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Die Erfindung betrifft ein Mikrofonsystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Generierung einer Mikrofon-Richtwirkung in Bezug auf eine akustische Quelle innerhalb eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung dieses Mikrofonsystems.
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Um während des Steuerns eines Fahrzeugs zu telefonieren gibt es mit einem Mobiltelefon verbindbare Freisprecheinrichtungen, die Mikrofon und Lautsprecher aufweisen. Diese Freisprecheinrichtungen können nachträglich im Fahrzeug installiert werden oder ab Werk integriert sein. Bisher werden die Mikrofone bzw. kleine Mikrofonarrays aus beispielsweise zwei Mikrofonen einzeln, meist mit je einem Kabel, analog an eine zentrale Recheneinheit auf einem Steuergerät, typischerweise an die Fahrzeug-Headunit, angebunden. Die verwendeten Mikrofone haben eine feste Richtcharakteristik. Über das Fahrzeug verteilte Systeme mit mehreren Sprechplätzen erfordern eine aufwändige Verkabelung. Die Richtwirkung der Mikrofone oder eines Mikrofonarrays kann nachträglich nur in begrenztem Umfang von der Headunit gesteuert werden, da die einzelnen Mikrofone ihre eigene feste Richtwirkung haben.
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Um die Kommunikationsmöglichkeiten zu erweitern, so dass jedem Sitzplatz prinzipiell eine Freisprechfunktion zugeordnet werden kann und dass zusätzlich mehrere Freisprecheinrichtungen gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden können, wird in der
DE 10 2007 028 476 A1 ein Verfahren zur Kommunikation in einem Kraftfahrzeug beschrieben, wobei eine Freisprecheinrichtung und ein Endgerät – ein Mobiltelefon oder ein Hörgerät – die jeweils mit einer kurzreichweitigen Funkschnittstelle ausgebildet sind, eine Funkverbindung aufbauen. Dadurch wird die Position des Endgerätes im Kraftfahrzeug ermittelt und einem Sitzplatz zugeordnet, der dieser Position entspricht. Dem Endgerät, beziehungsweise dem Sitzplatz, wird dann ein Richtlautsprecher und ein Richtmikrofon zugeordnet. Die Sitzplatzerkennung oder Sitzplatzbelegungserkennung kann mittels eines Mikrofons unterstützt werden; entweder durch Pegelvergleich zwischen Hintergrundgeräuschen und Sprachsignal bei Verwendung eines omnidirektionalen Mikrofons oder Richtmikrofons oder bei mehreren Mikrofonen aus Laufzeit und Pegelortung. Die Zuordnung der Richtlautsprecher und Richtmikrofone zu den ermittelten Positionen kann unterschiedlich erfolgen, indem etwa jedem Fahrzeugsitz fest ein Richtlautsprecher und ein Richtmikrofon zugeordnet sind oder indem, wenn sich beispielsweise zwei Fahrzeugsitze einen Lautsprecher und ein Mikrofon teilen, mittels Beamforming die Zuordnung situativ erfolgt.
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Aus der
DE 603 06 293 T2 ist eine Steuereinheit sowie ein Verfahren für den Empfang von Audiosignalen aus dem Fahrzeugraum und für die Übertragung von Audiosignalen durch ein Fahrzeug hindurch zur Verbesserung der Qualität der Sprachkommunikation über ein optisches Netz an andere Audio-Verarbeitungseinheiten bekannt, das mit einer reduzierten Komponentenanzahl zur Kostensenkung auskommt und das keine Erhöhung der Systemkomplexität bedingt. Die beanspruchte Steuereinheit verteilt gemultiplexte Audiodaten über ein optisches Netz, das in einer Ringtopologie, oder auch Punkt-zu-Punkt-Topologie oder Sterntopologie konfiguriert sein kann und das gemäß bekannter optischer Kommunikationsprotokolle, wie beispielsweise dem MOST
