DE19963648A1 - Übersteuerungsschutz in einer Signalverarbeitungseinheit - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Übersteuerungsschutz eines Eingangssignals E in mindestens einem Kanal einer Signalverarbeitungseinheit, auf einer zwischen einem Signaleingang 1 und einem Signalausgang 6 liegenden Übertragungsstrecke 3, wobei das Eingangssignal E in einem Signalprozessor 4 verarbeitet und in einem Begrenzerverstärker 35 gedämpft oder verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten einer Signalamplitude auf der Übertragungsstrecke 3 mit zunehmender Signalamplitude höhere (niedrigere) Signalamplituden im Vergleich zu niedrigeren (höheren) Signalamplituden stärker dämpfbar (verstärkbar) sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übersteuerungsschutz eines Signals in mindestens einem Kanal einer Signalverarbei­ tungseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Verfahren zum Übersteuerungsschutz kommt bei­ spielsweise dann zum Einsatz, wenn in einem digitalen Audio­ system trotz Aussteuerungsregelung Übersteuerungen in der Signalverarbeitungskette durch die Einstellungen der klang­ beeinflussenden Filter, zum Beispiel der zur Einstellung der Tiefen-, Höhen-, bzw. Equalizer- und/oder Lautstärkenaussteue­ rung, verursacht werden.

Im normalen Betriebsfall werden die Verstärkungs- und Dämp­ fungsfaktoren innerhalb der Signalverarbeitungskette in Abhän­ gigkeit von der Eingangssignalamplitude und den Einstellungen aller klangbeeinflussenden Filterstufen derart ausbalanciert, dass stets eine ausreichende Aussteuerungsreserve für die Signalverarbeitung zur Verfügung steht. In allen Fällen, in denen es nicht möglich ist, aufgrund der Signaleigenschaften und der vorgegebenen Klangeinstellungen diese Aussteuerungs­ reserve (Headroom) zur Verfügung zu stellen, besteht die Ge­ fahr einer Übersteuerung. Solch eine Übersteuerung führt zu starken nichtlinearen Verzerrungen und somit zu hohen Klirr­ faktoren.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Amplitude des ver­ arbeiteten Signals zu beschränken. Zur Beschränkung der Signalamplitude auf einen vorgegebenen Höchstwert wird ein Begrenzerverstärker vorgesehen. Solche Begrenzerverstärker lassen sich in zwei Funktionsklassen einteilen:

• 1. Begrenzerverstärker mit dynamisch einstellbarer amplituden­ unabhängiger Pegelabsenkung (oder in Ausnahmefällen Pegelanhe­ bung).
• 2. Begrenzerverstärker mit fest eingestellter amplitudenselek­ tiver Pegelanhebung/Pegelabsenkung, wobei in der Regel hohen Amplituden gedämpft und niedrige Signalamplituden angehoben werden.

Ein Begrenzerverstärker nach Funktionsklasse 1 beschränkt die Ausgangsamplitude eines Signals durch entsprechende Absenkung des Gesamtverstärkungsfaktors im Falle sehr hoher Signalam­ plituden. Somit bestimmen beispielsweise große, nur kurzzeitig auftretende Signalamplituden die maximale Aussteuerung des digitalen Audiosystems. Da der Begrenzerverstärker den Gesamt­ verstärkungsfaktor reduziert, um eine Übersteuerung durch Signalspitzen zu vermeiden, werden leise Audiosignalpassagen mit kleinen Signalamplituden für eine gewisse Zeit noch leiser wiedergegeben. Nachteilig bei diesem Verfahren ist also die Tatsache, dass sich die Wiedergabelautstärke in Abhängigkeit vom Signalpegel ändert.

Bei einem Begrenzerverstärker der zweiten Funktionsklasse tritt dieser Nachteil der sich ändernden Wiedergabelautstärke in Abhängigkeit vom Signalpegel nicht auf. Ein Begrenzerver­ stärker mit fest eingestellter Pegelanhebung/Pegelabsenkung ist so dimensioniert, dass mittlere und hohe Signalamplituden "abgeschnitten" oder "verrundet" werden. Daher tritt selbst bei Signalamplituden mit vergleichsweise geringer Aussteuerung ein erhöhter Klirrfaktor auf.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Übersteuerungsschutz in einer Signalverarbeitungseinheit bereitzustellen, bei dem die Dynamik, d. h. der Unterschied zwischen maximaler und minimaler Lautstärke, weitgehend erhal­ ten bleibt, ohne dass sich die Wiedergabelautstärke in Abhän­ gigkeit vom Signalpegel ändert, wenn kurzzeitig eine Über­ steuerung des digitalen (Audio-)Systems auftritt. Gleichzeitig soll im Übersteuerungsfall vermieden werden, dass der Ver­ stärker in den Sättigungsbereich geht und/oder dass solche Signalamplituden, welche gar nicht zu einer Übersteuerung geführt hätten, "abgeschnitten" werden. In beiden Fällen wird das Ziel verfolgt, einen hohen Klirrfaktor zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Übersteuerungsschutz eines Eingangssignals in mindestens einem Kanal einer Signalver­ arbeitungseinheit basiert auf einer Pegelabsenkung durch einen Begrenzerverstärker bei einer drohenden Übersteuerung. Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, dass sich die aktuellen Einstellungen der Übertragungskennlinie des Begren­ zerverstärkers nach der eingestellten Signalstärke (Lautstärke), nach den Einstellungen (klangbeeinflussender) Filter und dem aktuellen Signalpegel auf der Über­ tragungsstrecke richten. Die Erfindung sieht vor, dass im normalen Betriebsfall, d. h. wenn keine Übersteuerung vor­ liegt, das in einem Signalprozessor verarbeitete Signal nicht verändert wird und erst wenn die Gefahr einer Übersteuerung besteht, die Übertragungskennlinie des Begrenzerverstärkers der neuen Situation angepasst wird. Die von der eingestellten Signalstärke und den Einstellungen der Filter abhängige signa­ ladaptive und somit dynamische Einstellung der Übertragungs­ kennlinie des Begrenzerverstärkers zeichnet sich dadurch aus, dass beim Überschreiten einer Signalstärke und/oder Filterwerts und/oder einer Signalamplitude auf der Über­ tragungsstrecke (diese schließt den Signalprozessor mit ein) mit zunehmender Signalamplitude höhere Signalamplituden im Vergleich zu niedrigen Signalamplituden stärker gedämpft wer­ den.

