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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Filterbanksystem für eine Hörvorrichtung
mit einer Analysefilterbank zum Zerlegen eines Eingangssignals in Teilbandsignale,
einer Verarbeitungseinrichtung zum Manipulieren mindestens eines
der Teilbandsignale und einer Synthesefilterbank zum Zusammensetzen des
manipulierten Teilbandsignals mit mindestens einem weiteren der
Teilbandsignale. Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Hörgerät mit einem derartigen Filterbanksystem.
Ein derartiges Filterbanksystem für eine Hörvorrichtung sowie ein Hörgerät mit einem
derartigen Filterbanksystem sind aus der Druckschrift
DE 698 33 749 T2 bekannt.
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Unter
dem Begriff „Hörvorrichtung” wird hier jedes
im oder am Ohr bzw. am Kopf tragbare schallausgebende Gerät verstanden,
insbesondere ein Hörgerät, ein Headset,
Kopfhörer
und dergleichen.
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Hörgeräte sind
tragbare Hörvorrichtungen, die
zur Versorgung von Schwerhörenden
dienen. Um den zahlreichen individuellen Bedürfnissen entgegenzukommen,
werden unterschiedliche Bauformen von Hörgeräten wie Hinter-dem-Ohr-Hörgeräte (HdO),
Hörgerät mit externem
Hörer (RIC:
receiver in the canal) und In-dem-Ohr-Hörgeräte (IdO), z. B. auch Concha-Hörgeräte oder
Kanal-Hörgeräte (ITE, CIC),
bereitgestellt. Die beispielhaft aufgeführten Hörgeräte werden am Außenohr oder
im Gehörgang getragen.
Darüber
hinaus stehen auf dem Markt aber auch Knochenleitungshörhilfen,
implantierbare oder vibrotaktile Hörhilfen zur Verfügung. Dabei
erfolgt die Stimulation des geschädigten Gehörs entweder mechanisch oder
elektrisch.
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Hörgeräte besitzen
prinzipiell als wesentliche Komponenten einen Eingangswandler, einen Verstärker und
einen Ausgangswandler. Der Eingangswandler ist in der Regel ein
Schallemp fänger, z.
B. ein Mikrofon, und/oder ein elektromagnetischer Empfänger, z.
B. eine Induktionsspule. Der Ausgangswandler ist meist als elektroakustischer
Wandler, z. B. Miniaturlautsprecher, oder als elektromechanischer
Wandler, z. B. Kno chenleitungshörer,
realisiert. Der Verstärker
ist üblicherweise
in eine Signalverarbeitungseinheit integriert. Dieser prinzipielle Aufbau
ist in 1 am Beispiel eines Hinter-dem-Ohr-Hörgeräts dargestellt. In ein Hörgerätegehäuse 1 zum
Tragen hinter dem Ohr sind ein oder mehrere Mikrofone 2 zur
Aufnahme des Schalls aus der Umgebung eingebaut. Eine Signalverarbeitungseinheit 3,
die ebenfalls in das Hörgerätegehäuse 1 integriert
ist, verarbeitet die Mikrofonsignale und verstärkt sie. Das Ausgangssignal
der Signalverarbeitungseinheit 3 wird an einen Lautsprecher
bzw. Hörer 4 übertragen,
der ein akustisches Signal ausgibt. Der Schall wird gegebenenfalls über einen
Schallschlauch, der mit einer Otoplastik im Gehörgang fixiert ist, zum Trommelfell
des Geräteträgers übertragen.
Die Energieversorgung des Hörgeräts und insbesondere
die der Signalverarbeitungseinheit 3 erfolgt durch eine
ebenfalls ins Hörgerätegehäuse 1 integrierte
Batterie 5.
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Schallsignale,
die von einem oder mehreren Mikrofonen eines Hörgeräts bzw. einer anderen Hörvorrichtung
aufgenommen werden, werden üblicherweise
zur weiteren Verarbeitung in Teilbandsignale zerlegt. Hierzu bedient
man sich üblicherweise
eines Analyse-Synthese-Filterbanksystems. Dieses besitzt eine oder
mehrere frequenzselektive digitale Analyse-Filterbänke (AFB),
mit denen das Schallsignal in K > 1
Teilbandsignale zerlegt wird. Anschließend erfolgt eine teilbandspezifische
Signalmanipulation, insbesondere eine Verstärkung bzw. Abschwächung der Teilbandsignale.
Anschließend
wird eine Re-Synthese
der manipulierten Teilbandsignale mittels einer oder mehrerer digitaler
Synthese-Filterbänke
(SFB) durchgeführt.
