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Die Erfindung bezieht sich auf eine Signalverarbeitung von mittels Wasserschallwandlern aufgenommenen Wasserschallsignalen, um die Signale in den menschlichen Hörbereich zu transformieren.
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Sonaroperatoren auf Wasserfahrzeugen, beispielsweise Schiffen und U-Booten, haben heutzutage eine Vielzahl von verschiedenen grafischen Auswertungen der Wasserschallsignale zur Verfügung. Dennoch verlassen sich die Sonaroperatoren gerne zusätzlich immer noch auf ihr Gehör, um Auffälligkeiten in den Wasserschallsignalen zu erkennen. Hierzu werden die empfangenen Wasserschallsignale, typischerweise ohne weitere Signalverarbeitung, auf den sogenannten Horchkanal geleitet. Die Signale auf dem Horchkanal können sich die Sonaroperatoren dann mittels eines Lautsprechers, typischerweise in Form eines Kopfhörers, anhören.
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Nun werden die Wasserschallwandler immer häufiger so ausgelegt, dass diese Frequenzen empfangen können, die deutlich über die menschliche Hörschwelle von ca. 20kHz hinausgehen. Dies ist z.B. notwendig, um Transienten zu entdecken oder Aktivsonare zu orten, die in hohen Frequenzen arbeiten. Systeme mit einem Array von Wasserschallwandlern, die Wasserschall in so hohen Frequenzen empfangen können, werden auch als Intercept Sonar bezeichnet.
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Problematisch ist jetzt jedoch, dass sowohl der Frequenzbereich, in dem die Wasserschallwandler Wasserschall empfangen können, größer ist als der des menschlichen Hörbereichs (100kHz oder mehr gegenüber ca. 20kHz), als auch die höchsten (Einzel-) Frequenzen höher sind, als das menschliche Gehör wahrnehmen kann. Somit entfällt die einfach zu realisierende Option, die Frequenzen einfach, z.B. durch heruntermischen, zu verschieben. Vielmehr ist eine Stauchung (und Verschiebung) der Frequenzen nötig.
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Ferner sollen die Wasserschallsignale langsamer oder schneller abgespielt werden können. So können beispielsweise irrelevante Bereiche schneller angehört werden während relevante Bereiche mit reduzierter Geschwindigkeit genauer betrachtet werden. Typischerweise wird in diesem Fall ein Resampling vorgenommen und die entsprechende Audiodatei über- oder unterabgetastet. Hierdurch ändern bzw. verzerren sich jedoch die Frequenzen, d.h. die Tonhöhen, und der Sonaroperator erhält keinen realistischen Eindruck mehr von dem empfangenen Wasserschall.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für die Verarbeitung von Wasserschallsignalen zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele zeigen eine Signalverarbeitungsanlage zur Frequenztransformation von einem Wasserschallsignal in den menschlichen Hörbereich, beispielsweise für den Horchkanal eines Wasserfahrzeugs, oder zur Änderung der Abspielgeschwindigkeit des Wasserschallsignals ohne signifikante Tonhöhenverzerrung. Beide Ziele, Frequenztransformation und Änderung der Abspielgeschwindigkeit, schließen sind gegenseitig aus, bzw. sind bevorzugt kaskadiert zu erreichen. Zur Frequenztransformation des Wasserschallsignals in den menschlichen Hörbereich ist es notwendig, die Tonhöhen zu verzerren, um die durch die Frequenzverschiebung erfolge Verschiebung der Tonhöhen auszugleichen. Als Tonhöhe wird die Grundfrequenz eines Klangs bezeichnet. Soll ferner auch die Abspielgeschwindigkeit verändert werden, so kann zunächst die Frequenztransformation erfolgen und in einem zweiten Schritt die Abspielgeschwindigkeit angepasst werden. Die Änderung der Abspielgeschwindigkeit ohne signifikante Tonhöhenverzerrung bezieht sich dann jedoch nicht mehr auf die ursprünglichen Tonhöhen, sondern auf die Tonhöhen, die bei der Frequenztransformation eingestellt worden sind. So kann, beispielsweise mittels zweier Signalverarbeitungsanlagen bzw. zweier der nachfolgend beschriebenen Signalprozessoren, eine kaskadierte Verarbeitung des Wasserschallsignals erfolgen, um eine Frequenztransformation des Wasserschallsignals in den Hörbereich und die Änderung der Abspielgeschwindigkeit ohne signifikante Tonhöhenverzerrung zu erreichen.
