Beiträge zur Digitalisierung eines Hochfrequenz-Kondensatormikrofons: Von der Fakultät für Elektrotechnik der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs genehmigte Dissertation

Abstract

Das Einsatzgebiet von Mikrofonen ist sehr vielseitig. Je nach Anwendungsfall werden dafür verschiedenste Baugrößen mit unterschiedlichsten Techniken zur Schallwandlung verwendet. Ein Wandlertyp ist das Kondensatormikrofon. Dabei kann es elektronisch entweder in Niederfrequenz- oder Hochfrequenz-Schaltung betrieben werden, wobei die Hochfrequenz-Schaltung Vorteile bietet. Allerdings ist eine solche Implementierung komplexer. Beide Schaltungsvarianten sind zwar kommerziell verfügbar, allerdings ist das Portfolio an Hochfrequenz-Kondensatormikrofonen klein. Des Weiteren sind die Hochfrequenz-Schaltungen bislang gänzlich analog realisiert. Der heutige Trend zeigt jedoch eine zunehmende Digitalisierung analoger Schaltungen.

In dieser Arbeit werden Beiträge für ein digitalisiertes Hochfrequenz-Kondensatormikrofon vorgestellt. Die zugrunde liegende Schallwandlung selbst ist jedoch aufgrund des Wandlungsprinzips (ein zeitvarianter Kondensator) weiterhin analog realisiert. Die für den Betrieb zusätzlich benötigten Komponenten sind digitalisiert.

Zunächst wird ein digitales Trägersignal erzeugt und analog gewandelt. Das Trägersignal wird in eine analoge Messbrückenschaltung eingespeist. Die in der Messbrücke verschaltete zeitvariante Kapazität moduliert das Trägersignal in der Amplitude. Das generierte amplitudenmodulierte Signal wird digital gewandelt und einem digitalen kohärenten Demodulator zugeführt. Nach zusätzlicher digitaler Signalverarbeitung liegt ein digitales Audiosignal vor.

Aufgrund der digitalen Demodulation ergibt sich stets ein analoges Bandpasssignal, welches frei von elektrischen tieffrequenten Rauscheinflüssen ist. Des Weiteren kann die Sensitivität des Mikrofons durch Anpassung der Amplitude des Trägersignals direkt digital gesteuert werden, was schließlich einen rein digitalen Ansatz zur automatischen Dynamikerweiterung des Systems ermöglicht.

Das Gesamtsystem dieses neuartigen Hochfrequenz-Kondensatormikrofons mit digitaler Signalverarbeitung erreicht einen höheren Signal-Rausch-Abstand, als es der aktuelle Stand der Technik hergibt. Zudem zeigt die automatische Dynamikerweiterung, dass der Dynamikumfang des Systems erhöht werden kann.