DE60000333T2

DE60000333T2 - System und verfahren zum verarbeiten von antennensignalen

Info

Publication number: DE60000333T2
Application number: DE60000333T
Authority: DE
Inventors: Claude Marro; Wolfgand Tager
Original assignee: France Telecom Exploitant Public; France Telecom SA
Current assignee: France Telecom Exploitant Public; Orange SA
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2020-02-29
Also published as: EP1155497B1; WO2000051234A1; FR2790342B1; ES2187448T3; EP1155497A1; ATE339877T1; FR2790342A1; US7010556B1; DE60000333D1; JP2002538650A

Description

Die vorliegende Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, betrifft Antennenverfahren und -systeme, insbesondere zur Verbesserung des Verhältnisses der Leistung des Nutzsignals zu jener der Störsignale.
In der vorliegenden Beschreibung ist der Begriff Antenne im weitesten Sinn zu verstehen. Es wird nämlich davon ausgegangen, dass eine Antenne eine Vorrichtung ist, die dazu dient, Wellen, die Informationen weiterleiten, zu senden oder zu empfangen. Das Hauptziel einer Antenne besteht somit darin, die Nutzinformation zu entnehmen, indem die Störsignale, die aufgrund von Rauschen, Störquellen, Reflexionen usw. entstehen, beseitigt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft nur die Empfangsantennen, die sich aus diskreten Elementen zusammensetzen. Eine solche Antenne ist in 1 dargestellt. Sie besteht aus N Sensoren bzw. Fühlern C₁ bis C_N, die dazu bestimmt sind, Signale zu erfassen, die von verschiedenen Quellen stammen, wie beispielsweise einer Nutzquelle SU, Störquellen SP und anderen Störquellen SPD mit diffuserem Charakter. Jeder Fühler C₁ (i = 1,...., N) liefert ein Störsignal x_i(t), das mit der Zeit t variiert und sodann durch ein Kanalfilter FVi mit einer Übertragungsfunktion α_i(t) (i = 1,...., N) gefiltert wird, dessen Rolle darin besteht, mehrere Aspekte der Antenne zu kontrollieren. Die Gesamtheit dieser Filter gewährleistet eine gegebene Richtwirkung der Antenne (beispielsweise die Öffnung der Hauptkeule und/oder das Heben der Nebenkeulen, die Unterdrückung in nicht gewünschte Richtungen usw.). Sie ermöglicht auch die Kontrolle bzw. Ausrichtung der Antenne in Richtung der Nutzquelle SU.
Die Ausgänge dieser Filter FV_i sind mit den entsprechenden Eingängen eines Summierers SOM verbunden, der nun das Ausgangssignal der Antenne y(t) liefert.
Es ist eine Vielzahl von Ausführungen von Kanalfiltern und ihrer Einsatzart bekannt. Die Herstellung dieser Filter hängt insbesondere von der geometrischen Positionierung der Fühler und der Art der zu bearbeitenden Signale ab. Diese Filter können ein für allemal definierte Merkmale aufweisen (was bei festen Antennen der Fall ist) oder hingegen Merkmale haben, die sich mit der Zeit verändern (was bei adaptiven Antennen der Fall ist). Bei letztgenannten setzen die Algorithmen, die die Koeffizienten der Filter im Laufe der Zeit anpassen, im Allgemeinen eine Kontrollvorrichtung ein, die für die betreffende Anwendung geeignet ist. Beispielsweise kann es sich um eine Entnahme des Störsignals zu den Zeitpunkten handeln, zu denen die Nutzquelle SU inaktiv ist. Eine solche Kontrollvorrichtung ist in 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird für Antennen unabhängig von der Verarbeitung angewandt, die für das Signal x₁(t), das von jedem Fühler C₁ stammt, angewandt wird (feste Kanalfilterung, Bildung eines adaptiven Kanals usw.). Somit ist die Signalverarbeitung gesondert zu betrachten, die zwischen dem Erlangen der Signale x₁(t) und dem Antennenausgang durchgeführt wird, und das Element TA als eine "Black Box" zu betrachten, die eine Verarbeitung einsetzt, die in der nachfolgenden Beschreibung Antennenverarbeitung genannt wird.
In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff "Antennenverarbeitung" folglich die Gesamtheit der Antennenverarbeitungen, insbesondere jene, die derzeit bekannt sind.
Je nach Anwendungsgebiet können die Antennen begrenzte Leistungen aufweisen. Insbesondere die Verringerung der Störungen, die beispielsweise von den Störquellen SP oder SPD stammen, kann sich als unzureichend herausstellen. Im Allgemeinen werden diese Leistungen mit Hilfe einer Größe gemessen, die ein für die Wirksamkeit einer Antenne charakteristisches Element ist und Verstärkung im Signal-Rausch-Verhältnis der Antenne genannt wird. Unter dem Begriff "Rauschen" ist die Gesamtheit der Störsignale zu verstehen, die die Antenne verringern soll, und das Signal-Rausch-Verhältnis ist somit das Verhältnis der Leistung des Nutzsignals zu jener der Störsignale.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist für alle Bereiche anwendbar, in denen eine Antenne verwendet wird oder werden könnte. Eine nicht erschöpfende Liste dieser Bereiche ist nachstehend angeführt:

1) Tonaufnahme durch Akustikantennen, wie beispielsweise:
– Tonaufnahme für die Arbeitsstationen (PC Multimedia usw.),
– Freisprechtonaufnahme in den Fahrzeugen,
– Tonaufnahme an öffentlichen Orten (Bahnhof, Flughafen usw.)
