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AGC : Arten |
AGCo
Regelschaltungen (Automatic Gain Control) sind die derzeit wichtigsten Funktionsschaltungen für eine komplexe Signalverarbeitung im Hörgerät. Es gibt die angegebenen unterschiedlichen Arten. Diese Arten werden untenstehend näher erläutert.
Diese Seite wird als nächstes ausgearbeitet, ein wenig Geduld
( So langsam beneide ich die Azubis unserer Branche, die brauchen nur jede Woche einen handgeschriebenen Bericht abzugeben)
Bei der AGCo wird die Regelspannung dem Ausgang entnommen. Für die Standardschaltung ergeben sich daher die folgenden Verhältnisse :
Der Eingangsschalldruck wird entsprechend dem Mikrofonübertragungsfaktor in eine proportionale Mikrofonspannung umgewandelt ( Der Eingangspegel entsprechend dem Mikrofonübertragungsmaß in einen Mikrofonspannungspegel ). Der Vorverstärker VV hat im linearen Bereich eine konstante Verstärkung. Die Ausgangsspannung des Vorverstärkers kann nun mittels dem Poti durch den Hörgeschädigten beliebig geteilt werden. Die Potiausgangsspannung wird nun durch den Endverstärker, dessen Verstärkung bis zur Sättigungsgrenze konstant ist, auf den Hörer gegeben. Dieser wandelt die Spannung entsprechend seinem Übertragungsfaktor in einen Ausgangsschalldruck um. Somit ist die Potiausgangsspannung proportional zu dem Ausgangsschalldruck.Wird nun der AGC- Schalter (roter Balken) in die Position "o" gebracht, so wirkt der Komparator der AGC- Schaltung wie eine AGCo. Diese Spannung wird mit der Sollspannung des Regelschwellenpegels (Lrs) verglichen. Wird der Regelschwellenpegel überschritten, so wird eine Regelspannung erzeugt, die die Verstärkung des Vorverstärkers herunterregelt. Entscheidend für den Einsatz der AGC ist also der Regelschwellenpegel und die am Potiausgang anstehende Ist- Spannung. Folglich hat die Dynamikkennlinie immer den folgenden Verlauf :
Der Regelschwellenpegel hat einen konstanten Ausgangsschalldruckpegel. Oberhalb dieser Regelschwelle erfolgt eine Kompression mit einem bestimmten Kompressionsverhältnis. Die Zunahme des Ausgangspegels oberhalb der Regelschwelle erfolgt immer mit
DLa = DLe/Cv
DLa = DV/CvDiese Gleichungen machen eines deutlich: Die Veränderung des Ausgangsschalldruckpegels ist abhängig von dem Kompressionsverhältnis, der Veränderung des Eingangspegels und der Verstärkungsänderung. Die Verstärkungsänderung wird aber durch das Kompressionsverhältnis gemindert.
Nur für den Sonderfall, dass das Kompressionsverhältnis gegen Unendlich geht, kann mittels der AGCo der maximale Ausgangsschalldruckpegel begrenzt werden.
Bei der AGCi wird die Regelspannung dem Ausgang entnommen. Für die Standardschaltung ergeben sich daher die folgenden Verhältnisse :
Der Eingangsschalldruck wird entsprechend dem Mikrofonübertragungsfaktor in eine proportionale Mikrofonspannung umgewandelt ( Der Eingangspegel entsprechend dem Mikrofonübertragungsmaß in einen Mikrofonspannungspegel ). Der Vorverstärker VV hat im linearen Bereich eine konstante Verstärkung. Diese Ausgangsspannung des Vorverstärkers ist somit proportional zu dem Eingangsschalldruck.Wird nun der AGC- Schalter (roter Balken) in die Position "i" gebracht, so wirkt der Komparator der AGC- Schaltung wie eine AGCi. Diese Spannung wird mit der Sollspannung des Regelschwellenpegels (Lrs) verglichen. Wird der Regelschwellenpegel überschritten, so wird eine Regelspannung erzeugt, welche die Verstärkung des Vorverstärkers herunterregelt. Entscheidend für den Einsatz der AGC ist also der Regelschwellenpegel und die am Potieingang anstehende Ist- Spannung des Vorverstärkers. Folglich hat die Dynamikkennlinie immer den folgenden Verlauf :
Der Regelschwellenpegel ist bestimmt durch einen konstanten Eingangspegel. Oberhalb dieser Regelschwelle erfolgt eine Kompression mit einem bestimmten Kompressionsfaktor. Die Zunahme des Ausgangspegels oberhalb der Regelschwelle erfolgt immer mit
DLa = DLe/Cv
DLa = DVDie Gleichungen zeigen deutlich: Die Veränderung des Ausgangspegels ist wieder abhängig von dem Kompressionsverhältnis, der Veränderung des Eingangspegels und der Verstärkungsänderung.