Bei kurzzeitig auftretenden hohen Signalamplituden wird die Aussteuerung des Signals durch den Begrenzerverstärker ver­ ändert. Diese Aussteuerungsänderung wirkt sich allerdings nur auf hohe Signalamplituden aus. Die Signale kleiner und mitt­ lerer Amplituden sind von der Regelung nicht betroffen. Bei einem Audiosystem bedeutet dies, dass sich die Wiedergabelaut­ stärke für diese Signalpegel nicht ändert. Dies hat zur Folge, dass sich auch der Signal-/Rauschabstand nicht ändert. Die unveränderte Übertragung kleiner und mittlerer Signalpegel vermeidet vorteilhafterweise das Auftreten von Oberwellen, welche durch den Einsatz eines fest eingestellten Begrenzer­ verstärkers mit nichtlinearer Übertragungsfunktion auftreten. Für ein Audiosignal bedeutet dies, dass sich der Klirrfaktor für kleine und mittlere Signalamplituden nicht erhöht. Das System vermeidet somit eine Übersteuerung, ohne dass im norma­ len Betriebsfall auftretende Signalamplituden von der Regelung betroffen sind.

So führt beispielsweise ein solcher verbesserter Übersteue­ rungsschutz in einer Signalverarbeitungseinheit für digitale Audiosignale zu einem wesentlich verbesserten Höreindruck. Insbesondere im Grenzbereich der Vollaussteuerung (0 dB Full scale) verhindert die Regelung eine als besonders störend empfundene nichtlineare Verzerrung des Audiosignals unter Beibehaltung der Dynamik und der Wiedergabelautstärke.

Besonders günstig ist es, die Regelung in einen digitalen Signalprozessor (DSP) zu integrieren. Da die Regelung in die­ sem Fall in Form eines Rechenprogramms, das heißt zum Beispiel mit Hilfe eines DSP-Algorithmuses, realisiert wird, ist der Implementierungsaufwand sehr gering.

Es hat sich als günstig erwiesen, dass der Begrenzerverstärker mit der amplitudenselektiven Dämpfung (Verstärkung) eine Über­ tragungskennlinie aufweist, die ausgehend von einem geraden Verlauf S-förmig oder gar stufenförmig veränderbar ist. Ins­ besondere ein stufenförmiger Verlauf der Übertragungskennlinie ermöglicht es, dass nur die Signalamplituden, die auch wirk­ lich zu einer Übersteuerung geführt hätten, gedämpft werden, während alle anderen Signalamplituden, die nicht zu einer Übersteuerung geführt hätten, unverändert übertragen werden. Bei einem solchen Kennlinienverlauf werden allerdings Oberwel­ len erzeugt, die beispielsweise ein Audiosignal derart beein­ flussen, dass sich der Höreindruck massiv verschlechtert. Ein S-förmiger oder mindestens annähernd S-förmiger Verlauf der Übertragungskennlinie stellt einen Kompromiß dar zwischen unveränderter Übertragung kleiner und mittlerer Signalamplitu­ den und Reduzierung des Oberwellenanteils bei hohen Signalam­ plituden.

In der Praxis ist es vorteilhaft, dass der Begrenzerverstärker aus zwei Stufen besteht. Bei dieser zweistufigen Ausführung ist die erste Stufe zur amplitudenselektiven Verstärkung vor­ gesehen und die zweite Stufe zu einer konstanten Absenkung des gesamten Signals, unabhängig von der Amplitude des Signals. Dabei ist die Übertragungskennlinie der ersten Stufe so ausge­ bildet, dass kleine Signalamplituden des Eingangssignals ver­ stärkt werden, während große Amplituden des Eingangssignals nicht verstärkt werden und weitgehend unverändert bleiben. In Verbindung mit der zusätzlichen amplitudenunabhängigen Dämp­ fung der zweiten Stufe führt dies dazu, dass kleine Amplituden des Eingangssignals nahezu unverändert bleiben und nur große Amplituden des Eingangssignals, die zu einer Übersteuerung führen würden, dämpfbar sind.

Eine solche dynamische Adaption der Übertragungskennlinie eines Begrenzerverstärkers kann sowohl kanalselektiv als auch für mehrere Kanäle oder für alle Kanäle gemeinsam erfolgen. Bei einer kanalselektiven Adaption findet in jedem einzelnen Kanal eine optimale Anpassung der Übertragungskennlinie des Begrenzerverstärkers auf die momentane Pegelaussteuerung statt. In der Regel genügt es jedoch, einen oder zwei Kanäle zu überwachen und die Adaption der Übertragungsfunktion des Begrenzerverstärkers in den anderen Kanälen diesem einen Kanal anzupassen.

