DE102015016380A1 - Technik zum Unterdrücken akustischer Störsignale - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale beschrieben. Die Vorrichtung umfasst ein Mikrofonarray zum Detektieren von Schall und zum Erzeugen einer Mehrzahl an Tonsignalen und eine Beamforming-Einheit zum Erzeugen eines strahlgeformten Tonsignals basierend auf der Mehrzahl an Tonsignalen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen mindestens eines akustischen Störsignals, eine Störsignalsentfernungseinheit zum Erzeugen einer Nutzsignalabschätzung durch Entfernen des mindestens einen akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal und eine Ausgangsschnittstelle zum Ausgeben der Nutzsignalabschätzung. Ferner werden ein System zum Unterdrücken akustischer Störsignale, ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zum Unterdrücken akustischer Störsignale und ein Computerprogrammprodukt beschrieben.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet der Unterdrückung akustischer Störsignale in einem Nutzsignal, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Konkret werden eine Vorrichtung, ein System, ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren sowie ein Computerprogrammprodukt zum Unterdrücken akustischer Störsignale in einem Nutzsignal angegeben.
  • Hintergrund
  • In Umgebungen wie beispielsweise auf Baustellen, Flughäfen sowie in sich fortbewegenden Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen ist es in bestimmten Situationen wünschenswert, ein akustisches Nutzsignal (beispielsweise gesprochene Worte) aus den Umgebungsgeräuschen herauszufiltern und somit das Nutzsignal aus einer Reihe akustischer Störsignale zu extrahieren. Hierbei ist es wünschenswert, ein elektrisches Tonsignal zu generieren, welches weitgehend dem Nutzsignal entspricht, als wäre es in einer ruhigen Umgebung, also ohne akustische Störsignale, aufgenommen worden. Mit anderen Worten ist es wünschenswert, akustische Störsignale in einem Nutzsignal möglichst effizient zu unterdrücken.
  • Bei dem Nutzsignal handelt es sich um ein akustisches Nutzsignal, welches beispielsweise aus einer klar definierten Schallquelle stammen kann. So kann es sich bei dem Nutzsignal um gesprochene Worte einer Person handeln, welche sich in einer lauten Umgebung, d. h. in einer Umgebung mit akustischen Störsignalen befindet. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn eine Person ein Telefonat in einem fahrenden Kraftfahrzeug führen möchte, wobei beispielsweise der Motor und die Reifen des Kraftfahrzeugs akustische Störsignale abgeben, welche es einem Gesprächspartner der telefonierenden Person erschweren können, die Person zu verstehen. Das Nutzsignal kann beispielsweise auch aus gesprochenen Worten bestehen, welche von einem Benutzer eines elektronischen Geräts gesprochen werden, um eine Sprachbedienungseinheit des Geräts oder eines mit dem Gerät gekoppelten Fahrzeugs zu steuern. Ferner kann das Nutzsignal beispielsweise auch der Klang eines Musikinstruments sein, welches live bei Umgebungsgeräuschen gespielt wird.
  • Im Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten der Unterdrückung akustischer Störsignale bekannt. Insbesondere bei der Unterdrückung verschiedener akustischer Störsignale gleichzeitig sowie bei einer richtungsspezifischen Unterdrückung von Störsignalen weisen diese bekannten Verfahren jedoch noch erhebliche Mängel auf. Die erhaltene Nutzsignalschätzung der bekannten Verfahren ist verbesserungswürdig, da beispielsweise in dieser noch Anteile der akustischen Störsignale vorhanden sind oder da Anteile des gewünschten Nutzsignals aus der Nutzsignalabschätzung entfernt wurden.
  • Kurzer Abriss
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik bereitzustellen, welche akustische Störsignale effizient unterdrückt und welche die oben genannten Nachteile sowie andere Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale in einem Nutzsignal beschrieben. Die Vorrichtung umfasst ein Mikrofonarray zum Detektieren von Schall und zum Erzeugen einer Mehrzahl an Tonsignalen und eine auf eine Nutzsignalquelle richtbare Beamforming-Einheit zum Erzeugen eines strahlgeformten Tonsignals basierend auf der Mehrzahl an Tonsignalen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen mindestens eines akustischen Störsignals, eine Störsignalentfernungseinheit zum Erzeugen einer Nutzsignalabschätzung durch Entfernen des mindestens einen akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal und eine Ausgangsschnittstelle zum Ausgeben der Nutzsignalabschätzung.
  • Das Mikrofonarray kann eine Mehrzahl an einzelnen Mikrofonen umfassen. Bei den einzelnen Mikrofonen kann es sich beispielsweise um analoge Mikrofone handeln, welche ein analoges elektrisches Tonsignal erzeugen, oder um Mikrofone mit integriertem Analog-Digital-Wandler, welcher digitale elektrische Tonsignale erzeugen. Das Mikrofonarray kann den Schall (Druckwellen) in die Mehrzahl an Tonsignalen umwandeln, wobei jeweils ein Tonsignal einem Mikrofon des Mikrofonarrays zuzuordnen ist. Bei den Tonsignalen kann es sich um analoge oder digitale elektrische Tonsignale handeln. Das Mikrofonarray kann eine Mehrzahl an Mikrofonen umfassen, welche eindimensional (entlang einer Linie), zweidimensional (innerhalb einer Fläche) oder dreidimensional (im Raum verteilt) angeordnet sind. Eine eindimensionale Anordnung kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn eine Ausrichtbarkeit innerhalb einer ersten Raumebene (beispielsweise in einer horizontalen Ebene) gewünscht ist und eine Ausrichtbarkeit innerhalb einer senkrecht zur ersten Raumebene stehenden, zweiten Raumebene weniger wichtig ist. Die Mikrofone des Mikrofonarrays können in regelmäßigen Abständen oder quasi-zufallsverteilt angeordnet sein. Das Mikrofonarray kann beispielsweise in einem Gehäuse eines elektronischen Geräts eingefasst sein oder in einem Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs eingefasst sein.
  • Das strahlgeformte Tonsignal kann durch Überlagern der Mehrzahl an Tonsignalen unter Berücksichtigung individueller Laufzeitunterschiede erzeugt werden. Zusätzlich können digitale Filter auf die Mehrzahl an Tonsignalen und/oder das strahlgeformte Tonsignal angewendet werden, um die Qualität des strahlgeformten Tonsignals zu verbessern. Die Beamforming-Einheit kann eine vorbestimmte Richtcharakteristik aufweisen. Eine „Richtcharakteristik” gemäß der vorliegenden Offenbarung kann beispielsweise Informationen bezüglich zumindest einem von Hauptrichtung (Richtung einer Hauptkeule), Breite einer Hauptkeule, Directivity Index und Gewinn (Empfindlichkeitsverhältnis einer Hauptkeule zu einer Referenzcharakteristik) umfassen. Die Richtcharakteristik kann fest vorgegeben sein oder sich anhand geeigneter Steuersignale situationsabhängig anpassen lassen. Beispielsweise kann eine Hauptrichtung, in welche die Beamforming-Einheit ”ausgerichtet” ist, d. h. eine Richtung einer Hauptkeule und/oder eine Form einer Hauptkeule, innerhalb welcher Geräusche bevorzugt wahrgenommen werden, durch entsprechende Steuersignale angepasst werden. Zumindest eine oder alle der in dieser Offenbarung beschriebenen Beamforming-Einheiten können jeweils bereits Umgebungsgeräusche entfernen, welche nicht von der Nutzsignalquelle ausgesendet werden. Bei diesen Umgebungsgeräuschen kann es sich beispielsweise um diffuse und/oder stationäre Umgebungsgeräusche handeln.
  • Bei dem akustischen Störsignal kann es sich um ein elektrisches Signal handeln. Das akustische Störsignal kann beispielsweise ein digitales elektrisches Signal sein. Zumindest eines oder alle der in dieser Offenbarung beschriebenen akustischen Störsignale sowie der in dieser Offenbarung beschriebenen Nutzsignalabschätzungen können jeweils bereits vorverarbeitet sein. Beispielsweise kann zumindest eines oder alle der in dieser Offenbarung beschriebenen akustischen Störsignale sowie der in dieser Offenbarung beschriebenen Nutzsignalabschätzungen jeweils eine Autokorrelationsfolge und/oder eine Kreuzkorrelationsfolge umfassen. Bei der Eingangsschnittstelle kann es sich beispielsweise um eine drahtlose Schnittstelle (beispielsweise WLAN, Bluetooth und/oder NFC) oder um eine drahtgebundene Schnittstelle (beispielsweise Klinke, Cinch, Lötkontakt, etc.) handeln.
  • Bei der Nutzsignalabschätzung kann es sich um ein elektrisches Tonsignal handeln. Die Nutzsignalabschätzung kann beispielsweise ein digitales oder analoges elektrisches Signal umfassen. Das Entfernen des mindestens einen akustischen Störsignals kann beispielsweise durch Subtraktion der Signale erfolgen. Ferner kann zum Entfernen des mindestens einen akustischen Störsignals beispielsweise ein digitales Filter, beispielsweise ein adaptives digitales Filter, verwendet werden. Das akustische Störsignal kann beispielsweise von dem strahlgeformten Tonsignal nach entsprechender Anpassung und/oder Filterung subtrahiert werden. Die Signale können zuvor durch eine geeignete Synchronisierung synchronisiert worden sein.
  • Bei der Ausgangsschnittstelle kann es sich beispielsweise um eine drahtlose Schnittstelle (beispielsweise WLAN, Bluetooth und/oder NFC) oder um eine drahtgebundene Schnittstelle (beispielsweise Klinke, Cinch, Lötkontakt, etc.) handeln. Ferner kann die Ausgangsschnittstelle eine Speicherschnittstelle umfassen, zum Speichern der Nutzsignalabschätzung auf einem Speichermedium (beispielsweise einem computerlesbaren Speichermedium wie CD, DVD, HDD, SSD, Flash, etc.).
  • Die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, ein Informationssignal zu empfangen und zu verarbeiten, welches eine Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder statistische Kennwerte des akustischen Störsignals angibt.