Im Gegensatz zur AGCo wird der Ausgangsschalldruck oberhalb der Regelschwelle immer im gleichen Maße wie die Verstärkungsänderung verschoben. Eine Begrenzung des Ausgangsschalldruckpegels findet nicht statt.
Hörgeräte mit einer automatischen Verstärkungsregelung haben kein Poti (Volume Control, VC) mehr und sollen es auch nicht haben. Die Verstärkung wird dem jeweiligen Eingangspegel automatisch angepasst. Das Prinzipschaltbild hat folgendes Aussehen:
Der Istwert der dem Komparator zugeführt wird ist im linearen Bereich sohwohl dem Eingangsschalldruck als auch dem Ausgangsschalldruck proportional. Eine eindeutige Zuordnung der Störungsgröße (Le oder La) ist somit nicht mehr möglich. Damit ist eine eindeutige Kennzeichnung auch nicht mehr möglich. Eine Bezeichnung dieser Art der AGC gibt es bisher nicht. Daher kann man diese Verstärkungsregelung zunächst einmal als AGC ohne jeden Index bezeichnen. Da diese Kompression häufig als "automatisches Poti" eben VC verwendet wird, kann hier auch der Begriff AVC verwendet werden (Siehe nachfolgende Definition). Für diese Definition ist aber das zeitliche Verhalten wichtig. Die "Störgrösse" (Laut DIN 19226, Regeltechnik), eben für diese Anwendung der sich verändernde mittlere Eingangspegel (Integrationszeitkonstanten bei der Messung des Le's sind zu beachten), ist für das "automatische Poti" entscheidend. Die Zeitstruktur der Sprache soll durch das "automatische Poti" nicht verändert werden, auch nicht die Ausgangsbegrenzung.
Hier besteht Diskussionsbedarf eigentlich nicht mehr, optimale Ergebnisse werden in der Praxis mit Ein- und Auschwingzeiten zwischen 0.5s bis 2s erzielt.
Schon mal vorweg : dieser Begriff ist wieder im kommen (Automatic Volume Control). In den 50er bis 70er Jahren wurde er anstelle des Begriffes "AGCo" verwendet. Das Volume Control ist aber das gute alte Poti. Deshalb wird dieser Begriff anstelle des Begriffes "Automatisches Hörgerät" verwendet. Sogenannte "Automatische Hörgeräte" haben, wie bekannt,kein Poti, es wird durch die Automatic ersetzt. Nur, es gibt heute automatische Störschallunterdrückungen und weitere Automatiken. Somit wird dieser Begriff "automatisch" unscharf. Die in der HMV PG13 UG1 - UG3 geforderte "automatische Lautstärkeneinstellung" ist daher mit dem Begriff "AVC" gut beschrieben und sollte damit wieder aufleben. In der Meister-Prüfungs Koordinierungsgruppe ist dieser Begriff als "automatisches Poti" anerkannt worden.
Siehe auch : Aufgaben : Automatische Lautstärkenregelung
Dieser Begriff bezieht sich auf den Verlauf der statischen Dynamikkennlinie (DLe/Dt > ta, tr).
Im Kompressionsbereich des Hörgerätes besteht eine lineare Steigung der Dynamikkennlinie (in der doppelt logarithmischen Darstellung des La/Le Verhaltens). Das Kompressionsverhältnis ist über den Kompressionsbereich konstant.
Dieser Begriff bezieht sich auf den Verlauf der statischen Dynamikkennlinie (DLe/Dt > ta, tr).
Im Kompressionsbereich des Hörgerätes besteht eine progressive Steigung des Kompressionsverhältnisses Cv (in der doppelt logarithmischen Darstellung des La/Le Verhaltens).
