Schalter
(nicht gezeigt) zur Unterbrechung des Bezugszweigs 20 vorgesehen sein. Dadurch kommt nur
das gefilterte Audiosignal über den Filterzweig 22 zu der Ausgangssummierstufe 12. Das
unverarbeitete Audiosignal oder Referenzsignal kann dann an anderer Stelle dem gefilterten
Signal zugemischt werden.
Der Filterzweig 22 geht zunächst durch die regelbare Verstärkerstufe 1, welche einen Opera
tionsverstärker OPI sowie einen Regler 24 aufweist, welcher die Ansteuerverstärkung für die
nachfolgenden Filterstufen bestimmt.
Das Ausgangssignal der regelbaren Verstärkerstufe 1 wird über das Widerstandsnetzwerk 2
auf die verschiedenen Nebenzweige A, B, C, D, E geführt, wobei die Widerstände des Wider
standsnetzwerkes Werte im Bereich von z. B. 1 kΩ bis 100 kΩ haben können. Das Wider
standsnetzwerk 2 teilt den zweiten Zweig oder Filterzweig 22 passiv in fünf Nebenzweige
auf, welche über Vorwiderstände getrimmt werden, um deren Verhältnis einzustellen.
Der erste Nebenzweig A führt zu dem Steuerfilter 3, das ein abgewandelter aktiver Flächen
einsteller ist, der für einen bestimmten höheren Frequenzbereich in Amplitude und Frequenz
fest dimensioniert und für einen niedrigeren Frequenzbereich in der Frequenz fest eingestellt
und in der Amplitude über einen Regler 26 variabel ist. Das Steuerfilter 3 umfaßt den Regler
26 sowie einen Operationsverstärker OP3, die wie in Fig. 2 gezeigt über Widerstände und
Kondensatoren verbunden sind. Der Operationsverstärker OP3 weist eine Rückkopplung auf,
die einen Widerstand und einen Kondensator zwischen dem Ausgang und dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers OP3 umfaßt, welche in Reihe geschaltet sind. Am Verbin
dungspunkt zwischen Widerstand und Kondensator liegt ein weiterer Widerstand, der über
den Nebenzweig B ein Teil seines Steuersignals erhält. Der Regler 26 ist ebenfalls auf den
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP3 geschaltet, um die variable Baß-
Amplitude einzustellen.
Der Nebenzweig B weist auch einen Abzweigpunkt 14 zur Abzweigung des Audiosignals zu
dem optionalen Hoch- und Obertonfilter 4 auf. Das Ausgangssignal des Hoch- und Oberton
filters 4 ist über einen Widerstand auf den nicht-invertierenden Eingang des Operationsver
stärkers OP12 der Ausgangs-Summierstufe 12 geschaltet.
Das Ausgangssignal des Steuerfilters 3 ist über einen Widerstand zu einem Knotenpunkt 28
geführt, der auch das Audiosignal über den Nebenzweig C empfängt. Dieser Knoten 28 bildet
das Eingangssignal für die modifizierte Bandpaßfilterstufe 6. Die Bandpaßfilterstufe 6 weist
einen ersten Operationsverstärker OP61 und einen zweiten Operationsverstärker OP62 auf, die
wie in Fig. 2 gezeigt mittels Widerständen und Kondensatoren zu einem aktiven modifizierten
Bandpaßfilter verschaltet sind. Das Eingangssignal vom Knoten 28 ist an den nicht
invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers OP61 geführt, wobei das modifizierte
aktive Bandpaßfilter 6 so dimensioniert ist, daß es wie ein frequenzabhängiger Widerstand
gegen Masse wirkt, der bei einer sehr niedrigen Frequenz, z. B. 50 Hz, sein Maximum er
reicht.