Das Filterbank-System ist in der Regel überabtastend und besitzt einen Überabtastfaktor
U ≥ 1.
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An
hochwertige Filterbänke
in Hörgeräten werden
gewisse Anforderungen gestellt. So wird beispielsweise in den untersten
Bändern
eine Kanalbreite von mindestens etwa 250 Hz benötigt. Ansonsten sollte sich
der Bandabstand in etwa nach der Bark-Skala richten. Eine feinere Auflösung, beispielsweise
in den breiteren Bändern
nach der Bark-Skala, steht der Anwendung jedoch nicht entgegen.
Ferner ist eine Kanalzahl von mindestens 22 wünschenswert. Störanteile
durch Aliasing und Imaging sollten je nach Anwendungsfall (Hörschaden
des Patienten) unterhalb von etwa 40–60 dB liegen. Aufgrund der
intensiven Teilbandverarbeitung (insbesondere die hohe erforderliche
Verstärkung
zur Kompensation des Hörschadens)
bei Hörgeräten sind
herkömmliche
Verfahren zur Auslöschung
von Aliasing und Imaging nicht wirksam. Die Filterbänke sind
daher grundsätzlich „nicht
kritisch” abzutasten.
Des Weiteren sollte die Gruppenlaufzeit (jeweils für AFB und SFB)
deutlich unter 5 ms liegen und die Gruppenlaufzeitverzerrungen einen
gewissen Rahmen nicht überschreiten.
Insbesondere für
hohe Frequenzen ist dabei die Gruppenlaufzeit so gering wie möglich zu halten,
was einen wesentlichen limitierenden Faktor für die Filterbank darstellt.
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Speziell
sollten die AFB und die SFB derart ausgebildet sein, dass sich der
Signal/Stör-Abstand am
Ausgang des Filterbank-Systems
bei beliebiger Manipulation (Verstärkung/Abschwächung) der
Teilbandsignale nur innerhalb vorgebbarer Grenzen verändert. Darin
eingeschlossen ist auch der Fall der gänzlichen Unabhängigkeit
des Signal/Stör-Abstands
am Ausgang des Filterbanksystems von der Manipulation der Teilbandsignale.
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Darüber hinaus
sollten die AFB und die SFB derart ausgelegt sein, dass für eine am
Ausgang des Filterbank-Systems in Abhängigkeit von der Manipulation
der Teilbandsignale zulässige
Schwankung des Signal/Stör-Abstands
der Schaltungsaufwand (entspricht den Filterordnungen) und/oder
die Gruppenlaufzeit (Gesamtverzögerung)
des Filterbanksystems gegenüber
dem Stand der Technik vermindert ist.
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Bei
bisherigen Ansätzen
zur Lösung
dieser Problematiken wurden die Filterbänke AFB und SFB beispielsweise
gleich entworfen (insbesondere gleiche Betragsspezifikation von
minimalphasiger AFB und maximalphasiger SFB). Bei der frequenzunabhängigen Sperrdämpfung wurde
der Überabtastfaktor
nicht im Detail berücksichtigt.
Ebenso wenig wurde die Signalmani pulation bei der Systemspezifikation
des Filterbanksystems berücksichtigt.
Damit ergaben sich große
Schwankungen der Signalqualität
(Signal/Stör-Abstand)
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Manipulation (Verstärkung) der Teilbandsignale.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Filterbanksystem
mit vermindertem Rechenaufwand vorzuschlagen, mit dem dennoch eine
hohe Signalqualität,
insbesondere ein bestimmter Signal/Stör-Abstand, erreicht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Filterbanksystem für
eine Hörvorrichtung mit
einer Analysefilterbank (AFB) zum Zerlegen eines Eingangssignals
in Teilbandsignale, einer Verarbeitungseinrichtung zum Manipulieren
mindestens eines der Teilbandsignale und einer Synthesefilterbank
(SFB) zum Zusammensetzen des manipulierten Teilbandsignals mit mindestens
einem weiteren der Teilbandsignale, wobei die Sperrdämpfung mindestens
einer der Übertragungsfunktionen
der Analysefilterbank (AFB) sich zusammensetzt aus einem separat
konfigurierbaren, frequenzunabhängigen Analyse-Grunddämpfungsanteil
und einem separat konfigurierbaren, frequenzabhängigen Analyse-Dämpfungsanteil,
und/oder die Sperrdämpfung mindestens
einer der Übertragungsfunktionen
der Synthesefilterbank (SFB) sich zusammensetzt aus einem separat
konfigurierbaren, frequenzabhängigen
Synthese-Grunddämpfungsanteil,
einem separat konfigurierbaren, frequenzabhängigen und von dem Manipulieren
abhängigen,
ersten Synthese-Dämpfungsteil
und einem separat konfigurierbaren, frequenzabhängigen, zweiten Synthese-Dämpfungsanteil.