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Die Signalverarbeitungsanlage weist einen Signalprozessor auf. Der Signalprozessor ist ausgebildet, das Wasserschallsignal von einem Wasserschallwandler zu erhalten. Bei dem Wasserschallsignal handelt es sich typischerweise um ein Signal, das mittels eines Passivsonars empfangen worden ist. In diesem Fall kann es sich bei dem Wasserschallsignal um ein zeitkontinuierliches Signal, bzw. ein aus dem zeitkontinuierlichen Signal mittels Abtastung gewandeltes zeitdiskretes Signal handeln. Generell wäre es aber auch denkbar, dass das Wasserschallsignal eine Reflexion eines ausgesendeten Pings eines Aktivsonars ist. In diesem Fall kann der Empfang des Wasserschalls immer für zumindest die Dauer eines Pings unterbrochen werden, wenn der Ping ausgesendet wird.
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Als ein Signal ohne signifikante Tonhöhenverzerrung wird ein solches Signal angesehen, dass bei einem menschlichen Hörer, ohne dass dieser den direkten Vergleich zu dem Originalsignal hat, den gleichen Eindruck hinterlässt. Das heißt beispielsweise, dass ein Hörereignis vom Menschen, beispielsweise dem Sonaroperator, über die Betrachtung und Auswertung psychoakustischer Empfindungsgrößen als nahezu identisch angesehen wird. In einer formalistischeren Betrachtung sollen die relativen Tonabstände zueinander im Originalsignal und im Signal, das mit der veränderten Geschwindigkeit abgespielt wird, mit Ausnahme von kleinen Abweichungen konstant bleiben. Kleine Abweichungen können im Bereich von weniger als 10%, bevorzugt weniger als 8%, besonders bevorzugt bei weniger als 5% der ursprünglichen relativen Tonabstände zueinander liegen. Es ist jedoch anzumerken, dass diese Betrachtung über die relativen Tonabstände eben gerade die relevante psychoakustische Empfindung des Menschen, hier des Sonaroperators, vernachlässigt. Bei diesem kann eine Abweichung der Tonabstände, die dieser wahrnimmt, auch tonhöhenabhängig sein, so dass eine pauschale Betrachtung der maximalen Abweichungen den physiologischen Gegebenheiten nicht gerecht wird.
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Der Signalprozessor analysiert nunmehr das Wasserschallsignal. Die Analyse umfasst eine Blockbildung des Wasserschallsignals, um Eingangsblöcke der Länge Ra des Wasserschallsignals zu erhalten und das Transformieren der Eingangsblöcke des Wasserschallsignals in den Frequenzbereich, um ein blockweises Spektrum des Wasserschallsignals zu erhalten. Die Frequenztransformation kann z.B. mit einer FFT (Fast Fourier Transform) durchgeführt werden. Die Länge der Eingangsblöcke (also unter Verwendung einer FFT die FFT-Länge) ist ein variabler Parameter. Die Länge der Eingangsblöcke kann beispielsweise auf den Einsatzzweck, d.h. die zu detektierenden Signale, angepasst werden. So sind längere Eingangsblöcke für die Verarbeitung von Rauschsignale besser geeignet und kurze Eingangsblöcke besser für die Erkennung von Kurzzeitsignalen wie z.B. Transienten. Längere Eingangsblöcke bieten ferner eine bessere Frequenzauflösung und eine schlechtere Zeitauflösung während kürzere Eingangsblöcke das Wasserschallsignal an sich besser abbilden, jedoch eine schlechtere Frequenzauflösung aufweisen.
