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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Störleistungen
bei einem Richtmikrophon durch Bereitstellen mindestens eines ersten,
eines zweiten und eines dritten Mikrophonsignals, erstes adaptives
Filtern des ersten und zweiten Mikrophonsignals hinsichtlich einer
ersten Richtung, wobei ein richtungsbestimmender erster Parameter
derart adaptiert wird, dass die Summe von Störleistungen
reduziert wird, und zweites adaptives Filtern des zweiten und dritten
Mikrofonsignals hinsichtlich der ersten Richtung, wobei ein richtungsbestimmender
zweiter Parameter derart adaptiert wird, dass die Summe von Störleistungen
ebenfalls reduziert wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende
Erfindung ein entsprechendes Akustiksystem mit Richtmikrophon. Insbesondere
richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Hörgerät.
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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) und In-dem-Ohr-Hörgeräte (IdO), z. B. Concha-Hörgeräte,
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 Schallempfänger, z. B. ein Mikrofon, und/oder
ein elektromagnetischer Empfänger, z. B. eine Induktionsspule.
Der Ausgangswandler ist meist als elektroakustischer Wandler, z.
B. Miniaturlaut sprecher, oder als elektromechanischer Wandler, z.
B. Knochenleitungshörer, 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 Stromversorgung des Hörgeräts und insbesondere
die der Signalverarbeitungseinheit 3 erfolgt durch eine
ebenfalls ins Hörgerätegehäuse 1 integrierte
Batterie 5.
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Schwerhörende
leiden massiv unter Störsignalen, die sich dem Nutzsignal überlagern.
Bisherige Ansätze zeigen für reale Anordnungen
(Hörgeräte-Richtmikrophon am Kopf) für
Frequenzen unter 1,5 bis 2 kHz eine eingeschränkte Richtwirkung.
Insbesondere erweist es sich als kaum realisierbar, gleichzeitig
Signale aus zwei Richtungen zu unterdrücken.
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Aus
der nachveröffentlichten Druckschrift
DE 10 2004 052912 ist ein Verfahren
zur Reduktion von Störleistungen bei einem Richtmikrophon
und ein entsprechendes Akustiksystem bekannt. Das Verfahren bezieht
sich unter anderem auf eine Drei-Mikrophon-Anordnung. Ein daraus
gebildetes differenzielles Richtmikrophon wird so eingestellt, dass
zwei gerichtete Störquellen unterdrückt werden
können. Zusätzlich wird dabei die Richtwirkung
so gewählt, dass die Summe der Störleistungen
(Mikrophonrauschen und externe Störquellen) minimiert wird.
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In 1 ist
ein derartiges bekanntes differentielles Richtmikrophon zweiter
Ordnung schematisch wiedergegeben. Es wird durch drei adaptive,
differentielle Richtmikrophone erster Ordnung DM1, DM2 und DM3 gebildet.
Drei Mikrofone M1, M2 und M3 nehmen ein zeitabhängiges
Schallsignal s(t) auf. Bei dem ersten differentiellen Mikrophon
DM1 mischt sich zu den idealen Mikrophonsignalen jeweils ein Mikrophonrauschsignal n1(t)
bzw. n2(t). Die jeweiligen Summensignale werden mit einem Analog-Digital-Wandler
A/D digitalisiert, so dass die Mirophonsignale x1(k)
und x2(k) resultieren. Das Differentialmikrophon
erster Ordnung DM1 subtrahiert die beiden Mikrophonsignale x1(k) und x2(k) kreuzweise,
wie dies für Richtmikrophone bekannt ist. Dabei werden
die Signale in den entsprechenden Pfaden mit Zeitgliedern T verzögert
und ein Differenzsignal wird mit einem Adaptionsparameter a multipliziert.
Die resultierenden Signale werden addiert, so dass man ein erstes Zwischensignal
z1(k) erhält.
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Auch
das Ausgangssignal des dritten Mikrophons M3 wird durch Mikrophonrauschen
n3(t) gestört und das entsprechende Summensignal zu einem
Mikrophonausgangssignal x3(k) digital gewandelt.
Das differentielle Mikrophon DM2 verarbeitet die Mikrophonsignale
x2(k) und x3(k)
zu einem zweiten Zwischensignal z2(k), wie
das erste differentielle Mikrophon DM1 die beiden Signale x1(k) und x2(k) zu
dem Zwischensignal z1(k) verarbeitet. Die
Adaption in dem zweiten differentiellen Mikrophon DM2 erfolgt mit
dem gleichen Adaptionsparameter a wie bei dem ersten differentiellen
Mikrophon DM1. In der ersten Richtmikrophonstufe mit den beiden differentiellen
Mikrophonen DM1 und DM2 findet also nur eine Signalgewichtung mit
dem einzigen Faktor a statt.