– Tonaufnahme für Telekonferenzen und Videokonferenzen,
– Freisprechtonaufnahme zum Telefonieren,
– Tonaufnahme für Kino und Medien (Radio, TV, beispielsweise für den Sportjournalismus oder Konzerte usw.)
2) Antennenempfang für die funkelektrischen Wellen (Funkverkehr, Fernmessung usw.)
3) Sonarantennenempfang (Unterwasserabbildung, Fernmessung usw.)
4) Verarbeitung mit mehreren Sensoren bzw. Fühlern, angewandt für biomedizinische Signale (EEG, EKG, biomedizinische Abbildung usw.).

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Komponenten des schädlichen Signals, die nicht von der Antenne unterdrückt wurden, zu verringern und folglich das Verhältnis der Leistung des Nutzsignals zu jener der Störsignale derselben zu verbessern.
Unter den Techniken des Standes der Technik, die sich auf die Verwendung einer Verarbeitung beziehen, die am Antennenausgang zur Anwendung gelangt, die auch Nachverarbeitung genannt wird, sind jene bekannt, die sich auf die Tonaufnahmesysteme mit mehreren Fühlern beziehen. In der vorliegenden Beschreibung werden nur diese Techniken beschrieben. Um sie entsprechend erklären zu können, wird allerdings ihr allgemeines algorithmisches Detail im Rahmen einer Anwendung vom Typ Tonaufnahme für das für Multimedia-Stationen (zusammenhängende PC usw.) verwendete Sprachsignal beschrieben, welches den von den Autoren der erwähnten Erkenntnisse angestrebten Kontext darstellt.
Die Kombination eines Netzes von Mikrofonen und einer Nachverarbeitung wurde zum ersten Mal von J.B. Allen im Jahre 1977 in einem in J. Acoust. Soc. Am., Band 62, Nr. 4, Seiten 912–915, 1977 erschienenen Artikel mit dem Titel "Multimicrophone signal processing technique to remove reverberation from speech signals" beschrieben. Sie sollte die Nachhallsignale beseitigen, die während der von einem nachhallenden Umfeld entfernten Tonaufnahme entsandt wurden. In diesem Artikel ist eine durch zwei Mikrofone durchgeführte Tonaufnahme und eine komplette Verarbeitung, basierend auf der Kohärenzfunktion und durchgeführt im Frequenzbereich, beschrieben.
Im Jahre 1988 beschreibt R. Zelinski in einem in Proc. ICASSP-88, Seiten 2578-2581, New York, USA 1988 erschienenen Artikel mit dem Titel "A microphone array with adaptive post-filtering for noise reduction in reverberant rooms" eine Erweiterung dieser Technik auf eine Tonaufnahme, die eine größere Zahl von Fühlern einsetzt. Im Jahre 1992 schlägt K. U. Simmer in einem in Proc. ISSSE-92, Paris, Frankreich, September 1992 erschienenen Artikel mit dem Titel "Time delay compensation for adaptive multichannel speech enhancement systems" einen Ausdruck der Übertragungsfunktion der Nachverarbeitung nach einem Ansatz des Typs "Wiener-Filterung" vor.
Die nachfolgende Analyse ermöglicht es, die Gesamtheit dieser Methoden zu beschreiben, und zwar in Verbindung mit 2.
In diesem Antennensystem werden die gestörten Sprachsignale x_i(n) von einer Antenne erfasst, die sich aus N Mikrofonen C₁ bis C_N zusammensetzt, und ihr Ausdruck wird unter folgender allgemeiner Beziehung dargestellt:
xi(n) = s(n – τhi) + ni(n), i = 1,..., N (1)
wobei s das Sprachsignal bezeichnet, das von der Quelle SU stammt, und n_i das Rauschsignal bezeichnet, das von den Quellen SB stammt und von dem Fühler C₁ erfasst wurde. Aufgrund des Richtungsformalismus "digitale Signalverarbeitung" stellt n den Zeitindex in Diskretzeit dar. τ_hi ist die Verzögerung, die durch die Ausbreitung des Signals hervorgerufen wird, das zwischen der Quelle SU und dem Fühler C_i entsandt wurde. Um die Phaseneinstellung jedes Signals x_i(n) durchzuführen, d. h. um die Ausrichtung der Antenne in die Richtung der Quelle SU zu verwirklichen, wird die Antenne in die Richtung des gewünschten Sprechers mit Hilfe des Kanalfilters FV_i mit der Übertragungsfunktion r_i(n) ausgerichtet, wobei ein Signal v_i(n) geliefert wird, das durch folgenden Ausdruck gegeben ist:
vi(n) = ri(n)* xi(n), i = 1,..., N (2)
wobei * das Faltungsprodukt bezeichnet.
Die von den Kanalfiltern FV₁ bis FV_N gelieferten Signale sind Gegenstand einer Transformation im Frequenzbereich, um ihre spätere Verarbeitung im Frequenzbereich zu ermöglichen. Nach dieser Transformation sind diese Signale die mit V₁(f) bis V_N(f) bezeichneten Signale, die nun in dem Summierer SOM summiert und von denen in dem Durchschnittsrechner MOY der Durchschnitt berechnet wird. Das Signal Y(f), das aus dem Durchschnittsrechner MOY kommt, ist in dem Filter W Gegenstand einer Filterung im Frequenzbereich mit der Übertragungsfunktion W(f).