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Nunmehr kann der Signalprozessor die Phase der Blöcke des Spektrums des Wasserschallsignals in Abhängigkeit von einem Syntheseparameter, insbesondere in Abhängigkeit eines Verhältnisses, beispielsweise einem Quotienten von dem Syntheseparameter zu einem Analyseparameter, manipulieren, um eine manipulierte Phase zu erhalten. Die Wahl des Syntheseparameters kann beispielsweise beeinflussen, wie schnell oder langsam das Wasserschallsignal abgespielt wird bzw. wie stark die Frequenzen des Wasserschallsignals transformiert werden. Der Syntheseparameter kann in Abhängigkeit von der Blocklänge der Analyse (d.h. der Blocklänge für die Frequenztransformation) gewählt werden. Die Frequenzen und Abspielgeschwindigkeiten sind dann ein Vielfaches (Faktor = Syntheseparameter) der Inversen der Länge des zur Analyse genutzten Fensters. Der Syntheseparameter, beispielsweise die Ausgangsblocklänge, d.h. die Anzahl der Ausgangssamples pro Block bzw. die Länge des zur Blockbildung verwendeten Synthesefensters, kann dann den Faktor bestimmen, mit dem die Frequenzen bzw. Abspielgeschwindigkeiten manipuliert werden. Beispielsweise kann der Faktor anhand der Länge des Synthesefensters geteilt durch die Länge des Analysefensters (Syntheselänge/Analyselänge) bestimmt werden.
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Der Betrag der Blöcke des Spektrums des Wasserschallsignals und die entsprechende manipulierte Phase können nun durch den Signalprozessor zusammengefügt werden, um manipulierte Spektren der Blöcke des Wasserschallsignals zu erhalten.
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Der Signalprozessor ist ferner ausgebildet, die manipulierten Spektren der Blöcke basierend auf dem Syntheseparameter zu synthetisieren, wobei die Synthese eine Transformation der manipulierten Spektren der Blöcke in den Zeitbereich umfasst, um entsprechende Blöcke eines manipulierten Wasserschallsignals zu erhalten. Ferner umfasst die Synthese ein Zusammensetzen aufeinanderfolgender Blöcke des manipulierten Wasserschallsignals, um das manipulierte Wasserschallsignal zu erhalten. Das Zusammensetzen der aufeinanderfolgenden Blöcke kann beispielsweise mittels der segmentierten Faltung (Overlap-Add) erfolgen.
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Abschließend kann das manipulierte Wasserschallsignal abgespielt werden, um das frequenztransformierte Wasserschallsignal bzw. das Wasserschallsignal mit der geänderten Abspielgeschwindigkeit zu erhalten. Ob das frequenztransformierte Wasserschallsignal oder das Wasserschallsignal mit der geänderten Abspielgeschwindigkeit erhalten bzw. abgespielt wird, hängt von der gewählten Abtastrate ab. Wird die Abtastrate so gewählt, wie bei der Digitalisierung des Wasserschallsignals von den Wasserschallwandlern, verändert sich die Abspielgeschwindigkeit und die Frequenzen bleiben konstant. Unterscheiden sich beide Abtastraten, werden die Frequenzen im Vergleich zu dem originalen Wasserschallsignal transformiert. In anderen Worten kann der Signalprozessor das manipulierte Wasserschallsignal mit einer gewählten Abtastrate abspielen, um das frequenztransformierte Wasserschallsignal oder das Wasserschallsignal mit der geänderten Abspielgeschwindigkeit zu erhalten.
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Als Transformation wird die Frequenzanpassung, insbesondere die Frequenzstauchung, eines breitbandigen Eingangssignals verstanden. Vorteilhafterweise wird die Frequenzanpassung derart ausgeführt, dass die maximal auftretende Originalfrequenz nach der Frequenzanpassung unterhalb der menschlichen Hörschwelle, also bei ca. 20kHz, liegt.
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Idee ist es, mittels einer Ausgestaltung eines Phase Vocoders, das Wasserschallsignal zu verarbeiten, um dieses in seiner Frequenz und/oder Abspielgeschwindigkeit zu verändern. Durch die Manipulation der Phase im Frequenzbereich wird die durch die Frequenzverschiebung bzw. geänderte Abspielgeschwindigkeit veränderte Phasenlage des Ausgangssignals im Vergleich zu dem Wasserschallsignal so angepasst, dass das Ausgangssignal weiterhin natürlich klingt. Wird beispielsweise die Abspielgeschwindigkeit verändert, kann dieses durch eine Änderung der Anzahl der Samples pro Ausgangsblock des Ausgangssignals erreicht werden. Bei weniger Samples ist die Abspielgeschwindigkeit schneller, wodurch der Signalprozessor mittels Phasenmanipulation die Tonhöhen anpasst. Durch die Manipulation der Phase wird dann erreicht, dass sich die Frequenzen durch die nunmehr geänderte Anzahl der Abtastwerte (Samples) des Ausgangssignals im Vergleich zum Einfangssignals nicht hörbar verändern.