Weiterhin sieht die Erfindung eine Wahlmöglichkeit vor, eine Pegeldetektion und damit die Adaption der Übertragungskenn­ linien der Begrenzerverstärker breitbandig oder frequenzselek­ tiv durchzuführen. Diese Wahlmöglichkeit bietet den Vorteil, dass nur diejenigen Bereiche des Frequenzspektrums überwacht werden müssen, bei denen auch eine Übersteuerung erwartet wird. So liegt beispielsweise bei einem Audiosignal in der Praxis das Hauptaugenmerk auf dem Tieffrequenzenbereich des Signalspektrums, wo besonders hohe Amplituden zu erwarten sind. Dies ist beispielsweise bei einem Paukenschlag der Fall.

Auf der Übertragungs- und Signalverarbeitungsstrecke innerhalb eines Kanals gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, eine Si­ gnalaussteuerung zu kontrollieren und eine davon abgeleitete Korrektur der Übertragungskennlinie des Begrenzerverstärkers durchzuführen.

Da eine gewisse Zeit erforderlich ist, um eine entsprechende Übertragungsfunktion des Begrenzerverstärkers zu ermitteln, bietet es sich an, ein überhöhtes Eingangssignal, das offen­ sichtlich zu Übersteuerungen bei der Signalverarbeitung führt, bereits im Signaleingangsbereich zu erfassen. Hierzu ist ein erster Pegeldetektor zum Abgreifen des dem Signalprozessor zugeführten Eingangssignals vorgesehen, der beim Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude des Eingangssignals die amplitu­ denselektive Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers so regelt, dass das Signal am Ausgang des Begrenzerverstärkers einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Der Pegeldetektor wird hierbei beispielsweise direkt auf der Übertragungsstrecke oder an einem Verzweigungspunkt angeordnet.

Eine Ausbildung des Pegeldetektors als Spitzenwertdetektor hat den Vorteil, dass ein solcher Pegeldetektor sehr einfach zu realisieren ist und dass eine Meßgröße unmittelbar zur Steue­ rung der Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers vor­ liegt.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, diesem Pegeldetektor eine erste Pegelvorhersageeinheit zuzuordnen, die in Form einer Abschätzung einer Signalverarbeitung im Signalprozessor ein Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude eines Signals am Ausgang des Signalprozessors vorhersieht und die Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers so regelt, dass das Signal am Ausgang des Begrenzerverstärkers einen vorgegebenen Wert nicht mehr überschreitet. Eine "vorausschau­ ende" Überwachung des Signals am Ausgang des Signalprozessors hat den Vorteil, dass genügend Zeit zur Ermittlung und Ein­ stellung der entsprechenden Übertragungsfunktion des Begren­ zerverstärkers vorhanden ist.

Eine vorausschauende Signalanalyse wird dadurch ermöglicht, dass ein Zeitverzögerungsglied, zum Beispiel ein Signalspei­ cher, im Eingangsbereich auf der Übertragungsstrecke vor dem Signalprozessor vorgesehen ist. So kann beispielsweise während einer Zwischenspeicherung des Eingangssignals eine Simulation einer Signalverarbeitung dieses Eingangssignals auf der Über­ tragungsstrecke mit den momentanen Filtereinstellungen des Signalprozessors durchgeführt werden, bei der jede Übersteue­ rung angezeigt wird. Diese "vorausschauende" Übersteuerungs­ erkennung kann dann dazu verwendet werden, das Maß der notwen­ digen amplitudenselektiven Dämpfungen (Verstärkungen) zur Vermeidung einer Übersteuerung einzustellen.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist anstelle des ersten Pegeldetektors im Eingangsbereich oder zusätzlich zu diesem Pegeldetektor ein weiterer Pegeldetektor vorgesehen, der ein Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude eines Si­ gnals am Ausgang des Signalprozessors anzeigt und die Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers so regelt, dass das Signal am Ausgang des Begrenzerverstärkers einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Zur Ermittlung einer Amplitude eines Signals am Ausgang des Signalprozessors sieht die Erfindung zwei Möglichkeiten vor.

So sieht die Erfindung einen Pegeldetektor vor, der durch die Auswertung einer Sättigungseinheit des Signalprozessors ein Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude des Signals am Aus­ gang des Signalprozessors detektiert und die amplitudenselek­ tive Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers ein­ stellt, so dass ein Signal am Ausgang des Begrenzerverstärkers einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

Alternativ oder zusätzlich zu diesem Pegeldetektor sieht eine erfindungsgemäße Erweiterung einen weiteren Pegeldetekor vor, der ein Signal am Ausgang des Signalprozessors zwischen den Signalprozessor und dem Begrenzerverstärker abgreift und der beim Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude des Signals die Übertragungskennlinie des Begrenzerverstärkers entsprechend wählt. Dieser Pegeldetektor ist vorteilhafterweise als Spit­ zenwertdetektor ausgebildet.

Ein sogenannter "Saturationsdetektor", der die Sättigungsein­ heit eines Signalprozessors aussteuert, hat gegenüber einem Spitzenwertdetektor den Vorteil einer wesentlich schnelleren Meßwerterfassung. Zur Kompensation der Dauer der Meßwerterfas­ sung sieht die Erfindung vor, dass den Pegeldetektoren je ein Zeitverzögerungsglied zugeordnet wird, welches das Eingangs­ signal des Begrenzerverstärkers entsprechend der benötigten Zeit zur Pegeldetektion (welche vom verwendeten Pegeldetektor abhängt) und zur Einstellung der amplitudenselektiven Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers verzögert. Nur so ist garantiert, dass ein übersteuertes Signal auch entsprechend seiner Übersteuerung gedämpft wird.