®-Betriebskommunikationsprotokoll arbeiten kann. Jenes Steuergerät ist durch einen Audiosampler gekennzeichnet, einen Mikroprozessor mit einer Audioprozessor- und einer Multiplexer-Funktion und einer Schnittstelle des optischen Netzes. Der Audiosampler tastet elektrische Signale von Messwandlern bei einem Bruchteil einer Frame-Synchronisationsrate des optischen Netzes ab und erzeugt daraus unaufbereitete Audiodatenströme. Die Audioprozessor-Funktion des Mikroprozessors erzeugt aus den unaufbereiteten Audiodatenströmen einen einzelnen aufbereiteten Audiodatenstrom bei der Frame-Synchronisationsrate des optischen Netzes. Die Multiplexer-Funktion erzeugt einen gemultiplexten Audiodatenstrom mit mehreren Frames, wobei jeder Frame eine Vielzahl an zeitgemultiplexten Kanälen aufweist, wobei über einen ersten Kanal innerhalb des ersten Frames die Vielzahl an unaufbereiteten Audiodatenströmen übertragen wird und über einen zweiten Kanal innerhalb eines jeden Frames der aufbereitete Audiodatenstrom übertragen wird. Die Schnittstelle des optischen Netzes empfängt den gemultiplexten Audiodatenstrom vom Mikroprozessor und erzeugt basierend darauf einen optischen gemultiplexten Audiodatenstrom. Diese Steuereinheit wird genutzt, um den Ton in einer Fahrzeugkabine zu empfangen und die Audiosignale von der Steuereinheit über ein optisches Netz an eine Vielzahl von sekundären Audio-Verarbeitungseinheiten wie eine Freisprecheinrichtung, eine Spracherkennungseinheit, ein Sprache-zu-Text-Einheit, eine drahtlose Transceiver-Einheit zu übertragen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, ein verbessertes Mikrofonsystem für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, das eine einfache Architektur aufweist sowie kostengünstig und flexibel einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Mikrofonsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ferner besteht eine Aufgabe darin, ein Verfahren zu schaffen, um bei einem Einsatz mehrerer Mikrofone eine flexible Richtwirkung auf eine akustische Quelle zu schaffen, ohne dass die Mikrofone mechanisch ausgerichtet werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Weiterbildungen des Mikrofonsystems und des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf ein Mikrofonsystem für ein Kraftfahrzeug, das zur Erzeugung einer flexiblen Richtwirkung geeignet ist und eine einfache Architektur mit kostengünstigen Komponenten aufweist. Dieses Mikrofonsystem umfasst mehrere Mikrofoneinrichtungen, die im Kraftfahrzeug verteilt angeordnet sind und die jeweils zumindest ein Mikrofon mit einer vorgegebenen Richtcharakteristik aufweisen. Zu dem Mikrofonsystem gehören zudem zumindest ein Datentransportnetzwerk und zumindest eine zentrale Recheneinheit, die etwa einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs zugeordnet sein kann.
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Die Mikrofoneinrichtungen haben jeweils einen Taktgenerator und sind so ausgebildet, dass sie ein digitales Signal ausgeben, indem sie beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler enthalten. Jede Mikrofoneinrichtung ist mit dem Datentransportnetzwerk verbunden, das ein digitales, vorteilhaft das bestehende Fahrzeug-Bussystem, ist. Auch die zentrale Recheneinheit weist einen Taktgenerator auf und ist mit dem Datentransportnetzwerk beziehungsweise dem Fahrzeug-Bussystem kommunikativ gekoppelt, wobei durch die zentrale Recheneinheit ein Algorithmus zur Berechnung von zumindest einer Richtwirkung der Mikrofone aus den digitalen Signalen ausführbar ist, die von den Mikrofoneinrichtungen über das Fahrzeug-Bussystem an die zentrale Recheneinheit übertragen wird. Um aus den von den Mikrofoneinrichtungen übertragenen digitalen Signalen, die auf den von den Mikrofonen empfangenen akustischen Signalen basieren, korrekt eine oder mehrere Richtwirkungen für die Mikrofoneinrichtungen durch die zentrale Recheneinheit berechnen zu können, umfasst zumindest eine der Komponenten Mikrofoneinrichtungen und zentrale Recheneinheit eine Synchronisiereinrichtung zur Taktsynchronisierung der jeweiligen Taktgeneratoren, so dass zeitliche Randbedingungen für den Algorithmus betreffend den Empfang der akustischen Signale, deren Wandlung und die Übertragung zu der zentralen Recheneinheit definiert sind. Hierdurch ergibt sich durch die plattformübergreifende Anbindung der Mikrofonsysteme an den Fahrzeugbus eine einfache, durch die erzielte flexible Richtwirkung bezüglich der Anzahl der Sprechplätze im Fahrzeug skalierbare Lösung, die eine Mikrofonrichtwirkung auf einen beliebigen oder mehrere Sprechplätze im Fahrzeug ermöglicht.