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In
vorteilhafter Weise ist es somit möglich, bei der Sperrdämpfung bestimmte
Effekte auszunutzen und die Dämpfung
nur dort hochzuhalten, wo es notwendig ist. Dadurch kann die Filterordnung
unter Umständen
deutlich reduziert werden.
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Vorzugsweise
sind sämtliche
Dämpfungsanteile
anhand des Signal/Stör-Abstands
am Ausgang des Filterbanksystems konfigu riert. Damit ist dem Fachmann
ein einfaches Kriterium beim Entwurf der Filterbanksysteme an die
Hand gegeben.
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In
einer speziellen Ausführungsform
hängt der
Analyse-Grunddämpfungsanteil
von dem Abwärtstastfaktor
der Analysefilterbank ab. Somit lässt sich die Grunddämpfung auf
einen minimalen Wert festlegen.
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Darüber hinaus
kann in dem frequenzabhängigen
Analyse-Dämpfungsanteil
und/oder Synthese-Dämpfungsanteil
ein Maskierungseffekt eines menschlichen Gehörs berücksichtigt werden. Damit wird
die Tatsache genutzt, dass bei der Schallwahrnehmung zwei spektral
nahe beieinanderliegende Anteile sich unter Umständen ganz oder teilweise verdecken.
Rauschanteile, die durch andere Anteile verdeckt werden, müssten somit
nicht mehr in vollem Maße
gedämpft
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann der frequenzabhängige
Analyse-Dämpfungsanteil
periodisch modifiziert sein, wobei die Periodizität durch den Überabtastfaktor
der Analysefilterbank (AFB) und die maximale Dämpfungsabsenkung durch die Durchlassbereiche
(Übertragungsverhalten)
der AFB und SFB bestimmt ist. In gleicher Weise kann der frequenzabhängige Synthese-Dämpfungsanteil
periodisch modifiziert sein, wobei auch hier die Periodizität von dem
Aufwärtstastfaktor
bzw. Integrationsfaktor der Synthesefilterbank und die maximale
Dämpfungsabsenkung
durch den Überabtastfaktor
bestimmt ist. Durch die Periodizität der Dämpfungsanteile wird der Tatsache
Rechnung getragen, dass auch die Artefakte durch Aliasing und Imaging
periodisch auftreten.
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Ebenso
kann der Synthese-Grunddämpfungsanteil
von dem Aufwärtstastfaktor
der Synthesefilterbank abhängen.
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Des
Weiteren ist von besonderem Vorteil, wenn der frequenzabhängige erste
Synthese-Dämpfungsanteil
von einer Verstärkung
der Verarbeitungseinrichtung abhängt.
Damit kann die Dämpfung
der Störanteile
gerade so gewählt
werden, dass diese nur dann stark bedämpft werden, wenn sie durch hohe
Verstärkung
des Nutzsignals ebenfalls hoch sind. Auch dadurch lässt sich
generell bzw. temporär der
Filteraufwand reduzieren.
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Ferner
ist es günstig,
wenn der frequenzabhängige
zweite Synthese-Dämpfungsanteil
periodisch modifiziert ist, die Periodizität durch den Überabtastfaktor
der Synthesefilterbank (SFB) und die maximale Dämpfungsabsenkung durch den
Durchlassbereich (Übertragungsverhalten)
der SFB bestimmt ist.
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Es
wurde bereits angedeutet, dass das oben beschriebene Filterbanksystem
besonders vorteilhaft in einem Hörgerät genutzt
werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze eines Hörgeräts gemäß dem Stand
der Technik;
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2 ein
Blockschaltbild eines Filterbanksystems;
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3 ein
Beispiel für
die Spezifikation eines AFB-Prototypfilters
und
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4 ein
Beispiel für
die Spezifikation eines SFB-Prototypfilters.
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Die
nachfolgend näher
geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
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In 2 ist
ein Filterbanksystem schematisch dargestellt, wie es beispielsweise
in einem Gerät
genutzt wird. Ein Eingangssignal e (z. B. Sprachsignal) wird einer
Analysefilterbank AFB zugeführt. Diese
zerlegt das Eingangssignal e in 32 Teilbänder. Anschließend erfolgt
eine teilbandspezifische Manipulation M1, M2, M3, ..., M32 der Einzelsignale.