  • Bei dem Informationssignal kann es sich um ein elektrisches digitales Signal handeln. Das Informationssignal und das mindestens eine akustische Störsignal können beispielsweise als gemeinsames digitales Signal übertragen werden. Das gemeinsame digitale Signal kann beispielsweise von der Eingangsschnittstelle empfangen werden. Das Informationssignal kann auch getrennt von dem mindestens einen akustischen Störsignal übertragen werden. Beispielsweise kann das Informationssignal über eine eigene drahtlose Schnittstelle oder über ein eigenes Kabel übertragen werden. Das Informationssignal und das mindestens eine akustische Störsignal können von unterschiedlichen Eingangsschnittstellen der Vorrichtung empfangen werden. Bei der Hauptrichtung kann es sich um eine Richtung handeln, in welche eine Hauptkeule ausgerichtet ist. Geräusche, welche von Geräuschquellen ausgesendet werden, die sich innerhalb dieser Hauptkeule befinden, können bevorzugt detektiert werden. Die Hauptrichtung des akustischen Störsignals kann beispielsweise eine Winkelinformation umfassen. Bei „statistischen Kennwerten” gemäß der vorliegenden Offenbarung kann es sich um Kennwerte handeln, welche durch eine statistische Analyse des akustischen Störsignals gewonnen wurden. Die statistischen Kennwerte können beispielsweise Frequenzbereiche und/oder andere Angaben umfassen, welche Eigenschaften des akustischen Störsignals kennzeichnen. Beispielsweise können die statistischen Kennwerten zumindest eines von Korrelationen, Erwartungswerte und zentrale Momente beliebiger Ordnung (incl. im Verbund, z. B. Covarianz), Autokorrelationsfolgen, Kreuzkorrelationsfolgen, Autoleistungsdichtespektren, Kreuzleistungsdichtespektren, und Audio-Spektren im Allgemeinen umfassen.
  • Die Störsignalentfernungseinheit kann dazu eingerichtet sein, die Nutzsignalabschätzung basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals zu erzeugen. Hierzu kann die Störsignalentfernungseinheit beispielsweise mindestens ein adaptives digitales Filter umfassen, dessen Filterparameter auf Grundlage des Informationssignals angepasst werden. Hierbei kann eine Anpassung durch kontinuierliche (adaptive) Impulsantwortschätzung zwischen Quelle und Mikrofonarrays durchgeführt werden. Die statistischen Kennwerte können diese Schätzung erleichtern und ermöglichen eine Vereinfachung der Störsignalentfernung (Noise Reduction) der Störsignalentfernungseinheit. Die Störsignalentfernungseinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, zumindest eines der folgenden Verfahren durchzuführen: Least-Squares-basierende Verfahren, Wiener Filter-basierende Verfahren, Kalman Filter-basierende Verfahren und MIMO basierende Verfahren. Ferner sind z. B. neuronale Netzwerke und Vektorquantisierungs-Ansätze möglich.
  • Die Beamforming-Einheit kann dazu eingerichtet sein, eine Richtcharakteristik basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals anzupassen. Die Richtcharakteristik der Beamforming-Einheit kann durch Ändern von in der Beamforming-Einheit gespeicherten Parametern angepasst werden. Hierbei kann beispielsweise zumindest eines von Hauptrichtung (Richtung einer Hauptkeule), Breite einer Hauptkeule, Directivity Index und Gewinn (Empfindlichkeitsverhältnis einer Hauptkeule zu einer Referenzcharakteristik) angepasst werden.
  • Die Störsignalentfernungseinheit kann dazu eingerichtet sein, basierend auf der Nutzsignalabschätzung, einen Nutzsignalanteil aus dem mindestens einen akustischen Störsignal zu entfernen und das resultierende akustische Störsignal von dem strahlgeformten Tonsignal zu entfernen. Beispielsweise kann die Nutzsignalabschätzung aus dem akustischen Störsignal entfernt werden. Ferner können beispielsweise statistische Daten aus der Nutzsignalabschätzung gewonnen werden, wobei der Nutzsignalanteil auf Grundlage dieser statistischen Daten bestimmt und entfernt wird.
  • Die Eingangsschnittstelle kann dazu eingerichtet sein, mindestens ein weiteres akustisches Störsignal zu empfangen. Die Störsignalentfernungseinheit kann dazu eingerichtet sein, die Nutzsignalabschätzung durch Entfernen des akustischen Störsignals und des mindestens einen weiteren akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal zu erzeugen. Das weitere akustische Störsignal kann von einer anderen Quelle stammen als das akustische Störsignal. Das Entfernen der Störsignale kann beispielsweise Subtrahieren des akustischen Störsignals und des weiteren akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal umfassen. Ferner kann zum Entfernen der akustischen Störsignale beispielsweise ein digitales Filter, beispielsweise ein adaptives digitales Filter, verwendet werden. Neben dem akustischen Störsignal und dem weiteren akustischen Störsignal kann die Eingangsschnittstelle eine beliebige Zahl weiterer akustischer Störsignale empfangen, welche auf gleiche Weise von dem strahlgeformten Tonsignal entfernt werden können.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein System zum Unterdrücken akustischer Störsignale in einem Nutzsignal beschrieben. Das System umfasst eine Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale gemäß der vorliegenden Offenbarung. Ferner umfasst das System eine Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals. Die Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals umfasst ein weiteres Mikrofonarray zum Detektieren von Schall und zum Erzeugen einer weiteren Mehrzahl an Tonsignalen und eine auf eine Störsignalquelle richtbare weitere Beamforming-Einheit zum Erzeugen eines weiteren strahlgeformten Tonsignals basierend auf der weiteren Mehrzahl an Tonsignalen, wobei das mindestens eine akustische Störsignal auf dem weiteren strahlgeformten Tonsignal basiert. Die Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals umfasst ferner eine weitere Ausgangsschnittstelle zum Ausgeben des akustischen Störsignals an die Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale.
  • Die Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals kann beispielsweise im Wesentlichen baugleich sein zu der Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale. Hinsichtlich dem weiteren Mikrofonarray und der weiteren Beamforming-Einheit gilt das oben im Hinblick auf das Mikrofonarray und die Beamforming-Einheit der Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale Gesagte. Das akustische Störsignal kann beispielsweise dem weiteren strahlgeformten Tonsignal entsprechen. Das akustische Störsignal kann auch einer signalverarbeiteten Version des weiteren strahlgeformten Tonsignals entsprechen. Beispielsweise können aus dem weiteren strahlgeformten Tonsignal bestimmte Anteile (beispielsweise ein Nutzsignalanteil) entfernt worden sein, um das akustische Störsignal zu erhalten. Hinsichtlich der weiteren Ausgangsschnittstelle gilt das oben zur Ausgangsschnittstelle der Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale Gesagte.
  • Die weitere Beamforming-Einheit kann dazu eingerichtet sein, eine Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder statistische Kennwerte des akustischen Störsignals zu erfassen. Die Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals kann dazu eingerichtet sein, ein Informationssignal auszugeben, welches die Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder die statistischen Kennwerte des akustischen Störsignals angibt.
  • Bei der Hauptrichtung kann es sich um eine Richtung im Raum handeln, in welcher die Beamforming-Einheit ausgerichtet ist. Bei der Hauptrichtung kann es sich um eine Richtung handeln, in welche die Beamforming-Einheit so ausgerichtet ist, dass Geräuschquellen, welche sich in dieser Hauptrichtung befinden, bevorzugt detektiert werden und so dass Geräuschquellen, welche sich nicht in dieser Hauptrichtung befinden, von der Beamforming-Einheit unterdrückt werden. Die Hauptrichtung des akustischen Störsignals kann durch Parameter in der Beamforming-Einheit festgelegt sein. Die statistischen Kennwerte des akustischen Störsignals können beispielsweise durch eine statistische Auswertung des Störsignals erfasst werden. Die statistischen Kennwerte des akustischen Störsignals können beispielsweise eine Frequenzverteilung des akustischen Störsignals umfassen. Beispielsweise können die statistischen Kennwerten zumindest eines von Korrelationen, Erwartungswerte und zentrale Momente beliebiger Ordnung (incl. im Verbund, z. B. Covarianz), Autokorrelationsfolgen, Kreuzkorrelationsfolgen, Autoleistungsdichtespektren, Kreuzleistungsdichtespektren, und Audio-Spektren im Allgemeinen umfassen. Das Informationssignal kann beispielsweise von einer weiteren Ausgangsschnittstelle der Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals ausgegeben werden. Die weitere Ausgangsschnittstelle kann das Informationssignal beispielsweise zusammen mit dem akustischen Störsignal als ein gemeinsames Signal ausgeben. Bei dem gemeinsamen Signal kann es sich um ein digitales elektrisches Signal handeln. Ferner kann die weitere Ausgangsschnittstelle eine Mehrzahl an Schnittstellen umfassen. Bei der Mehrzahl an Schnittstellen kann es sich um unterschiedliche Schnittstellen handeln, so dass das akustische Störsignal und das Informationssignal auf unterschiedlichen Signalwegen (beispielsweise kabelgebunden bzw. kabellos) übertragen werden können.
  • Die Vorrichtung zum Erfassen eines akustischen Störsignals kann ferner eine weitere Eingangsschnittstelle zum Empfangen der Nutzsignalabschätzung von der Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale und eine weitere Störsignalentfernungseinheit zum Entfernen eines Nutzsignalanteils aus dem weiteren strahlgeformten Tonsignal umfassen.
  • Die weitere Eingangsschnittstelle kann eine Mehrzahl an Schnittstellen aufweisen zum Empfangen mehrerer Signale über unterschiedliche Signalwege. Die weitere Eingangsschnittstelle kann beispielsweise baugleich sein mit der Eingangsschnittstelle der Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale. Das Entfernen des Nutzsignalanteils aus dem weiteren strahlgeformten Tonsignal kann auf gleiche Weise geschehen, wie das Entfernen des mindestens einen akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal in der Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale. Hinsichtlich der weiteren Störsignalentfernungseinheit der Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals gilt das bezüglich der Störsignalentfernungseinheit der Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale Gesagte.
  • Die weitere Ausgangsschnittstelle kann dazu eingerichtet sein, das akustische Störsignal als eine weitere Nutzsignalabschätzung auszugeben. In diesem Fall kann das akustische Störsignal, welches ein Störsignal für die Nutzsignalabschätzung darstellt, ein eigenes weiteres Nutzsignal darstellen, welches als weitere Nutzsignalabschätzung über die weitere Ausgangsschnittstelle ausgegeben wird. Die weitere Nutzsignalabschätzung kann als Eingangssignal beispielsweise für eine Kommunikationseinheit verwendet werden.
  • Gemäß einem dritten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale in einem Nutzsignal beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Eingangsschnittstelle zum Empfangen eines strahlgeformten Tonsignals von einer Mikrofonarray-Einrichtung und eines weiteren strahlgeformten Tonsignals von einer weiteren Mikrofonarray-Einrichtung. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Störsignalentfernungseinheit zum Erzeugen einer Nutzsignalabschätzung durch Entfernen eines akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal, wobei das akustische Störsignal auf dem weiteren strahlgeformten Tonsignal basiert und eine Ausgangsschnittstelle zum Ausgeben der Nutzsignalabschätzung. Die Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale ist dazu eingerichtet, ein Informationssignal von der weiteren Mikrofonarray-Einrichtung zu empfangen, welches eine Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder statistische Kennwerte des akustischen Störsignals angibt. Die Störsignalentfernungseinheit ist dazu eingerichtet, die Nutzsignalabschätzung basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals zu erzeugen.