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Diese Synchronisiereinrichtung kann beispielsweise durch einen Clockmaster realisiert werden, wobei unter Clockmaster eine Einrichtung verstanden wird, die eine Taktfrequenz, die das Bussystem verwendet, vorgibt. Diese Taktfrequenz wird als primärer Zeitsteuerungsbezug von allen weiteren, an das Bussystem angeschlossenen Teilnehmern verwendet. Der Clockmaster ist daher mit dem Fahrzeug-Bussystem verbunden und insbesondere von der zentralen Recheneinheit umfasst. Der Clockmaster gibt somit den Takt für die Taktgeneratoren der Mikrofoneinrichtungen, den weiteren Busteilnehmern, vor. Alternativ dazu kann die Synchronisiereinrichtung ein Synchronisierungsprotokoll sein, das einen Austausch von Steuerdaten zwischen den Komponenten Mikrofoneinrichtungen und zentrale Recheneinheit zur Taktsynchronisierung der Taktgeneratoren implementiert.
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Erfindungsgemäß kann die Mikrofoneinrichtung des Mikrofonsystems ein einzelnes Mikrofon oder eine Mikrofonanordnung aus zumindest zwei Mikrofonen beinhalten und zur Ausgabe eines digitalen Signals einen Analog-Digital-Wandler umfassen. Weiterhin kann eine Mikrofoneinrichtung neben dem Taktgenerator mit einer Steuerungseinheit, etwa einem Bus-Controller, ausgestattet sein. Diese Steuerungseinheit, über die Mikrofoneinrichtung mit dem Fahrzeugbus verbunden ist, oder eine zusätzliche dezentrale Recheneinheit, die in der Mikrofoneinrichtung vorgesehen sein kann, kann optional das digitale Signal vorverarbeiten, bevor es über das Bussystem an die zentrale Recheneinheit übertragen wird.
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Ferner kann als Bestandteil der Mikrofoneinrichtung ein Signalwandler vorgesehen sein, mittels dessen das von den Mikrofonen ausgegebene digitale Signal, das insbesondere ein 1-Bitstrom-Puls-Dichte-Modulation-Signal (PDM-Signal) ist, in ein Audiosignal mit höherer Bit-Breite, beispielsweise 8 oder 16 Bit, und reduzierter Taktrate, insbesondere in ein Puls-Code-Modulation-Signal (PCM-Signal) gewandelt werden kann.
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Die in einem erfindungsgemäßen Mikrofonsystem verwendeten Mikrofone können vorzugsweise handelsübliche Mikrosystem-Mikrofone, insbesondere MEMS-Mikrofone, sein, die sehr gut zur Integration in das Mikrofonsystem geeignete, preiswerte, kleine, digitale Mikrofone sind. Eine vorgegebene Richtcharakteristik der Einzelmikrofone kann eine Kugelcharakteristik sein, Mikrofone mit anderen Charakteristiken, etwa einer nierenförmigen Richtcharakteristik können aber auch zum Einsatz kommen. Die durch das erfindungsgemäße verteilte Mikrofonsystem mit synchroner Busanbindung erreichte flexible Signalauswertung auf der zentralen Recheneinheit ermöglicht die Berechnung flexibler Richtwirkungen, wobei bei Freisprechen mit nierenförmiger Richtwirkung die beste Performanz zeigt, während bei Freisprechen mit Windanströmung die neutrale Richtwirkung der Kugelcharakteristik deutlich besser ist. Auch weitere Anwendungen wie Sound-Kontrolle oder Active Noise Control benötigen eine neutrale Richtwirkung.
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Weiterhin kann die verwendete Komponentenanzahl reduziert werden, indem als zentrale Recheneinheit die Kraftfahrzeug-Headunit zur Durchführung der Berechnung der Richtwirkung genutzt wird. Durch die vorteilhafte Anbindung der Mikrofoneinrichtungen an den bestehenden Fahrzeugbus unter Nutzung der Kraftfahrzeug-Headunit als zentrale Recheneinheit wird eine einfachste und kostengünstige Architektur realisiert.