Um nicht für jedes momentan ankommende Signal die Einstellung der notwendigen Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstär­ kers einstellen zu müssen, werden die Einstellungen für eine gewisse Zeit aufrechterhalten, solange nicht eine Übersteue­ rung eine neue Einstellung der amplitudenselektiven Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers erzwingt. Die Erfindung sieht daher vor, dem Begrenzerverstärker eine Rücksetzeinheit zuzuordnen, die für eine Rücknahme der dynamisch eingestellten amplitudenselektiven Dämpfung (Verstärkung) sorgt.

Um die Anordnung speziellen Anforderungen anzupassen, ist vorgesehen, dass die Rücknahme der dynamischen Dämpfung (Ver­ stärkung) frei einstellbar ist. Es soll dabei möglich sein, die Rücknahme der dynamischen Dämpfung (Verstärkung) in einer oder mehreren Stufen oder stetig vorzunehmen. Die Rückstell­ zeit für die Rücknahme der dynamischen Dämpfung (Verstärkung) soll ebenfalls frei wählbar sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispie­ les eines Kanals einer Signalverarbeitungseinheit,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbei­ spiels eines Kanals einer Signalverarbeitungsein­ heit.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausfüh­ rungsbeispiels eines Kanals einer erfindungsgemäßen Signalver­ arbeitungseinheit. Es zeigt einen Signaleingang 1, dem ein Eingangssignal E zugeführt wird. Das Eingangssignal E ist in dem Beispiel ein digitales Audiosignal. An den Signaleingang 1 schließt sich eine Übertragungsstrecke 3 an, die ausgangs­ seitig mit dem Signalausgang 6 verbunden ist.

Eingangsseitig ist auf der Übertragungsstrecke 3 ein Signal­ prozessor 4 angeordnet. Diesem wird das Eingangssignal E' = E zugeführt. Am Ausgang des Signalprozessors 4 liegt das Signal A' an. Dieses Signal A' wird einem Begrenzerverstärker 35 als Eingangssignal E" = A' zugeführt. Der Ausgang des Begrenzer­ verstärkers 35 bildet gleichzeitig den Signalausgang 6 der Signalverarbeitungseinheit. Hier wird das Ausgangssignal A = A" abgegriffen.

Das am Signaleingang 1 anliegende Eingangssignal E wird an einem ersten Verzweigungspunkt 12 von einem ersten Pegeldetek­ tor 7 abgegriffen. Der erste Pegeldetektor 7 ist über eine Datenleitung mit einem Rechenwerk 14 verbunden. Über diese Datenleitung wird dem Rechenwerk 14 die Signalamplitude g_PL1 am Signaleingang E mitgeteilt. Der Signalprozessor 4 ist über eine Datenleitung mit einer Sättigungseinheit 17 verbunden. Diese Sättigungseinheit 17 ist ebenfalls über eine Datenlei­ tung mit einem zweiten Pegeldetektor 8 verbunden. Dieser Pe­ geldetektor 8 wiederum ist mit einer Datenleitung mit dem Rechenwerk 14 verbunden. Über diese Datenleitungen wird dem Rechenwerk 14 die momentane Signalamplitude g_SP innerhalb ein­ zelner Stufen des Signalprozessors 4 oder am Ausgang des Si­ gnalprozessors 4 mitgeteilt.

Ein dritter Pegeldetektor 9 greift an einem zweiten Verzwei­ gungspunkt 13 das Signal A' vom Ausgang des Signalprozessors 4 ab. Der dritte Pegeldetektor 9 ist wie die Pegeldetektoren 7 und 8 über eine Datenleitung mit dem Rechenwerk 14 verbunden. Über diese Datenleitung wird vom Pegeldetektor 9 die momentane Amplitude g_PL2 des Signals A' am Ausgang des Signalprozessors 4 übertragen.

Weiterhin wird dem Rechenwerk 14 der Wert der momentanen Laut­ stärkeneinstellung g_Vol übermittelt. Eine weitere Eingangsgröße des Rechenwerks 14 ist die Versorgungsspannung U_Batt.

Das Rechenwerk 14 stellt dem Signalprozessor 4 über eine Da­ tenleitung Werte für die momentanen Filtereinstellungen g_F zur Klangeinstellung zur Verfügung. In der Fig. 1 ist hierfür eine Parametriereinheit 23 vorgesehen, die diese Filterein­ stellungen g_F dem Signalprozessor 4 über eine Datenleitung zur Verfügung stellt.

Das Rechenwerk 14 stellt über eine Datenleitung einer Kon­ trolleinrichtung 36 die Einstellungen g₃ für den Begrenzerver­ stärker 35 zur Verfügung.

Der erste Pegeldetektor 7 im Signaleingangsbereich detektiert, ob das Eingangssignal E in Verbindung mit den Einstellungen der klangbeeinflussenden Filter und der Lautstärkeneinstellung (im Rahmen einer dynamischen Regelung der Aussteuerungsreser­ ve) schon so hoch ist, dass es offensichtlich zur Übersteue­ rung führt. Ist dies der Fall, so sorgt das Rechenwerk 14 dafür, dass die Einstellung g₃ des Begrenzerverstärkers 35 so gewählt wird, dass die hohen Signalamplituden im Vergleich zu den niedrigen Signalamplituden stärker gedämpft werden. Die Dämpfung der hohen Signalamplituden wird idealerweise so ge­ wählt, dass eine Übersteuerung des Signals A am Signalausgang 6 vermieden wird. Die Regelung, d. h. die Signalisierung einer Übersteuerung durch den ersten Pegeldetektor 7 an das Rechen­ werk 14 und die Einstellung der Übertragungskennlinie des Begrenzerverstärkers 35 durch die Kontrolleinrichtung 36 ar­ beitet als Vorwärtsregelung, d. h. als Steuerung.