  • Bei der Mikrofonarray-Einrichtung und bei der weiteren Mikrofonarray-Einrichtung kann es sich jeweils um eine Einrichtung handeln, welche ein Mikrofonarray und eine entsprechende Beamforming-Einheit aufweist. Das strahlgeformte Tonsignal und das weitere strahlgeformte Tonsignal können jeweils elektrische (beispielsweise digitale) Signale sein, welche durch Beamforming erhalten wurden und welche somit ”gerichtet” sind. Eine Information bezüglich einer Ausrichtung (Hauptrichtung) der Beamforming-Einheit der weiteren Mikrofonarray-Einrichtung kann in dem Informationssignal übertragen werden. Das akustische Störsignal kann beispielsweise dem weiteren strahlgeformten Tonsignal entsprechen. Ferner kann das akustische Störsignal einer bearbeiteten Version des weiteren strahlgeformten Tonsignals entsprechen. Beispielsweise können bestimmte Signalanteile aus dem weiteren strahlgeformten Tonsignal entfernt worden sein, um das akustische Störsignal zu erhalten. Aus dem akustischen Störsignal kann beispielsweise ein Nutzsignalanteil entfernt worden sein, um das weitere strahlgeformte Tonsignal zu erhalten. Die Störsignalentfernungseinheit kann beispielsweise baugleich ausgestaltet sein wie die anderen hierin beschriebenen Störsignalentfernungseinheiten. Dasselbe gilt für die Ausgangsschnittstelle und für die Eingangsschnittstelle.
  • Die Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale ist dazu eingerichtet, ein Steuersignal auszugeben, welches dazu eingerichtet ist, eine Richtcharakteristik einer Beamforming-Einheit der ersten Mikrofonarray-Einrichtung basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals anzupassen. Das Steuersignal kann beispielsweise dem Informationssignal entsprechen. Ferner kann das Steuersignal Informationen zum Anpassen der Richtcharakteristik der Beamforming-Einheit der ersten Mikrofonarray-Einrichtung umfassen.
  • Die Störsignalentfernungseinheit kann dazu eingerichtet sein, einen Nutzsignalanteil aus dem weiteren strahlgeformten Tonsignal zu entfernen. Die Ausgangsschnittstelle kann dazu eingerichtet sein, das akustische Störsignal als eine weitere Nutzsignalabschätzung auszugeben. Somit können bereinigte Signale von mehreren Mikrofonarray-Einrichtungen jeweils als Nutzsignalabschätzung weiterverwendet werden.
  • Die Eingangsschnittstelle kann dazu eingerichtet sein, mindestens ein drittes strahlgeformtes Tonsignal von einer dritten Mikrofonarray-Einrichtung zu empfangen. Die Störsignalentfernungseinheit kann dazu eingerichtet sein, die Nutzsignalabschätzung durch Entfernen des akustischen Störsignals und eines weiteren akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal zu erzeugen, wobei das weitere akustische Störsignal auf dem dritten strahlgeformten Tonsignal basiert. Die Vorrichtung kann somit mindestens das akustische Störsignal und das weitere akustische Störsignal aus dem strahlgeformten Tonsignal entfernen (beispielsweise durch Verwenden eines digitalen Filters, beispielsweise eines adaptiven digitalen Filters), um die Nutzsignalabschätzung zu erhalten. Das weitere akustische Störsignal kann beispielsweise dem dritten strahlgeformten Tonsignal entsprechen. Ferner kann das weitere akustische Störsignal einer signalverarbeiteten Version des dritten strahlgeformten Tonsignals entsprechen. Beispielsweise können bestimmte Signalanteile aus dem dritten strahlgeformten Tonsignal entfernt worden sein, um das weitere akustische Störsignal zu erhalten.
  • Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Kraftfahrzeug beschrieben, welches eine der hierin beschriebenen Vorrichtungen und/oder eines der hierin beschriebenen Systeme umfasst. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen handeln.
  • Das Kraftfahrzeug kann ferner eine Freisprecheinrichtung umfassen, wobei die Freisprecheinrichtung das Mikrofonarray oder zumindest eines der Mikrofonarrays umfasst. Ferner kann das Kraftfahrzeug eine Sprachsteuerungseinrichtung umfassen, wobei die Sprachsteuerungseinrichtung das Mikrofonarray oder zumindest eines der Mikrofonarrays umfasst. Das Kraftfahrzeug kann auch einen Tablet-PC zur Bedienung einer Funktion des Kraftfahrzeugs umfassen, wobei der Tablet-PC das Mikrofonarray oder zumindest eines der Mikrofonarrays umfasst. Die Freisprecheinrichtung kann für eine Telefonie-Funktion über ein Mobilfunknetz verwendet werden. Der Tablet-PC kann beispielsweise an einer Rückenlehne eines Sitzes des Kraftfahrzeugs befestigbar sein. Die Freisprecheinrichtung, die Sprachsteuerungseinrichtung und/oder der Tablet-PC können jeweils ein Nutzsignal einer Nutzsignalquelle detektieren, welches gleichzeitig ein Störsignal für die anderen Geräte (die Freisprecheinrichtung, die Sprachsteuerungseinrichtung und/oder der Tablet-PC) darstellt. In diesem Fall kann die Nutzsignalquelle eines Gerätes eine Störsignalquelle für ein anderes Gerät darstellen und ggf. umgekehrt. Beispielsweise können mehrere Tablet-PCs in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein, wobei jeder der Tablet-PCs im Wesentlichen gleich aufgebaut ist und jeweils eine Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale als auch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals darstellen kann.
  • Gemäß einem fünften Aspekt wird ein Verfahren zum Unterdrücken akustischer Störsignale in einem Nutzsignal beschrieben. Das Verfahren umfasst Detektieren von Schall und Erzeugen einer Mehrzahl an Tonsignalen mithilfe eines Mikrofonarrays und Erzeugen eines strahlgeformten Tonsignals basierend auf der Mehrzahl an Tonsignalen, mittels Beamforming. Das Verfahren umfasst ferner Empfangen mindestens eines akustischen Störsignals, Erzeugen einer Nutzsignalabschätzung durch Entfernen des mindestens einen akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal und Ausgeben der Nutzsignalabschätzung. Das Verfahren kann beispielsweise von einem der in dieser Offenbarung beschriebenen Vorrichtungen zum Unterdrücken akustischer Störsignale ausgeführt werden.
  • Das Verfahren kann ferner Empfangen eines Informationssignals, welches eine Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder statistische Kennwerte des akustischen Störsignals angibt, umfassen.
  • Erzeugen der Nutzsignalabschätzung kann basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals ausgeführt werden.
  • Das Verfahren kann ferner Anpassen einer Richtcharakteristik einer Beamforming-Einheit basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals umfassen.
  • Das Verfahren kann ferner Entfernen eines Nutzsignalanteils aus dem mindestens einen akustischen Störsignal, basierend auf der Nutzsignalabschätzung, umfassen.
  • Das Verfahren kann ferner Empfangen mindestens eines weiteren akustischen Störsignal und Erzeugen der Nutzsignalabschätzung durch Entfernen des akustischen Störsignals und des mindestens einen weiteren akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal umfassen.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt wird ein Verfahren zum Unterdrücken akustischer Störsignale in einem Nutzsignal beschrieben. Das Verfahren umfasst Empfangen eines strahlgeformten Tonsignals von einer Mikrofonarray-Einrichtung und eines weiteren strahlgeformten Tonsignals von einer weiteren Mikrofonarray-Einrichtung und Erzeugen einer Nutzsignalabschätzung durch Entfernen eines akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal, wobei das akustische Störsignal auf dem weiteren strahlgeformten Tonsignal basiert. Das Verfahren umfasst ferner Empfangen eines Informationssignals von der weiteren Mikrofonarray-Einrichtung, welches eine Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder statistische Kennwerte des akustischen Störsignals angibt und Ausgeben der Nutzsignalabschätzung, wobei Erzeugen der Nutzsignalabschätzung basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals durchgeführt wird.
  • Das Verfahren kann ferner Ausgeben eines Steuersignals umfassen, welches dazu eingerichtet ist, eine Richtcharakteristik einer Beamforming-Einheit der ersten Mikrofonarray-Einrichtung basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf dem statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals anzupassen.
  • Gemäß einem siebten Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt beschrieben, das auf einem computerlesbaren Speicher gespeichert ist, und welches bei seiner Ausführung einen Computer dazu veranlasst, die Schritte eines der in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahren auszuführen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile der hier vorgestellten Technik werden aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung deutlich. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs umfassend ein hierin beschriebenes System zum Unterdrücken akustischer Störsignale;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds eines Systems zum Unterdrücken akustischer Störsignale gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei das System beispielhaft eine Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale und zwei Vorrichtungen zum Erzeugen eines akustischen Störsignals umfasst;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds eines Systems zum Unterdrücken akustischer Störsignale gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei das System beispielhaft drei Vorrichtungen zum Unterdrücken akustischer Störsignale aufweist, wobei jede dieser Vorrichtungen auch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals darstellt;
  • 4 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale gemäß der vorliegenden Offenbarung, sowie beispielhaft drei Mikrofonarray-Einrichtungen, wobei eine Störsignalentfernungseinheit in der Vorrichtung vorgesehen ist;
  • 5 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer Hardware-Konfiguration einer Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
  • 6 eine schematische Darstellung einer Möglichkeit zur Quellentrennung, welche in einer Vorrichtung und in einem System gemäß der vorliegenden Offenbarung angewendet werden kann.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 2 in Aufsicht. Wie dargestellt, handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug 2 um einen Personenkraftwagen, insbesondere ein Cabriolet. Moderne Kraftfahrzeuge sind häufig mit Freisprecheinrichtungen für Telefonie über das Mobilfunknetz oder mit Einrichtungen zur Sprachsteuerung, beispielsweise zum Steuern einer Kommunikationseinheit, eines Navigationssystems, oder einer Unterhaltungseinheit des Kraftfahrzeugs 2 ausgestattet. Ferner sind Kommunikationssysteme denkbar, mit welchen Insassen eines Kraftfahrzeugs 2 (beispielsweise eines Vans oder eines Reisebusses) untereinander mittels Sprache kommunizieren können.