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In
analoger Weise werden die Zwischensignale z
1(k)
und z
2(k) in dem differentiellen Mikrophon
DM3 zu einem Ausgangssignal y(k) verarbeitet, wobei in dieser zweiten
Stufe eine Signalgewichtung mit dem Faktor b stattfindet. Um letztlich
das Ausgangssignal y(k) zu erhalten, wird zuvor noch eine Entzerrung
in Nutzsignalrichtung durch einen Equalizer EQ0 mit der Übertragungsfunktion
durchgeführt. Vorzugsweise
erfolgt die Entzerrung in 0°-Richtung.
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Bei
dem Richtmikrophon zweiter Ordnung nach dem dargestellten Prinzip
wird also in der ersten Stufe eine Dämpfung in eine erste
Richtung (festgelegt durch den Parameter a) und in der zweiten Stufe
eine Dämpfung in eine zweite Richtung (festgelegt durch
den Parameter b) gelegt. Wie oben erwähnt, erfolgt durch
dieses Richtmikrophon zweiter Ordnung für Frequenzen unter
1,5 bis 2 kHz lediglich eine eingeschränkte Richtwirkung.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Wirkung
eines Richtmikrophons zu verbessern und hierzu ein entsprechendes
Verfahren bzw. ein Akustiksystem vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Reduktion
von Störleistungen bei einem Richtmikrophon durch Bereitstellen
mindestens eines ersten, eines zweiten und eines dritten Mikrophonsignals,
erstes adaptives Filtern des ersten und zweiten Mikrophonsignals
hinsichtlich einer ersten Richtung, wobei ein richtungsbestimmender
erster Parameter derart adaptiert wird, dass die Summe von Störleistungen
reduziert wird, und zweites adaptives Filtern des zweiten und dritten
Mikrophonsignals hinsichtlich der ersten Richtung, wobei ein richtungsbestimmender
zweiter Parameter derart adaptiert wird, dass die Summe von Störleistungen
reduziert wird, und wobei der erste Parameter von dem zweiten Parameter
verschieden ist.
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Außerdem
wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Akustiksystem
mit Richtmikrophon umfassend mindestens drei Mikrophone zur Lieferung
eines ersten, eines zweiten und eines dritten Mikrophonsignals, eine
erste Filtereinrichtung zum adaptiven Filtern des ersten und zweiten
Mikrophonsignals hinsichtlich einer ersten Richtung, wobei ein richtungsbestimmender
erster Parameter derart adaptierbar ist, dass die Summe von Störleistungen
reduziert wird, und eine zweite Filtereinrichtung zum adaptiven
Filtern des zweiten und dritten Mikrophonsignals hinsichtlich der
ersten Richtung, wobei ein richtungsbestimmender zweiter Parameter derart
adaptierbar ist, dass die Summe von Störleistungen reduziert
wird, und wobei der erste Parameter der ersten Filtereinrichtung
von dem zweiten Parameter der zweiten Filtereinrichtung verschieden
ist.
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In
vorteilhafter Weise kann so jedes Filter individuell eingestellt
werden, auch wenn nur eine Richtung bedämpft werden soll.
Dadurch kann den realen akustischen Umgebungen besser Rechnung getragen
werden.
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Entsprechend
einer ersten Ausführungsform sind der erste Parameter und
der zweite Parameter unabhängig voneinander. Damit können
die Dämpfungen zweier parallelen Filter erster Ordnung
völlig frei gewählt werden.
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Einem
zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend sind der erste
Parameter und der zweite Parameter über einen einstellbaren
dritten Parameter miteinander verbunden. Insbesondere kann der dritte
Parameter die Differenz oder doppelte Differenz zwischen dem ersten
und zweiten Parameter repräsentieren. Durch diese Abhängigkeit
der Parameter voneinander kann ein Nichtkonvergieren des Adaptionsverfahrens
in aller Regel verhindert werden.
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Zum
Aufbau eines Richtmikrophons zweiter Ordnung kann das erste und
zweite Filtern jeweils durch einen Filter erster Ordnung erfolgen,
wobei die Filterausgangssignale der beiden Filter einem dritten
Filter erster Ordnung zur Filterung hinsichtlich einer zweiten Richtung
zugeführt werden. Somit lässt sich eine Richtwirkung
hoher Qualität erzielen.