Das optimale Filter W im Sinne des mittleren quadratischen Fehlers mit der Übertragungsfunktion W_opt(f) wird erhalten, indem der mittlere quadratische Fehler zwischen dem ge wünschten Signal s und einem geschätzten Signal ŝ minimiert wird. Nach der Gleichung von Wiener-Hopf und nur unter der Annahme einer perfekten Phaseneinstellung des Nutzsignals s(n) wird der allgemeine Ausdruck des Wiener-Filters im Frequenzbereich folgendermaßen geschrieben:
wobei Φ_yy(f) die Spektralleistungsdichte des Signals y(n) (f) die am Ausgang des Durchschnittsrechners MOY und Φ_ys Interspektralleistungsdichte der Signale y(n) und s(n) ist.
Dieser Ausdruck des optimalen Filters wird ausgehend vom Nutzsignal s(n) und vom durchschnittlichen Rauschen am Kanalbildungsausgang n geschrieben, und zwar unter der Annahme, dass das Signal x_i(n), das zu jedem Fühler C_i gelangt, durch die Summe des Nutzsignals s(n) und des Rauschens n_i(n) modelliert wird, dass das Rauschen n_i(n) und das Nutzsignal s(n) nicht korreliert sind, dass die Spektralleistungsdichten des jeweiligen Rauschens n_i(n) an jedem Mikrofon identisch sind (Φ_nini(f) = Φ_nn(f), ∀ i = 1,...., N), dass das jeweilige Rauschen n_i(n) zwischen den Fühlern nicht korreliert ist (Φ_ninj(f) = 0, i ≠ j), und schließlich, dass die Eingangssignale x_i(n) gegenüber dem Nutzsignal s(n) perfekt phaseneingestellt sind.
Der Ausdruck der so erhaltenen Übertragungsfunktion des Filters ist folgender:
wobei Φ_ss(f) und
(f) die Spektralleistungsdichten des Nutzsignals s(n) und des Rauschens n(n) am Kanalbildungsausgang sind.
Diese beiden letztgenannten Größen Φ_ss(f) und
(f), die für die Berechnung von W_opt(f) erforderlich sind, sind a priori unbekannt und stellen somit ein Problem bezüglich ihrer Bewertung bzw. Auswertung dar. Für alle im Stand der Technik aufgezeigten Methoden werden Φ_ss(f) und
(f) auf Basis der an den verschiedenen Fühlern erhaltenen Signale bewertet bzw. ausgewertet. Beispielsweise bei Annahme keiner Korrelation des Rauschens an jedem Mikrofon kann die Bewertung der Spektraldichte Φ_ss(f) des Nutzsignals auf der Basis der Interspektralleistungsdichten Φ_vivj(f) der Signale x_i(n) und x_j(n) durchgeführt werden, die von den Fühlern C_i und C_j stammen, die mit Hilfe der Filter FV_i und des Verzögerungskompensators CR phaseneingestellt wurden. Durch die Auswirkungs- bzw. Bewertungsvorrichtungen für die Spektral- und Interspektralleistungsdichte unterscheiden sich die verschiedenen Verfahren der vorveröffentlichten Technik.
Bei Berücksichtigung der Annahmen für die Eingangssignale, die vorher aufgestellt wurden, können die Spektralgrößen Φ_vivi(f) und Φ_vivj(f) folgendermaßen dargestellt werden:
Ein Mittel zur Bewertung bzw. Auswertung von W_opt(f) besteht darin, einen Durchschnitt dieser Spektral- und Interspektralleistungsdichten im Nenner bzw. Zähler zu verwenden:
wobei γ(.) = Re(.) oder γ(.) = |.|
Die Verwendung des Moduloperators oder Realteils γ(.) ist durch die im Zähler zu bewertende Größe Φ_ss(f), die real und positiv sein muss, gerechtfertigt. Die Darstellung mit „^" bezeichnet die Bewertung der Größe, für die sie angewandt wird (im statistischen Sinn).
Die Schätzfunktion Ŵ(f)|_r(.)=Re(.) wurde von R. Zelinski [siehe vorher erwähnter Artikel] mit einem Einsatz im Zeitbereich vorgeschlagen. In dem Artikel von Simmer aus dem Jahr 1992 erfolgen die Bewertung und Filterung im Frequenzbereich. Ŵ(f)|_γ(.)=|.| ist nun eine Ausdehnung auf eine beliebige Anzahl von Fühlern der Zweifühlerverarbeitung, die von Allen im Jahr 1977 beschrieben wurde. Die vorhergehende Gleichung (7) stellt tatsächlich von einem Standpunkt des algorithmischen Prinzips aus zwei Be-wertungsmethoden des Wiener-Filters dar: Ŵ(f)|_γ(.)=Re(.) und Ŵ(f)|γ(.)=|.|.
In 2 ist zu bemerken, dass die Spektralgrößen, die für die Bewertung des Filters W erforderlich sind, d. h. die Dichten
(f) und
(f), selbst aus den von den Fühlern C₁ bis C_N stammenden Signalen zu bewerten sind und von den Kanalfiltern FV₁ bis FV_N verarbeitet werden. In der Praxis erfordert nämlich der Einsatz eines Nachfilters unter Berücksichtigung einer realen Umwelt und der Sprachsignale eine Bewertung, die die Verfolgung des nicht stationären Zustandes solcher Signale gewährleistet und gleichzeitig eine annehmbare Bewertungsqualität garantiert.
