DE3447111C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln von nach der Puls-Code-Modulation (PCM) unter Verwendung eines Abtast­ impulses mit der Frequenz fT erzeugten und eine Schallinforma­ tion enthaltenden digitalisierten elektrischen Signalen in Schallwellen unter Verwendung von mindestens einem elektroaku­ stischen Wandler, wobei die digitalisierten Codeworte des elektrischen PCM-Signales mit dem die Frequenz fT aufweisen­ den Abtastraster getastet und anschließend auf den elektroaku­ stischen Wandler gegeben werden.

Ein solches Verfahren ist aus JP 59-95 796 (A). In: Patents Abstracts of Japan, Sect. E Vol. 8 (1984), Nr. 209 (E-268) be­ kannt.

Die digitale Technik und die Digitalisierung von elektrischen Signalen hat in letzter Zeit immer größere Anwendung gefun­ den. Inzwischen werden auch Schallwellen digital aufgezeich­ net. Es gibt die unter dem Handelsnamen CD = compact disc be­ kannte Digital-Schallplatte. Die Bundespost stellt die Fern­ sprechtechnik von der Übermittlung durch analoge Signale auf die Übermittlung durch digitale Signale um. Bei der Rückwand­ lung der die Schallinformation enthaltenden digitalen Signale in Schallwellen ist man jedoch meist bei der herkömmlichen Analogtechnik verblieben. Hierbei werden die digitalen Signa­ le in einem Digital-Analog-Wandler in analoge Signale gewan­ delt, und diese werden über Verstärker auf Lautsprecher gege­ ben. Damit unterwirft man sich wieder den mit der naturgetreu­ en Wiedergabe von analogen Signalen verbundenen Beschränkun­ gen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile der Di­ gitaltechnik bei der Rückwandlung der digitalisierten Signale in Schallwellen zu nutzen. Die Lösung für diese Aufgabe er­ gibt sich bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung nach der Erfindung dadurch, daß der elektroakustische Wandler in einem relativ schmalbandigen, im Bereich der Abtastfre­ quenz fT liegenden Frequenzbereich arbeitet. Berechnungen und Versuche zeigen, daß man mit dieser Technik mit geringerem ap­ parativen Aufwand eine mindestens gleich gute und überwiegend bessere Tonqualität als mit der bisherigen Technik erreicht. Offensichtlich erfolgt innerhalb des Wandlers eine nochmalige Frequenzverschiebung des Spektrums des Signales, zum Beispiel aufgrund von nicht-linearen Effekten. Damit wird das Signal­ spektrum in einen niedrigeren und damit hörbaren Frequenzbe­ reich verschoben.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfinderischen Grundgedankens werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden auf der Grundlage einer theo­ retischen Abhandlung und der Darstellung von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Unter einem digitalen Lautsprecher ist dabei ein Lautsprecher zu verstehen, dem die digitalisier­ ten Signale erfindungsgemäß unmittelbar zugeführt werden.

Als Thomas Alva Edison 1877 den Phonographen erfand, wurde der Menschheit ein langersehnter Wunsch erfüllt. Physikali­ sche Phänomene, wie die menschliche Stimme und Musik, konnten auf Dauer festgehalten und zu einem beliebigen Zeitpunkt wie­ dergegeben werden. Edisons Phonograph wurde von dem Grammo­ phon abgelöst. Auf die Schellackplatten des Grammophons folg­ ten Ende der 40er Jahre die Langspielplatten aus Kunststoff. Die Erfinder und Entwickler waren bestrebt, die Wiedergabequa­ lität zu verbessern. Dieser Weg wird noch heute konsequent weiterverfolgt. Das letzte Beispiel ist die Einführung der be­ reits erwähnten Digital-Schallplatte (compact disc). Die tech­ nische Entwicklung bezieht sich jedoch nicht nur auf die Schallträger, sondern auch auf sämtliche Geräte, die zur Wie­ dergabe dieser Tonkonserven dienen. Bei den Verstärkern und bei den Lautsprechern konnten in den letzten Jahren gute Fort­ schritte erzielt werden. Die Verstärkertechnik ist bereits durch die Einführung von Transistoren und rauscharmen inte­ grierten Baugruppen weitgehend ausgeschöpft. Die bereits er­ reichten technischen Eigenschaften erfüllen alle Anforderun­ gen. Weitere Verbesserungen in bezug auf Frequenzgang und Klirrfaktor würden nur meßtechnische Ergebnisse liefern, wä­ ren jedoch für die Menschen ohne jegliche Bedeutung, da sie weit unterhalb der Wahrnehmbarkeitsgrenze liegen.

