Mehrkanalige Geräuschunterdrückungssysteme zum Freisprechen im Kfz

1. Mehrkanalige Geräuschunterdrückungssysteme zum Freisprechen im Kfz 14. 12. 2005 Dr.-Ing. Markus Buck

2. Folie 1 Markus Buck, 14.12.2005 Motivation • Anwendungen für Freisprechen im Kfz • Telefonie • Sprachbedienung • Insassenkommunikation Freisprechmikrofon (SNR: 4dB) Headset Mikrofon (SNR: 14dB) Für Freisprechen ist eine wirksame Geräuschunterdrückung notwendig.

3. Folie 2 Markus Buck, 14.12.2005 Gliederung 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

4. Wellengleichung für Wechseldruck • Schallgeschwindigkeit: • Lösungen für das freie Schallfeld • 1) Ebene Welle • Kreisfrequenz: • Wellenzahl: • Dispersionsrelation: Folie 3 Markus Buck, 14.12.2005 Schallfelder (1)

5. 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 Schallfelder (2)

6. Folie 5 Markus Buck, 14.12.2005 Reale 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.

7. Folie 6 Markus Buck, 14.12.2005 Mikrofonsignale • 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.

8. x x + :: x Signal als ebene Welle aus der Richtung : Übertragungsfunktion: Folie 7 Markus Buck, 14.12.2005 Delay-and-Sum Beamformer Ausgangssignal: • Das Schallfeld wird durch Mikrofone räumlich abgetastet. • Durch Verzögerung der Mikrofonsignale werden Signale, die aus derVorzugsrichtung einfallen, phasengleich aufaddiert. • Signale aus anderen Raumrichtungen überlagern sich destruktiv.

9. Sonderfall: lineares Array mit äquidistanten Mikrofonpositionen Vorzugsrichtung: Broadside-Array ( ) Endfire-Array Die Übertragungsfunktion hängt neben der gewünschten Abhängikeit von qstark von der Kreisfrequenz w und vom Mikrofonabstand d ab: Es besteht keine Abhängigkeit von j Rotationssymmetrie Folie 8 Markus Buck, 14.12.2005 Lineares Array (1)

10. Folie 9 Markus Buck, 14.12.2005 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.

11. Folie 10 Markus Buck, 14.12.2005 Lineares Array (3) Mit den Gewichten am kann eine räumliche Fensterfunktion realisiert werden: Rechteckfenster Tschebyscheff-Fenster

12. + :: Folie 11 Markus Buck, 14.12.2005 Filter-and-Sum Beamformer (1) • 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. Vektorielle Schreibweise: Beamformer-Filter: Mikrofoneigenschaften: Schallsignale: Leistungsdichtematrix der Mikrofonsignale:

13. Folie 12 Markus Buck, 14.12.2005 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:

14. Folie 13 Markus Buck, 14.12.2005 Bewertung von Beamformern Richtdiagramm: Direktivität (Gewinn-Maß): Suszeptibilität (Maß für Störanfälligkeit):

15. MVDR-Kriterium ("minimum variance distortionless response") • Minimierung der Ausgangsleistung: • Nebenbedingung: unverzerrte Übertragung in Vorzugsrichtung • Lösung: Folie 14 Markus Buck, 14.12.2005 Optimaler Entwurf: MVDR-Kriterium

16. Folie 15 Markus Buck, 14.12.2005 Adaptives 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

17. Lauf- zeit ausgl. Fester Beam- former + - Mehrkan. adaptives Filter Blockier- matrix Folie 16 Markus Buck, 14.12.2005 GSC-Struktur Nichtadaptiver Signalpfad:Unterdrückung von unkorrelierten Störungen Adaptiver Signalpfad:Unterdrückung von korrelierten Störsignalanteilen 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.