Einer der Nachteile der Verfahren der vorveröffentlichten Technik besteht in der Tatsache, dass die Implementierung der Nachverarbeitungen die Bewertung bzw. Auswertung einer großen Zahl von Spektralgrößen erfordert. Es sind N(N–1)/2 Interspektralleistungsdichten für die Berechnung des Zählers der Funktion
(f) und N Spektralleistungsdichten für die Berechnung ihres Nenners zu bewerten, woraus sich insgesamt N(N + 1)/2 Spektralgrößen ergeben. Im Falle einer Antenne, die sich aus 9 Mikrofonen zusammensetzt, sind somit 45 Spektralgrößen zu berechnen: 36 Interspektralleistungsdichten und 9 Spektralleistungsdichten.
Die Bewertung der Spektralleistungsdichte Φ_ss(f) des Nutzsignals s(t) erfolgt durch den Durchschnitt der Interspektralleistungsdichten der phaseneingestellten Mikrofonsignale. Bei Vorhandensein von Störungen sollten diese die Annahme berücksichtigen, nach der die Störungen zwischen den Fühlern nicht korreliert sind, damit diese Funktion Φ_ss(f) richtig bewertet wird. Nun sind in Wirklichkeit die lokalisierten Rauschquellen sowie manche Reflexionen kohärente Signale von einem Fühler zum anderen. Aus diesem Grund können diese Störquellen durch den Vorgang
(f) nicht beseitigt werden, und die Bewertung von Φ_ss(f) wird dadurch verzerrt (Gleichung 6 oben nicht eingehalten). Diese Verzerrung ist umso größer, je geringer das Signal-Rausch-Verhältnis ist. Die zu der Funktion Φ_ss(f) hinzugefügte Verzerrung ist die kohärente Komponente der Interspektralleistungsdichte des Rauschens, die umso größer ist, je höher der Rauschpegel ist. Dies hat zwei Konsequenzen eine Verringerung der Leistungen im Hinblick auf eine Verringerung der Störungen und eine Verschlechterung des Nutzsignals. Daraus folgt, dass das komplette System (Antenne + Nachfilterung) weniger leistungsfähig als die Antenne alleine sein kann.
Zusätzlich zu der Verzerrung der Funktion Φ_ss(f), die die tatsächlichen Merkmale der Störungen hervorrufen, führen diese auch zu einer Einschränkung der Leistungen des Systems selbst bei Fehlen eines Nutzsignals. Zu den Zeitpunkten, zu denen das Nutzsignal s(n) inaktiv ist, müsste die Nachverarbeitung Ŵ(f) in der Theorie das Rauschen völlig unterdrücken, da die Interspektralleistungsdichten
(f), die in diesem Fall die Interspektralleistungsdichten nur des Rauschens sind, gleich Null sein müssten. In Wirklichkeit wird dieses Ergebnis wieder nicht erreicht, da die statistische Natur der Störungen bewirkt, dass die vorhergehende Annahme nicht berücksichtigt wird. Die lokalisierten Störquellen sowie manche Reflexionen werden nicht ausreichend verringert.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Antennenverfahren vorzuschlagen, das es ermöglicht, die durch die Verfahren der vorveröffentlichten Technik hervorgerufenen Probleme zu lösen.
Zu diesem Zweck ist ein Verfahren zur Verbesserung des Verhältnisses des Nutzsignals zu den Störsignalen einer Antenne dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, das von der Antenne gelieferte Signal mit Hilfe eines Filters zu filtern, dessen Übertragungsfunktion gleich dem Verhältnis zweier linearer Funktionen der Leistung des Signals am Ausgang der Antenne und der Leistung des Signals bzw. der Signale ist, der bzw. die von dem Fühler bzw. den Fühlern an den Eingang der Antenne geliefert wird bzw. werden.
Vorzugsweise ist die Übertragungsfunktion gleich dem Verhältnis der Leistung des Signals am Ausgang der Antenne und der Leistung des Signals bzw. der Signale, das bzw. die von dem bzw. den Fühlern an den Eingang der Antenne geliefert wird bzw. werden.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht es (das Verfahren) darin, die Leistung des Signals bzw. der Signale, der bzw. die von dem bzw. den Fühlern an den Eingang der Antenne geliefert wird bzw. werden, zu bewerten.
Um die Leistung des Signals bzw. der Signale das bzw. die von dem bzw. den Fühlern an den Eingang der Antenne geliefert wird bzw. werden, bewerten zu können, besteht es (das Verfahren) bei einer ersten Variante darin, das Signal, einige oder die Signale, das oder die von dem Fühler, einigen oder den Fühlern der Antenne geliefert wird bzw. werden, zu verwenden.
Um die Leistung des Signals bzw. der Signale, das bzw. die von dem Fühler bzw. den Fühlern an den Eingang der Antenne geliefert wird bzw. werden, bewerten zu können, besteht es (das Verfahren) nach einer weiteren Variante darin, das Signal oder einige Signale, das oder die von der Verarbeitung in einer Antennenverarbeitungseinheit der Antenne für die Signale, die von den Fühlern der Antenne geliefert werden, stammt oder stammen, zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Verarbeitung von Antennensignalen, darin bestehend, im Frequenzbereich das bzw. jedes Signal, das von mindestens einem Fühler geliefert wird, zu transformieren, das bzw. jedes von dieser Transformation stammende Signal zu filtern, die nach dem Filtern erhaltenen Signale zu summieren und das nach der Summierung erhaltene Signal im Zeitbereich zu transformieren.