Das Signal E' = E durchläuft die pegelbeeinflussende Audiover­ arbeitung im Signalprozessor 4. Zu dieser pegelbeeinflussenden Audioverarbeitung gehört beispielsweise die Einstellung der klangbeeinflussenden Filter g_F, wie zum Beispiel zur Einstel­ lung der Höhen-, der Tiefen- und/oder der Equalizeraussteue­ rung. Eine Übersteuerung des Signals S' innerhalb des Signal­ prozessors 4 oder eine Übersteuerung des Signals A' am Ausgang des Signalprozessors 4 wird einer Sättigungseinheit 17 des Signalprozessors 4 angezeigt.

Diese Statusanzeige wertet der zweite Pegeldetektor 8 aus und signalisiert die Übersteuerung dem Rechenwerk 14. Das Rechen­ werk 14 veranlasst eine entsprechende Einstellung g₃ des Be­ grenzerverstärkers 35 durch die Kontrolleinrichtung 36.

Am Ausgang des Signalprozessors 4 ist eine Pegeldetektion durch einen dritten Pegeldetektor 9 vorgesehen. Dieser dritte Pegeldetektor 9 arbeitet wie der erste Pegeldetektor 7 als Spitzenwertdetektor. Der dritte Pegeldetektor signalisiert eine Übersteuerung des Signals A' dem Rechenwerk 14. Das Re­ chenwerk 14 wiederum signalisiert nach Feststellung der Über­ steuerung der Kontrolleinrichtung 36 einen Wert für die Ein­ stellung g₃ der Übertragungskennlinie des Begrenzerverstärkers 35.

Signalisieren die Pegeldetektoren 7, 8 und/oder 9, dass keine Übersteuerung des Audiosignals am Ausgang des Signalprozessors 4 zu erwarten ist, so sorgt eine Rücksetzeinheit 18 für eine kontinuierliche oder stufenweise Rücknahme der dynamischen amplitudenselektiven Dämpfung des Signals E" durch den Be­ grenzerverstärker 35.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungs­ beispiels eines Kanals einer erfindungsgemäßen Signalverarbei­ tungseinheit. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt eine Integra­ tion des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine Signalverarbei­ tungseinheit zur dynamischen Regelung der Aussteuerungsreserve (dynamic headroom management: DHM). Diese Regelung ist in der Regel in einem digitalen Signalprozessor (DSP) integriert. Die Regelung erfolgt in diesem Fall in Form eines Rechenprogramms, d. h. zum Beispiel mit Hilfe eines DSP-Algorithmuses.

Ein solches DHM-Verfahren sorgt dafür, dass die Gesamt­ aussteuerung des Verstärkers verbessert wird. Zusätzlich sorgt die Regelung dafür, dass schwache Eingangssignale verstärkt werden können ohne dass es zu einer Übersteuerung der Endstufe kommt, wenn das Eingangssignal hohe Signalamplituden enthält. Diese günstigen Eigenschaften werden dadurch erreicht, dass das Eingangssignal ständig überwacht wird und dass Verstär­ kungs- und Dämpfungsfaktoren auf der Übertragungsstrecke dyna­ misch eingestellt werden.

In allen Fällen, in denen es nicht möglich ist, aufgrund der Signaleigenschaften und der vorgegebenen Klangeinstellungen diese Aussteuerungsreserve zur Verfügung zu stellen, besteht die Gefahr einer Übersteuerung, die wiederum zu starken nicht­ linearen Verzerrungen und somit zu hohen Klirrfaktoren führt. Daher ist es günstig, das erfindungsgemäße Verfahren in dieses DHM-Verfahren zu integrieren. Die Übertragungscharakteristika des Begrenzerverstärkers 35 werden diesem Verfahren angepasst.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer solchen Anordnung. Es zeigt einen Signaleingang 1*, dem ein analoges Audiosignal als Eingangssignal E* zugeführt wird. Dieses Eingangssignal E* wird in einem Vorverstärker 30 verstärkt und einem Analog- Digital-Umsetzer 25 zugeführt und liegt an dessen Ausgang als digitales Signal E vor.

Alternativ dazu kann ein digitales Eingangssignal auch direkt dem Signaleingang 1 als Eingangssignal E zugeführt werden.

An den Signaleingang 1 schließt sich eine Übertragungsstrecke 3 an, die ausgangsseitig mit einem Lautsprecher 38 verbunden ist.

Eingangsseitig ist auf der Übertragungsstrecke 3 eine Pegelab­ senkungseinheit 2 angeordnet. Diese Pegelabsenkungseinheit 2 ist mit einem Eingang eines Signalprozessors 4 verbunden, dem ein Eingangssignal E' zugeführt wird. Am Ausgang des Signal­ prozessors 4 liegt das Signal A' an. Dieses Ausgangssignal A' wird der Pegelanhebungseinheit 5 zugeführt. Am Ausgang der Pegelanhebungseinheit liegt der Eingang des Begrenzerverstär­ kers 35, dem das Signal E" zugeführt wird. Das am Ausgang des Begrenzerverstärkers 35 vorliegende Signal A" wird einem Digital-Analog-Umsetzer 26 zugeführt. Das am Ausgang des Digi­ tal-Analog-Umsetzer 26 vorliegende Signal wird einem veränder­ baren Dämpfungsglied 31 zugeführt, danach einem Dämpfungsglied 32 mit vorgegebener Dämpfung und einem Endverstärker 33. Am Ausgang des Endverstärkers 33 liegt das Ausgangssignal A*, welches dem Lautsprecher 38 zugeführt wird.

