mehrkanalige geräuschunterdrückungssysteme zum freisprechen im kfz 14. 12. 2005 dr.-ing. markus...
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Mehrkanalige Geräuschunterdrückungssysteme Mehrkanalige Geräuschunterdrückungssysteme zum Freisprechen im Kfzzum Freisprechen im Kfz
Mehrkanalige Geräuschunterdrückungssysteme Mehrkanalige Geräuschunterdrückungssysteme zum Freisprechen im Kfzzum Freisprechen im Kfz
14. 12. 200514. 12. 200514. 12. 200514. 12. 2005
Dr.-Ing. Markus BuckDr.-Ing. Markus Buck
MotivationMotivationMotivationMotivation
Freisprechmikrofon (SNR: 4dB)
Headset Mikrofon (SNR: 14dB)
Anwendungen für Freisprechen im Kfz
• Telefonie
• Sprachbedienung
• Insassenkommunikation
Für Freisprechen ist eine wirksame Geräuschunterdrückung notwendig.
Folie 1 Markus Buck, 14.12.2005
Gliederung des VortragsGliederung des VortragsGliederung des VortragsGliederung des Vortrags
Inhaltsübersicht
• Räumliche und zeitliche Eigenschaften von Schallfeldern
• Funktionsprinzip und Grundlagen des „Beamforming“
• Robustheit von adaptiven „Beamformern“
• Adaptive Selbstkalibrierung für „Beamformer“
• Kombination von mehrkanaliger Geräuschunterdrückung und akustischer Echokompensation
Folie 2 Markus Buck, 14.12.2005
Schallfelder (1)Schallfelder (1)Schallfelder (1)Schallfelder (1)
Lösungen für das freie Schallfeld
1) Ebene Welle
Kreisfrequenz:
Wellenzahl:
Dispersionsrelation:
Wellengleichung für Wechseldruck
Schallgeschwindigkeit:
Folie 3 Markus Buck, 14.12.2005
Schallfelder (2)Schallfelder (2)Schallfelder (2)Schallfelder (2)
2) Kugelwelle
6dB Abfall des Signalpegels bei Abstandsverdoppelung.
Fernfeld-Näherung: für kann das Schallfeld einer Punktquelle lokal durch ein ebenes Wellenfeld angenähert werden.
3) Diffuses Schallfeld
• homogenes Feld
• isotropes Feld
Überlagerung unendlich vieler untereinander unkorrelierter ebener Wellen gleicher Leistung gleichverteilt aus allen Raumrichtungen.
Das Hintergrundgeräusch im fahrenden Kfz wird häufig als diffuses Schallfeld modelliert.
Folie 4 Markus Buck, 14.12.2005
Reale SchallfelderReale SchallfelderReale SchallfelderReale Schallfelder
Reale Schallfelder sind sehr komplex. Anstatt der Betrachtung des gesamten Schallfeldes wird das Schallsignal nur an den Mikrofonpositionen betrachtet.
Raumimpulsantwort im Kfz:
Energieabklingkurve:
Nachhallzeit :
Abklingen der Energie um 60 dB.
Folie 5 Markus Buck, 14.12.2005
MikrofonsignaleMikrofonsignaleMikrofonsignaleMikrofonsignale
Kreuzleistungsdichtespektrum zweier Mikrofonsignale xm(t) und xn(t):
Kohärenz zweier Mikrofonsignale:
Beispiel:
Betragsquadrat der Kohärenz im diffuses Schallfeld für einen Mikrofonabstand von d = 5 cm.
Niedrige Kohärenz bei hohen Frequenzen.
Folie 6 Markus Buck, 14.12.2005
Delay-and-Sum BeamformerDelay-and-Sum BeamformerDelay-and-Sum BeamformerDelay-and-Sum Beamformer
• Das Schallfeld wird durch Mikrofone räumlich abgetastet.
• Durch Verzögerung der Mikrofonsignale werden Signale, die aus der Vorzugsrichtung einfallen, phasengleich aufaddiert.
• Signale aus anderen Raumrichtungen überlagern sich destruktiv.
+::
x
x
x
Übertragungsfunktion:
Ausgangssignal:
Signal als ebene Welle aus der Richtung :
Folie 7 Markus Buck, 14.12.2005
Lineares Array (1)Lineares Array (1)Lineares Array (1)Lineares Array (1)
Sonderfall: lineares Array mit äquidistanten Mikrofonpositionen
Broadside-Array ( )
Endfire-Array
Vorzugsrichtung:
Die Übertragungsfunktion
hängt neben der gewünschten Abhängikeit von stark von der Kreisfrequenz und vom Mikrofonabstand d ab:
Es besteht keine Abhängigkeit von Rotationssymmetrie
Folie 8 Markus Buck, 14.12.2005
Lineares Array (2)Lineares Array (2)Lineares Array (2)Lineares Array (2)
Beispiel: Broadside Array mit M = 6 Mikrofonen mit Mikrofonabstand d = 8 cm
Räumliches Aliasing tritt bei auf, d.h. in diesem Beispiel bei f = 2125 Hz.