  • Hierbei kann es wünschenswert sein, lediglich die gesprochenen Worte eines Benutzers 6a zu detektieren, wobei diese gesprochenen Worte als Nutzsignal detektiert werden und die Gespräche umliegender Personen und störende Geräusche (beispielsweise des Motors, des Getriebes und/oder der Reifen) weitgehend unterdrückt werden sollen und im Nutzsignal nicht wahrnehmbar sein sollen. Ein Gesprächspartner des Benutzers 6a kann sich somit voll und ganz auf die gesprochenen Worte des Benutzers 6a konzentrieren.
  • 1 zeigt beispielhaft eine Situation, in welcher sich ein Benutzer 6a auf den Fahrersitz des Kraftfahrzeugs 2 befindet und sich ein weiterer Benutzer 6b schräg hinter dem Benutzer 6a auf dem Rücksitz befindet. In dem dargestellten Szenario sollen die gesprochenen Worte des Benutzers 6a als Nutzsignal aufgenommen werden. Gemäß einem Beispiel der Technik der vorliegenden Offenbarung sind zu diesem Zweck drei Mikrofonarray-Einrichtungen 4a, 4b, 4c vorgesehen. Die Mikrofonarray-Einrichtungen 4a, 4b, 4c sind so im Kraftfahrzeug 2 verteilt, dass sie sich jeweils in der Nähe einer potentiellen Schallquelle befinden. Beispielsweise befindet sich die Mikrofonarray-Einrichtung 4a in der Nähe des Benutzers 6a und die Mikrofonarray-Einrichtung 4b in der Nähe des Benutzers 6b. Die Mikrofonarray-Einrichtung 4c befindet sich in der Nähe des hinteren linken Radkastens 8, welcher beispielhaft eine Quelle für Störgeräusche in dem Kraftfahrzeug 2 darstellt. Ferner kommt es beispielsweise insbesondere bei Cabriolets zu lauten durch Wind verursachte Störgeräusche, welche in dem gesamten Fahrgastraum wahrgenommen werden und welche eine sprachliche Kommunikation erschweren.
  • Jede der Mikrofonarray-Einrichtungen 4a, 4b, 4c umfasst ein Mikrofonarray 58a, 58b, 58c, welches jeweils eine Mehrzahl an einzelnen Mikrofonen umfasst. Die einzelnen Mikrofone eines Arrays können beispielsweise entlang einer Linie (eindimensional), in einer Fläche (zweidimensional) oder im Raum verteilt (dreidimensional) angeordnet sein. Die Anordnung kann beispielsweise geordnet in regelmäßigen Abständen oder quasi-zufallsverteilt ausgestaltet sein. Ferner umfasst jede der Mikrofonarray-Einrichtungen 4a, 4b, 4c eine Beamforming-Einheit. Die Beamforming-Einheit einer jeweiligen Mikrofonarray-Einrichtung ist dazu eingerichtet, einzelne elektrische (digitale oder analoge) Tonsignale der jeweiligen Mikrofone der Mikrofonarray-Einrichtung zu empfangen und aus der Mehrzahl der Tonsignale mittels Beamforming ein strahlgeformtes Tonsignal zu erzeugen. Hierbei bedeutet der Begriff „strahlgeformtes Tonsignal” gemäß der vorliegenden Offenbarung lediglich, dass das strahlgeformte Tonsignal aus einem Prozess des akustischen Beamforming (also der akustischen Strahlformung) resultiert. Das strahlgeformte Tonsignal selbst unterscheidet sich somit nicht notwendigerweise von einem ”herkömmlichen” (beispielsweise digitalen) Tonsignal.
  • Beamforming ist eine Technologie, mittels welcher durch geeignete (z. B. zeitlich versetzte) Überlagerungen der einzelnen Tonsignale der Mikrofone ein strahlgeformtes (und somit „gerichtetes”) Tonsignal erzeugt werden kann, welches eine Vorzugsrichtung bzw. eine Hauptrichtung aufweist. Da die Empfindlichkeitsverteilung eines Mikrofonarrays im Wesentlichen als keulenförmig angesehen werden kann, wird in dieser Offenbarung auch von „Keulen” gesprochen, um eine Richtcharakteristik einer jeweiligen Beamforming-Einheit zu beschreiben. Anders ausgedrückt kann ein Querschnitt durch die entsprechende (dreidimensionale) Richtcharakteristik gelegt werden, dessen Projektion dem Querschnitt einer Keule ähnelt. Zusätzlich kann das keulenförmige Aussehen, in diesem Fall das Fokussieren entlang einer Linie, alleine durch eine Räumliche Ausrichtung eines eindimensionalen, zweidimensionalen oder dreidimensionalen Mikrofonarrays entstehen.
  • Eine „Hauptkeule” einer jeweiligen Beamforming-Einheit kann beispielsweise in eine vorbestimmte Richtung ausgerichtet werden, welche einer „Hauptrichtung” gemäß dieser Offenbarung entspricht. Anders ausgedrückt, entspricht die „Hauptrichtung” gemäß der vorliegenden Offenbarung einer Richtung der größten Empfindlichkeit. Geräuschquellen, welche sich in dieser Hauptrichtung befinden, finden sich in dem strahlgeformten Tonsignal wieder, während Geräuschquellen, welche sich nicht in der Hauptrichtung befinden, aus dem strahlgeformten Tonsignal weitgehend herausgefiltert werden können. Somit kann eine Mikrofonarray-Einrichtung 4a, 4b, 4c, welche Beamforming betreibt, ”in eine bestimmte Richtung hören”. Diese Hauptrichtung kann durch Parameter innerhalb der jeweiligen Beamforming-Einheit festgelegt werden. Die Anordnung der einzelnen Mikrofone des Mikrofonarrays in Raumdimensionen ermöglicht eine Ausrichtung der Hauptkeule in davon abhängigen Freiheitsgraden bzw. Dimensionen. Ferner kann jede der Beamforming-Einheiten weitere digitale Filter verwenden, um die Qualität des strahlgeformten Tonsignals zu verbessern.
  • Die räumliche Empfindlichkeitsverteilung einer Beamforming-Einheit unterscheidet sich abhängig der betrachteten Frequenzen. Hierbei können durch räumliches Aliasing Nebenkeulen neben den zuvor erwähnten Hauptkeulen entstehen. Jede Beamforming-Einheit weist eine Richtcharakteristik auf. Diese Richtcharakteristik kann beispielsweise gekennzeichnet werden durch zumindest eines aus: Richtung der Hauptkeule, Breite der Hauptkeule, Directivity Index (Empfindlichkeitsverhältnis der Hauptkeule zu einer Kugel) und Gewinn (Empfindlichkeitsverhältnis der Hauptkeule zu einer Referenzcharakteristik). Die Richtcharakteristik kann einerseits bereits durch die räumliche Anordnung der einzelnen Mikrofone des Mikrofonarrays vorgegeben sein. Ferner kann die Richtcharakteristik durch bereitstellen vorbestimmter Parameter an die entsprechende Beamforming-Einheit verändert werden. Beispiele hierfür sind das Einstellen einer Zeitverzögerung (Laufzeit), Gewichtung (Fensterung) und Filtern (Gewichtung und Summation von Abtastfolgen), ggf. adaptiv. Die jeweilige Verfahren (beispielsweise Zeitverzögerung) werden auf jedes einzelne Mikrofon angewendet, wobei die Unterschiede zwischen den Mikrofonen, bzw. das Zusammenspiel, den gewünschten Effekt (z. B. Beamsteering, Beamshaping, Auslöschung, Anpassung, etc.) ergeben. Hierbei kann der Begriff „Filterung” als Oberbegriff und „Verzögerung” und „Gewichtung” als (einfache) Spezialfälle der Filterung angesehen werden.
  • Beamforming unterscheidet zwischen bewusster Hauptrichtungsänderung (Beamsteering) und bewusster Änderung der Form (Beamshaping) mit folgenden Zusammenhängen (vereinfacht): Anpassen einer Zeitverzögerung bewirkt Richtungsänderung der Haupt- und Nebenkeulen. Fensterung reduziert Nebenkeulen. Filterung ermöglicht nahezu beliebige Form- und Richtungsänderung insbesondere auch eine zusätzliche Ausblendung einer nicht erwünschten Richtung und Selbst-Anpassung an veränderliche Umgebungsverhältnisse.
  • In der Darstellung der 1 ist eine jeweilige Richtcharakteristik der Mikrofonarray-Einrichtungen 4a, 4b, 4c durch eine schraffierte Keule angedeutet, welche eine Hauptkeule der jeweiligen Beamforming-Einheit darstellt.
  • Wie im Folgenden genauer beschrieben wird, kann beispielsweise jede der Mikrofonarray-Einrichtungen 4a, 4b, 4c lediglich eine Mikrofonarray-Einrichtung sein, welche jeweils ein strahlgeformtes Tonsignal generiert und dieses strahlgeformte Tonsignal an eine zentrale Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale übermittelt, wobei diese Vorrichtung mindestens eine Nutzsignalabschätzung erzeugt. Ferner kann beispielsweise eine der Mikrofonarray-Einrichtungen 4a, 4b, 4c als Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale dienen, während die anderen beiden Vorrichtungen jeweils eine Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen. Ferner kann jede der Mikrofonarray-Einrichtungen 4a, 4b, 4c gleichzeitig eine Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale als auch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals darstellen.
  • Wie in 1 gezeigt wird, kann es beispielsweise gewünscht sein, die Sprache des Benutzers 6a als ein Nutzsignal zu detektieren, während Störgeräusche des Radkastens 8 und Störgeräusche, welche der Benutzer 6b beispielsweise durch Sprechen von sich gibt, aus dem Nutzsignal hinausgefiltert werden sollen. Ferner kann es beispielsweise gewünscht sein, für jeden der Benutzer 6a, 6b ein jeweiliges Nutzsignal zu generieren, wobei das Nutzsignal des weiteren Benutzers 6b ein Störsignal für das Nutzsignal des Benutzers 6a darstellt und umgekehrt. Diese Konstellation ist beispielsweise in Fällen wünschenswert, in denen beide Benutzer 6a und 6b gleichzeitig telefonieren oder der Benutzer 6b telefoniert, während der Benutzer 6a Sprachanweisungen an eine Sprachsteuerungseinheit des Fahrzeug gibt.
  • Jede der Mikrofonarray-Einrichtungen 4a, 4b, 4c ist an einer vorbestimmten Position positioniert, wobei beispielsweise die Mikrofonarray-Einrichtung 4a in einem Armaturenbrett des Kraftfahrzeugs 2 integriert sein kann und die Mikrofonarray-Einrichtungen 4b und 4c in einer Bedieneinheit des Kraftfahrzeugs 2 eingebaut sein können, wobei es sich bei der Bedieneinheit beispielsweise um einen Tablet-Computer handeln kann, der an einer Rückenlehne eines Fahrersitzes und/oder eines Beifahrersitzes befestigt werden kann.