Ein analoges Eingangssignal E*, das im Vorverstärker 30 ver­ stärkt und im Analog-Digital-Umsetzer 25 in ein digitales Eingangssignal E umgewandelt wird, wird durch einen ersten Pegeldetektor 7, der an einem ersten Verzweigungspunkt 12 anliegt, detektiert. Beim Unterschreiten einer Signalschwelle wird ein automatischer Verstärkungsmechanismus in Gang ge­ setzt, welcher in der Fachwelt unter dem Namen "Automatic Gain Control" bekannt ist. Bei dieser Prozedur wird vom Pegeldetek­ tor 7 das Unterschreiten der Signalschwelle der sogenannten AGC (Automatic Gain Control) -Einheit angezeigt. Diese AGC- Einheit signalisiert dem Vorverstärker 30, dass dieser die analoge Verstärkung g_AD erhöhen soll. Der Vorteil einer solchen automatischen Verstärkungskontrolle liegt darin, dass das Quantisierungsrauschen auf der digitalen Signalstrecke redu­ ziert wird. Ist dieses AGC-Modul 28 implementiert, so erfolgt diese AGC-Regelung gleichzeitig zur dynamischen Regelung der Aussteuerungsreserve (DHM).

Der erste Pegeldetektor 7 im Signaleingangsbereich detektiert ausserdem, ob das Eingangssignal E schon so hoch ist, dass es offensichtlich zur Übersteuerung führt. Die Signalamplitude am Signaleingang g_PL1 wird dem Rechenwerk 14 über eine Datenlei­ tung übermittelt. Das Rechenwerk berechnet daraus die notwen­ dige Pegelabsenkung g₁, welche der Pegelabsenkungseinheit 2 über eine Datenleitung übermittelt wird. Das gegebenenfalls abgesenkte Signal E' durchläuft daraufhin die pegelbeeinflus­ sende Audioverarbeitung im Signalprozessor 4. Zu dieser pegel­ beeinflussenden Audioverarbeitung gehört beispielsweise die Einstellung g_F der klangbeeinflussenden Filter zur Einstellung der Höhen, der Tiefen, der Equalizeraussteuerung und der Laut­ stärke.

Eine mögliche Übersteuerung eines Signal S' innerhalb des Signalprozessors 4 wird einer Sättigungseinheit 17 des Signal­ prozessors 4 angezeigt. Diese Statusanzeige wertet der zweite Pegeldetektor 8 aus und signalisiert die Übersteuerung, d. h. die Signalamplitude g_SP im Signalprozessor 4, dem Rechenwerk 14. Das Rechenwerk 14 veranlasst nun eine Pegelabsenkung in der Pegelabsenkungseinheit 2 für das nächste Audiodatum. Im Gegensatz zur Vorwärtsregelung durch die erste Regelschleife, findet hier also erst nach der Feststellung einer tatsächli­ chen Übersteuerung in Form einer rückgekoppelten Regelung eine Pegelablenkung am Eingang 1 statt.

Es ist vorgesehen, dass das Rechenwerk 14 eine erkannte Über­ steuerung beispielsweise einem Microcontroller signalisiert, der die Filtereinstellungen g_F (pegelbeeinflussende Parameter) in der Parametriereinheit 23 so ändert, dass im Signalprozes­ sor 4 keine Übersteuerung des Audiosignals mehr stattfindet.

Die rückgekoppelte Regelung der Pegelabsenkung am Signalein­ gang 1, welche durch den zweiten Pegeldetektor 8 angezeigt wird, führt dazu, dass ein paar wenige Samples der digitalen Audioverarbeitung im Signalprozessor 4 tatsächlich übersteuert sind.

Beide Regelgrundsätze, d. h. die Vorsatzregelung einer durch den ersten Pegeldetektor 7 angezeigten Übersteuerung, sowie die rückgekoppelte Regelung einer durch den Pegeldetektor 8 detektierten Übersteuerung, greifen nebeneinander parallel auf die gemeinsame Aussteuerungs- und Regelkontrolle im Rechenwerk 14 zu und bestimmen das Maß der dynamischen Pegelablenkung g₁ in der Pegelabsenkungseinheit 2.

Das Rechenwerk 14 veranlasst nun, dass jedes Signal A' in der Pegelanhebungseinheit 5 entsprechend seiner eingangsseitig erfahrenen Pegelabsenkung g₁ wieder mit der Pegelanhebung g₂ angehoben wird.

Die Aussteuerungsreserve (Headroom) g_H = g_PL2, welche bei der digitalen Signalverarbeitung erforderlich ist, um jegliche Übersteuerung zu vermeiden, kann nach Gleichung 1 berechnet werden zu

g_H = g_PL1 + g_SP + g₁ (+ g_Vol) (1).

Hierbei bezeichnet g_Vol die Lautstärkeeinstellung, welche dem Rechenwerk 14 über eine Datenleitung zur Verfügung gestellt wird.

Solange g_H ≦ 0 dB ist, tritt keine Übersteuerung auf der digi­ talen Signalübertragungsstrecke auf, da alle Verstärkungs- /Dämpfungs-Parameter g_AD, g₁, g₂ und g_DA so ausbalanciert werden können, dass genügend Aussteuerungsreserve innerhalb der Si­ gnalverarbeitungskette vorhanden ist. Die Pegelabsenkung g₁ muß dabei stets so gewählt werden, dass g_PL1 + g₁ (+g_Vol) ≦ -g_SP ist.

Ist g_H größer als 0 dB, dann muß die amplitudenselektive Dämp­ fung des Begrenzerverstärkers 35 entsprechend verändert wer­ den, so dass ein Übersteuern der Leistungsendstufe 31, 32, 33, 38 vermieden wird.