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In weiteren Ausführungsbeispielen ist der Signalprozessor ausgebildet, bei der Analyse des Wasserschallsignals, die Spektren der manipulierten Blöcke des Wasserschallsignals derart zu bilden, dass diese eine Überlappung zu benachbarten Blöcken aufweisen. Ferner können einzelne Abtastwerte der Blöcke des Spektrums des Wasserschallsignals mittels einer Fensterfunktion gewichtet werden, um gewichtete Blöcke des Spektrums des Wasserschallsignals zu erhalten. Die weiteren Schritte der Signalverarbeitung werden dann mit den gewichteten Blöcken des Spektrums des Wasserschallsignals anstelle der Blöcke des Spektrums des Wasserschallsignals ausgeführt.
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Die Fensterung ist beispielsweise im Hinblick auf die Verwendung der segmentierten Faltung vorteilhaft. Durch die Fensterung kann der sonst eintretende Leckeffekt, also Diskontinuitäten bei periodischer Fortsetzung des gefensterten Signals, d.h. Übersprechen einzelner Frequenzkomponenten, reduziert werden. Als Fenster kann z.B. ein symmetrisches Hanning-Fenster oder eine andere bekannte Fensterfunktion verwendet werden.
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Auch die Überlappung ist ein variabler Parameter. Die Überlappung wird beispielsweise in einer Anzahl von Abtastungen angegeben. D.h., die Überlappung kann die Anzahl der Abtastungen angeben, um die sich zwei Blöcke überlappen. Bei einer größeren Überlappung der Blöcke ist die Zeitauflösung besser aber die Schätzung von Momentanfrequenzen ist schlechter und der Rechenaufwand ist größer. Bei einer kleineren Überlappung der Eingangsblöcke ist die Zeitauflösung zwischen den Blöcken geringer, allerdings ist dafür die Schätzung der Momentanfrequenzen besser und der Rechenaufwand ist kleiner.
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In weiteren Ausführungsbeispielen ist der Signalprozessor ausgebildet, die Blöcke des manipulierten Wasserschallsignals zu Fenstern, um gewichtete Blöcke des manipulierten Wasserschallsignals zu erhalten und für das Zusammensetzen der aufeinanderfolgenden Blöcke des manipulierten Wasserschallsignals die gewichteten Blöcke mittels segmentierter Faltung zusammenzusetzen, um Blöcke des frequenztransformierten Wasserschallsignals bzw. Blöcke des Wasserschallsignals mit der geänderten Abspielgeschwindigkeit zu erhalten. Die Blocklänge des frequenztransformierten Wasserschallsignals bzw. die Blocklänge des Wasserschallsignals mit der geänderten Abspielgeschwindigkeit wird jeweils mit Rs bezeichnet. Die Blocklänge kann in Abhängigkeit, beispielsweise als Faktor, der Überlappung Ra gewählt werden. Der Quotient Rs/Ra wird auch als Hop Size bezeichnet. Die Hop Size bestimmt den Grad der Geschwindigkeitsänderung bzw. der Frequenzänderung. Die Ausgangsblocklänge Rs wird auch als Synthese-Länge bezeichnet. Es kann sich bei dem Syntheseparameter demnach um die Synthese-Länge handeln. Analog hierzu wird die Eingangsblocklänge Ra auch als Analyse-Länge bezeichnet. Bei dem Analyseparameter kann es sich demnach um die Analyse-Länge handeln.
