DE10134927C1 - Filterschaltung und Verfahren zur Verarbeitung eines Audiosignals - Google Patents

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.

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.

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.