Solange die Aussteuerung (Headroom) g_H = g_PL2 kleiner oder gleich 0 dB ist, ist der Begrenzerverstärker normalerweise "ausgeschaltet". Dies bedeutet, dass die Übertragungskennlinie des Begrenzerverstärkers 35 vollständig linear ist. Ist g_H = g_PL2 größer als 0 dB, d. h. tritt eine Übersteuerung auf, so wird diese dem Rechenwerk 14 angezeigt. Das Rechenwerk 14 übermittelt der Kontrolleinrichtung 36 des Begrenzerverstär­ kers 35, dass diese die Verstärkereinstellung g₃ ändert. Dies ist, wie im obigen Abschnitt gezeigt wurde, beispielsweise dann der Fall, wenn aufgrund der rückgekoppelten Regelung eine Übersteuerung weniger Samples auftritt. Der Begrenzerverstär­ ker 35 weist jetzt einen S-förmigen oder mindestens annähernd S-förmigen Verlauf der Übertragungskennlinien auf.

Solange g_H größer als 0 dB ist, ist die nichtlineare Kennlinie des Begrenzerverstärkers 35 aktiv. Kleine Signalamplituden werden dabei nahezu unverändert übertragen, während große Signalamplituden auf Pegelwerte unter 0 dBFS begrenzt werden um jegliche Übersteuerung der Leistungsendstufe 31, 32, 33, 38 zu vermeiden. Es ist offensichtlich, dass nichtlineare Verzer­ rungen des Gesamtsystems mit zunehmender Aussteuerung g_H (so­ lange g_H größer 0 dB ist) zunimmt. Solche nichtlinearen Verzer­ rungen des Systems können jedoch dahingehend kontrolliert werden, dass die Übertragungskennlinien des Begrenzerverstär­ ker 35 im Hinblick auf psychoakustische Aspekte optimiert werden.

Aus Fig. 2 geht weiterhin hervor, dass das am Begrenzerver­ stärker 35 anliegende Ausgangssignal A" wieder in ein analo­ ges Signal umgesetzt wird, bevor es im Dämpfungsglied 31 wie­ der gedämpft wird. Das Rechenwerk 14 sorgt dafür, dass das Signal entsprechend seiner eingangsseitig erfahrenen Verstär­ kung g_AD wieder mit der analogen Dämpfung gDA gedämpft wird.

Das auf diese Weise gedämpfte Signal wird im Beispiel einem Dämpfungsglied 32 zugeführt, bei dem die Dämpfung g_att für eine Anpassung an die fest vorgegebene und konstante Verstärkung g_amp des Endverstärkers 33 sorgt.

Die Gesamtlautstärke des Signals ergibt sich folglich dadurch, dass die Verstärkung bzw. Dämpfung sowohl im digitalen als auch im analogen Teil der Übertragungsstrecke 3 eingestellt wird. Die besten Signaleigenschaften ergeben sich dadurch, dass das analoge Eingangssignal E* soweit wie möglich vorver­ stärkt wird (Verstärkung g_DA) bevor das Signal in ein digitales Signal überführt wird. Bei Analogverstärkern 30 kann die Ver­ stärkung zwischen 0 und 31 dB in 1 dB-Schritten verändert werden. Daher muß in der digitalen Pegelanhebungseinheit 5 und/oder im Dämpfungsglied 31 auch eine entsprechende Dämpfung g_DA eingestellt werden können. Zusätzlich muss die Lautstärken­ einstellung g_Vol mitberücksichtigt werden, welche im Signal­ prozessor 4, in der Pegelanhebungseinheit 5 oder im Dämpfungs­ glied (31) dem Signal beaufschlagt wird.

Die fest eingestellte Dämpfung g_att des Dämpfungsglieds 32 beträgt im Beispiel -10 dB. Die fest vorgegebene Verstärkung g_amp des analogen Endverstärkers 33 beträgt im Ausführungsbei­ spiel 26 dB.

Bezugszeichenliste

1

* Signaleingang (Analog)

1

Signaleingang

2

Pegelabsenkungseinheit

3

Übertragungsstrecke

4

Signalprozessor

5

Pegelanhebungseinheit

6

Signalausgang (Digital)

7

erster Pegeldetektor

8

zweiter Pegeldetektor

9

dritter Pegeldetektor

12

erster Verzweigungspunkt

13

zweiter Verzweigungspunkt

14

Rechenwerk

17

Sättigungseinheit

18

Rücksetzeinheit

23

Parametriereinheit

25

Analog-Digital-Umsetzer

26

Digital-Analog-Umsetzer

28

Automatic Gain Control (AGC)

30

Vorverstärker

31

Dämpfungsglied (veränderbar)

32

Dämpfungsglied (fest)

33

Endverstärker (fest)

35

Begrenzerverstärker (veränderbar)

36

Kontrolleinrichtung

38

Lautsprecher
E Eingangssignal (Digital)
A Ausgangssignal (Digital)
E' Eingangssignal Signalprozessor
A' Ausgangssignal Signalprozessor
S' Signal im Signalprozessor
A" Ausgangssignal Begrenzerverstärker
E" Eingangssignal Begrenzerverstärker
E* Eingangssignal (Analog)
A* Ausgangssignal (Analog)
g_AD

Verstärkung analog
g_DA

Dämpfung analog
g_PL1

Signalamplitude am Signaleingang
g_SP

Signalamplitude im Signalprozessor
g_F

Filtereinstellungen
g_Vol

Lautstärkeneinstellung
g₁

Pegelabsenkung
g_att

Dämpfung
g₂

Pegelanhebung
g_amp

Verstärkung
g₃

Einstellung des Begrenzerverstärkers
g_PL2

Signalamplitude am Ausgang des Signalprozessors
g_H

Headroom
V_Batt

Versorgungsspannung

Claims (17)

1. Verfahren zum Übersteuerungsschutz eines Eingangssignals (E) in mindestens einem Kanal einer Signalverarbeitungsein­ heit, auf einer zwischen einem Signaleingang (1) und einem Signalausgang (6) liegenden Übertragungsstrecke (3), wobei das Eingangssignal (E) in einem Signalprozessor (4) verarbeitet und in einem Begrenzerverstärker (35) gedämpft oder verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten einer Signalamplitude auf der Übertragungsstre­ cke (3) mit zunehmender Signalamplitude höhere (niedrigere) Signalamplituden im Vergleich zu niedrigeren (höheren) Signa­ lamplituden stärker dämpfbar (verstärkbar) sind.