Das Audiosignal, welches das Steuerfilter 3 und das aktive Bandpaßfilter durchlaufen hat,
wird an den Steuereingang des modifizierten Universalfilters 7 angelegt. Mit Hilfe des Reg
lers 26 des Steuerfilters 3 und dem aufsummierten Bandpaßfilter 6 lassen sich gewünschte
Baß-Klangfarben am Universalfilter 7 einstellen. Über den Regler 26 in dem Steuerfilter 3
und das aufsummierte Bandpaßfilter 6 läßt sich das Baßsignal derart beeinflussen, daß man
ein weitgehend unverändertes Baßsignal, einen sehr perkussiven, harten Baßklang oder einen
sehr weichen, runden Baßklang erhält. Dies wird als Einstellung der Baßklangfarben bezeich
net.
Das modifizierte Universalfilter 7 weist eine erste Eingangsstufe mit einem Spannungsteiler 8
auf, der aus zwei Widerständen gebildet ist und mit einem Steuereingang 30 verbunden ist,
auf. Der Steuereingang 30 empfängt das Ausgangssignal des modifizierten Bandpaßfilters 6.
Der Eingangsstufe mit dem Spannungsteiler ist das Kernstück des modifizierten Universalfil
ters 7, oder der Universalfilterkern 14, nachgeschaltet, der aus drei Operationsverstärkern
OP71, OP72 und OP73 gebildet ist, welche wie in Fig. 2 gezeigt mit Widerständen und Konden
satoren verschaltet sind. Die Verschaltung dieser Operationsverstärker erfolgt anders als bei
aus dem Stand der Technik bekannten Universalfiltern, sowie auch die Verschaltung des mo
difizierten Bandpaßfilters 6 und des Steuerfilters oder aktiven Flächeneinstellers 3 nicht wie
im Stand der Technik üblich ist.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß sich durch die Modifikation der Filterschaltungen,
wie sie in den Figuren gezeigt und hier beschrieben ist, besonders vorteilhafte Filtereigen
schaften in bezug auf die Klangfarbe und die Frequenzentzerrung ergeben.
In dem Universalfilterkern 14 arbeitet der erste Operationsverstärker OP71 als Tiefpaß, der
zweite Operationsverstärker OP72 bildet einen Bandpaß, und der dritte Operationsverstärker
OP73 arbeitet als Hochpaß, wobei die Operationsverstärker insgesamt zwei Integratoren bil
den.
Gegenüber einem "normalen" Universalfilter ist das Universalfilter gemäß der Erfindung so
modifiziert, daß die Eingangsbeschaltung des Tiefpaß, OP71 nicht der eines üblichen Tief
paßeingangs entspricht und daß noch ein zweiter Eingang des Universalfilters 7 über die
zweite Eingangsstufe 9 vorgesehen wird. Auch der Bandpaß, OP72, ist nicht auf übliche Weise
gebildet, weil er sein Eingangssignal auf dem invertierenden Eingang erhält.
Das über den Spannungsteiler 8 geführte Summenausgangssignal aus dem Steuerfilter 3 und
dem modifizierten Bandpaßfilter 6 wird an den nicht-invertierenden Eingang des ersten Ope
rationsverstärker OP71 angelegt, der als Tiefpaß arbeitet. Zusammengefaßt werden bei der
Erfindung zwar die Kernelemente eines Universalfilters, nämlich Tiefpaß, Hochpaß und
Bandpaß, übernommen, deren Ansteuerung und Verknüpfung wird jedoch verändert.
Zusätzlich kann durch die Integration von Reglern und/oder zuschaltbaren Induktivitäten, wie
bei 32 angedeutet, am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP71 des Tiefpaß-
Integrators eine weitere Einstellung der Klangfilterung vorgesehen werden
Das modifizierte Universalfilter 7 erhält ein zweites Steuersignal über den Nebenzweig D aus
dem Widerstandsnetzwerk 2, wobei dieses Signal auf den nicht-invertierenden Eingang eines
Operationsverstärker OP9 der Verstärkerstufe 9 geführt ist. Der Ausgang der Verstärkerstufe 9
ist auf einen Knotenpunkt 15 geführt, der über einen Spannungsteiler an den nicht-
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP73 des Hochpaßfilters gelegt ist. An dem
Knoten 15 ist auch ein Regler 10 angeschlossen, mit dem die Bandbreite, welche den Fre
quenzbereich für die Mitten-Hochton-Absenkung bzw. -Anhebung bestimmt, individuell ein
gestellt werden kann. Das Ausgangssignal der durch den Operationsverstärker OP72 gebilde
ten aktiven Bandpaßstufe führt über den Knoten 15 auf einen Regler 11, mit dem das Signal
auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP12 der Ausgangs-Summierstufe
12 aufgeschaltet werden kann.