Nach der Manipulation werden die einzelnen Teilbandsignale in einer
hinsichtlich des Betragsfrequenzgangs an die Analysefilterbank AFB
angepasste Synthesefilterbank SFB wieder zu einem Ausgangssignal
a synthetisiert.
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Sowohl
in der Analysefilterbank AFB als auch der Synthesefilterbank SFB
werden die einzelnen Filterfunktionen durch so genannte Prototypfilter realisiert,
von dem beispielsweise durch einen komplex modulierenden Transformationskern
in der Filterbank die Einzelfilter abgeleitet werden. Diese Prototypfilter
besitzen beispielsweise Tiefpasscharakteristik. Nachfolgend wird
lediglich der Sperrbereich der Prototypfilter betrachtet.
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Entsprechend
dem erfindungsgemäßen Kerngedanken
setzt sich die Sperrdämpfungsspezifikation
der Übertragungsfunktionen
der AFB aus einer frequenzunabhängigen
Grunddämpfung
aAFB und frequenzabhängigen Dämpfungsanteilen zusammen. Die
Sperrdämpfungsspezifikation
der Übertragungsfunktionen
der SFB setzt sich aus einer frequenzunabhängigen Grunddämpfung aSFB und ersten und zweiten frequenzabhängigen Dämpfungsanteilen
zusammen, wobei der erste frequenzabhängige Dämpfungsanteil zusätzlich von
der Signalmanipulation zwischen den beiden Filterbänken abhängt. Insbesondere
soll die AFB und die SFB derart spezifiziert sein, dass durch Nutzung
der Überabtastung der
Teilbandsignale um einen Faktor U > 1
(U = Überabtastfaktor)
der Schaltungsaufwand, d. h. die Filterordnung und/oder die Gesamtgruppenlaufzeit
(Verzögerung)
des Filterbanksystems vermindert ist. Außerdem sollen als Option auch
wechselseitige Maskierungseffekte frequenzmäßig eng benachbarter Signalanteile
genutzt werden, um den Schaltungsaufwand bzw. die Filterordnung
und/oder die Gesamtgruppenlaufzeit des Filterbanksystems zu vermindern.
Ferner sollte die Verschlechterung des Signal/Stör-Abstands am Ausgang des Filterbanksystems
bei beliebiger Manipulation (Verstärkung/Abschwächung der
Teilbandsignale durch Aliasingbeiträge der AFB bzw. durch Imagingbeiträge der SFB etwa
gleich groß sein.
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Die
Konfiguration eines konkreten Filterbanksystems wird nun anhand
der 3 und 4 näher erläutert. Als objektives Kriterium
für die
Dimensionierung der Filter wird generell der Signal/Stör-Abstand
SNR am Ausgang des Filterbanksystems verwendet.
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Bei
der Konfiguration der Analysefilterbank AFB wird zunächst eine
frequenzunabhängige Grunddämpfung aAFB durch den gewünschten SNRAFB festgelegt.
Dieser Signal/Stör-Abstand
SNRAFB ergibt sich aufgrund von Aliasing
in der AFB. Dabei ist die Grunddämpfung
aAFB abhängig
vom Dezimationsfaktor M (= Abwärtstastfaktor)
der AFB, der die Anzahl der überhaupt
vorhandenen Aliasing-Anteile bestimmt. Die Grunddämpfung im
Sperrbereich wird nun durch eine frequenzabhängige zusätzliche Sperrdämpfung ergänzt. Ein
erster Teil 10 des frequenzabhängigen Dämpfungsanteils der AFB-Spezifikation
ergibt sich dadurch, dass Maskierungseffekte des menschlichen Ohrs
ausgenutzt werden. Dadurch wird die Sperrdämpfung in der Nähe des Filterdurchlassbereichs
vermindert. In dem Beispiel von 3 ist dieser
zweite Teil 10 in der Nähe
des Durchlassbereichs um 10 dB reduziert und steigt dann ab dem achten
Teilband rampenförmig
zu seinem Endwert an.
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Ein
zweiter Teil 11 des frequenzabhängigen Dämpfungsanteils der AFB-Spezifikation
ergibt sich dadurch, dass die in der AFB durch Aliasing erzeugten
Störanteile
in der SFB unterschiedlich bewertet werden. Der zweite Teil 11 ist
periodisch, so dass die gesamte Sperrdämpfung über der Frequenz periodisch
modifiziert wird. Dabei hängt
die Anzahl der Perioden vom Überabtastfakor
U ab, und die Tiefe der zulässigen
Dämpfungsabsenkung
wird vom Produkt der Durchlassbereiche der Prototypfilter in der
AFB und SFB bestimmt.