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Das verwendete Bussystem kann ein synchrones Bussystem wie ein MOST®-Bussystem sein, oder es kann ein teilsynchrones Bussystem wie ein FlexRay®-Bussystem verwendet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren, mit dem eine Mikrofon-Richtwirkung in Bezug auf eine akustische Quelle innerhalb eines Kraftfahrzeugs generiert werden kann, verwendet ein Mikrofonsystem, wie es vorstehend beschrieben wurde. Nachdem das akustische Signal von der Schallquelle durch zumindest zwei der Mikrofone erfasst, in ein elektrisches Signal gewandelt wurde und basierend darauf ein digitales Signal erzeugt wurde, wird dieses von den Mikrofonen über das digitale Fahrzeug-Bussystem zu der zentralen Recheneinheit übertragen. Dies alles erfolgt unter einer Synchronisierung der Taktgeneratoren der Mikrofoneinrichtungen und der zentralen Recheneinheit über das Bussystem, so dass Signalerfassung, -wandlung und -übertragung unter definierten zeitlichen Randbedingungen erfolgt, was die Berechnung von zumindest einer Richtwirkung basierend auf den digitalen Signalen durch das Ausführen eines Algorithmus durch die zentrale Recheneinheit gestattet.
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Die Taktgeneratoren der Mikrofoneinrichtungen und der zentralen Recheneinheit können synchronisiert werden, indem entweder durch den Clockmaster, der an das Fahrzeug-Bussystem angeschlossen ist und insbesondere von der zentralen Recheneinheit umfasst ist, ein Takt für die Taktgeneratoren der Mikrofoneinrichtungen vorgegeben wird, oder indem die Komponenten Mikrofoneinrichtungen und zentrale Recheneinheit ein Synchronisierungsprotokoll zur Taktsynchronisierung der Taktgeneratoren verwenden, durch das Steuerdaten zwischen den Komponenten ausgetauscht werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können wahlweise eine vorbestimmte oder eine steuerbare Anzahl der Mikrofone oder Mikrofoncluster verwendet werden, um das akustische Signal zu erfassen.
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Ferner kann das Verfahren beim Erzeugen des digitalen Signals den Schritt des Kodierens des digitalen Signals in einer Puls-Dichte-Modulation (PDM) mit einem Ein-Bit-Datenstrom umfassen.
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Die erzeugten digitalen Signale können mittels der Steuerungseinheit und/oder des Signalwandlers der Mikrofoneinrichtung vor der Übertragung zu der zentralen Recheneinheit vorverarbeitet werden, worunter ein Berechnen einer Mikrofoncluster-Richtwirkung einer Mikrofoneinrichtung und/oder ein Anpassen einer Bit-Breite und einer Abtastrate auf das Bussystem durch Wandeln des digitalen Signals in der PDM-Kodierung in ein Audiosignal mit einem Datenstrom mit einer Bit-Breite größer als 1, insbesondere in ein Pulse-Code-Modulation-Signal (PCM-Signal) fällt.
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Falls die vorgegebene Richtcharakteristik keine Kugelcharakteristik ist, kann das Verfahren das Ermitteln einer Gesamt-Richtwirkung umfassen, indem die berechneten Richtwirkungen und die vorgegebenen Richtcharakteristik der Mikrofone überlagert werden.
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Schließlich können aus den digitalen Signalen eines oder mehrerer Mikrofoncluster mehrerer Richtwirkungen berechnet werden.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikrofonsystems in einer Ausführungsform mit Clockmaster,
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2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikrofonsystems in einer Ausführungsform mit MOST®-Bussystem,
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3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikrofonsystems in einer Ausführungsform mit Flexray®-Bussystem,
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4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikrofonsystems in einer weiteren Ausführungsform mit Flexray®-Bussystem,
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5 eine schematische Darstellung einer Mikrofoneinrichtung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrofonsystems,
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6 eine schematische Darstellung von Richtwirkungen für einen Mikrofoncluster mit drei Einzelmikrofonen,
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7 eine schematische Darstellung von Richtwirkungen für einen Mikrofoncluster mit zwei Einzelmikrofonen,
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8 eine schematische Darstellung der Richtcharakteristik eines Einzelmikrofons.