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Darüber
hinaus kann das Filtern in mehreren Teilbändern separat
erfolgen. Auf diese Weise lässt sich noch gezielter die
Summe der Störleistungen reduzieren.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Akustiksystem um ein Hörgerät,
das mit einem entsprechenden Richtmikrophon ausgestattet ist. Durch
die Reduktion der Störleistungen kann dann in besonders
vorteilhafter Weise unter anderem die Sprachverständlichkeit
deutlich gesteigert werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert, in denen zeigen:
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1 den
prinzipiellen Aufbau eines Hörgeräts;
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2 ein
Richtmikrophon zweiter Ordnung entsprechend dem Stand der Technik;
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3 ein
Richtdiagramm des differentiellen Mikrophons DM1 von 2;
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4 ein
Richtdiagramm des differentiellen Mikrophons DM2 von 2;
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5 ein
Richtdiagramm des Richtmikrophons zweiter Ordnung von 2;
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6 ein
Richtmikrophon zweiter Ordnung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 ein
Richtdiagramm des differentiellen Mikrophons DM1' von 6;
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8 ein
Richtdiagramm des differentiellen Mikrophons DM2' von 6;
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9 ein
Richtdiagramm des Richtmikrophons zweiter Ordnung von 6 und
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10 ein
Dämpfungsdiagramm zur Darstellung des Unterschieds zwischen
den beiden Richtmikrophonen von 2 und 6.
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Die
nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
dar.
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In
Messungen mit realen Aufnahmen mit Hörgeräten
am KEMAR und Probandenköpfen zeigt es sich, dass die Richtwirkung
des Richtmikrophons zweiter Ordnung gemäß 2 unterhalb
von etwa 2 kHz eingeschränkt ist. Insbesondere bildet sich
meist nur eine Richtung heraus, aus der die Störsignale
gedämpft werden. Dies lässt sich anhand der 3 bis 5 erläutern.
So ist in 3 das Richtdiagramm des ersten
differentiellen Mikrophons DM1 des bekannten Richtmikrophons von 2 dargestellt.
In dem gewählten Beispiel gilt für den Adaptionsparameter
des differentiellen Mikrofons erster Ordnung a = 1. Der Betrag des
Winkels der größten Dämpfung liegt aufgrund
der geometrischen Anordnung der Mikrophone M1 und M2 etwas unter
90°. 4 zeigt das entsprechende Richtdiagramm
für das differentielle Mikrophon DM2 von 2.
Für den Adaptionsparameter ist hier ebenfalls a = 1 festgelegt.
Es resultiert in dem gewählten Beispiel aufgrund der geometrischen
Anordnung der Mikrophone M2 und M3 eine maximale Dämpfung
in einer Richtung, deren Winkelbetrag etwas größer
als 90° ist.
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Das
dritte differentielle Mikrophon erster Ordnung DM3 des Richtmikrophons
zweiter Ordnung von 2, dessen Adaptionsparameter
b ≈ 0 gewählt ist, führt zu einer maximalen
Dämpfung bei etwa dem Winkel 180°. Insgesamt ergibt
sich dann für das Richtmikrophon zweiter Ordnung von 2 das
Richtdiagramm von 5. Demnach findet eine Dämpfung
im Wesentlichen aus der 180°-Richtung statt, während
die 90°-Richtung und die –90°-Richtung
nur gering gedämpft sind. Diese geringe Dämpfung
in der +/–90°-Richtung resultiert daraus, dass
bei beiden differentiellen Mikrophonen DM1 und DM2 der Adaptionsparameter
a gleich gewählt ist. Bei realen Umgebungen sind folglich leicht
unterschiedliche Werte der Adaptionsparameter der differentiellen
Mikrophone bzw. Filter nötig, um Signale aus der gleichen
Richtung mit den beiden Anordnungen zu dämpfen. "Erzwingt"
man hingegen den gleichen Parameter a in beiden differentiellen
Mikrophonen DM1 und DM2, verschlechtert sich somit die Dämpfung
der Störung aus der gewünschten Richtung, und
die Dämpfung wird durch das anschließende, dritte,
differentielle Mikrophon DM3 nochmals verschlechtert.
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Entsprechend
einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist daher vorgesehen, statt eines Adaptionsparameters a zwei verschiedene
Parameter a1 und a2 zu wählen. Aus der von der bereits
erwähnten Druckschrift
DE
10 2004 052912 bekannten Matrix
würde sich somit
die Matrix
ergeben. Dabei stellt a1
den Adaptionsparameter des differentiellen Mikrophons DM1, a2 den
Adaptionsparameter des differentiellen Mikrophons DM2 und b den
Adaptionsparameter des differentiellen Mikrophons DM3 dar. Entwickelt
man aus der letztgenannten Matrix eine Adaptionsvorschrift für
die Parameter a1, a2 und b, stellt sich jedoch heraus, dass dies
nicht bzw. nicht immer zu einem konvergierenden Adaptionsverfahren
führt. Adaptionsverfahren tendieren dazu, a1 und a2 so
zu wählen, dass die entsprechenden Richtmikrophone Schalle
aus unterschiedlichen Richtungen auszulöschen versuchen.