  • Jede der Mikrofonarray-Einrichtungen 4a, 4b, 4c weist eine Hauptrichtung auf, in welche die Beamforming-Einheit ausgerichtet ist. Diese Hauptrichtung kann jeweils entweder fest vorgegeben und unveränderbar sein oder durch entsprechende Parameter anpassbar sein. Beispielsweise kann die Beamforming-Einrichtung 4b immer auf den Radkasten 8 des linken Hinterrads ausgerichtet sein. Ferner kann beispielsweise die Mikrofonarray-Einrichtung 4a auf den Motor ausgerichtet sein, wenn lediglich der weitere Benutzer 6b telefoniert und wenn eine Steuereinheit des Kraftfahrzeugs 2 detektiert, dass der Benutzer 6a ein Telefongespräch beginnen möchte, kann die Hauptrichtung der Beamforming-Einheit 4a so angepasst werden, dass sie in Richtung des Mundes des Benutzers 6a zeigt. Hauptrichtungen der Beamforming-Einheiten 4a, 4b und 4c können auch adaptiv bewusst von individuellen Störgeräuschen weggerichtet werden.
  • In den weiteren 2 bis 4 werden unterschiedliche Ausführungsformen des Technik der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben, wobei jede der darin beschriebenen Vorrichtungen und Einheiten, welche ein Mikrofonarray aufweist, eine der in 1 dargestellten Mikrofonarray-Einrichtungen 4a, 4b oder 4c darstellen kann.
  • 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Systems zum Unterdrücken akustischer Störsignale, wobei das System eine Vorrichtung 50a zum Unterdrücken akustischer Störsignale und beispielhaft zwei Vorrichtungen 50b und 50c zum Erzeugen eines akustischen Störsignals umfasst. Die 2 bis 4 stellen schematische Blockschaltbilder dar, wobei Signale, welche innerhalb der Vorrichtungen und zwischen den Vorrichtungen bzw. Einheiten übermittelt werden, als Pfeile dargestellt sind. Hierbei beschreiben durchgezogene Pfeile jeweils ein Tonsignal und gestrichelte Pfeile beschreiben ein Informationssignal, wie später im Detail erläutert wird. Zwischen den einzelnen Vorrichtungen können die Tonsignale bzw. Informationssignale jeweils auf beliebige Weise übermittelt werden. Die Übermittlung der Signale kann beispielsweise kabellos (über WLAN, Bluetooth, Funk, etc.) oder kabelgebunden durchgeführt werden.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem lediglich eine Nutzsignalabschätzung 66a gewonnen wird, während zwei Vorrichtungen 50b und 50c zum Erzeugen eines akustischen Störsignals jeweils ein akustisches Störsignal 66b und 66c erzeugen. Das Ausführungsbeispiel der 2 kann beispielsweise in der in 1 dargestellten Situation verwendet werden, wenn lediglich die Sprache des Benutzers 6a als Nutzsignalabschätzung gewonnen werden soll. Eine Vorrichtung 50a zum Unterdrücken akustischer Störsignale umfasst ein Mikrofonarray 58a, bestehend aus einer Mehrzahl einzelner Mikrofone. Die einzelnen Mikrofone detektieren jeweils Schall und wandeln diesen in ein elektrisches Tonsignal 62a um. Die Mehrzahl an Tonsignalen 62a kann jeweils in analoger oder digitaler Form vorliegen. Die Mehrzahl an Tonsignalen 62a wird in eine Beamforming-Einheit 52a eingespeist und von dieser zu einem strahlgeformten Tonsignal 64a verarbeitet. Hierfür wird Beamforming verwendet, wobei die Beamforming-Einheit 52a durch entsprechende Parameter konfiguriert sein kann, welche beispielsweise eine Hauptrichtung des strahlgeformten Tonsignals angeben.
  • Die Vorrichtung 50a umfasst ferner eine Störsignalentfernungseinheit 54a, welche das strahlgeformte Tonsignal 64a empfängt. Ferner empfängt die Störsignalentfernungseinheit 54a mindestens ein akustisches Störsignal 66b und 66c. Diese Störsignale 66b und 66c werden jeweils von einer Vorrichtung 50b, 50c zum Erzeugen eines akustischen Störsignals erzeugt und über eine jeweilige Ausgangsschnittstelle 56b, 56c der jeweiligen Vorrichtung 50b, 50c an eine Eingangsschnittstelle 60a der Vorrichtung 50a zum Unterdrücken akustischer Störsignale übermittelt. Die Übermittlung der akustischen Störsignale 66b, 66c kann beispielsweise drahtgebunden oder drahtlos über geeignete Signalübertragungskanäle stattfinden. Hierbei sind die jeweiligen Ausgangsschnittstellen 56b, 56c und die Eingangsschnittstelle 60a dazu eingerichtet, die jeweiligen akustischen Störsignale 66b, 66c zu senden bzw. zu empfangen. Die akustischen Störsignale 66b, 66c können beispielsweise mittels WLAN oder mittels Bluetooth übertragen werden.
  • Die Vorrichtungen 50b, 50c zum Erzeugen eines akustischen Störsignals umfassen jeweils ein Mikrofonarray 58b, 58c, welches ähnlich ausgestaltet ist, wie das Mikrofonarray 58a der Vorrichtung 50a zum Unterdrücken akustischer Störsignale. Ferner umfassen die Vorrichtungen 50b, 50c zum Erzeugen eines akustischen Störsignals jeweils eine Beamforming-Einheit 52b, 52c, welche ähnlich ausgestaltet ist und identisch ausgestaltet sein kann, wie die Beamforming-Einheit 52a der Vorrichtung 50a zum Unterdrücken akustischer Störsignale.
  • Die Vorrichtungen 50b, 50c zum Erzeugen eines akustischen Störsignals sind jeweils in der Nähe einer Störsignalquelle positioniert. Bei der Störsignalquelle kann es sich bei beispielsweise um den in 1 dargestellten Radkasten 8 oder um eine sprechende Person 6b handeln. Ferner sind die Beamforming-Einheiten 52b, 52c der Vorrichtungen 50b und 50c so konfiguriert, dass eine Hauptrichtung der jeweiligen Beamforming-Einheit 52b, 52c in Richtung einer Störquelle ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung kann beispielsweise festgelegt sein oder anpassbar sein, beispielsweise so, dass die jeweilige Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals dazu eingerichtet ist, eine Hauptrichtung zu detektieren, in welcher sich die lauteste Störsignalquelle befindet. Auf diese lauteste Störsignalquelle kann die jeweilige Vorrichtung 50b, 50c zum Erzeugen eines akustischen Störsignals so lange ausgerichtet bleiben, wie das akustische Störsignal detektiert wird. Ferner können die Beamforming-Einheiten 52b, 52c jeweils in Richtungen ausgerichtet sein, von denen bekannt ist, dass sich in dieser Richtung eine Störquelle (beispielsweise der Radkasten 8) befindet.
  • Jede der Beamforming-Einheiten 52b, 52c erzeugt ein weiteres strahlgeformtes Tonsignal 64b, 64c. Dieses weitere strahlgeformte Tonsignal 64b, 64c kann über die jeweilige Ausgangsschnittstelle 56b, 56c als das jeweilige akustische Störsignal 66b, 66c ausgegeben werden. Das jeweilige weitere strahlgeformte Tonsignal 64b, 64c kann auch durch mindestens einen weiteren Signalverarbeitungsschritt (beispielsweise ein digitales Filter) bearbeitet werden (in den Figuren nicht dargestellt). Die akustischen Störsignale 66b, 66c der Vorrichtungen 50b, 50c zum Erzeugen eines akustischen Störsignals werden von der Eingangsschnittstelle 60a der Vorrichtung 50a zum Unterdrücken akustischer Störsignale empfangen. Die Störsignalentfernungseinheit 54a verarbeitet das strahlgeformte Tonsignal 64a und entfernt aus diesem die Störsignale 66b und 66c. Dies kann beispielsweise durch Verwenden eines digitalen Filters, beispielsweise eines adaptiven digitalen Filters, erfolgen. Somit werden Anteile der akustischen Störsignale 66b und 66c in dem strahlgeformten Tonsignal 64a entfernt und das strahlgeformte Tonsignal wird von diesen störenden Anteilen bereinigt. Das bereinigte Signal wird als Nutzsignalabschätzung 66a über eine geeignete Ausgangsschnittstelle 56a der Vorrichtung 50a zum Unterdrücken akustischer Störsignale ausgegeben.
  • Gemäß der obigen Beschreibung wird somit davon ausgegangen, dass in dem strahlgeformten Tonsignal 64a trotz Beamforming der Beamforming-Einheit 52a Störsignalanteile enthalten sind, welche den akustischen Störsignalen 66b und 66c entsprechen oder diesen zumindest ähnlich sind. Diese Störsignalanteile können durch die oben geschilderte Technik zuverlässig aus dem strahlgeformten Tonsignal 64a herausgefiltert werden, um die Nutzsignalabschätzung 66a zu erzeugen.
  • Optional kann die Störsignalentfernungseinheit 54a oder eine weitere Signalverarbeitungseinheit (nicht dargestellt) dazu eingerichtet sein, einen Nutzsignalanteil aus mindestens einem der Störsignale 66b und 66c zu entfernen. Dieses Entfernen geschieht basierend auf der Nutzsignalabschätzung, beispielsweise durch Entfernen der Nutzsignalabschätzung aus dem jeweiligen akustischen Störsignal 66b, 66c, ähnlich zu dem Entfernen der akustischen Störsignale 66b, 66c aus dem strahlgeformten Tonsignal 64a. Ferner können statistische Daten der Nutzsignalabschätzung 66a gewonnen werden, welche dazu geeignet sind, die akustischen Störsignale 66b und 66c von einem Nutzsignalanteil zu bereinigen.