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Für ein erfindungsgemäßes Mikrofonsystem werden alle Mikrofone bzw. Mikrofoncluster einzeln über das Fahrzeug-Bussystem an die Headunit als zentrale Recheneinheit ohne zusätzliches Steuergerät ohne aufwändige Verkabelung angeschlossen. Headunit und Fahrzeugbussystem liegen im Fahrzeug bereits vor, so dass das Mikrofonsystem flexibel bezüglich der Anzahl der Mikrofoneinrichtungen erweiterbar ist. Die Mikrofoneinrichtungen können einzelnen Sitz- bzw. Sprechplätzen im Fahrzeug zugeordnet sein. Die Einstellung der Richtwirkung der Mikrofone erfolgt durch die Berechnung in der Headunit. Bevorzugt umfassen die Mikrofoneinrichtungen Mikrofoncluster aus beispielsweise drei, vorzugsweise neutralen Mikrofonen, d. h. ohne Richtwirkung. Steht als Bussystem kein synchroner Bus, wie ein MOST®-Bussystem zur Verfügung, kann auch ein teilsynchroner Bus, etwa ein FlexRay®-Bussystem durch eine entsprechende Steuerung zu einem synchronen Bus erweitert werden.
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Mikrofone sind elektromechanische Bauteile, die Druckschwankungen in ein elektrisches Signal umwandeln. Üblicherweise ist das Mikrofonausgangssignal ein analoges Signal. Heute üblicherweise in Mobiltelefonen verbaute MEMS Mikrofone (MEMS = Micro Electro Mechanical System) sind besonders kleine Mikrofone, die bereits zusätzlich mit einen Analog-Digital-Wandler quasi auf einem Chip aufgebaut werden können und somit ein digitales Signal ausgeben können.
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Mehrere dieser digitalen Mikrofone werden in räumlicher Nähe zu einer Mikrofonanordnung zusammengefasst, die im Folgenden als Mikrofoncluster bezeichnet wird. Im Fahrzeug können mehrere solcher Mikrofoncluster an geeigneten Stellen verbaut werden. Eine geeignete Stelle für ein Mikrofon oder Mikrofoncluster ist üblicherweise in der Nähe des Sprechers, d. h. in kurzer Entfernung zum Mund des Sprechers beispielsweise im Fahrzeughimmel oder in der A-, B- oder C-Säule. Jedes Mikrofon erzeugt einen digitalen Datenstrom, der dem digitalisierten akustischen Signal entspricht und der mittels eines geeigneten Kommunikationssystems, insbesondere dem Fahzeug-Bussystem, zu einer zentralen Recheneinheit auf einem Steuergerät übertragen wird. Typischerweise kann diese Recheneinheit durch die Fahrzeug-Headunit realisiert werden.
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Obwohl jedes einzelne der Mikrofone eines Mikrofonclusters bzw. alle Mikrofone in einem Fahrzeug eine feste definierte Richtcharakteristik, unter der die Empfindlichkeit in Abhängigkeit vom Empfangswinkel verstanden wird, besitzen können, lässt sich durch Auswertung der Daten mehrerer Mikrofone eine zusätzliche Richtwirkung rechnerisch durch die Recheneinheit im Steuergerät erzielen, bekannt als Beamforming. MEMS-Mikrofone haben üblicherweise eine gleiche Empfindlichkeit in jeder Richtung, eine sogenannte Kugelcharakteristik. In diesem Fall wird erst durch die Auswertung der Daten eine Richtwirkung erzeugt, d. h. die Richtwirkungen können gleichwertig bestimmt werden, ohne dass eine vorgegebene Richtwirkung eines einzelnen Mikrofons eine Vorzugsrichtung einprägt.
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Haben die einzelnen Mikrofone keine Kugelcharakteristik, sondern eine eingeprägte Richtwirkung, beispielsweise nierenförmig, dann ergibt sich die Gesamt-Richtwirkung aus der Überlagerung der eingeprägten Richtwirkungen mit der Richtwirkung aus der Datenberechnung. Durch die Datenberechnung ist die gleichzeitige Berechnung mehrerer Beams bzw. Richtwirkungen möglich, beispielsweise einen Beam für den Fahrer und – mit denselben Mikrofonen des Clusters, also denselben Daten – einen Beam für den Beifahrer.
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Bei der Datenerfassung und -übertragung zur zentralen Recheneinheit ist es notwendig, den genauen Empfangszeitpunkt der akustischen Signale am jeweiligen Mikrofon zu kennen – oder technisch ausgedrückt die jeweilige Phasenlage des akustischen Signals. Die akustisch-elektrische Wandlung im Mikrofon und die Übertragung durch das Kommunikationssystem von den Mikrofonen zur Steuereinheit müssen unter bekannten zeitlichen Randbedingungen erfolgen. Garantiert das Kommunikationssystem keine zeitlichen festen Übertragungen, müssen diese nachträglich durch geeignete Maßnahmen (z. B. Signalisieren der Phaseninformation) ermöglicht werden.
