Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers

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1 Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers Tonmeistertagung 1996 in Karlsruhe Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers A.Goertz Audio & Acoustics Consulting Aachen VORTRAGSANKÜNDIGUNG: Für professionelle Beschallungslautsprecher werden häufig Controller eingesetzt, die neben der eigentlichen Frequenzweiche und Systementzerrung auch Limiter- und Schutzfunktionen beinhalten. Mit Hilfe digitaler Signalverarbeitung können diese Funktionen gegenüber der herkömmlichen Analogtechnik deutlich verbessert werden. FIR-Filter erlauben in Kombination mit entsprechendem Down- bzw. Oversampling Frequenzweichenfunktionen mit hoher Steilheit und einer sehr exakten Systementzerrung mit vergleichsweise geringer Rechenleistung. Desweiteren können mit vorausschauenden Limiterfunktion Übersteuerungen sicher vermieden werden, was eine optimale Ausnutzung der Lautsprecher und Endstufen erlaubt. Der Einsatz hochwertiger DA-Umsetzer in Kombination mit gestuften AD-Umsetzern stellt einen ausreichenden Störabstand und hinreichenden Headroom für den Arbeitsbereich des Limiters bereit. Neben einer ausführlichen Erläuterung des technischen Konzeptes und der verwendeten Algorithmen wird im Rahmen dieses Vortrages ein Lautsprechersystem mit digitalem Controller vorgeführt werden. Der Vortrag wurde am 17.November 1996 auf der 19. Tonmeistertagung in Karlsruhe im Rahmen des Produktforums gehalten. Weitere Informationen sind zu erhalten bei: Dr. Anselm Goertz Audio & Acoustics Consulting Robensstr. 62 D Aachen Tel.: 0241/ Fax: 0241/ a.goertz@proaudio.de

2 Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers 9 Sense-Leitung Limiter und Symmetrischer Überlast- Ausgang mit Hochpass CD-Korrektur Protection Pegelanpassung Sense-Leitung + - Symmetrischer Eingangsverstärker Bandpass Systementzerrung Limiter und Überlast- Protection Symmetrischer Ausgang mit Pegelanpassung Sense-Leitung Limiter und Symmetrischer Tiefpass Systementzerrung Überlast- Protection Ausgang mit Pegelanpassung Abbildung 1 Blockschaltbild eines Controllers für Lautsprechersysteme x(m) w(m) b 0 y(m) Z -1 a 1 b 1 w(m-1) Z -1 a 2 b 2 w(m-2) Z -1 a n b n Abbildung 2 Grundstruktur eines digitalen Filters

3 Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers 10 Abbildung 3 Blockschaltbild eines digitalen 4-Wege Controllers

4 Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers Abbildung 4 linke Seite: Betrag und Laufzeitverhalten eines Tieftöners rechte Seite: Betrag und Laufzeitverhalten eines linearphasigen (1) und eines minimalphasigen (2) TP-Filters (Amplitudenverlauf um 10 db versetzt eingezeichnet) Abbildung 5 Einzelfrequenzgänge eines 3-Wege Lautsprechers

5 Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers 12 Abbildung 6 Filterfunktionen einer passiven Weiche Abbildung 7 Filterfunktionen einer aktiven Weiche Abbildung 8 Filterfunktionen einer FIR-Filter Weiche

6 Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers Isobarenflächen in 3 db Stufen 5 db/div 0 1,12 ms/div 100 Hz 1000 Hz 10 khz Abbildung Hz 1 khz 10 khz Gesamtfrequenzgang, Phasengang, Zerfallsspektrum und vertikale Isobaren des 3-Wege Systems mit passiver Weiche -90 Isobarenflächen in 3 db Stufen 5 db/div 0 1,12 ms/div 100 Hz 1000 Hz 10 khz Abbildung Hz 1 khz 10 khz Gesamtfrequenzgang, Phasengang, Zerfallsspektrum und vertikale Isobaren des 3-Wege Systems mit aktiver Weiche

7 Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers Isobarenflächen in 3 db Stufen 5 db/div 0 1,12 ms/div 100 Hz 1000 Hz 10 khz Abbildung Hz 1 khz 10 khz Gesamtfrequenzgang, Phasengang, Zerfallsspektrum und vertikale Isobaren des 3-Wege Systems mit FIR-Filter Weiche

8 Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers 15 Signal input VCA Signal output Vollweg Gleichrichter Release Attack Komparator Threshold Abbildung 12 Blockschaltbild eines konventionellen Peak Limiters Abbildung 13 Blockschaltbild des digitalen Limiters

9 Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers 16 Limiter-Threshold Retrigger-Threshold 0 Retrigger-Threshold Limiter-Threshold Detection Retrigger Attenuation 0 db Attack Hold Release Hold Release Abbildung 14 Digitaler Limiter mit vorausschauender Signalanalyse Eingangssignal Limiterschwelle Steuerspannung ohne TP Steuerspannung mit TP Ausgangssignal Limiterschwelle Abbildung ms Signalbearbeitung durch den digitalen Limiter

10 Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers 17 Abbildung 16 Gestufter AD-Umsetzer Einzelner AD-Umsetzer ADU 107 db Kanal 1 und 2 des AD-Umsetzers ADU1 107 db ADU2 ADU db 127 db gestufter AD-Umsetzer DA-Umsetzer Gesamtdynamik Emphasis DAU Headroom 14 db 110 db 110 db +30 dbu +20 dbu +10 dbu 0 dbu -10 dbu -20 dbu -30 dbu -40 dbu -50 dbu -60 dbu -70 dbu 3 db -80 dbu -90 dbu -100 dbu -110 dbu Abbildung 17 Dynamikbetrachtung Verstärkungsunterschied für die AD-Umsetzer: 17,4 db Effektiver Dynamikgewinn durch Preemphasis: ca. 3 db -120 dbu

11 Entwicklung und Aufbau eines digitalen 4-Wege Controllers 18 Abbildung 18 Frontansicht Abbildung 19 Rückansicht