  • Optional können die Vorrichtungen 50b, 50c zum Erzeugen eines akustischen Störsignals jeweils ein Informationssignal 68b, 68c über ihre jeweilige Ausgangsschnittstelle 56b, 56c ausgeben. Das Informationssignal 68b, 68c kann beispielsweise zusammen mit dem zugehörigen akustischen Störsignal 66b, 66c als gemeinsames digitales Signal zu der Vorrichtung 50a zum Unterdrücken akustischer Störsignale übermittelt werden. Das jeweilige Informationssignal 68b, 68c gibt eine Hauptrichtung des akustischen Störsignals 66b, 66c und/oder statistische Kennwerte des akustischen Störsignals 66b, 66c an. Hierfür kann beispielsweise die Information über die Hauptrichtung von der jeweiligen Beamforming-Einheit 52b, 52c bereitgestellt werden. Ferner können die statistischen Kennwerte des jeweiligen akustischen Störsignals 64b, 64c durch eine statistische Analyse des jeweiligen akustischen Störsignals 64b, 64c gewonnen werden. Diese statistische Analyse kann beispielsweise von der jeweiligen Beamforming-Einheit 52b, 52c durchgeführt werden oder jeweils von einer separaten Analyse-Einheit (nicht dargestellt) vorgenommen werden. Beispielsweise können die statistischen Kennwerten zumindest eines von Korrelationen, Erwartungswerte und zentrale Momente beliebiger Ordnung (incl. im Verbund, z. B. Covarianz), Autokorrelationsfolgen, Kreuzkorrelationsfolgen, Autoleistungsdichtespektren, Kreuzleistungsdichtespektren, und Audio-Spektren im Allgemeinen umfassen. Das jeweilige Informationssignal 68b, 68c kann somit Informationen über die Hauptrichtung, eine Richtcharakteristik, eine Frequenzverteilung, etc. angeben.
  • Die Informationssignale 68b, 68c werden von der Eingangsschnittstelle 60a der Vorrichtung 50a zum Unterdrücken akustischer Störsignale empfangen und können von der Vorrichtung 50a dazu verwendet werden, eine Richtcharakteristik der Beamforming-Einheit 52a anzupassen. Ferner können weitere Parameter der Beamforming-Einheit 52a basierend auf den Informationssignalen 68b, 68c angepasst werden. Beispielsweise kann die Richtcharakteristik der Beamforming-Einheit 52a so angepasst werden, dass die Hauptrichtung der Beamforming-Einheit 52a von den Störquellen weggerichtet wird, welche von der Vorrichtung 50b und/oder Vorrichtung 50c zum Erzeugen eines akustischen Störsignals empfangen werden. Zusätzlich oder alternativ können die Informationssignale 68b, 68c von der Signalentfernungseinheit 54a dazu verwendet werden, die Bereinigung des strahlgeformten Tonsignals 64a zu optimieren.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung, in welchem nicht nur eine Nutzsignalabschätzung 66a ausgegeben wird, sondern eine Nutzsignalabschätzung 66a, 66b, 66c für jeweils eine Vorrichtung 50a, 50b, 50c ausgegeben wird. Hierbei dient die Nutzsignalabschätzung 66a, 66b, 66c einer Vorrichtung 50a, 50b, 50c als akustisches Störsignal für jeweils die anderen beiden Vorrichtungen 50a, 50b, 50c. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Nutzsignalabschätzung 66a der Vorrichtung 50a gleichzeitig ein akustisches Störsignal für die Vorrichtungen 50b und 50c darstellt. Somit ist jede der Vorrichtungen 50a, 50b, 50c gleichzeitig eine Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals.
  • Im Hinblick auf die in 1 dargestellte Situation, kann das Ausführungsbeispiel der 3 beispielsweise verwendet werden, um gleichzeitiges Telefonieren von drei Benutzern 6a, 6b (dritter Benutzer nicht dargestellt) in einem Kraftfahrzeug 2 zu ermöglichen, wobei das jeweilige Sprachsignal der Benutzer jeweils als Nutzsignalabschätzung ausgegeben wird und wobei ein Sprachsignal beispielsweise des Benutzers 6b ein akustisches Störsignal für das Telefongespräch des Benutzers 6a darstellt.
  • Die in 3 dargestellte Ausführungsform kann beliebig um weitere Vorrichtungen ergänzt werden, wobei diese weiteren Vorrichtungen jeweils entweder eine Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale und gleichzeitig eine Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals darstellen oder lediglich eine Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals darstellen, wobei diese Vorrichtung dann keine eigene Nutzsignalabschätzung ausgibt. Ferner kann das in 3 dargestellte System auch lediglich aus zwei Vorrichtungen zum Unterdrücken akustischer Störsignale bestehen, welche gleichzeitig Vorrichtungen zum Erzeugen eines akustischen Störsignals sind. Die Vorrichtung 50c ist somit optional. Dasselbe gilt für das in 2 dargestellte System, welches beliebig durch weitere Vorrichtungen zum Erzeugen eines akustischen Störsignals ergänzt werden kann und in welchem beispielsweise die Vorrichtung 50c weggelassen werden kann.
  • Im Hinblick auf die einzelnen Elemente des in 3 dargestellten Systems, gilt das oben zu 2 Gesagte. Die Ausführungsbeispiele der 2 und 3 unterscheiden sich im Wesentlichen darin, dass jede der Vorrichtungen 50a, 50b, 50c eine eigene Nutzsignalabschätzung 66a, 66b, 66c über eine zugehörige Ausgabeschnittstelle 56a, 56b, 56c ausgibt und dass in jeder der Vorrichtungen 50a, 50b, 50c eine Störsignalentfernungseinheit 54a, 54b, 54c vorgesehen ist. Die Störsignalentfernungseinheiten 54a, 54b, 54c empfangen jeweils ein strahlgeformtes Tonsignal 64a, 64b, 64c von einer zugehörigen Beamforming-Einheit 52a, 52b, 52c und entfernen aus diesem strahlgeformten Tonsignal 64a, 64b, 64c Anteile der Nutzsignalabschätzungen 66a, 66b, 66c der jeweils anderen Vorrichtungen 50a, 50b, 50c. Dieses Entfernen der akustischen Störsignale 66a, 66b, 66c erfolgt entsprechend der Entfernung der akustischen Störsignale 66b, 66c in der Vorrichtung 50a zum Unterdrücken akustischer Störsignale in 2.
  • Das in 3 dargestellte System zum Unterdrücken akustischer Störsignale kann ein Verfahren zur Quellentrennung verwenden, welches eine Unabhängigkeitsanalyse (ICA), eine Hauptachsentransformation (PCA) oder andere geeignete Verfahren verwendet. Diese Quellentrennung kann beispielsweise in einer der Störsignalentfernungseinheiten 54a, 54b, 54c durchgeführt werden oder von den Störsignalentfernungseinheiten 54a, 54b, 54c gemeinsam durchgeführt werden. Ferner können eine oder mehrere zusätzliche Quellentrennungseinheiten zur Quellentrennung (d. h., zum Herausrechnen von Crosstalk) vorgesehen sein. Weitere Details eines möglichen Verfahrens zur Quellentrennung werden weiter unten unter Bezugnahme auf 6 erläutert.
  • Ferner können auch in dem Ausführungsbeispiel der 3 Informationssignale 68a, 68b, 68c verwendet werden, um Richtcharakteristiken der jeweiligen Beamforming-Einheiten 52a, 52b, 52c anzupassen. Die Informationssignale 68a, 68b, 68c können auch in die jeweiligen Störsignalentfernungseinheiten 54a, 54b, 54c eingespeist werden, um eine Bereinigung der jeweiligen Nutzsignalabschätzung 66a, 66b, 66c (beispielsweise durch die Verwendung statistischer Kennwerte) zu verbessern.
  • 4 zeigt ein System zum Unterdrücken akustischer Störsignale, welches eine zentrale Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale aufweist. Ferner sind eine Mehrzahl an Mikrofonarray-Einrichtungen 70a, 70b, 70c vorgesehen, welche in dem Ausführungsbeispiel der 4 keine eigene Störsignalentfernungseinheit aufweisen. Vielmehr wird das generierte strahlgeformte Tonsignal 84a, 84b, 84c der jeweiligen Mikrofonarray-Einrichtung 70a, 70b, 70c direkt über eine jeweilige Ausgangsschnittstelle 86a, 86b, 86c der jeweiligen Mikrofonarray-Einrichtung 70a, 70b, 70c ausgegeben. Die jeweiligen strahlgeformten Tonsignale 84a, 84b, 84c werden von einer Eingangsschnittstelle 88 der Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale empfangen.
  • Die Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale weist eine Störsignalentfernungseinheit 74 auf. Analog zu der Störsignalentfernungseinheit 54a der 2 entfernt die Störsignalentfernungseinheit 74 das akustische Störsignal 84b und das akustische Störsignal 84c aus dem strahlgeformten Tonsignal 84a. Somit stellt das Ausführungsbeispiel der 4 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der 2 dar, in welchem die Entfernung der Störsignale von der Einheit 50a in die zentrale Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale verlagert wird. Das von den akustischen Störsignalen 84b und 84c bereinigte strahlgeformte Tonsignal 84a wird von der Störsignalentfernungseinheit 74 als Nutzsignalabschätzung 92 ausgegeben und von einer Ausgangsschnittstelle 76 der Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale ausgegeben.
  • Ferner erzeugen die Mikrofonarray-Einrichtungen 70b und 70c jeweils ein Informationssignal 88b, 88c, welches über die Eingangsschnittstelle 94 in die Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale eingespeist wird. Basierend auf diesen Informationssignalen 88b, 88c gibt die Vorrichtung 94 zum Unterdrücken akustischer Störsignale ein Steuersignal 90b, 90c aus, welches dazu eingerichtet ist, ein Richtcharakteristik der Beamforming-Einheit 72a der Mikrofonarray-Einrichtung 70a basierend auf der Hauptrichtung der akustischen Störsignale 84b, 84c und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten der akustischen Störsignale 84b, 84c anzupassen. Wie in der 1 gezeigt wird, kann das Steuersignal sich beispielsweise aus zwei Signalen 90b, 90c zusammensetzen, welche den Informationssignalen 88b, 88c der beiden Mikrofonarray-Einrichtungen 70b und 70c entsprechen. Die Mikrofonarray-Einrichtung 70a kann auf Grundlage dieser Steuersignale 90b, 90c eine Anpassung der Richtcharakteristik der Beamforming-Einheit 72a durchführen. Alternativ kann bereits in der Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale eine Umwandlung der Informationssignale 88b, 88c in ein Steuersignal stattfinden. Das Steuersignal kann beispielsweise Informationen über eine Hauptrichtung enthalten, in welche die Beamforming-Einheit 72a der Mikrofonarray-Einheit 70a ausgerichtet werden soll.