Es besteht eine Analogie zum Aliasing für zeitlich abgetastete Signale.
Folie 9 Markus Buck, 14.12.2005
Lineares Array (3)Lineares Array (3)Lineares Array (3)Lineares Array (3)
Mit den Gewichten am kann eine räumliche Fensterfunktion realisiert werden:
Rechteckfenster Tschebyscheff-Fenster
Folie 10 Markus Buck, 14.12.2005
Filter-and-Sum Beamformer (1)Filter-and-Sum Beamformer (1)Filter-and-Sum Beamformer (1)Filter-and-Sum Beamformer (1)
Vektorielle Schreibweise:
Beamformer-Filter:
Mikrofoneigenschaften:
Schallsignale:
Leistungsdichtematrix der Mikrofonsignale:
• Die Mikrofonsignale werden gefiltert und aufaddiert.
• Die Mikrofonsignale werden nicht mehr phasengleich aufaddiert.
• Wird auch als superdirektiver Beamformer bezeichnet, da im Vergleich zum
Delay-and-Sum Beamformer höhere Gewinne erzielbar sind.
+::
Folie 11 Markus Buck, 14.12.2005
Filter-and-Sum Beamformer (2)Filter-and-Sum Beamformer (2)Filter-and-Sum Beamformer (2)Filter-and-Sum Beamformer (2)
Übertragungsfunktion:
Ebene Wellen aus Richtung als Anregungssignal
Akustische Laufzeiten in vektorieller Notation:
Die Ausrichtung der Keule wird durch die Vorzugsrichtung vorgegeben.Laufzeit-Vektor für die Vorzugsrichtung:
Folie 12 Markus Buck, 14.12.2005
Bewertung von BeamformernBewertung von BeamformernBewertung von BeamformernBewertung von Beamformern
Suszeptibilität (Maß für Störanfälligkeit):
Richtdiagramm:
Direktivität (Gewinn-Maß):
Folie 13 Markus Buck, 14.12.2005
Optimaler Entwurf: MVDR-KriteriumOptimaler Entwurf: MVDR-KriteriumOptimaler Entwurf: MVDR-KriteriumOptimaler Entwurf: MVDR-Kriterium
• Minimierung der Ausgangsleistung:
• Nebenbedingung: unverzerrte Übertragung in Vorzugsrichtung
MVDR-Kriterium ("minimum variance distortionless response")
• Lösung:
Folie 14 Markus Buck, 14.12.2005
Adaptives BeamformingAdaptives BeamformingAdaptives BeamformingAdaptives Beamforming
Damit sich der Beamformer auf zeitlich veränderliche Störschallfelder einstellen kann, werden die Filter des Filter-and-Sum Beamformers als adaptive FIR-Filter realisiert.
Unter der Nebenbedingung einer unverzerrten Übertragung für die Vorzugsrichtung wird die Ausgangsleistung minimiert.
Am gebräuchlichsten sind Verfahren auf der Basis des NLMS-Algorithmus.
In praktischen Anwendungen fallen mit dem Nutzsignal korrelierte Signalanteile aus unterschiedlichen Raumrichtungen auf das Array ein. Eine Adaption der Filter während Sprache führt zu "Signal Cancellation".
Zur Adaption des Beamformers ist aus diesem Grunde eine Adaptionssteuerung erforderlich, die eine Adaption der Filter während Sprachaktivität verhindert.
mit
Folie 15 Markus Buck, 14.12.2005
GSC-StrukturGSC-StrukturGSC-StrukturGSC-Struktur
Die Nebenbedingungen werden durch eine Blockier-Matrix umgesetzt. Damit resultieren wesentliche Vereinfachungen:
Adaptive Filterung nun ohne zusätzliche Nebenbedingung.
Einsparung an Rechenzeit.
Ausgang eines nichtadaptiven Beamformers als Zwischenergebnis.
Mehrkan.adaptives
Filter
Lauf-zeit
ausgl.
Blockier-
matrix
FesterBeam-former
+-
Nichtadaptiver Signalpfad:
Unterdrückung von unkorrelierten Störungen
Adaptiver Signalpfad:
Unterdrückung von korrelierten Störsignalanteilen
Folie 16 Markus Buck, 14.12.2005
Wirkungsweise eines BeamformersWirkungsweise eines BeamformersWirkungsweise eines BeamformersWirkungsweise eines Beamformers
Einsprechrichtung
Kohärente Störschallquelle
Fester Beamformer: Filter werden a priori entworfen
Adaptiver Beamformer: datenabhängige Richtcharakteristik
Richtdiagramm für ein lineares Array aus 4 Mikrofonen bei f = 1500 Hz.