Nach einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass es ferner darin besteht, das nach der Summierung erhaltene Signal mit Hilfe eines Filters zu filtern, dessen Übertragungsfunktion gleich dem Verhältnis zweier linearer Funktionen der Leistung des am Ausgang des Summierers vorhandenen Signals und der Leistung des Signals bzw. der Signale ist, das bzw. die von der Transformationseinheit bzw. den Transformationseinheiten im Frequenzbereich geliefert wird bzw. werden.
Vorzugsweise ist die Übertragungsfunktion gleich dem Verhältnis der Leistung des am Ausgang des Summierers vorhandenen Signals und der Leistung des Signals bzw. der Signale, das bzw. die von der Transformationseinheit bzw. den Transformationseinheiten im Frequenzbereich geliefert wird bzw. werden.
Vorzugsweise besteht es (das Verfahren) darin, die Leistung des Signals am Ausgang der Antenne und die Leistung des Signals bzw. der Signale, das bzw. die von dem Fühler bzw. den Fühlern an den Eingang der Antenne geliefert wird bzw. werden, zu bewerten.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht es (das Verfahren) für die Durchführung der Bewertung des Signals bzw. der Signale, die von dem Fühler bzw. den Fühlern an den Eingang der Antenne geliefert werden, darin, den Durchschnitt der Bewertung der Spektralleistungsdichten der von dem Fühler bzw. den Fühlern stammenden Signale festzustellen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht es (das Verfahren) für die Durchführung der Bewertung der Leistung des Signals am Ausgang des Summierers darin, die Bewertung der Spektralleistungsdichte dieses Signals durchzuführen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht es (das Verfahren) darin, die Bewertungen rekursiv durch exponentielle Glättung durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Antennensystem, umfassend eine Antenne, die mit mindestens einem Fühler versehen und dazu vorgesehen ist, das Verhältnis der Leistung des Nutzsignals zu jener der Störsignale der Antenne zu verbessern. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein Filter umfasst, das dazu vorgesehen ist, das von der Antenne gelieferte Signal zu filtern, und dessen Übertragungsfunktion gleich dem Verhältnis zweier linearer Funktionen der Leistung des am Ausgang der Antenne vorhandenen Signals und der Leistung des Signals bzw. der Signale ist, das bzw. die von dem Fühler bzw. den Fühlern an den Eingang der Antenne geliefert werden.
Vorzugsweise ist diese Übertragungsfunktion gleich dem Verhältnis der Leistung des am Ausgang der Antenne vorhandenen Signals und der Leistung des Signals bzw. der Signale, das bzw. die von dem Fühler bzw. den Fühlern an den Eingang der Antenne geliefert wird bzw. werden.
Vorzugsweise umfasst dieses System Bewertungseinheiten, um die Leistung des am Ausgang der Antenne vorhandenen Signals und die Leistung des Signals bzw. der Signale bewerten zu können, das bzw. die von dem Fühler bzw. den Fühlern an den Eingang der Antenne geliefert wird bzw. werden.
Die Bewertungseinheit verarbeitet, um die Leistung am Eingang der Antenne bewerten zu können, das Signal, einige oder die Signale, das bzw. die von einem, einigen oder den Fühlern der Antenne geliefert wird bzw. werden.
Die Bewertungseinheit verarbeitet, um die Leistung am Eingang der Antenne bewerten zu können, das Signal bzw. die Signale, das bzw. die von einer Antennenverarbeitungseinheit der Antenne aus den Signalen geliefert werden, die jeweils von den Fühlern der Antenne geliefert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Antennensystem, umfassend eine Einheit zum Transformieren des oder jedes Signals, das von mindestens einem Fühler geliefert wird, in den Frequenzbereich, einen Kanalfilter, um in dem Frequenzbereich das von der Transformationseinheit gelieferte Signal zu filtern, einen Summierer, um die jeweils von den Kanalfiltern gelieferten Signale zu summieren, und eine Einheit zum Transformieren des Signals, das von dem Summierer geliefert wird, in den Zeitbereich.
Es (das System) ist dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen dem Summierer und der Transformationseinheit im Zeitbereich ein Filter umfasst, dessen Übertragungsfunktion gleich dem Verhältnis zweier linearer Funktionen der Leistung des Signals, das am Ausgang des Summierers vorhanden ist, und der Leistung des Signals bzw. der Signale ist, das bzw, die von der Transformationseinheit in dem Frequenzbereich geliefert wird bzw. werden. Vorzugsweise ist die Übertragungsfunktion des Filters gleich dem Verhältnis zwischen der Leistung des am Ausgang des Summierers anliegenden Signals und der Leistung des Signals oder der Signale, das oder die von der Transformationseinheit im Frequenzbereich geliefert wird bzw. werden.
Das Antennensystem umfasst Bewertungseinheiten, um die Leistung des Signals, das am Ausgang des Summierers vorhanden ist, und die Leistung des Signals bzw, der Signale, das bzw. die von den Transformationseinheiten im Frequenzbereich geliefert wird bzw. werden, bewerten zu können.
Die Bewertungseinheit zur Bewertung der Leistung des Signals bzw. der Signale, das bzw. die von dem Fühler bzw. den Fühlern an den Eingang der Antenne geliefert wird bzw. werden, berechnet den Durchschnitt der Bewertung der Spektralleistungsdichten der von dem Fühler oder den Fühlern stammenden Signale.
Die Bewertungseinheit zur Bewertung der Leistung des Signals am Ausgang des Summierers ist durch die Bewertung der Spektralleistungsdichte dieses Signals gegeben.