Bei den Lautsprechern sieht die Situation etwas anders aus. Es sind zwar Lautsprecherkombinationen mit sehr guter naturge­ treuer Wiedergabe verfügbar. Für den Durchnittsverbraucher sind sie jedoch wegen ihrer enorm großen Abmessungen und des hohen Preises unerschwinglich. Aus heutiger Sicht kann ge­ sagt werden, daß das schwächste Glied in einer Audio-Anlage der Lautsprecher ist.

Lautsprecher nach dem elektro-dynamischen Prinzip sind die am häufigsten gebauten Typen. Andere Wandlertypen wie elektrosta­ tische, kapazitive oder der Korona-Lautsprecher konnten sich bisher nur auf Spezialgebieten insbesondere als Hochtonstrah­ ler durchsetzen. Die Problematik aller Lautsprechersysteme ist, daß das gesamte Frequenzspektrum von 20 bis 20 000 Hz möglichst linear abgestrahlt werden soll. Mit einem einzigen Lautsprecherchassis kann diese Forderung nicht erfüllt wer­ den. Aus diesem Grunde existieren eine Reihe von Kombinatio­ nen, bestehend aus Tief-, Mittel- und Hochtonsystemen. Die Frequenzbereiche werden durch elektrische Weichen auf die ein­ zelnen Schallwandler aufgeteilt. Durch die Auswahl von geeig­ neten Kombinationen und Filterweichen konnten sehr gute Kombi­ nationen geschaffen werden. Man braucht nur eine Audio-Zeit­ schrift aufzuschlagen und findet sofort ein großes Angebot an unterschiedlichen Lautsprechersystemen. Von der Pyramidenform bis zum gegossenen Betongehäuse ist alles vertreten, und je­ der Hersteller schwört auf sein Fabrikat. Da das Klangempfin­ den der Menschen subjektiv ist, ist ein qualitativer Ver­ gleich bei Lautsprechern sehr schwierig.

Der Wirkungsgrad, das heißt das Verhältnis von abgestrahlter akustischer Energie zur zugeführten elektrischen Energie, be­ trägt bei allen bisher bekannten Systemen nur einige Prozent. Die nicht-linearen Verzerrungen (Klirrfaktor) liegen bei Nenn­ last (Belastung, die ohne bleibende Änderung der Lautsprecher­ eigenschaften vertragen wird, das heißt Zerstörungsgrenze) für gute Lautsprecher bei zirka 3%. Wenn man bedenkt, daß die gesamte Elektronik in einem Audio-System Klirrfaktorwerte von unter 0,1% aufweist und die angeschlossenen Boxen einige Prozent Verzerrungen produzieren, ist verständlich, daß die üblichen Lautsprecher durch bessere Systeme ersetzt werden müssen, damit die naturgetreue Musikwiedergabe für den Men­ schen ohne Kompromisse möglich wird. Die nach dem elektro-dy­ namischen Prinzip arbeitenden Lautsprecher haben somit Nach­ teile. Deshalb bietet sich die Verwendung von digitalen Laut­ sprechern an. Zum Verständnis von deren Wirkungsweise wird im folgenden das sogenannte Abtasttheorem erläutert.