Als Störung liegt ein diffuses Schallfeld mit einem kohärenten Störer vor.
0 dB
-10 dB
-20 dB
-30 dB
Folie 17 Markus Buck, 14.12.2005
HörbeispielHörbeispielHörbeispielHörbeispiel
4-Mikrofon Beamformer im Kfz (Mercedes E-Klasse) Störschall aus einem Lautsprecher von der Beifahrerseite Geräuschunterdrückung > 15 dB durch adaptive räumliche Filterung
Einzelmikrofon
Fester Beamformer
Adaptiver Beamformer
Folie 18 Markus Buck, 14.12.2005
HörbeispielHörbeispielHörbeispielHörbeispiel
4-Mikrofon Beamformer im Kfz (Mercedes E-Klasse) Aufnahmesituation: Beschleunigung auf 130 km/h
Single Microphone
Fixed Beamformer
Adaptive Beamformer
ABF with single channel NR
Folie 19 Markus Buck, 14.12.2005
Auswirkungen von MikrofonabweichungenAuswirkungen von MikrofonabweichungenAuswirkungen von MikrofonabweichungenAuswirkungen von Mikrofonabweichungen
Die Filtereinstellungen hängen von den Eingangsdaten ab.
Mikrofontoleranzen wirken sich auf die Filter aus.
Tatsächlich vorliegende Übertragungsfunktion:
Nichtideale Mikrofone weichen die Nebenbedingung auf.
Es ergibt sich ein Spielraum, der eine Dämpfung für die Vorzugsrichtung zulässt.
Implementierte Nebenbedingung:
Folie 20 Markus Buck, 14.12.2005
Messung MikrofonabweichungenMessung MikrofonabweichungenMessung MikrofonabweichungenMessung Mikrofonabweichungen
Messung und statistische Auswertung für 47 Einzelmikrofone vom Typ AKG Q400 Mk3T
Folie 21 Markus Buck, 14.12.2005
Erhöhung der RobustheitErhöhung der RobustheitErhöhung der RobustheitErhöhung der Robustheit
Beschränkung der Leistungsfähigkeit, so dass der Beamformer trotz der vorliegenden Abweichungen funktioniert:
• Begrenzung der Suszeptibilität:
• Zusätzliche räumliche Nebenbedingungen
• "Leck"-Faktor im Adaptionsalgorithmus für Beamformer-Filter
Verbesserung der Mikrofonsignaleigenschaften:
• Klassische Kalibrierung:
• spezielle Messung notwendig
• Mikrofonabweichungen sind aufgrund von Alterungsprozessen Aals zeitvariant zu betrachten.
• Adaptive Kalibrierung:
• Sprache als Anregungssignal
• Adaptionssteuerung
Folie 22 Markus Buck, 14.12.2005
Adaptive Grundeinheit zur KalibrierungAdaptive Grundeinheit zur KalibrierungAdaptive Grundeinheit zur KalibrierungAdaptive Grundeinheit zur Kalibrierung
Grundeinheit für die adaptive Kalibrierung:
• Adaptives FIR-Filter zur Entzerrung
• Minimierung der Fehlersignalleistung
• Adaption der Koeffizienten mit dem NLMS-Algorithmus
Folie 23 Markus Buck, 14.12.2005
Adaptive Selbstkalibrierung (1)Adaptive Selbstkalibrierung (1)Adaptive Selbstkalibrierung (1)Adaptive Selbstkalibrierung (1)
Einzelmikrofon als Bezug (A):
Fester Beamformer als Bezug (C):
Einzelmikrofon als Bezug (B):
Fester Beamformer als Bezug (D):
Folie 24 Markus Buck, 14.12.2005
Adaptive Selbstkalibrierung (2)Adaptive Selbstkalibrierung (2)Adaptive Selbstkalibrierung (2)Adaptive Selbstkalibrierung (2)
Rückgekoppelte Struktur (Ck):
• Nebenbedingung notwendig:
• Grundstruktur IC* ohne Signal-tzverzögerung
Fester Beamformer als Bezug (C):
Folie 25 Markus Buck, 14.12.2005
GesamtsystemGesamtsystemGesamtsystemGesamtsystem
Ein Gesamtsystem kann mit Selbstkalibrierung und Beamformer zwei adaptive Teilsysteme enthalten.