Vorzugsweise umfasst dieses System Mittel, damit diese Bewertungen auf rekursive Art durch exponentielle Glättung durchgeführt werden.
Die oben erwähnten Merkmale der Erfindung sowie weitere gehen deutlicher aus der Studie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor, dessen Beschreibung sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, wobei:
1 ein Übersichtsschema einer Antenne im Sinne der vorliegenden Beschreibung ist,
2 ein Übersichtsschema eines Antennensystems ist, das mit einem Nachfilter nach dem Stand der Technik versehen ist,
3 ein Übersichtsschema einer ersten Ausführungsart eines Antennensystems ist, das mit einem Nachfilter gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist,
4 ein Übersichtsschema einer zweiten Ausführungsart eines Antennensystems ist, das mit einem Nachfilter gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist,
5 ein Übersichtsschema einer dritten Ausführungsart eines Antennensystems ist, das mit einem Nachfilter gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist,
6 ein Diagramm ist, das in Abhängigkeit von der Zeit die Amplituden der Nutz- und Störsignale am Ausgang einer Antenne darstellt, die nicht mit einem Nachfilter gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist,
7 ein Diagramm ist, das in Abhängigkeit von der Zeit die Amplituden der Nutz- und Störsignale am Ausgang eines Nachfilters darstellt, das erfindungsgemäß eingesetzt wird, und
8 ein Diagramm ist, das in Abhängigkeit von der Zeit die Störsignalpegel am Antenneneingang, am Antennenausgang und am Nachfilterausgang darstellt.
In 3 ist ein Übersichtsschema eines Antennensystems dargestellt, das dazu vorgesehen ist, das Verfahren der vorliegenden Erfindung einzusetzen. Dieses System ist aus einer Antenne ANT gebildet, die selbst von einer Vielzahl von Fühlern C₁ bis C_N gebildet ist, deren Ausgangssignale x₁(t) bis x_N(t) an eine Antennenverarbeitungseinheit TA geliefert werden, die dazu vorgesehen ist, selbst ein Antennenausgangssignal γ(t) zu senden.
Das dargestellte System umfasst eine Nachfiltereinheit PF, die dazu vorgesehen ist, auf das Signal γ(t) eine Nachfilterung anzuwenden, deren Übertragungsfunktion eine Funktion W(t) ist, die erfindungsgemäß gleich dem Verhältnis zweier linearer Funktionen F und G der Leistun
(t) am Ausgang der Antenne ANT und der Leistung
(t) am Eingang der Antenne ANT ist, wie sie von Auswirkungs- bzw. Bewertungseinheiten ESTE bzw. ESTS ausgewertet bzw. bewertet werden.
Ganz allgemein werden diese beiden Funktionen F und G somit folgendermaßen geschrieben:
und die Übertragungsfunktion W(t):
Die Übertragungsfunktion W(t) wird durch eine Einheit UC berechnet und an die Nachfiltereinheit PF geliefert.
Es ist anzumerken, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung im Frequenzbereich eingesetzt werden könnte. Die Funktion W(t,f) des Nachfilters wird nun für jede Frequenzkomponente mit Hilfe des folgenden Verhältnisses berechnet:
wobei
(t,f) und
(t,f) jeweils die Darstellungen der Leistung am Eingang
(t) und der Leistung am Ausgang
(t) im Frequenzbereich sind und W(t,f) die Darstellung im Frequenzbereich des Nachfilters W(t) ist.
In der folgenden Beschreibung werden die Funktionen F(
(t),
(t)) und G(
(t),
(t)) als gleich der Leistung am Ausgang
(t) und der Leistung am Eingang
(t) betrachtet, nämlich:
und
Die auf diese Weise durchgeführte Nachfilterung PF besteht somit darin, auf das Signal y(t) eine Übertragungsfunktion W(t) anzuwenden, die erfindungsgemäß gleich dem Verhältnis der Leistung
(t) am Ausgang der Antenne ANT und der Leistung
(t) am Eingang der Antenne ANT ist, wie sie jeweils von Bewertungseinheiten ESTE und ESTS bewertet werden:
Für einen Einsatz im Frequenzbereich wird die Funktion W(t,f) des Nachfilters nun mit Hilfe des folgenden Verhältnisses berechnet:
wobei
(t,f) und
(t,f), wie vorher erwähnt, jeweils die Darstellungen der Leistung am Eingang
(t) und der Leistung am Ausgang
(t) im Frequenzbereich sind und W(t,f) die Darstellung des Nachfilters W(t) im Frequenzbereich ist.
Es ist anzumerken, dass bei diesem Formalismus eine Größe A(t,f) im Frequenzbereich dieselbe Größe a(t) im Zeitbereich zum Zeitpunkt t und für die Frequenz f darstellt. Es ist bekannt, dass der Übergang eines Signals vom Zeitbereich in den Frequenzbereich eine Beobachtungsdauer erfordert. Folglich hat die Größe A(t,f) einen zum Zeitpunkt t bekannten Wert, jedoch konnte ihre Berechnung eine Dauer erfordern, deren Wert dem Anwendungsbereich eigen ist, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird.
Die Bewertung der Leistung des Signals am Antennenausgang
(t) kann auf sehr unterschiedliche Weisen erfolgen, die vom Anwendungsgebiet abhängen, für das das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden könnte. Wenn der Buchstabe t die Zeit bezeichnet, ist die Bewertung der Antennenausgangsleistung
(t) ein momentaner Leistungswert, der sich somit mit der Zeit verändert und der ständig aus dem Signal y(t) bewertet wird. Je nach vorgesehener Anwendung wird eine mehr oder weniger lange Integrationszeit je nach den stationären Zustandsmerkmalen der verwendeten Signale abgestimmt .