Dieses Verhalten wird auch als "curvilinear" von der Firma Siemens bezeichnet (warum eigentlich ?), dieser Begriff hat sich auch sehr weit durchgesetzt.
Dieser Verlauf der Dynamikkennlinie hat auch die Bezeichnung "lautheitsangepasst"
Dieser Kurvenverlauf zeigt oberhalb des Regelschwellenpegels ein hohes Kompressionsverhältnis, das mit zunehmenden Eingangspegel gegen 1 geht. Der audiologische Hintergrund für diesen Verlauf der Dynamikkennlinie ist es, dass bei niedrigen Eingangspegeln aufgrund des defekten cochlearen Verstärkers besonders hohe Verstärkungen notwendig sind, die im oberen Bereich des Eingangspegels sich wieder dem normalen Gehör angleichen.
konstante Ein- und Ausschwingzeit
Bei AGC - Geräten mit einer konstanten Ein- und Ausschwingzeit werden die Regelzeiten fest eingestellt und können nicht durch Programmierung oder Steller verändert werden. Dies geschieht meist bei Geräten, die für bestimmte Hörschädigungen konzipiert sind. So wird bei AGCo - Geräten, bei denen die AGCo für die Begrenzung des maximalen Ausgangsschalldrucks verwendet wird eine kurze Ein- und eine lange Ausschwingzeit verwendet. Die kurze Einschwingzeit, meist um 5ms, sichert vor einem Überschreiten der U-Schwelle, auch bei plötzlichen Störsignalen. Die lange Ausschwingzeit, meist 200 - 300ms, ergibt ein ruhiges Klangbild bei hohen Störschallpegeln. Dies ist eine Standardsituation, daher brauchen die Regelzeiten auch nicht variiert zu werden.
variable Ein- und Ausschwingzeiten
Bei programmierbaren Geräten, besonders bei digitalen Hörgeräten, besteht die Möglichkeit, die Regelzeiten der AGC zu programmieren. Bei diesen Hörgeräten, besonders bei Mehrprogrammgeräten, können die Regelzeiten individuellen Hörsituationen angeglichen werden.
Bei stark eingeschränkter Restdynamik des Hörgeschädigten kann mit der Silbenkompression die Dynamik der Sprache reduziert werden. Es wird die Modulation der Sprache verringert. Durch kurze Ein- und Ausschwingzeiten, die deutlich unter 50ms liegen, werden die Pegelschwankungen innerhalb der Silben, deren Länge bei 150 - 300ms liegt, ausgeglichen. Die untere Grenze dieser Regelzeiten ist durch die untere Grenzfrequenz des Hörgerätes bestimmt (te>1/fu). Bei zu kurzen Regelzeiten (te < 1/fu) kommt es zu nichtlinearen Verzerrungen, durch die der Klang des Gerätes z.T. beträchtlich verändert werden kann. Dieser Effekt wird dadurch ausgelöst, dass bei besonders energiereichen tieffrequenten Signalen die Amplitude ausgeregelt wird. Entsprechend dem Regelalgorithmus kommt es zu Klirrfaktoranteilen und zu Intermodulations- und Differenztonprodukten. Gerade die letzten beiden Komponenten bewirken im Störlärm eine deutlich verschlechterte Sprachdiskriminierung.
lineare Verstärkung
duale Kompression
SilbenkompressionIn dieser Zeitdarstellung sind die Verläufe der Amplitude über die Zeit verarbeitet mit unterschiedlichen AGCtypen dargestellt. Der obige Verlauf ist ein Satz der linear verstärkt wurde. Die mittlere Darstellung zeigt die Veränderung durch eine duale AGCi und der untere Verlauf ist die Verarbeitung des Signals mit einer Silbenkompression.
Die automatische Verstärkungsregelung bei "automatischen" Hörgeräten, soll die Verstärkung dem jeweiligen Umgebungspegel anpassen. Bei steigenden Pegeln sinkt die Verstärkung, bei sinkenden Pegeln steigt sie. Die Silben der Sprache sollen jedoch nicht ausgeregelt werden, da die Sprachdynamik möglichst erhalten bleiben soll. Aus diesem Grunde müssen die Ein- und Ausschwingzeiten der AGCi entsprechend lang sein. Da sie dementsprechend größer als die Silbendauer sein müssen, betragen die Regelzeiten hier 0.3 - 2 Sekunden. Zum Teil sind die Regelzeiten bis zu 12s lang. Bei kurzeitigen und plötzlichen Störgeräuschen kommt es dabei natürlich zu Ausgangspegeln, die die Unbehaglichkeits- Schwelle überschreiten. Für diese Störgeräusche ist dann eine weitere AGC notwendig, die diese kurzzeitigen und lauten Störgeräusche begrenzt.