Ein automatisches Adaptionsverfahren ist mit gängigen Methoden
also nicht möglich, wenn die beiden Parameter a1 und a2
vollkommen unabhängig voneinander sind.
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Entsprechend
einem zweiten Ausführungsbeispiel sind die beiden Adaptionsparameter
a1 und a2 über einen dritten Parameter δ voneinander
abhängig. In dem nachfolgenden Beispiel ist diese Abhängigkeit derart
gestaltet: a1 = a + δ und a2 = a – δ.
Das entsprechende Richtmikrophon zweiter Ordnung ist in 6 wiedergegeben.
Prinzipiell entspricht der Aufbau des Richtmikrophons dem des Richtmikrophons
von 2. Der einzige Unterschied besteht darin, dass
die differentiellen Mikrophone DM1' und DM2' die Adaptionsparameter
a + δ bzw. a – δ besitzen, so dass sich
die Zwischensignale z1'(k) und z2'(k) und folglich das Ausgangssignal y'(k)
ergeben.
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Durch
diese Parametrisierung des Richtmikrophons zweiter Ordnung ergibt
sich für die Verknüpfung der Signale die folgende
modifizierte "δ-MBAT-Matrix":
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Über
die Ableitung nach den drei Parametern a, b und δ lassen
sich Adaptionsvorschriften für diese Parameter analog zu
den bekannten Adaptionsvorschriften aus dem obigen Dokument entwickeln.
Insbesondere lässt sich über den Variationsparameter δ (z.
B. maximal/minimal +/–0,2) sicherstellen, dass durch die beiden
Richtmikrophone der ersten Stufe DM1' und DM2' Störungen
aus der gleichen Richtung unterdrückt werden. Dies ist
durch die 7 und 8 verdeutlicht.
Sie zeigen die beiden Richtdiagramme der Mikrophone, deren Adaptionsparameter
a um δ variiert wurde. Trotz der speziellen akustischen
Umgebung ergibt sich für beide Mikrofone DM1' und DM2'
eine maximale Dämpfung in der hier gewünschten
90°-Richtung. Durch eine anschließende weitere
Filterung in der zweiten Stufe durch das differentielle Mikrophon
DM3 mit dem Adaptionsparameter b ≈ 0 ergibt sich für
das gesamte Richtmikrophon RM', das in 6 dargestellt
ist, das Richtdiagramm gemäß 9.
Die Dämpfung in der Richtung, die durch die Filterung in
der ersten Stufe gewünscht ist (+/–90°)
bleibt auch durch die zweite Stufe erhalten, die lediglich eine
Dämpfung in der zweiten Richtung (hier 180°) hinzufügt.
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Die
in den 3 bis 5 und 7 bis 9 dargestellten
Richtdiagramme beziehen sich auf eine spezielle Frequenz. Grundsätzlich
sind die Dämpfungen durch Richtmikrophone nämlich
frequenzabhängig. Es hat sich gezeigt, dass ein Richtmikrophon
entsprechend dem Ansatz von 6 auch eine
deutliche Dämpfung für Schallsignale ab 500 Hz
aufwärts zeigt. Dies ist in 10 für
die beiden Winkel 90° und 180° dargestellt. Bei
dem bekannten MBAT-Ansatz erfolgt eine deutliche Dämpfung
erst ab etwa 2 kHz. Dies gilt sowohl für Störungen
aus der 90°- als auch aus der 180°-Richtung (vergleiche
gestrichelte Linien in 10). Es ergibt sich somit eine
deutliche Verbesserung der Unterdrückung von Störungen
in realen Umgebungen. Insbesondere ist es so möglich, in
realen Umgebungen zwei Störquellen aus unterschiedlichen
Richtungen mit einem Richtmikrophon zweiter Ordnung unterdrücken
zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004052912 [0005, 0033]
ergeben. Dabei stellt a1 den Adaptionsparameter des differentiellen Mikrophons DM1, a2 den Adaptionsparameter des differentiellen Mikrophons DM2 und b den Adaptionsparameter des differentiellen Mikrophons DM3 dar. Entwickelt man aus der letztgenannten Matrix eine Adaptionsvorschrift für die Parameter a1, a2 und b, stellt sich jedoch heraus, dass dies nicht bzw. nicht immer zu einem konvergierenden Adaptionsverfahren führt. Adaptionsverfahren tendieren dazu, a1 und a2 so zu wählen, dass die entsprechenden Richtmikrophone Schalle aus unterschiedlichen Richtungen auszulöschen versuchen. Ein automatisches Adaptionsverfahren ist mit gängigen Methoden also nicht möglich, wenn die beiden Parameter a1 und a2 vollkommen unabhängig voneinander sind.