Es ist anzumerken, dass die Zeitvariable diskret oder kontinuierlich sein kann.
Die oben erfolgte Beschreibung für die Bewertung der Leistung am Antennenausgang
(t) (oder
(t,f)) ist auch für die Bewertung der Leistung am Antenneneingang
(t) (oder
(t,f)) anzuwenden. Der Unterschied zur Bewertung der
(t,f)) liegt in dem Aspekt Ausgangsleistung
(t) (oder mit mehreren Fühlern des Antenneneingangs. Ein einziger Fühler, nur einige Fühler oder alle Fühler (dargestellter Fall) können nämlich verwendet werden, um die Eingangs-leistung der Antenne
(t) (oder
(t,f)) zu bewerten.
Von einem algorithmischen Standpunkt aus wird die Nachfilterung gemäß einer der beiden letzten Gleichungen aus den Bewertungen der Antenneneingangs- und -ausgangsleistung
(t) und
(t) im Zeitbereich oder
(t,f) und
(t,f) im Frequenzbereich erhalten. Aus diesem Grund verändert sich mit der Zeit in demselben Rhythmus wie die Bewertungen der Leistungen
(t) und
(t) oder
(t,f) und
(t,f). So kann die daraus resultierende Funktion des Nachfilters nur zeitlich W(t) sein (d. h. eine Gesamtverstärkung, die sich mit der Zeit verändert) oder zusätzlich eine Frequenzdarstellung W(t,f) aufweisen (d. h. eine Ver stärkung für jede Frequenzkomponente, die sich jeweils mit der Zeit verändert). Die Nachfilterung kann im gegebenen Zustand angewandt werden, sie kann allerdings auch linearen oder nicht linearen Transformationen unterzogen werden, wie beispielsweise Amplitudenbegrenzungen in einem Intervall vorbestimmter Werte, um Fehlwerte aufgrund möglicher Fehler
(t) und bei der Bestimmung der Bewertungen
(t) oder
(t,f) und
(t,f), der Gewichtsfunktionen usw. zu vermeiden.
Im Zeitbereich ist das Nachfilterverfahren ein Faltungsbzw. Konvolutionsverfahren. Der Ausdruck des Ausgangssignals z(t) des erfindungsgemäßen Antennensystems kann nun folgendermaßen geschrieben werden:
z(t) = y(t)*W(t) (16)
wobei * das Faltungs- bzw. Konvolutionsprodukt bezeichnet.
Im Frequenzbereich ist dieses Verfahren eine einfache Multiplikation.
Der Ausdruck des Signals z(t,f) am Ausgang des Nachfilters W im Frequenzbereich kann nun folgendermaßen geschrieben werden:
z(t,f) = y(t,f)W(t,f) (17)
Dieses Filterverfahren kann mit verschiedenen Methoden durchgeführt werden, und zwar unter Berücksichtigung des Anwendungsgebietes und der Verarbeitung der Antenne, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden soll (z. B. zeitlich, frequenzabhängig, analog, digital usw...). Dieser Schritt ermöglicht es, das Signal am Ausgang der Verarbeitung z(t) zu erhalten (mit einer vorherigen Rückkehr in den Zeitbereich z(f) im Rahmen des Einsatzes im Frequenzbereich).
Es ist anzumerken, dass es interessant sein kann, Signale zu verwenden, die direkt in der Antennenverarbeitungsvorrichtung TA erzeugt wurden, um die Eingangsleistung zu bewerten. Beispielsweise kann dies bei Antennen der Fall sein, bei denen gewisse Fühler einem Frequenzband zugeteilt sind (in diesem Fall erfolgt eine Filterung direkt im Inneren der Antennenverarbeitung für jeden dieser Fühler).
Falls die Nachfilterung nur für dieses Frequenzband angewandt werden soll, können nur die Signale am Ausgang der in der Antennenverarbeitung TA implementierten Filter verwendet werden, um diese Bestimmung durchzuführen.
So ist in 4 eine weitere Ausführungsart eines Antennensystems dargestellt, das auch dazu vorgesehen ist, das Verfahren der vorliegenden Erfindung einzusetzen. Es unterscheidet sich von dem vorhergehenden darin, dass die Bewertung der Eingangsleistung

(t) im Zeitbereich oder(t,f) im Frequenzbereich (der verwendete Index q dient dazu, diese Bewertungen von der Bewertung der Eingangsleistung
(t) oder
(t,f) unterscheiden zu können, die durch Verwendung der Signale erfolgt, die direkt von den Fühlern C₁ bis C_N stammen) aus einer gewissen Anzahl dieser Signale durchgeführt wird, die direkt innerhalb der Antennenverarbeitungseinheit TA erzeugt werden. Genauer können unter den J verwendbaren Signalen innerhalb der Antennenverarbeitung ein einziges Signal, nur einige Signale oder alle Signale verwendet werden, um die Eingangsleistung
(t) oder
(t,f) zu bewerten.