An diesem Punkt können optional weitere Bearbeitungsstufen und -funktionen eingefügt
werden, beispielsweise mittels eines Kompressors/Begrenzers, eines Zeitkorrektur-Elementes
oder dergleichen.
Durch die genaue Verteilung der verschiedenen Filterausgangssignale und des Bezugssignals
auf die invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen des Operationsverstärkers OP12 der
Ausgangssummierstufe 12 entsteht eine Wechselwirkung von Frequenz und Phase des Audio
signal am Ausgang des Summierers. Diese Wechselwirkung, zusätzlich erweitert durch Reg
ler oder Schalter in den einzelnen Filterstufen bestimmt die gesamte Frequenzentzerrung der
erfindungsgemäßen Audio-Filterschaltung.
Fig. 3 schließlich zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm, das illustriert, wie die erfindungs
gemäße Filterschaltung in einem Verfahren bzw. in einem digitalen Algorithmus realisiert
werden kann, der als ein Computerprogramm umgesetzt werden kann. Wie in Fig. 3 gezeigt
durchläuft das Audiosignal eine Verstärkungsstufe 40, die durch eine Multiplikation mit ei
nem einstellbaren Koeffizient realisiert werden kann. Das verstärkte Audiosignal durchläuft
nacheinander eine Steuerfilterfunktion 42, eine Bandpaßfilterfunktion 43 und eine Universal
filterfunktion 44, welche das Signal jeweils so verarbeiten, wie es durch die Schaltungen des
Steuerfilters 3, des Bandpaßfilters 6 und des Universalfilters 7 vorgegeben ist. Das Ausgangs
signal des Universalfilters 44 wird in eine Summiererfunktion 46 eingegeben. Das verstärkte
Audiosignal wird ferner am Ausgang der Verstärkungsfunktion 40 abgezweigt und direkt
auch als Steuerparameter in die Bandpaßfilterfunktion 43, die Universalfilterfunktion 44 und
die Summiererfunktion 46 eingegeben. Zusätzlich wird das verstärkte Audiosignal am Aus
gang der Verstärkerfunktion 40 in eine Hoch- und Obertonfilterfunktion 48 eingegeben, deren
Ausgangssignal ebenfalls auf die Summiererfunktion 46 geschaltet wird. Schließlich wird
auch das im wesentlichen unveränderte Audiosignal über eine 1 : 1-Treiberfunktion 50 auf die
Summiererfunktion 46 aufgeschaltet. Die zu den jeweiligen Signalwegen parallel gezeichne
ten Widerstände deuten an, daß die jeweilige Signale in den Wegen entsprechend der Funk
tion des Widerstandsnetzwerks 2 gewichtet (52) werden können. Die einzelnen Funktions
blöcke realisieren die Funktionen, welche in Fig. 2 als Schaltungsdiagramme gezeigt sind.
Der Fachmann weiß, wie er diese Funktionen in Software realisieren kann.
Das erfindungsgemäße Filterverfahren kann als ein Algorithmus in einem Computerpro
gramm realisiert werden, welches auf einem Personalcomputer, einem Allzweckrechner oder
einem Spezialrechner laufen kann oder das in einem Mikroprozessor zum Einbau in Geräte
der Konsumerelectronik, Informationstechnologie oder Telekommunikationstechnik integriert
werden kann. Die Filterschaltung kann als analoge Schaltung oder als integrierter Halbleiter
schaltkreis realisiert werden, die erfindungsgemäße Filterschaltung ist auch durch eine Kom
bination aus Hardware, Firmware und/oder Software realisierbar.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren gezeigten Merkmale
können sowohl einzeln als auch in beliebige Kombination für die Verwirklichung der Erfin
dung in ihren verschiedenen Ausgestaltung von Bedeutung sein.