Die Grundlagen für die Umsetzung von Analog-Signalen in die digitale Ebene beruhen auf nachrichten-theoretischen Untersu­ chungen mehrerer Wissenschaftler. Bereits um 1920 haben Ny­ quist und Raabe die Grundlagen gelegt. 1948 veröffentlichte E. Shannon seine Arbeit über das Abtasttheorem und hat damit den Grundstein für die moderne Informationstheorie gelegt. Der darin enthaltene Lehrsatz beschreibt den allgemein gülti­ gen Zusammenhang zwischen zeitkontinuierlichen und zeitdiskre­ ten Signalen, das heißt zwischen zeitlich lückenlos verlaufen­ den Vorgängen, die sich innerhalb einer beliebigen Anzahl von Amplitudenwerten ändern können, sowie impulsförmigen Signa­ len, die nur innerhalb bestimmter diskreter Zeitwerte auftre­ ten. Demnach läßt sich ein analoges Signal in eine Folge von zeitdiskreten Impulsen umwandeln, wenn man es in äquidistan­ te, das heißt untereinander gleiche, Zeitabstände durch Mu­ sterabnahme abtastet. Es ist folgende Bedingung einzuhalten:

Die Abtastfrequenz muß mindestens den doppelten Wert der höch­ sten Frequenz im Signal betragen, das heißt, im Originalsig­ nal darf keine höhere Frequenz als die Hälfte der Abtastfre­ quenz enthalten sein.

Die Bedeutung des Shannon′schen Theorems liegt im mathemati­ schen Beweis, daß die Umsetzung ohne jeglichen Informations­ verlust stattfindet, obwohl der Abtastprozeß offensichtlich alle Signaländerungen zwischen den Musterentnahmen außer acht läßt. Diese Aussage hat für die Digitalisierung von Tonsigna­ len und ihre originalgetreue Reproduktion besonderes Gewicht.

Die Puls-Code-Modulation (PCM) basiert auf dem Abtasttheorem und wird in der digitalen Audio-Technik angewandt. Nur die di­ gitalisierten Amplitudenwerte eines Analog-Signals werden übertragen und auf Magnetband aufgezeichnet oder als Informa­ tion auf einen Tonträger, zum Beispiel Compact-Schallplatte, gepreßt. Solange bei der Wiedergabe die Bit-Inhalte (logisch 0 oder logisch 1) bewertet werden können, bleibt die Übertra­ gung störungsfrei. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Technik ist, daß während der Übertragung oder während der Wie­ dergabe nur digitale Informationen behandelt werden müssen. Diese Funktionen lassen sich einfach integrieren, und dank der Mikroelektronik sind die Gerätepreise für ein großes Pub­ likum annehmbar.

Satelliten-Rundfunk und -Fernsehen werden bereits eingeführt. Die digitale Übertragung von Tonsignalen wird im Rundfunkbe­ reich auch in absehbarer Zeit Wirklichkeit. Als Tonträger ist die digitale Schallplatte bereits auf dem Markt und wird sehr rasch die bisherige Analog-Technik ablösen.

Nach dieser Erläuterung des Abtasttheorems soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen erläutert werden. Zur weiteren Erläu­ terung dienen die Abbildungen. Dabei ist:

Abb. 1 die schematische Darstellung der Digitalisierung eines Analog-Signales,

Abb. 2 die schematische Darstellung eines sich bei einer solchen Digitalisierung ergebenden Frequenzspek­ trums und

Abb. 3 das Blockschaltbild eines nach dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren aufgebauten Verstärkers mit ange­ schlossenen Schallwandlern.

Digitalisierte Analog-Signale können mit einem Digital-Ana­ log-Wandler wieder in ihre ursprüngliche Form zurückversetzt werden. In der Abb. 1 ist ein digitalisiertes Analog-Sig­ nal zu sehen. Bei der Wiedergabe werden die Abtastwerte von einem Digital-Analog-Wandler in eine Analog-Spannung umge­ setzt, und nach der Filterung steht das Originalsignal wieder zur Verfügung.

Der Grundgedanke des digitalen Lautsprechers beruht auf der Tatsache, daß die diskreten Amplitudenwerte als kleine Schall­ impulse im Takt der Abtastfrequenz von einem elektro-akusti­ schen Wandler abgestrahlt werden. Diese kleinen Schallimpulse sind schraffiert dargestellt. Mit anderen Worten gesagt, er­ folgt die Rückwandlung der digitalen Information erst bei der Schallerzeugung.