2. Signalverarbeitungseinheit mit mindestens einem Kanal, wobei jeder Kanal einen Signaleingang (1) zum Anlegen eines Eingangsignals (E), einen Signalausgang (6) zum Abgreifen eines auf einer Übertragungsstrecke (3) zwischen dem Signal­ eingang (1) und dem Signalausgang (6) übertragenen Ausgangs­ signals (A), einen auf der Übertragungsstrecke (3) angeordne­ ten Signalprozessor (4) und einen zwischen dem Signalprozessor (4) und dem Signalausgang (6) angeordneten Begrenzerverstärker (35) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Pegeldetektor (7, 8, 9) auf der Übertragungsstrecke (3) zur Überwachung einer Signalamplitude vorgesehen ist, und dass die Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers (35) beim Überschreiten einer Signalamplitude auf der Übertragungsstre­ cke (3) so einstellbar ist, dass mit zunehmender Signalam­ plitude höhere (niedrigere) Signalamplituden im Vergleich zu niedrigeren (höheren) Signalamplituden stärker dämpfbar (ver­ stärkbar) sind.

3. Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das am Be­ grenzerverstärker (35) anliegende Signal (E") ein digitales Signal ist.

4. Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Begren­ zerverstärker (35) mit der amplitudenselektiven Dämpfung (Ver­ stärkung) eine Übertragungskennlinie aufweist, die ausgehend von einem geraden Verlauf mindestens annähernd S-förmig oder stufenförmig veränderbar ist.

5. Signalverarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Begren­ zerverstärker (35) so ausgebildet ist, dass die amplitudense­ lektive Dämpfung (Verstärkung) kanalselektiv oder für mehrere Kanäle gemeinsam einstellbar ist.

6. Signalverarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Begren­ zerverstärker (35) so ausgebildet ist, dass die amplitudense­ lektive Dämpfung (Verstärkung) frequenzselektiv oder breit­ bandig erfolgt.

7. Signalverarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Pegeldetektor (7) zum Abgreifen des dem Signalprozessor (4) zugeführten Eingangssignals (E) vorgesehen ist, der beim Über­ schreiten einer vorgebbaren Amplitude des Eingangssignals (E) die Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers (35) so regelt, dass das Signal (A") am Ausgang des Begrenzerver­ stärkers (35) einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

8. Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pegeldetektor (7) im Signaleingangsbereich an einem ersten Verzweigungspunkt (12) auf der Übertragungsstrecke (3) zwi­ schen dem Signaleingang (1) und dem Signalprozessor (4) an­ geordnet ist.

9. Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pegeldetektor (7) im Signaleingangsbereich auf der Übertra­ gungsstrecke (3) zwischen dem Signaleingang (1) und dem Si­ gnalprozessor (4) angeordnet ist.

10. Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pegeldetektor (7) als Spitzenwertdetektor ausgebildet ist.

11. Signalverarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Pegeldetektor (7) eine erste Pegelvorhersageeinheit (10) zu­ geordnet ist, die in Form einer Abschätzung einer Signalver­ arbeitung im Signalprozessor (4) ein mögliches Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude eines Signals (E") am Eingang des Begrenzerverstärkers (35) vorhersieht und die Dämpfung (Ver­ stärkung) des Begrenzerverstärkers (35) so regelt, dass das Signal (A") einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

12. Signalverarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Pegeldetektor (8) vorgesehen ist, der durch die Auswertung einer Sättigungseinheit (17) des Signalprozessors (4) ein Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude eines Signals (A') am Ausgang des Signalprozessors (4) detektiert und die Dämp­ fung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers (35) so regelt, dass das Signal (A") am Ausgang des Begrenzerverstärkers (35) einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

13. Signalverarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Pegeldetektor (9) vorgesehen ist, der ein Signal (A') am Aus­ gang des Signalprozessors (4) abgreift und der beim Überschreiten einer vorgebbaren Amplitude des Signals (A') die Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers (35) so re­ gelt, dass das Signal (A") am Ausgang des Begrenzerverstär­ kers (35) einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

14. Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Pegeldetektor (9) am Ausgang des Signalprozessors (4) auf der Übertragungsstrecke (3) angeordnet ist.

15. Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Pegeldetektor (9) am Ausgang des Signalprozessors (4) an einem Verzweigungspunkt (13) auf der Übertragungsstrecke (3) an­ geordnet ist.

16. Signalverarbeitungseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amplitu­ denselektive Dämpfung (Verstärkung) des Begrenzerverstärkers (35) in Abhängigkeit von Lautstärkeeinstellungen (g_Vol) und/oder Filtereinstellungen (g_F) einstellbar ist.

17. Signalverarbeitungseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Begren­ zerverstärker (35) zur dynamischen amplitudenselektiven Dämp­ fung (Verstärkung) in einer Signalverarbeitungseinheit zur dynamischen Regelung der Ansteuerungsreserve (DHM) integriert ist.