  • Wie oben geschildert, entspricht die Ausführungsform der 4 einer Abwandlung der Ausführungsform der 2, wobei bestimmte Elemente des Systems in eine zentrale Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale ausgelagert wurden. Dies ermöglicht es beispielsweise, die Störsignalentfernungseinheit 74 in die zentrale Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale auszulagern, wodurch diese Störsignalentfernungseinheit 74 nicht in einer der Mikrofonarray-Einrichtungen 70a, 70b, 70c vorgesehen werden muss. Dadurch können Kosten der einzelnen Mikrofonarray-Einrichtungen 70a, 70b, 70c gespart werden. Ferner erleichtert eine einzige zentrale Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale eine Koordination der verschiedenen Mikrofonarray-Einrichtungen 70a, 70b, 70c.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 4 wird lediglich eine Nutzsignalabschätzung 92 ausgegeben, welche auf dem strahlgeformten Tonsignal 84a der Mikrofonarray-Einrichtung 70a basiert. Nicht in der 4 dargestellt ist, dass auch weitere Nutzsignalabschätzungen basierend auf den strahlgeformten Tonsignalen 84b, 84c der beiden weiteren Mikrofonarray-Einrichtungen 70b, 70c generiert und ausgegeben werden können. Dies geschieht entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 3, wobei die jeweilige Entfernung der akustischen Störsignale von der zentralen Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale vorgenommen wird. Hierbei kann beispielsweise die Störsignalentfernungseinheit 74 auch dazu eingerichtet sein, die Aufgaben der Störsignalentfernungseinheiten 54b und 54c der 3 zu übernehmen. Alternativ können weitere Störsignalentfernungseinheiten in der Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale vorgesehen sein, welche jeweils die Aufgaben der Störsignalentfernungseinheiten 54b und 54c übernehmen. In diesem Fall ist die Ausgangsschnittstelle 76 dazu eingerichtet, nicht nur die Nutzsignalabschätzung 92 auszugeben, sondern auch die Nutzsignalabschätzungen auszugeben, welche auf den strahlgeformten Tonsignalen 84b und 84c der Mikrofonarray-Einrichtungen 70b und 70c basieren.
  • Die Funktion der zentralen Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale kann beispielsweise von einer zentralen Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs 2 übernommen werden.
  • Die 2 bis 4 stellen die darin beschriebenen Ausführungsbeispiele in Blockschaltbildern dar, welche schematisch logische Anordnungen der beschriebenen Systeme und Vorrichtungen darstellen. Die einzelnen dargestellten Elemente der beschriebenen Vorrichtungen und Mikrofonarray-Einrichtungen müssen nicht physisch voneinander getrennt sein, sondern können beispielsweise in Form einer gemeinsamen Hardware-Einheit bereitgestellt sein. Fernern können sämtliche Rechenoperationen der beschriebenen Einheiten von einer zentralen Recheneinheit (CPU) durchgeführt werden, wobei Befehle zum Steuern der zentralen Recheneinheit in einer Speichereinheit der jeweiligen Vorrichtung bzw. Mikrofonarray-Einrichtung gespeichert sind.
  • Insbesondere kann ein Computerprogrammprodukt vorgesehen sein, welches, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, die Schritte eines der in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahren ausführt. Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise von einer der Vorrichtungen oder Mikrofonarray-Einrichtungen gelesen werden und von einer zentralen Recheneinheit der jeweiligen Vorrichtung bzw. Mikrofonarray-Einrichtung ausgeführt werden.
  • 5 zeigt ein mögliches Beispiel für eine Hardware-Konfiguration, welche beispielsweise in einer der Vorrichtungen zum Unterdrücken akustischer Störsignale verwendet werden kann, die in den 2 und 3 gezeigt sind.
  • Die in 5 dargestellte Vorrichtung 100 zum Unterdrücken akustischer Störsignale umfasst einen Audiocodec 102, einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 104 und optional einen Digital-Signal-Prozessor (DSP) 106. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 eine Hauptrecheneinheit 108 (CPU, SoC = System on Chip). Die Vorrichtung umfasst ferner mindestens eine Schnittstelle 110. Der Audiocodec 102 ist beispielsweise zuständig für Verstärkung und Mischung der Mehrzahl an Tonsignalen, welche von den einzelnen Mikrofonen des Mikrofonarrays der Vorrichtung 100 empfangen werden. Der optionale A/D-Wandler 104 ist zuständig für eine Analog-Digital-Wandlung der einzelnen Tonsignale. Der A/D-Wandler 104 kann im Audiocodec 102 integriert oder separat ausgeführt sein. Ferner kann der optionale DSP 106 im Audiocodec 102 integriert oder separat ausgeführt sein. Der DSP 106 ist spezialisiert auf Audiosignalverarbeitung.
  • Die Hauptrecheneinheit 108 kann die komplette Signalverarbeitung oder Teile davon ausführen. Die Hauptrecheneinheit 108 kann jedoch auch wegfallen, falls deren Aufgaben von einer anderen Einheit (beispielsweise dem DSP 106) übernommen werden. Die Hauptrecheneinheit 108 führt zumindest ein Zusammenführen von Informationen in ein definiertes Datenformat (Schnittstelle) aus und leitet diese an einen gewünschten Ausgang (WLAN, Bluetooth, etc.) weiter.
  • Die Schnittstellen 110 werden zur Gewährleistung der Hardware-Unabhängigkeit definiert. Bei einheitlicher Schnittstelle 110 ist die verwendete Hardware und Algorithmik der Signalverarbeitung, als auch die Art, Anzahl und Anordnung der Mikrofone des Mikrofonarrays frei wählbar. Die Schnittstellen 110 umfassen ein Datenprotokoll, abhängig von Übertragungsweg und Dateninhalt. Das Datenprotokoll vereint beispielsweise Echtzeitfähigkeit und geringe Latenz. Die von den Schnittstellen 110 eingegebenen bzw. ausgegebenen Daten umfassen beispielsweise eine Störsignalabschätzung, eine Nutzsignalabschätzung, Kennwerte des Signals, Richtungsinformationen und Steuerungssignale.
  • 6 zeigt eine Möglichkeit der Quellentrennung, welche beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel der 3 angewendet werden kann. Die 4 beschreibt eine sogenannte quasi-blinde Quellentrennung. In der Darstellung der 6 sind eine Anzahl m an ”Einheiten” 120 vorgesehen, wobei jede dieser Einheiten 120 einer Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale und gleichzeitig einer Vorrichtung zum Erzeugen eines akustischen Störsignals entspricht. Ferner wird davon ausgegangen, dass eine Anzahl an k Quellen 122 vorgesehen ist, wobei jede der k Quellen 122 ein Signal aussendet, welches als Nutzsignal detektiert und herausgefiltert werden soll. Jede der m Einheiten 120 detektiert eine Beobachtung, also ein strahlgeformtes Tonsignal. Es wird ferner davon ausgegangen, dass die Anzahl m der vorgesehenen Einheiten 120 mindestens genauso groß ist, wie die Anzahl k der Signalquellen 122 (m ≥ k).
  • Das vorgestellte System ist nicht ”blind”, da die einzelnen Einheiten 120 mittels Beamforming auf die Quellen ”s” 122 gerichtet sind. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Performance der Verfahren. Störgeräusche (”n”) werden durch Beamforming und die Entfernung der Störsignale (noise reduction) eliminiert. Fiterverfahren (”h_BF” und ”h_NR”) werden von dem jeweiligen Anwendungsfall bestimmt. Crosstalk wird bereits mittels Beamforming minimiert. Eine Quelle 122 (”source”, ”s”) kann sowohl ein Sprecher als auch ein zu unterdrückendes Geräusch sein. Falls eine Quelle 122 ein Störgeräusch darstellt, wird dadurch eine Störsignalunterdrückung (noise reduction) verbessert. Es sollten mindestens so viele Einheiten 120 (m) wie Nutzquellen 122 (k) verfügbar sein. Die Methode der Entmischung (Schätzung der Matrix ”a” = Trennung der Quellen) kann abhängig vom Anwendungsfall variieren. Durch diese Methode werden ggfs. die Beobachtungen (”x”) auf die ”wahre” Anzahl von Nutzquellen 122 (”s”) reduziert.
  • Das oben geschilderte Verfahren ist beispielsweise bevorzugt in einem Ausführungsbeispiel anwendbar, welches eine zentrale Steuereinheit, also eine zentrale Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale aufweist, wie beispielsweise in der 4 gezeigt ist. In einer solchen zentralen Vorrichtung zum Unterdrücken akustischer Störsignale kann die vorgestellte Quellentrennung von einer gemeinsamen Einheit vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Störsignalentfernungseinheit 74 der Vorrichtung 80 zum Unterdrücken akustischer Störsignale die geschilderte Quellentrennung vornehmen. Alternativ kann eine eigene Einheit zur Quellentrennung vorgesehen sein.
  • Wie oben beschrieben wird, können mit der vorliegenden Technik Störsignale einerseits effektiv mittels Beamforming unterdrückt werden. Andererseits können zusätzliche Vorrichtungen, welche ebenfalls Beamforming verwenden, Störsignale detektieren, welche dazu verwendet werden, eine verbesserte Nutzsignalabschätzung zu erzeugen. Hierfür können die beschriebenen Vorrichtungen und Mikrofonarray-Einrichtungen beliebig auf vorteilhafte Weise in einer Umgebung verteilt werden, in welcher ein akustisches Nutzsignal möglichst störungsfrei detektiert werden soll.
  • Durch die in dieser Offenbarung beschriebene Technik wird ein modulares System beschrieben, welches je nach Bedarf beliebig erweiterbar ist. Durch die beschriebene Modularität ist die beschriebene Technik flexibel und einzelne Einheiten können bei Bedarf ergänzt oder (beispielsweise bei Vorliegen eines Defekts) ausgetauscht werden. Ferner können alle der beschriebenen Einheiten drahtlos miteinander kommunizieren, was eine aufwändige Verkabelung überflüssig macht.
  • Die vorliegend beschriebenen Techniken sind besonders für eine Verwendung in einem Kraftfahrzeug beschrieben worden. Es versteht sich jedoch, dass die beschriebenen Techniken auch außerhalb des Kraftfahrzeugbereichs vielfältig vorteilhafte Anwendung finden können. Dies ist insbesondere angesichts fortschreitender Prozessorleistungen in mobilen Geräten sowie zunehmend leistungsfähiger Tonsignalverarbeitungstechniken zu erwarten.

Claims (25)

  1. Vorrichtung (50a) zum Unterdrücken akustischer Störsignale in einem Nutzsignal, umfassend: ein Mikrofonarray (58a) zum Detektieren von Schall und zum Erzeugen einer Mehrzahl an Tonsignalen (62a); eine auf eine Nutzsignalquelle richtbare Beamforming-Einheit (52a) zum Erzeugen eines strahlgeformten Tonsignals (64a) basierend auf der Mehrzahl an Tonsignalen (62a); eine Eingangsschnittstelle (60a) zum Empfangen mindestens eines akustischen Störsignals (66b, 66c); eine Störsignalentfernungseinheit (54a) zum Erzeugen einer Nutzsignalabschätzung (66a) durch Entfernen des mindestens einen akustischen Störsignals (66b, 66c) von dem strahlgeformten Tonsignal (64a); und eine Ausgangsschnittstelle (56a) zum Ausgeben der Nutzsignalabschätzung (66a).