In Abb. 2 ist das Frequenzspektrum dieses Verfahrens dar­ gestellt. Gibt man die Modulation auf den Schallwandler, so wer­ den folgende Frequenzen abgestrahlt:

• a) das Analog-Signal
• b) die Abtastfrequenz
• c) die Summenfrequenz (Abtastfrequenz + Signal)
• d) die Differenzfrequenz (Abtastfrequenz - Signal)

Nur die Signalfrequenz liegt im hörbaren Bereich. Die Abtast­ frequenz bzw. die Summen- und Differenzfrequenzen beeinträch­ tigen deshalb den Wiedergabevorgang nicht.

Die fundamentale Bedeutung des digitalen Lautsprechers liegt darin, daß für die Schallwiedergabe nur die Abtastfrequenz des Analog-Signals mit unterschiedlicher Stärke abgestrahlt werden muß.

Wie bereits erwähnt, strahlt der digitale Lautsprecher die Ab­ tastimpulse mit unterschiedlicher Stärke ab. Die Frequenz der Abtastimpulse liegt im Ultraschall-Bereich. Bei der digitalen Schallplatte beträgt sie zum Beispiel 44,1 kHz. Es ist zweit­ rangig, nach welchem Prinzip der elektro-akustische Wandler arbeitet. Vielmehr ist entscheidend, daß es sich um ein schmalbandiges System handelt. Nur die Abtastfrequenz muß ab­ gestrahlt werden. Als Schallwandler eignen sich keramische Wandler oder Korona-Lautsprecher nach dem Ionisations-Prin­ zip.

Selbst die Digital-Analog-Umsetzung erfolgt auf der akusti­ schen Ebene, Abb. 3. Bei einer Auflösung (Anzahl der dis­ kreten Amplitudenstufen) von 16 Bit zum Beispiel werden sech­ zehn einzelne elektro-akustische Wandler zu einem Lautspre­ chersystem zusammengefaßt. Die Abmessungen der einzelnen Ele­ mente sind so gewählt, daß die abgestrahlte Leistung dem Bi­ narwert der Signalamplitude entspricht. Der größte Wandler ist in der Lage, 50% der Gesamtschalleistung abzustrahlen, der zweitgrößte 25% usw. Je nach Amplitudenwert werden ein oder mehrere elektro-akustische Wandler aktiviert, und die ge­ samte Schalleistung entspricht der Originalamplitude des Ana­ log-Signals.

Der Leistungs-Endverstärker arbeitet auch digital, da nur die einzelnen Schallwandler, je nach Bit-Muster, aktiviert werden müssen. Probleme mit nicht-linearen Verzerrungen in der End­ stufe können gar nicht auftreten, da bis zu der Schallerzeu­ gung alles auf der digitalen Ebene abläuft und der Leistungs­ verstärker eigentlich nur aus sechzehn Schalttransistoren be­ steht.

Die elektro-akustischen Wandler werden so gewählt, daß ihre Resonanzfrequenz jeweils gleich der Abtastfrequenz ist. Auf diese Weise wird ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht.

Claims (3)

1. Verfahren zum Umwandeln von nach der Puls-Code-Modulation (PCM) unter Verwendung eines Abtastimpulses mit der Fre­ quenz fT erzeugten und eine Schallinformation enthalten­ den digitalisierten elektrischen Signalen in Schallwellen unter Verwendung von mindestens einem elektroakustischen Wandler, wobei die digitalisierten Codeworte des elektri­ schen PCM-Signales mit dem die Frequenz fT aufweisenden Abtastraster getastet und anschließend auf den elektroaku­ stischen Wandler gegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler in einem relativ schmal­ bandigen, im Bereich der Abtastfrequenz fT liegenden Fre­ quenzbereich arbeitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalisierten Codeworte des elektrischen PCM-Signa­ les bitweise mit dem die Abtastfrequenz fT aufweisenden Abtastraster getastet und für jedes Bit entsprechend ih­ rer Gewichtung auf einen getrennten elektroakustischen Wandler gegeben werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die digitalisierten Signale zwischenge­ speichert werden.