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In Ausführungsbeispielen wird die Manipulation der Phase durch den Signalprozessor beschrieben. So kann der Signalprozessor, um die manipulierte Phase zu erhalten, zunächst eine Phasendifferenz zweier (zeitlich) aufeinanderfolgender Blöcke des Spektrums, eines aktuellen Blocks und eines dem aktuellen Block vorangehenden Blocks, bestimmen. Zur Bestimmung der Phasendifferenz der aufeinanderfolgenden Blöcke des Spektrums kann der Signalprozessor die Momentanfrequenz zwischen den beiden Blöcken des Spektrums als Ableitung der Phasen des vorangehenden Blocks und des aktuellen Blocks bestimmen. Bevorzugt wird die Phasendifferenz für jeden Frequenzbereich (bin) des Spektrums der aufeinanderfolgenden Blöcke bestimmt. Hierbei kann es jedoch zu Mehrdeutigkeiten kommen. Diese Mehrdeutigkeiten kann der Signalprozessor korrigieren, um eine korrigierte Phasendifferenz zu erhalten. D.h., die ermittelte Phasendifferenz wird in einen vorgegebenen Bereich, insbesondere in den Bereich -pi bis +pi ((-π ... + π]), überführt, wenn die Phasendifferenz außerhalb dieses vorgegebenen Bereichs liegt. Die manipulierte Phase des aktuellen Blocks kann der Signalprozessor basierend auf der korrigierten Phasendifferenz und dem Syntheseparameter bestimmen. Beispielsweise kann der Signalprozessor die manipulierte Phase des aktuellen Blocks als Produkt der korrigierten Phasendifferenz der aufeinanderfolgenden Blöcke und dem Faktor Ausgangsblocklänge geteilt durch Eingangsblocklänge (Hop Size Rs/Ra) bestimmen.
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Ferner kann die die Signalverarbeitungseinheit als Teil der Synthese eine Skalierung der Daten durchführen, um die Fensterung und das (durch die Überlappung) kürzere Zeitsegment zu berücksichtigen.
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Es ist weiter ein Ausführungsbeispiel offenbart in dem die Signalverarbeitungsanlage ausgebildet ist, das Wasserschallsignal mehrfach mit verschiedenen variablen Parametern zu verarbeiten und die daraus resultierenden unterschiedlichen manipulierten Wasserschallsignale auf einer Mehrzahl von unterschiedlichen Audiokanälen auszugeben um verschiedene Wasserschallcharakteristiken in den unterschiedlichen manipulierten Wasserschallsignalen zu erkennen. Hierzu kann die Signalverarbeitungsanlage beispielsweise eine Mehrzahl von Signalprozessoren aufweisen oder der beschriebene Signalprozessor führt die Signalverarbeitung des Wasserschallsignals (quasi) parallel aus. So kann ein menschlicher Hörer, beispielsweise auch als (Sonar-) Operator bezeichnet, das manipulierte Wasserschallsignal mit variablen Parametern ausgegeben bekommen, die eine bessere Darstellung von Rauschsignalen erlauben. Währenddessen kann ein zweiter menschlicher Hörer das manipulierte Wasserschallsignal mit variablen Parametern ausgegeben bekommen, die eine bessere Darstellung von Transienten erlauben. Die Einstellung der variablen Parameter, die für andere Signaltypen optimiert sind oder auch die Verwendung von weiteren variablen Parametern um zusätzlich andere Signaltypen zu erkennen, ist ebenfalls möglich.
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Analog ist ein Verfahren zur Frequenztransformation von einem Wasserschallsignal in den menschlichen Hörbereich oder zur Änderung der Abspielgeschwindigkeit des Wasserschallsignals ohne Tonhöhenverzerrung mit folgenden Schritten offenbart: a) Erhalten eines Wasserschallsignals von einem Wasserschallwandler; b) Analysieren des Wasserschallsignals mit den Schritten b1) Bilden von Blöcken des Wasserschallsignals und b2) Transformieren der Blöcke des Wasserschallsignals in den Frequenzbereich, um ein blockweises Spektrum des Wasserschallsignals zu erhalten; c) Manipulieren der Phase der Blöcke des Spektrums des Wasserschallsignals in Abhängigkeit von einem Syntheseparameter, um eine manipulierte Phase zu erhalten; d) Zusammensetzen des Betrags der Blöcke des Spektrums des Wasserschallsignals und der manipulierten Phase um manipulierte Blöcke des Spektrums des Wasserschallsignals zu erhalten; e) Synthetisieren der manipulierten Blöcke des Spektrums basierend auf den Syntheseparametern, wobei die Synthese e1) eine Transformation der manipulierten Blöcke des Spektrums in den Zeitbereich umfasst, um entsprechende Blöcke eines manipulierten Wasserschallsignals zu erhalten und e2) ein Zusammensetzen aufeinanderfolgender Blöcke des manipulierten Wasserschallsignals umfasst, um das manipulierte Wasserschallsignal zu erhalten; f) Abspielen des manipulierten Wasserschallsignals, um das frequenztransformierte Wasserschallsignal bzw. das Wasserschallsignal mit der geänderten Abspielgeschwindigkeit zu erhalten.