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Die
gesamte Sperrdämpfung 12 ergibt
sich aus der Summe aller Dämpfungsanteile
einschließlich
der Grunddämpfung,
ein logarithmisches Maß (Dezibel)
zu Grunde legend. In 3 ist die gesamte frequenzabhängige Sperrdämpfung 12 dargestellt. Ihr
absolutes Niveau ergibt sich aus der Grunddämpfung aAFB (in 3 nicht
dargestellt), die im logarithmischen Maß zur frequenzabhängigen Sperrdämpfung addiert
wird. Die frequenzabhängige
Sperrdämpfung
steigt damit über
den hier gewählten
32 Teilbändern
entsprechend der Rampe des ersten Teils 10 an.
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Die
Grunddämpfung
aSFB der Synthesefilterbank wird ebenfalls
durch den gewünschten
Signal/Stör-Abstand
SNRSFB festgelegt. Er ergibt sich aufgrund
von Imaging in der SFB. Auch hier ist die Grunddämpfung aSFB abhängig vom
Interpolationsfaktor M der SFB, der gleich dem Dezimationsfaktor M
der AFB ist.
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Ein
erster frequenzabhängiger
Dämpfungsanteil 13 erhöht die Grunddämpfung aSFB der Sperrdämpfungsspezifikation um die
frequenzabhängige Verstärkung (Abschwächung =
negative Verstärkung in
dB), mit der die Teilbandsignale zwischen den Filterbänken manipuliert
werden. Diese verstärkungsabhängige Komponente
ist wichtig, denn die Imaging-Anteile in der SFB werden mitverstärkt.
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Ein
erster Teil 14 des zweiten frequenzabhängigen Dämpfungsanteils der SFB-Spezifikation (vgl. 4)
ergibt sich wie bei der AFB dadurch, dass Maskierungseffekte des
menschlichen Ohrs ausgenützt
werden. Damit wird die Spezifikation der Sperrbereichsdämpfung der Übertragungsfunktion
der SFB-Filter in der Nähe
des Filterdurchlassbereichs genau wie bei der AFB vermindert. Auch
diese Verminderung kann zu einer Reduzierung der Filterordnung beitragen.
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Weiterhin
ergibt sich ein zweiter Teil 15 des zweiten frequenzabhängigen Dämpfungsanteils
der SFB-Spezifikation dadurch, dass U·(M – 1) Spektralanteile (Images
der SFB) unterschiedlicher Stärke
in jedem Kanal zu liegen kommen. In einem Kanal ergeben sich M – 1 Hauptanteile
(Zentralbereich einer spektralen Verteilung von Signal- und Alias-Leistung) und
K – M – 1 unterschiedlich
stark abgeschwächte Nebenanteile
(Außenbereiche
der spektralen Verteilung von Signal- und Alias-Leistung). Die Spezifikation der Sperrdämpfung wird
folglich periodisch über der
Frequenz modizifiert, wobei die Anzahl der Perioden vom Überabtastfaktor
U abhängt
und die Tiefe der zulässigen
Dämpfungsabsenkung
vom Durchlassbereich des Prototypfilters (in der SFB) bestimmt ist.
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Die
gesamte Sperrdämpfung 16 des
Prototypfilters für
die SFB ergibt sich wieder aus der Summe sämtlicher Dämpfungsanteile. Auch hier bestimmt
die Grunddämpfung
aSFB die absolute Lage der Sperrdämpfung,
indem sie für
die Spezifikation des Prototypfilters zu den frequenzabhängigen Dämpfungsanteilen
im logarithmischen Sinne hinzuaddiert wird.
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Die
frequenzabhängige
Verkleinerung der Sperrdämpfung 12 bzw. 16 in
den optimierten Spezifikationen (vgl. 3 und 4)
wird nun dazu genutzt, beispielsweise den Schaltungsaufwand bzw. die
Filterordnung zu reduzieren. Alternativ, zusätzlich oder implizit (für den Fall
eines bei einem gegebenen Filtertyp gegebenen festen Zusammenhangs
zwischen Filterordung und Gruppenlaufzeit) kann die frequenzabhängige Verkleinerung
der Sperrdämpfung
auch dazu genutzt werden, die Gruppenlaufzeit zu reduzieren. Optional
kann auch die frequenzunabhängige
Grunddämpfung
der Filterbänke
erhöht
werden, wenn sich die Sperrdämpfung
frequenzabhängig
verkleinern lässt.
Diese Vorteile lassen sich einzeln oder in Kombination nutzen.