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Gelingt die Übertragung der akustisch-elektrisch gewandelten Signale unter Einhaltung der zeitlichen Randbedingungen zur Steuereinheit bzw. zur zentralen Recheneinheit, so erfolgt dort anhand der empfangenen Datenströme die algorithmische Aufbereitung der Daten mit dem Ziel, anhand dieser Daten eine Richtwirkung aus den von den mehreren Mikrofonen empfangenen Signalen zu berechnen. Damit wird erreicht, dass die Mikrofone/Mikrofoncluster durch algorithmische Berechnung auf die Quelle des akustischen Signals ausgerichtet werden können, ohne dass die Mikrofone selbst bewegt werden müssen.
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Bei der zeitgerechten Bereitstellung der Daten auf dem Steuergerät bzw. Der zentralen Recheneinheit kann die Verrechnung der Datenströme eines einzelnen Mikrofonclusters erfolgen. Es ist aber alternativ auch möglich, zur Berechnung Daten zu verwenden, die aus verschiedenen Clustern stammen.
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Die zeitgerechte Bereitstellung der Daten auf dem Steuergerät eines Clusters/ bzw. mehrerer Cluster erlaubt die Bildung von Richtwirkungen, die üblicherweise als Mikrofon-Beamforming bezeichnet wird. Falls die Einzelmikrofone eine Kugelcharakteristik besitzen, ergibt sich eine sehr flexible Richtwirkungs-Berechnung. Beispielsweise kann für Freisprechen die Richtwirkung adaptiv gefunden werden und bei unterschiedlichen Geräuschen adaptiv verschieden stark ausgeprägt werden. Andererseits kann das gleiche Mikrofoncluster in diesem Fall auch eine neutrale Kugelcharakteristik bilden, um etwa das Klangfeld im Fahrzeug mit diesem Mikrofonsignal auszumessen.
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Die zeitgerechte Bereitstellung der Daten der einzelnen Cluster auf der zentralen Recheneinheit erlaubt die Bildung eines räumlich verteilten Mikrofonsystems mit lokalen Nahfeldzonen. Die akustischen Signale aus den Nahfeldzonen können dann beispielsweise dazu genutzt werden, verschiedene lokale Nutz- und Störquellen zu trennen bzw. zu kompensieren.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dieser Erfindung wird zur zeitgerechten Bereitstellung der Daten der Mikrofone auf der zentralen Recheneinheit ein synchrones Kommunikationssystem verwendet, wobei ein Masterclocksignal von einem der Kommunikationsendgeräte explizit oder im Datenstrom kodiert zu allen anderen an das Kommunikationssystem angeschlossenen Systemen übertragen wird und dieses Taktsignal dann von allen anderen Systemen als Referenzzeitsignal verwendet wird.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Mikrofonsystem mit einem Clockmaster 6 als Synchronisierungseinrichtung. An das Bus-System 3 werden die Headunit 4 und als weitere Busteilnehmer vier Mikrofoneinrichtungen 1 angeschlossen. Die Headunit 4 enthält den Clockmaster 6. Der Clock bzw. Takt dieses Masters 6 wird an die Taktgeneratoren 5 („Clockslaves”) der Mikrofoneinrichtungen 1 über das Bussystem 3 verteilt. Diese empfangen den Clock und kommunizieren mit der Headunit 4. Für die Buskommunikation sind Steuergeräte 7, die Bus-Controller, erforderlich. Die Mikrofoneinrichtungen 1 enthalten vorliegend je ein Mikrofoncluster 2' mit drei Einzelmikrofonen 2. Die PDM-Signale der Mikrofone 2 werden durch den Signalwandler, hier den Dezimator 8, zu PCM-Signalen gewandelt. Der durch die Taktgeneratoren 5 der Mikrofoneinrichtungen 1 erzeugte lokale Takt wird auf den Mastertakt synchronisiert, beispielsweise mit einer PLL-Schaltung (PLL = phase locked loop). In diesem Beispiel wird ein gemeinsamer Takt verwendet, der Masterclock. Vorteilhaft ist es jedoch, eine hardwareseitige Verteilung des Masterclock zu den einzelnen Busteilnehmern zu vermeiden.
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Alternativ kann die zeitgerechte Bereitstellung der Daten unter anderem dadurch ermöglicht werden, dass die verschiedenen Taktgeneratoren auf den unterschiedlichen Komponenten durch ein geeignetes Synchronisationsprotokoll, das Steuerdaten zwischen den Komponenten zu diesem Zwecke austauscht, synchronisiert werden.