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Weiterhin ist die Verwendung eines Phase Vocoders zur Frequenztransformation von Wasserschallsignalen, die von Wasserschallwandlern empfangen werden, in den Hörbereich offenbart.
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Ebenfalls ist die Verwendung eines Phase Vocoders zum Einstellen einer Abspielgeschwindigkeit von Wasserschallsignalen offenbart.
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Ferner ist ein Wasserfahrzeug bzw. ein Unterwasserfahrzeug mit der Signalverarbeitungsanlage offenbart.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Prinzipdarstellung einer Signalverarbeitungsanlage zur Veranschaulichung der Funktionsweise derselben;
- 2: eine schematische Ablaufdarstellung der Schritte eines Signalprozessors der Signalverarbeitungsanlage.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung einer Signalverarbeitungsanlage 20. Die Signalverarbeitungsanlage 20 dient der Frequenztransformation von einem Wasserschallsignal 22 in den menschlichen Hörbereich oder zur Änderung der Abspielgeschwindigkeit des Wasserschallsignals 22 ohne signifikante Tonhöhenverzerrung. Die Signalverarbeitungsanlage 20 umfasst einen Signalprozessor 24. Der Signalprozessor 24 erhält das Wasserschallsignal 22 von einem Wasserschallwandler 26. Der Wasserschallwandler 26 wandelt einfallenden Wasserschall 28 in das Wasserschallsignal 22 um.
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Eine beispielhafte Signalverarbeitung des Wasserschallsignals 22 durch den Signalprozessor 24 ist in 2 gezeigt. Als Ausgangssignal spielt der Signalprozessor 24 das manipulierte Wasserschallsignal 30 ab. Das manipulierte Wasserschallsignal 30 ist im Vergleich zu dem Wasserschallsignal 22 frequenztransformiert oder das manipulierte Wasserschallsignal 30 wird mit der geänderten Abspielgeschwindigkeit abgespielt, ohne dass sich die Tonhöhen des manipulierten Wasserschallsignals 30 merklich von den Tonhöhen des Wasserschallsignals 22 unterscheiden. Das abgespielte manipulierte Wasserschallsignal 30 kann akustisch wahrgenommen werden. Dies ist durch ein stilisiertes Ohr 32 angedeutet.
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2 offenbart nunmehr ein beispielhaftes Signalverarbeitungsverfahren, das von dem Signalprozessor 24 ausgeführt werden kann, um das manipulierte Wasserschallsignal 30 (im Zeitbereich) aus dem Wasserschallsignal 22 (im Zeitbereich) zu erhalten.
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In einem Schritt 50 wird das Wasserschallsignal 22 mittels einer Fensterfunktion 34 gefenstert, d.h. die Abtastwerte werden gewichtet. Hierbei entstehen gewichtete Eingangsblöcke 36 des Wasserschallsignals 22 im Zeitbereich. Alternativ kann das Wasserschallsignal 22 auch zuerst in Blöcke eingeteilt werden um die Blöcke dann anschließend mittels der Fensterfunktion 34 zu gewichten um die gewichteten Eingangsblöcke zu erhalten. Der dargestellte, gewichtete Eingangsblock 36 entstammt der darüber dargestellten, mittleren der drei gezeigten Fensterfunktionen 34. Um Eingangsblöcke der Länge Ra zu erhalten, weist auch die Fensterfunktion die Länge Ra auf.
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In anderen Worten erfolgt die Aufteilung des digitalen Datenstroms (Wasserschallsignal) in Eingangsblöcke der Länge N (Segmentierung) durch Fensterung. Alternativ erfolgt die Fensterung nach der Blockbildung.