  2. Vorrichtung (50a) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (50a) dazu eingerichtet ist, ein Informationssignal (68b, 68c) zu empfangen und zu verarbeiten, welches eine Hauptrichtung des akustischen Störsignals (66b, 66c) und/oder statistische Kennwerte des akustischen Störsignals (66b, 66c) angibt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Störsignalentfernungseinheit (54a) dazu eingerichtet ist, die Nutzsignalabschätzung (66a) basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals (66b, 66c) und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals (66b, 66c) zu erzeugen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Beamforming-Einheit (52a) dazu eingerichtet ist, eine Richtcharakteristik basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals (66b, 66c) und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals (66b, 66c) anzupassen.
  5. Vorrichtung (50a) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Störsignalentfernungseinheit (54a) dazu eingerichtet ist, basierend auf der Nutzsignalabschätzung (66a), einen Nutzsignalanteil aus dem mindestens einen akustischen Störsignal (66b, 66c) zu entfernen und das resultierende akustische Störsignal von dem strahlgeformten Tonsignal (64a) zu entfernen.
  6. Vorrichtung (50a) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Eingangsschnittstelle (60a) dazu eingerichtet ist, mindestens ein weiteres akustisches Störsignal (66c) zu empfangen, und die Störsignalentfernungseinheit (54a) dazu eingerichtet ist, die Nutzsignalabschätzung (66a) durch Entfernen des akustischen Störsignals (66b) und des mindestens einen weiteren akustischen Störsignals (66c) von dem strahlgeformten Tonsignal (64a) zu erzeugen.
  7. System zum Unterdrücken akustischer Störsignale in einem Nutzsignal, umfassend: eine Vorrichtung (50a) nach einem der Ansprüche 1 bis 6; und eine Vorrichtung (50b, 50c) zum Erzeugen eines akustischen Störsignals, umfassend: ein weiteres Mikrofonarray (58b, 58c) zum Detektieren von Schall und zum Erzeugen einer weiteren Mehrzahl an Tonsignalen (62b, 62c); eine auf eine Störsignalquelle richtbare weitere Beamforming-Einheit (52b, 52c) zum Erzeugen eines weiteren strahlgeformten Tonsignals (64b, 64c) basierend auf der weiteren Mehrzahl an Tonsignalen (64b, 64c), wobei das mindestens eine akustische Störsignal (66b, 66c) auf dem weiteren strahlgeformten Tonsignal (64b, 64c) basiert; eine weitere Ausgangsschnittstelle (56b, 56c) zum Ausgeben des akustischen Störsignals (66b, 66c) an die Vorrichtung (50a) zum Unterdrücken akustischer Störsignale.
  8. System nach Anspruch 7, wobei die weitere Beamforming-Einheit (52b, 52c) dazu eingerichtet ist, eine Hauptrichtung des akustischen Störsignals (66b, 66c) und/oder statistische Kennwerte des akustischen Störsignals (66b, 66c) zu erfassen, und die Vorrichtung (50b, 50c) zum Erzeugen eines akustischen Störsignals dazu eingerichtet ist, ein Informationssignal (68b, 68c) auszugeben, welches die Hauptrichtung des akustischen Störsignals (66b, 66c) und/oder die statistischen Kennwerte des akustischen Störsignals (66b, 66c) angibt.
  9. System nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Vorrichtung (50b, 50c) zum Erzeugen eines akustischen Störsignals ferner umfasst: eine weitere Eingangsschnittstelle (60b, 60c) zum Empfangen der Nutzsignalabschätzung (66a) von der Vorrichtung (50a) zum Unterdrücken akustischer Störsignale, und eine weitere Störsignalentfernungseinheit (54b, 54c) zum Entfernen eines Nutzsignalanteils aus dem weiteren strahlgeformten Tonsignal (64b, 64c).
  10. System nach Anspruch 9, wobei die weitere Ausgangsschnittstelle (56b, 56c) dazu eingerichtet ist, das akustische Störsignal (66b, 66c) als eine weitere Nutzsignalabschätzung (66b, 66c) auszugeben.
  11. Vorrichtung (80) zum Unterdrücken akustischer Störsignale in einem Nutzsignal, umfassend: eine Eingangsschnittstelle (94) zum Empfangen eines strahlgeformten Tonsignals (84a) von einer Mikrofonarray-Einrichtung (70a) und eines weiteren strahlgeformten Tonsignals (84b) von einer weiteren Mikrofonarray-Einrichtung (70b); eine Störsignalentfernungseinheit (74) zum Erzeugen einer Nutzsignalabschätzung (92) durch Entfernen eines akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal (84a), wobei das akustische Störsignal auf dem weiteren strahlgeformten Tonsignal (84b) basiert; und eine Ausgangsschnittstelle (76) zum Ausgeben der Nutzsignalabschätzung (92), wobei die Vorrichtung (80) zum Unterdrücken akustischer Störsignale dazu eingerichtet ist, ein Informationssignal (88b) von der weiteren Mikrofonarray-Einrichtung (70b) zu empfangen, welches eine Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder statistische Kennwerte des akustischen Störsignals angibt, und wobei die Störsignalentfernungseinheit (74) dazu eingerichtet ist, die Nutzsignalabschätzung (92) basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals zu erzeugen.
  12. Vorrichtung (80) nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung (80) zum Unterdrücken akustischer Störsignale dazu eingerichtet ist, ein Steuersignal (90a) auszugeben, welches dazu eingerichtet ist, eine Richtcharakteristik einer Beamforming-Einheit (72a) der ersten Mikrofonarray-Einrichtung (70a) basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals anzupassen.
  13. Vorrichtung (80) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Störsignalentfernungseinheit (74) dazu eingerichtet ist, einen Nutzsignalanteil aus dem weiteren strahlgeformten Tonsignal (84b) zu entfernen, und die Ausgangsschnittstelle (76) dazu eingerichtet ist, das akustische Störsignal als eine weitere Nutzsignalabschätzung auszugeben.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Eingangsschnittstelle (94) dazu eingerichtet ist, mindestens ein drittes strahlgeformtes Tonsignal (84c) von einer dritten Mikrofonarray-Einrichtung (70c) zu empfangen, und die Störsignalentfernungseinheit (74) dazu eingerichtet ist, die Nutzsignalabschätzung (92) durch Entfernen des akustischen Störsignals und eines weiteren akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal (84a) zu erzeugen, wobei das weitere akustische Störsignal auf dem dritten strahlgeformten Tonsignal (84c) basiert.
  15. Kraftfahrzeug (2) umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 11 bis 14 und/oder ein System nach einem der Ansprüche 7 bis 10.
  16. Kraftfahrzeug (2) gemäß Anspruch 15, ferner umfassend zumindest eines von: einer Freisprecheinrichtung, wobei die Freisprecheinrichtung das Mikrofonarray oder zumindest eines der Mikrofonarrays umfasst, einer Sprachsteuerungseinrichtung, wobei die Sprachsteuerungseinrichtung das Mikrofonarray oder zumindest eines der Mikrofonarrays umfasst, und einem Tablet-PC zur Bedienung einer Funktion des Kraftfahrzeugs, wobei der Tablet-PC das Mikrofonarray oder zumindest eines der Mikrofonarrays umfasst.
  17. Verfahren zum Unterdrücken akustischer Störsignale in einem Nutzsignal, umfassend: Detektieren von Schall und Erzeugen einer Mehrzahl an Tonsignalen (62a) mithilfe eines Mikrofonarrays (58a); Erzeugen eines strahlgeformten Tonsignals (64a) basierend auf der Mehrzahl an Tonsignalen (62a), mittels Beamforming; Empfangen mindestens eines akustischen Störsignals (66b, 66c); Erzeugen einer Nutzsignalabschätzung (66a) durch Entfernen des mindestens einen akustischen Störsignals (66b, 66c) von dem strahlgeformten Tonsignal (64a); und Ausgeben der Nutzsignalabschätzung (66a).
  18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: Empfangen eines Informationssignals (68b, 68c), welches eine Hauptrichtung des akustischen Störsignals (66b, 66c) und/oder statistische Kennwerte des akustischen Störsignals (66b, 66c) angibt.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei: Erzeugen der Nutzsignalabschätzung (66a) basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals (66b, 66c) und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals (66b, 66c) ausgeführt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, ferner umfassend: Anpassen einer Richtcharakteristik einer Beamforming-Einheit (52a) basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals (66b, 66c) und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals (66b, 66c).
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, ferner umfassend: Entfernen eines Nutzsignalanteils aus dem mindestens einen akustischen Störsignal (66b, 66c), basierend auf der Nutzsignalabschätzung (66a).
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, ferner umfassend: Empfangen mindestens eines weiteren akustischen Störsignals (66c), und Erzeugen der Nutzsignalabschätzung (66a) durch Entfernen des akustischen Störsignals (66b) und des mindestens einen weiteren akustischen Störsignals (66c) von dem strahlgeformten Tonsignal (64a).
  23. Verfahren zum Unterdrücken akustischer Störsignale in einem Nutzsignal, umfassend: Empfangen eines strahlgeformten Tonsignals (84a) von einer Mikrofonarray-Einrichtung (70a) und eines weiteren strahlgeformten Tonsignals (84b) von einer weiteren Mikrofonarray-Einrichtung (70b); Erzeugen einer Nutzsignalabschätzung (86) durch Entfernen eines akustischen Störsignals von dem strahlgeformten Tonsignal (84a), wobei das akustische Störsignal auf dem weiteren strahlgeformten Tonsignal (84b) basiert; und Empfangen eines Informationssignals (88b) von der weiteren Mikrofonarray-Einrichtung (70b), welches eine Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder statistische Kennwerte des akustischen Störsignals angibt; Ausgeben der Nutzsignalabschätzung (76), wobei Erzeugen der Nutzsignalabschätzung (92) basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals durchgeführt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, ferner umfassend: Ausgeben eines Steuersignals (92), welches dazu eingerichtet ist, eine Richtcharakteristik einer Beamforming-Einheit (72a) der ersten Mikrofonarray-Einrichtung (70a) basierend auf der Hauptrichtung des akustischen Störsignals und/oder basierend auf den statistischen Kennwerten des akustischen Störsignals anzupassen.
  25. Computerprogrammprodukt, das auf einem computerlesbaren Speicher gespeichert ist, und welches bei seiner Ausführung einen Computer dazu veranlasst, die Schritte eines der Verfahren 17 bis 24 auszuführen.
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