ABF A+ABF C+ABF Ck+ABF
Wortakkuratheit 87,7% 88,0% 88,3% 88,9%
Rel. Verbesserung der Wortfehlerrate
0,0% 2,2% 5,0% 9,5%
Ergebnisse bei der Spracherkennung:
Folie 26 Markus Buck, 14.12.2005
Ergebnisse aus dem praktischen EinsatzErgebnisse aus dem praktischen EinsatzErgebnisse aus dem praktischen EinsatzErgebnisse aus dem praktischen Einsatz
• Aufnahme in einem fahrenden Fahrzeug (SNR von etwa 10 dB)
• Lineares Array aus 4 Cardioid- Mikrofonen mit Abständen von 5 cm (Serien-Array Mercedes E-Klasse).
• Gesamtsystem mit - festem Laufzeitausgleich, - adaptiver Selbstkalibration (Ck) - adaptivem Beamformer
Einzelmikrofon unkalib. ABF ABF mit Selbstkal. Einzelmikrofon
Folie 27 Markus Buck, 14.12.2005
Evaluierung mit Lombard-SpracheEvaluierung mit Lombard-SpracheEvaluierung mit Lombard-SpracheEvaluierung mit Lombard-Sprache
Um signifikante Erkennraten zu ermitteln ist eine große Anzahl von Sprechern und Sprachäußerungen notwendig. Bei jeder Modifikationen des Mikrofon-Setups sind neue Sprachaufnahmen notwendig. hoher Aufwand
Synthese der Audiodaten aus getrennt aufgezeichneten Sprach- und Störsignalen.
Generieren eines fahrzeug- und mikrofonspezifischen Datensatzes aus einer „Clean Speech“ Datenbank, die Lombard-Sprache enthält.
Lombard- Sprache
Stör-geräusch
sprecherspezifische Daten
fahrzeugspezifische Daten
In Ruhe Mittlerer Fahrgeräuschpegel Hoher Fahrgeräuschpegel
Lombard-Sprache
+
Folie 28 Markus Buck, 14.12.2005
Lombard-Effekt: SprachpegelLombard-Effekt: SprachpegelLombard-Effekt: SprachpegelLombard-Effekt: Sprachpegel
• Sprachpegel am Mund-Referenz-Punkt (MRP)
• Geräuschpegel am Sprecherohr
Abhängigkeit des mittleren Sprachpegels vom Hintergrundgeräusch:
Anstieg um ca. 0,3 dB/dB(A)
Folie 29 Markus Buck, 14.12.2005
Ergebnisse mit Lombard-SpracheErgebnisse mit Lombard-SpracheErgebnisse mit Lombard-SpracheErgebnisse mit Lombard-Sprache
Simulation verschiedener Geschwindigkeiten mit Lombard-Sprachdaten
• Skalierung der Sprache, abhängig vom Fahrgeräuschpegel
• Faltung mit im Fahrzeug gemessener Impulsantwort
• Addition von gemessenem Fahrgeräusch
Die relative Wortfehlerrate bezieht sich auf das Einzelmikrofon bei 40 km/h.
Folie 30 Markus Buck, 14.12.2005
Kombination von Echokompensation und BFKombination von Echokompensation und BFKombination von Echokompensation und BFKombination von Echokompensation und BF
MIMO-System: N Lautsprecher und M Mikrofone
:
:
+
1) Echokompensator vor Beamformer: M*N Echokompensationsfilter
:
:
+
+
-
3) Gemeinsames Fehlersignal, GSC-Struktur: M Echokompensationsfilter
• Adaption ohne räumliche Nebenbedingungen.
• Filter für EC und BF müssen gleich lang sein.
Folie 31 Markus Buck, 14.12.2005
:
:
+-
2) Gemeinsames Fehlersignal für EC und BF: M Echokompensationsfilter
ZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassungZusammenfassung
Schallfelder
Lösungen für eine adaptive Selbstkalibrierung
- Analogie zur Abtastung und Filterung zeitlicher Signale
- Starke Abhängigkeit des Richtdiagramms von der Frequenz und vom AMikrofonabstand
Beamforming
- Schallpegel einer Punktquelle fällt mit 6 dB pro Abstandsverdopplung ab
- Fernfeld einer Punktquelle kann als ebenes Schallfeld angenähert werden
- Diffuses Schallfeld als Modell für Fahrgeräusch im Kfz
- Kalibrierung im Hintergrund während des normalen Betriebs
- Das Gesamtsystem erweist sich im praktischen Einsatz als sehr robust Demonstration mit Echtzeitsystem
Evaluierung mit Lombard-Sprache
Kombination von Echokompensation und Beamforming
Folie 32 Markus Buck, 14.12.2005
KontaktKontaktKontaktKontakt
Markus Buck
Harman/Becker Automotive Systems GmbHAcoustic Signal Processing (EDA)
Söflinger Str. 10089077 Ulm
Email: mbuck@harmanbecker.com
Folie 34 Markus Buck, 14.12.2005
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