Claims (23)
1. Filterschaltung zur Verarbeitung eines Audiosignals, mit
einem ersten Zweig (20), in dem das Audiosignal im wesentlichen unverändert zu einer Ausgangs-Summierstufe (12) geführt wird, und
einem zweiten Zweig (22), der mehrere in Reihe geschaltete Filterstufen (3, 6, 7) aufweist, wobei das Audiosignal in eine erste Filterstufe (3) der in Reihe geschalteten Filterstufen eingegeben und über die in Reihe geschalteten Filterstufen zu der Ausgangs- Summierstufe (12) geführt wird, und wobei der zweite Zweig mehrere Nebenzweige auf weist, über die das Audiosignal weiteren Filterstufen (6, 7) der in Reihe geschalteten Fil terstufen direkt zugeführt wird, und
wobei wenigstens eine der Filterstufen einstellbar ist und die Einstellung der einen Filter stufe die Operation wenigstens einer anderen Filterstufe beeinflußt.
einem ersten Zweig (20), in dem das Audiosignal im wesentlichen unverändert zu einer Ausgangs-Summierstufe (12) geführt wird, und
einem zweiten Zweig (22), der mehrere in Reihe geschaltete Filterstufen (3, 6, 7) aufweist, wobei das Audiosignal in eine erste Filterstufe (3) der in Reihe geschalteten Filterstufen eingegeben und über die in Reihe geschalteten Filterstufen zu der Ausgangs- Summierstufe (12) geführt wird, und wobei der zweite Zweig mehrere Nebenzweige auf weist, über die das Audiosignal weiteren Filterstufen (6, 7) der in Reihe geschalteten Fil terstufen direkt zugeführt wird, und
wobei wenigstens eine der Filterstufen einstellbar ist und die Einstellung der einen Filter stufe die Operation wenigstens einer anderen Filterstufe beeinflußt.
2. Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Filterstu
fen (3, 6, 7) das Audiosignal über die Nebenzweige direkt empfängt.
3. Filterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Neben
zweige Widerstände (2) zur Gewichtung des Audiosignals aufweisen.
4. Filterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Filterstufen ein Steuerfilter (3), ein modifiziertes Bandpaßfilter (6) und ein
modifiziertes Universalfilter (7) umfassen, die in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet
sind.
5. Filterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerfilter (3)
als aktiver Flächeneinsteller realisiert ist, der in einem ersten, höheren Frequenzbereich
eine feste Einstellung von Frequenz und Amplitude aufweist und in einem zweiten, nied
rigeren Frequenzbereich eine feste Frequenzeinstellung aufweist und in der Amplitude va
riabel einstellbar ist.
6. Filterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das modifizierte Universalfilter (7) einen Universalfilterkern
(14) aufweist, der einen Tiefpaß (OP71), einen Bandpaß (OP72) und einen Hochpaß (OP73)
umfaßt.
7. Filterschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Universalfil
terkern drei Operationsverstärker (OP71, OP72, OP73) aufweist, die so angeordnet sind, daß
sie zwei Integratoren bilden
8. Filterschaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Univer
salfilter (7) folgende Merkmale aufweist: eine erste Eingangsstufe mit einem Spannungs
teiler (8), eine zweite Eingangsstufe mit einem Eingangsverstärker (9), den Universalfil
terkern (14), und einen Regler (10), wobei der Ausgang der ersten Eingangsstufe (8) das
Eingangssignal des Tiefpasses (OP71) des Universalfilterkerns (14) bildet, das Ausgangs
signal der zweiten Eingangsstufe (9) das Eingangssignal des Hochpasses (OP73) des Uni
versalfilterkerns (14) bildet, und der Regler (10) mit einem Knoten (15) verbunden ist, der
auch mit dem Eingang des Hochpasses (OP73) des Universalfilterkerns (14) verbunden ist,
und wobei der Knoten (15) auch den Ausgang des Universalfilters (7) bildet.
9. Filterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß dem zweiten Zweig (22) ein regelbarer Verstärker (1) vorgeschaltet ist.
10. Filterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Zweig (22) einen weiteren Nebenzweig aufweist,
der ein Hoch- und Obertonfilter (4) enthält, dessen Eingang das Audiosignal empfängt
und dessen Ausgang mit der Ausgangs-Summierstufe (12) verbunden ist.
11. Verfahren zur Verarbeitung eines Audiosignals, bei dem das Audiosignal mit einer ersten
Filterfunktion verarbeitet wird, um ein erstes verarbeitetes Audiosignal zu erzeugen,
das Audiosignal und das erste verarbeitete Audiosignal mit einer zweiten Filterfunktion verarbeitet werden, um ein zweites verarbeitetes Audiosignal zu erzeugen,
das Audiosignal und das zweite verarbeitete Audiosignal mit einer dritten Filterfunktion verarbeitet werden, um ein drittes verarbeitetes Audiosignal zu erzeugen,
und das dritte verarbeitete Audiosignal und das im wesentlichen unverarbeitete Audiosi gnal summiert werden, um ein Audio-Ausgangssignal zu erzeugen,
wobei wenigstens eine der Filterfunktion einstellbar ist und die Einstellung der einen Filterfunktion eine andere Filterfunktion beeinflußt.
das Audiosignal und das erste verarbeitete Audiosignal mit einer zweiten Filterfunktion verarbeitet werden, um ein zweites verarbeitetes Audiosignal zu erzeugen,
das Audiosignal und das zweite verarbeitete Audiosignal mit einer dritten Filterfunktion verarbeitet werden, um ein drittes verarbeitetes Audiosignal zu erzeugen,
und das dritte verarbeitete Audiosignal und das im wesentlichen unverarbeitete Audiosi gnal summiert werden, um ein Audio-Ausgangssignal zu erzeugen,
wobei wenigstens eine der Filterfunktion einstellbar ist und die Einstellung der einen Filterfunktion eine andere Filterfunktion beeinflußt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Audiosignal ge
wichtet wird, bevor es den Filterfunktionen zugeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Audiosi
gnal verstärkt wird, bevor es den Filterfunktionen zugeführt wird
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkte Audio
signal mit dem dritten verarbeiteten Audiosignal und dem im wesentlichen unverarbeite
ten Audiosignal summiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkte Audio
signal mit einer vierten Filterfunktion verarbeitet wird, um ein viertes verarbeitetes Au
diosignal zu erzeugen, das mit dem verstärkten Audiosignal, dem dritten verarbeiteten
Audiosignal und dem im wesentlichen unverarbeiteten Audiosignal summiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte verarbeitete
Audiosignal invertiert wird, bevor es mit dem vierten verarbeiteten Audiosignal, dem ver
stärkten Audiosignal, und dem im wesentlichen unverarbeiteten Audiosignal summiert
wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-16, dadurch gekennzeichnet, daß die
erste Filterfunktion ein Steuerfunktion umfaßt, die zweite Filterfunktion ein Bandpaßfilte
rung umfaßt und die dritte Filterfunktion eine Universalfilterung umfaßt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfunktion in
einem ersten, höheren Frequenzbereich eine feste Einstellung von Frequenz und Amplitu
de vorsieht und in einem zweiten, niedrigeren Frequenzbereich eine feste Frequenzein
stellung vorsieht und eine variable Einstellung der Amplitude ermöglicht.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Universal
filterung eine Tiefpaßfilterung, eine Bandpaßfilterung und eine Hochpaßfilterung umfaßt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Universalfilterung
eine Integration umfaßt und daß die Frequenzbereiche der Tiefpaßfilterung, Bandpaßfilte
rung und Hochpaßfilterung einstellbar sind.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-20, dadurch gekennzeichnet, daß die
vierte Filterfunktion eine Hoch- und Obertonfilterung umfaßt.
22. Computerprogramm umfassend einen Programmcode, der das Verfahren nach einem der
vorangehenden Ansprüche 11-21 ausführt, wenn das Computerprogramm auf einem
Rechner läuft.
23. Datenträger mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm gemäß Anspruch 22.
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