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2 zeigt beispielhaft ein synchrones MOST®-Bussystem 3, das zwei optische Leiter in Ringstruktur aufweist. Dargestellt sind vier Busteilnehmer, vorliegend Mikrofoneinrichtungen 1, der gestrichelte Ringschluss R soll die Möglichkeit weiterer Busteilnehmer in der Ringstruktur andeuten.
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3 und 4 beziehen sich auf die Verwendung eines teilsynchronen FlexRay®-Bussystems 3, das durch entsprechende Steuerung mittels Synchronisationsprotokoll zu einem synchronen Bus erweitert werden kann. In 3 ist eine Standardanordnung mit vier Mikrofoneinrichtungen 1 entlang eines einastigen Bussystems 3 und in 4 eine Variante mit zwei Ästen, an denen jeweils zwei Mikrofoneinrichtungen 1 liegen, dargestellt. In 3 wird dabei nur einer der beiden in einem FlexRay®-System vorhandenen Kommunikationskanäle benutzt (z. B. Kanal A), während in 4 für einen Ast der Kommunikationskanal A und für den anderen Ast der Kommunikationskanal B benutzt wird, was eine Verdopplung der zur Verfügung stehenden Bandbreite darstellt.
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In der Standardanordnung aus 3 kann als Bussystem 3 beispielsweise ein Kabeltyp mit verdrillten Adernpaaren ohne Schirm, so genannte unshielded twisted pair (UTP) zum Schutz gegen den störenden Einfluss von äußeren magnetischen Wechselfeldern und elektrostatische Beeinflussungen auf die übertragenen Signale verwendet werden, da sich durch das Verdrillen der Adernpaare Beeinflussungen durch äußere Felder größtenteils gegenseitig aufheben. Ein Masterclock wird hier nicht benötigt. Allerdings sind zusätzliche Maßnahmen zur Verbesserung der Datensynchronität auf Applikationsebene wie die Anwendung eines Synchronisierungsprotokolls erforderlich.
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Die digitalen MEMS Mikrofone geben üblicherweise einen digitalen 1-Bitstrom in Form eines PDM-Signals (PDM = Puls-Dichte-Modulation) aus. Diese können gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung von den Mikrofonen bzw. Mikrofoncluster zur zentralen Recheneinheit übertragen werden. Vorteilhaft können die PDM-Signale vor der Übertragung über das Bussystem in ein PCM-Signal (PCM = Pulse Code Modulation) gewandelt werden. Durch die Wandlung in ein PCM-Signal wird aus dem ursprünglichen 1-Bitstrom ein Datenstrom mit höherer Bit-Breite, z. B. 16 Bit. Gleichzeitig wird bei der Umwandlung die Taktrate deutlich reduziert, beispielsweise von 2,5 MHz bei 1 Bit auf 32 kHz bei 16 Bit. Im ersten Fall wäre eine Bus-Daten-Übertragungsrate von circa 2,5 Mbit/sec erforderlich, nach der PCM-Wandlung jedoch eine deutlich geringere Übertragungsrate, im vorliegenden Beispiel von nur 32 kHz·16 Bit: = 0,512 Mbit/sec. Somit reduziert die PCM-Wandlung vor der Bus-Übertragung die Datenmenge im vorliegenden Beispiel um den Faktor 5. In anderen Varianten sind auch andere Taktraten des PCM-Signals möglich. Für ein Mikrofonsystem aus 12 Einzelmikrofonen müsste der Bus in dieser Variante insgesamt 12·0,512 Mbit/sec = 6,144 Mbit/sec übertragen. Die hier beschriebene Datenwandlung wird als Dezimation bezeichnet. Bei der Dezimation kann Bit-Breite und Abtastrate auf die vorgesehenen Applikationen, bzw. auf die Möglichkeiten des Bussystems, angepasst werden.
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5 zeigt eine an das Bussystem 3 angeschlossene Mikrofoneinrichtung 1 mit einem Mikrofoncluster 2' aus drei Mikrofonen 2. Die Mikrofone geben ein 1-Bitstrom PDM-Signal aus, das durch den Signalwandler 8 in ein PCM-Signal mit höherer Bit-Breite, etwa 8 oder 16 bit, umgewandelt wird, angedeutet durch die breiteren Blockpfeile. Der lokale Takt T, der entweder durch einen Clockmaster vorgegeben oder durch ein Synchronisierungsprotokoll synchronisiert wird, wird von dem Taktgenerator 5 über das Steuergerät, den Bus-Controller 7 an den Dezimator 8 und den Mikrofoncluster 2' weitervermittelt.