18. Folie 17 Markus Buck, 14.12.2005 Wirkungsweise eines Beamformers 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 Einsprechrichtung Kohärente Störschallquelle Fester Beamformer: Filter werden a priori entworfen Adaptiver Beamformer: datenabhängige Richtcharakteristik

19. Folie 18 Markus Buck, 14.12.2005 Hörbeispiel • 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

20. Folie 19 Markus Buck, 14.12.2005 Hörbeispiel • 4-Mikrofon Beamformer im Kfz (Mercedes E-Klasse) • Aufnahmesituation: Beschleunigung auf 130 km/h

21. Folie 20 Markus Buck, 14.12.2005 Auswirkungen von Mikrofonabweichungen Die Filtereinstellungen hängen von den Eingangsdaten ab. Mikrofontoleranzen wirken sich auf die Filter aus. Implementierte Nebenbedingung: Tatsächlich vorliegende Übertragungsfunktion: Nichtideale Mikrofone weichen die Nebenbedingung auf. Es ergibt sich ein Spielraum, der eine Dämpfung für die Vorzugsrichtung zulässt.

22. Folie 21 Markus Buck, 14.12.2005 Messung Mikrofonabweichungen Messung und statistische Auswertung für 47 Einzelmikrofone vom Typ AKG Q400 Mk3T

23. Folie 22 Markus Buck, 14.12.2005 Erhöhung 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

24. Folie 23 Markus Buck, 14.12.2005 Adaptive Grundeinheit zur Kalibrierung • Grundeinheit für die adaptive Kalibrierung: • Adaptives FIR-Filter zur Entzerrung • Minimierung der Fehlersignalleistung • Adaption der Koeffizienten mit dem NLMS-Algorithmus

25. Einzelmikrofon als Bezug (A): Einzelmikrofon als Bezug (B): Fester Beamformer als Bezug (C): Fester Beamformer als Bezug (D): Folie 24 Markus Buck, 14.12.2005 Adaptive Selbstkalibrierung (1)

26. Rückgekoppelte Struktur (Ck): Fester Beamformer als Bezug (C): • Grundstruktur IC* ohne Signal-tzverzögerung • Nebenbedingung notwendig: Folie 25 Markus Buck, 14.12.2005 Adaptive Selbstkalibrierung (2)

27. Folie 26 Markus Buck, 14.12.2005 Gesamtsystem Ein Gesamtsystem kann mit Selbstkalibrierung und Beamformer zwei adaptive Teilsysteme enthalten. Ergebnisse bei der Spracherkennung:

28. Folie 27 Markus Buck, 14.12.2005 Ergebnisse aus dem praktischen Einsatz Einzelmikrofon unkalib. ABF ABF mit Selbstkal. Einzelmikrofon • Aufnahme in einem fahrendenFahrzeug (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

29. Folie 28 Markus Buck, 14.12.2005 Evaluierung 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. sprecherspezifische Daten fahrzeugspezifische Daten + Lombard- Sprache Stör-geräusch Lombard-Sprache In Ruhe Mittlerer Fahrgeräuschpegel Hoher Fahrgeräuschpegel

30. Folie 29 Markus Buck, 14.12.2005 Lombard-Effekt: Sprachpegel Abhängigkeit des mittleren Sprachpegels vom Hintergrundgeräusch: Anstieg um ca. 0,3 dB/dB(A) • Sprachpegel am Mund-Referenz-Punkt (MRP) • Geräuschpegel am Sprecherohr

31. Folie 30 Markus Buck, 14.12.2005 Ergebnisse 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.

32. + : 1) Echokompensator vor Beamformer: M*N Echokompensationsfilter 2) Gemeinsames Fehlersignal für EC und BF: M 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 Kombination von Echokompensation und BF MIMO-System: N Lautsprecher und M Mikrofone

33. Folie 32 Markus Buck, 14.12.2005 Zusammenfassung Schallfelder - 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 Beamforming • Analogie zur Abtastung und Filterung zeitlicher Signale • Starke Abhängigkeit des Richtdiagramms von der Frequenz und vom AMikrofonabstand Lösungen für eine adaptive Selbstkalibrierung • - 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

34. Folie 34 Markus Buck, 14.12.2005 Kontakt Markus Buck Harman/Becker Automotive Systems GmbHAcoustic Signal Processing (EDA) Söflinger Str. 10089077 Ulm Email: mbuck@harmanbecker.com