Diese Aufgabe, die Anpassung an langfristig sich ändernde mittlere Lautstärken und die Begrenzung kurzzeitiger Störspitzen, wird bei der dualen Kompression durch zwei AGC- Detektoren gelöst. Ein Detektor liefert die Regelspannung für den mittleren Umgebungspegel, ein zweiter erzeugt nur bei kurzzeitigen Störimpulsen eine zusätzliche Regelspannung. Der erste Detektor für den mittleren Umgebungspegel hat eine hohe Integrationszeit, demzufolge sind auch die Regelzeiten entsprechend lang. Beim zweiten Detektor sind die Integrationszeiten entsprechendkurz, auch die Regelschwellenpegel werden höher gelegt, so dass Störspitzen mit kurzen Ein- und Ausschwingzeiten ausgeregelt werden.
Adaptive Kompressionen haben die Aufgabe bestimmte Eigenschaften des Hörgerätes als Funktion bestimmter Signaleigenschaften zu optimieren. Das Ausgangsverhalten des Gerätes wird bei diesen Kompressionen bestimmten Eigenschaften des Eingangssignals angepasst. Es gibt auf dem Markt eine ganze Reihe unterschiedlicher adaptiver Kompressionsschaltungen. Das Prinzip dabei ist es aber immer, dass bestimmte akustische Übertragungs- Parameter des Hörgerätes aufgrund definierter Eigenschaften des Eingangssignales optimiert werden.
So wird in einem Beispiel z.B. die Verstärkung nicht durch den Eingangspegel, sondern durch die dem sprachbewerteten Eingangssignal Lautheit gesteuert. In anderen Hörgeräten werden Ein- und Ausschwingzeiten durch die Größe des Eingangspegel oder die Dauer definierter Eingangspegel gesteuert.
Der High Level Kompressor wird direkt hinter das Mikrofon gelegt Es ist eine AGCi- Schaltung mit einem hohen Regelschwellen- Pegel, der bei 80dB - 90 dB liegt. Das Kompressionsverhältnis ist ebenfalls hoch, es hat Werte die bei Cv = 10 bis 20 liegen. Dieser HLC hat zwei wichtige Aufgaben :
Er soll die Übersteuerung der nachfolgenden Schaltungen verhindern
Schutz gegen Übersteuerung durch den HLC
Der Pegel des HLC liegt immer bei 80-90dB, da oberhalb dieser Werte normale Sprachpegel ohnehin nicht auftreten. Bei diesen Werten kann ein Hörgerät immer in die Sättigungsgrenze gehen. Ab dieser Grenze werden dann aber nichtlineare Verzerrungsprodukte in der nachfolgenden Schaltung entstehen. Diese Verzerrungsprodukte haben aber immer Spektren zur Folge, deren Klang wenig akzeptabel ist. Bei vielen Hörgeräten werden bei diesen Eingangspegeln schon die Eingangsstufen übersteuert, so dass diese unangenehmen Spektren auch durch nachfolgende AGC- Stufen nicht mehr verhindert werden können. Bei digitalen Geräten ist die Begrenzung des Eingangssignals besonders wichtig, da Übersteuerungsprodukte im Eingang besonders problematische Verzerrungsprodukte erzeugen. Das Kompressionsverhältnis muss aber sehr hoch sein, damit Verzerrungen in der folgenden Elektronik sicher vermieden werden. Die Einschwingzeit des HLC liegt immer bei sehr niedrigen Werten. Da beim HLC die Kompression des Sprachpegels nicht im Vordergrund steht, braucht auf das Kriterium te=1/fu keine Rücksicht genommen zu werden. Die Werte für die Einschwingzeit liegen bei 1 bis 3ms. Bei der Ausschwingzeit findet man in der Praxis sehr unterschiedliche Werte. Sie liegen zwischen 5 - 50ms.