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In einem Schritt 52 folgt eine Zeit-Frequenz Transformation, z.B. mittels FFT oder STFT (Short Time Fourier Transform) pro Block. So wird ein blockweises Spektrum des Wasserschallsignals erhalten. Das Spektrum eines Eingangsblocks 36 ist schematisch in Betrag 38 und Phase 40 dargestellt.
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Die Schritte 50 und 52 werden auch als Analyse bezeichnet.
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In einem Schritt 54 kann die Phase der Blöcke des Spektrums des Wasserschallsignals in Abhängigkeit von einem Syntheseparameter bzw. eines Verhältnisses des Syntheseparameters zu einem Analyseparameter, manipuliert werden, um eine manipulierte Phase 40' zu erhalten.
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Das heißt, über die Manipulation der Phase des Kurzzeitspektrums können die Spektraleigenschaften verändert werden. Die Manipulation kann beispielhaft die folgenden Schritte aufweisen:
- a. Berechnung der Phasendifferenzen zwei aufeinander folgender Blöcke
- b. Berechnung der zu erwartenden Phase in Bezug auf die (veränderte) Synthese-Länge
- c. Korrektur der Mehrdeutigkeit der Phase (Phase Unwrapping)
- d. Berechnung der Momentanfrequenz (Ableitung der Phase, eine Maximum Likelihood Schätzung kann angestrebt werden)
- e. Berechnung der Phase des aktuellen Blocks aus der Phase des vorherigen Blocks und der mit der Hop Size multiplizierten Momentanfrequenz.
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Ferner wird der Betrag 38 der Blöcke des Spektrums des Wasserschallsignals und der manipulierten Phase 40' zu einem komplexen Spektrum zusammengesetzt, um manipulierte Spektren der Blöcke des Wasserschallsignals zu erhalten.
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In einem Schritt 56 werden die manipulierten Spektren der Blöcke in den Zeitbereich transformiert. Daraus resultieren entsprechende Blöcke 42, 42' des manipulierten Wasserschallsignals im Zeitbereich. Die Blöcke 42, 42' können wiederum gefenstert werden. Ferner kann der Realteil der Blöcke 42, 42' gebildet werden.
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In einem Schritt 58 werden die Realteile der Blöcke 42, 42' des manipulierten Wasserschallsignals zusammengesetzt, um das manipulierte Wasserschallsignal 30 zu erhalten. Hierzu können die Blöcke 42, 42' mittels der segmentierten Faltung zusammengefasst werden (Overlap Add). Es entstehen Ausgangsblöcke der Länge Rs.
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Wird das manipulierte Wasserschallsignal nun mit der gleichen Abtastfrequenz abgetastet, wie das Wasserschallsignal, wird durch den Faktor Rs/Ra die Änderung der Abspielgeschwindigkeit des manipulierten Wasserschallsignals bestimmt. Ferner kann die Abtastfrequenz fs jedoch auch um den Faktor Rs/Ra geändert werden. In diesem Fall ändert sich die Frequenz des manipulierten Wasserschallsignals entsprechend dem Faktor Rs/Ra.
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Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler sind ausgebildet, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umzuwandeln. Überdies sind die Schallwandler ausgebildet, eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material weisen die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, auf. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind nicht für medizinische Anwendungen geeignet.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem (CPU und/oder GPU) derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein. Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahingehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahingehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) oder ein Grafikprozessor (GPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC. Auch eine verteilte Ausführung auf CPU und GPU ist möglich.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Signalverarbeitungsanlage
- 22
- Wasserschallsignal
- 24
- Signalprozessor
- 26
- Wasserschallwandler
- 28
- Wasserschall
- 30
- manipuliertes Wasserschallsignal
- 32
- Ohr
- 34
- Fensterfunktion
- 36
- gewichteter Eingangsblock des Wasserschallsignals
- 38
- Betrag des Spektrums des gewichteten Blocks des Wasserschallsignals
- 40
- Phase des Spektrums des gewichteten Blocks des Wasserschallsignals
- 42
- Realteil des Ausgangsblocks des manipulierten Wasserschallsignals im Zeitbereich
- 50-58
- Schritte der Signalverarbeitung
- 60
- Ausgangsblock