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Die algorithmische Berechnung der Richtwirkung(en) erfolgt durch die zentrale Recheneinheit. Allerdings können die digitalen Daten zum Teil auch schon in den Mikrofoneinrichtungen selbst verarbeitet werden, so kann optional eine teilweise oder vollständige Berechnung der Richtwirkung eines der Mikrofonclustern auch direkt in dem Mikrofoncluster selbst erfolgen. Diese vorverarbeiteten Signale werden an die zentrale Recheneinheit zur weiteren Verarbeitung weiter übertragen, allerdings ist eine Durchführung des Beamformings komplett auf der Headunit deutlich flexibler, insbesondere wenn verschiedene Applikationen zu bedienen sind.
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Das Mikrofonsystem ermöglicht die Berechnung der Richtwirkungen, indem die akustisch elektrisch gewandelten Signale von den Mikrofonen über das Kommunikationsnetz zu der zentralen Recheneinheit übertragen wird, wobei die zeitlichen Randbedingungen (Phasenlage) mit übertragen oder durch einen Synchronisierungsmechanismus garantiert werden.
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6, 7 verdeutlichen die berechneten Richtwirkungen von Mikrofonen 2 beziehungsweise Mikrofonclustern 2'. In 6 ist ein Cluster mit drei Mikrofonen 2, in 7 ein Cluster aus zwei Mikrofonen 2 dargestellt und 8 zeigt ein Einzelmikrofon 2. Mit dem Cluster aus drei Mikrofonen 2 in 6 kann eine Richtwirkung in einer Ebene praktisch gleichwertig in alle Richtungen berechnet werden, vorausgesetzt, dass die Einzelmikrofone Kugelcharakteristik aufweisen. Mit dem Cluster aus zwei Mikrofonen 2 in 7 kann eine wirksame Richtwirkung besonders in die so genannte „end-fire” Richtung (in Achsrichtung) erzeugt werden.
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Das Einzelmikrofon 2 hat nur die Richtwirkung der vorgegebenen Kugelcharakteristik. In den in 6 und 7 gezeigten Beispielen wird eine Kugelcharakteristik der Einzelmikrofone 2 zu Grunde gelegt, die Standard bei MEMS Mikrofonen ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz von mehreren Mikrofonen bzw. Mikrofonclustern hat das Ziel, eine Richtwirkung auf eine akustische Quelle ohne mechanische Ausrichtung der Mikrofone zu erreichen. Dazu wird eine flexible oder festgelegte Anzahl von Mikrofonen, die ein digitales Ausgangsignal liefern, verwendet, um eine oder mehrere Richtwirkungen in der zentralen Recheneinheit zu ermitteln, die in einem Steuergerät ausgeführt sein kann und vorzugsweise die Fahrzeug-Headunit ist. Dies kann realisiert werden, indem zur Datenübertragung der Mikrofonsignale ein digitales Bussystem verwendet wird, an welchem die einzelnen Mikrofone oder die Mikrofoncluster angeschlossen sind, wobei die zeitlichen Randbedingungen zur Übertragung der Mikrofondaten mit ausreichender Güte eingehalten werden. Dies wird erreicht, indem das digitale Kommunikationssystem in der Weise synchron ist, dass der Takt der Mikrofone bzw. Mikrofoncluster durch das Kommunikationssystem mit dem Takt eines Clockmasters, der insbesondere von dem Steuergerät selbst umfasst ist, der ebenfalls am Kommunikationssystem angeschlossen ist, vorgegeben wird. Falls kein Clockmaster verwendet wird, kann das digitale Kommunikationssystem ein Synchronisationsprotokoll zur Synchronisation der Taktgeneratoren in den Komponenten verwenden. Falls das Kommunikationssystem auf einem FlexRay®-Kommunikationssystem aufgebaut ist, kann dessen Protokoll die Synchronisierung der Taktraten der verschiedenen Mikrofone und des Steuergeräts unterstützen. Alternativ kann die Synchronität der angeschlossenen Komponenten nach einem von der MOST® Coorporation standardisierten oder in MOST®-Systemen verwendeten Verfahren realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007028476 A1 [0003]
- DE 60306293 T2 [0004]