Der HLC sichert somit verzerrungsfreie Wiedergabespektren, auch bei höchsten Eingangspegeln.
Begrenzung des maximalen Ausgangsschalldruckes durch den HLC
Die andere Aufgabe ist es, durch den HLC den maximalen Ausgangsschalldruck bei automatischen Geräten zu begrenzen. Da der HLC eine AGCi- Schaltung ist, kann grundsätzlich mit dieser Schaltung der maximale Ausgangsschalldruck nicht begrenzt werden (Aufgaben der AGC:Begrenzung des maximalen Ausgangsschalldruckes). Bei automatischen Geräten, bei denen ja kein Poti vorhanden ist, kann durch eine AGC bei ausreichen hohem Kompressionsverhältnis der maximale Ausgangsschalldruck sicher begrenzt werden.
Der HLC hat grundsätzlich eine Regelschwelle die bei 80 bis 90dB liegt. In der Abbildung ist beispielhaft ein Lrsi von 80dB gewählt.Die Dynamikkennlinie ist somit bis zur Regelschwelle linear. Das Kompressionverhältnis Cv beträgt 10:1. Oberhalb dieser Regelschwelle findet demzufolge eine Kompression 10:1 statt. Dieses Signal wird nun auf die beiden Kanäle, den Hoch- und den Tiefpass hinter der Frequenzweiche gegeben.
Im Tieftonkanal beträgt der Regelschwellenpegel ursprünglich 70dB. Ab diesem Wert wird das Signal mit dem Kompressionsverhältnis 2:1 komprimiert. Ab dem Regelschwellenpegel des HLC wird das Signal nochmals um das Kompressionsverhältnis des HLC von 10:1 kompriemiert. Ab 80 dB beträgt das Kompressionsverhältnis somit:
Dies bedeutet, dass Signale mit einem Pegel größer 80dB im Verhältnis 20:1 komprimiert werden. Der Ausgangsschalldruck erhöht sich zwischen 80 und 100dB nur um 1dB. Dies ist praktisch eine Begrenzung des maximalen Ausgangsschalldruckes. In der Praxis verläuft die Dynamikkennlinie im Kompressionsbereich auch nicht linear, sondern progressiv und geht dann gegen Unendlich. Wird nun der Regelschwellenpegel des Tieftonkanals von 70 auf 50dB verringert, so sinkt der Lamax um 10dB. Dies bedeutet, das der maximale Schalldruck durch die Parameter
Verstärkung
Regelschwellenpegel
Kompressionsverhältniseingestellt werden kann. Entscheidend ist hierbei, dass die Verstärkung nicht durch ein Poti verändert werden kann.
Das Gleiche ist nun im Hochtonkanal möglich. Wird der Regelschwellenpegel dieses Kanals um 10dB verringert, so sinkt der maximale Ausgangsschalldruck um 5dB.
Somit ist es möglich, den Ausgangsschalldruck durch das Vorhandensein eines HLC in jedem Kanal individuell und unabhängig voneinander einzustellen.
Der Squelch ist eine Expansionsschaltung deren Zweck es ist, das Mikrofonrauschen zu mindern oder gar zu unterdrücken.
Bis zu einem Regelschwellenpegel von 20db findet eine Expansion des Eingangssignals statt. Bei dem Le=0dB ist die Verstärkung 0dB (V=La-Le). Bei dem Le=20dB ist die Verstärkung 43dB. Mit ansteigenden Eingangspegeln steigt also die Verstärkung. Umgekehrt sinkt die Verstärkung mit sinkendem Eingangspegel. Das äquivalente Eigenrauschen des Eingangsschalldruckes von Mikrofonen liegt heute zwischen 5 bis 20dB. damit dieses rauschen nicht übertragen wird, wird nun die Verstärkung bei sinkendem Eingangsschalldruck heruntergeregelt. Damit kann das Eigenrauschen des Mikrofons nicht mehr gehört werden.
Es handelt sich hierbei um eine Regelschaltung, dies bedeutet, dass das Zurückregeln der Verstärkung und das Wiederheraufregeln eine bestimmte Zeit dauert. Sind die Regelzeiten zu schnell so entsteht ein unruhiges Klangbild. Aus diesem Grunde werden etwas langsamere Regelszeiten verwendet der sogenannte "Softsquelch".