Die Bewertung der Eingangsleistung
(t,f) kann mit Hilfe des Durchschnitts der N Spektralleistungsdichten der Signale berechnet werden, die jeweils an den Fühlern C₁ bis C_N vorhanden sind. Auf dieselbe Weise kann die Leistung am Antennenausgang
(t,f) mit Hilfe der Spektralleistungsdichte von γ(t) berechnet werden. Folglich erfordert das erfindungsgemäße Verfahren die Berechnung von höchstens (N + 1) Spektralgrößen an Stelle von N(N + 1)/2 im Falle der Verfahren der vorveröffentlichten Technik. Beispielsweise werden für eine Antenne mit 9 Fühlern 10 Spektralleistungsdichteberechnungen an Stelle von 36 Berechnungen der Interspektralleistungsdichte und 9 Berechnungen der Spektralleistungsdichte bei den vorveröffentlichten Methoden bewertet.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der Tatsache, dass sie nicht auf einer Bewertung der Spektraldichte des Nutzsignals beruht, so dass das Problem der Verzerrung bei der Bewertung der Interspektralleistungsdichte des Nutzsignals ϕ_ss(f) nicht entsteht.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf den Zwischenfühlereigenschaften der Störsignale basiert. Es ist zu erwähnen, dass bei den vorveröffentlichten Techniken die Interspektraldichten des Rauschens gleich Null sein müssen, damit das Rauschen durch das Nachfilter wirksam verringert wird.
Beispielsweise wird der Fall einer lokalisierten Störquelle betrachtet. Es wird angenommen, dass das Signal, das sie entsendet, bei der Antenne aus einer anderen Richtung als jener der Nutzquelle ankommt, und dass folglich die Antenne dieses Signal dämpft. Da dieses Signal auf kohärente Weise an alle Fühler gelangt, wird es durch die bekannten Verfahren der vorveröffentlichten Technik nicht gedämpft, während es mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Nachfilterung eben aufgrund der Dämpfung dieses Signals durch die Antenne verringert wird. Aufgrund seiner algorithmischen Natur ist das erfindungsgemäße Verfahren gegen die statistische Natur der Störungen widerstandsfähig, da bei der Methode nur ihre energetische Natur zum Tragen kommt.
Bei den vorveröffentlichten Methoden werden die am Eingang bewerteten Interspektralleistungsdichten verwendet, um die Spektralleistungsdichte des Nutzsignals zu bewerten. Dies setzt voraus, dass es unbedingt notwendig ist, die Signale am Ausgang der Verzögerungsausgleichsfilter (die die Filter FVi sind, die in 2 dargestellt sind und die die Ausrichtung der Antenne in Richtung der Nutzquelle durchführen) zu verwenden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es aufgrund der Tatsache, dass die Leistung des Eingangssignals direkt bewertet wird (somit beispielsweise Spektralleistungsdichten), nicht erforderlich, die phaseneingestellten Kanalsignale zu verwenden, und die Bewertung kann direkt am Ausgang der Fühler erfolgen.
Es wird nun ein Anwendungsbeispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung mit Einsatz im Frequenzbereich beschrieben. Das Antennensystem ist nun das in 5 dargestellte.
Jedes Signal x_i(n), das von einem Fühler C_i (i = 1 bis N) geliefert wird, wird (herkömmlicherweise im Bereich der digitalen Signalverarbeitung) einer Transformation im Zeitbereich in einer Einheit UTF unterzogen. Beispielsweise ist diese Transformation eine Fourier-Transformation mit kurzer Zeitdauer (oder auch mit „gleitendem Zeitfenster" genannt), die selbst in einem Verfahren einer Fensterbildung mit darauffolgender schneller Fourier-Transformation bestehen kann. Es könnte sich auch um eine Transformation im Wellenlängenbereich handeln.
Der Ausdruck jedes Mikrofonsignals C_i (wobei i die Werte 1 bis N annehmen kann) nach dieser Transformation im Frequenzbereich kann geschrieben werden:
Die verwendeten Begriffe sind folgende:

– h_a(n): Längenanalysefenster M.
– M: Länge des Analysefensters (ausgedrückt in Musteranzahl)
– R: kein Versatz der Fenster (in Mustern)
– P: Rasterindex entsprechend einem Zeitpunkt t und einer Dauer gleich jener der Länge M des Analysefensters
– Indem die Frequenzachse einheitlich unstetig gemacht wird, wird die k-te Komponente gemerkt:

ω_k = 2πk/M k = 0,..., M–1 (19)
und
W_M = e^j2π/M =
(20)
Es ist anzumerken, dass ω_k die diskrete Darstellung der Frequenz f bei kontinuierlichen Werten ist.
Das Signal Y(p, ω_k) am Ausgang der Antenne ANT wird erhalten, indem in der Einheit SOM die Summe der Signale X_i (p, ω_k), die von den Mikrofonen C_i(i = 1 bis N) stammen, jeweils Kanalfiltern FV_i mit der Übertragungsfunktion a_i(ω_k) ausgesetzt wird. Sein Ausdruck wird somit folgendermaßen geschrieben:
Es ist zu verstehen, dass, wie bereits in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung erwähnt, jede Übertragungsfunktion a₁(ω_k) nicht nur die Funktion der Richtwirkungskontrolle, sondern auch jene des Verzögerungsausgleichs einschließt.
Das Signal Z(p, ω_k) nach dem Nachfiltern mit der Funktion W(p, ω_k), das im Nachfilter W verwendet wird, ist gegeben durch das Verhältnis:
Z(p, ω_k) = Y(p, ω_k)W(,p ω_k) (22 )
Schließlich wird das Ausgangssignal z(n) des Antennensystems durch Rückkehr in den Zeitbereich in einer Transformationseinheit im Zeitbereich UTT erhalten. Diese Transformationseinheit UTT ist beispielsweise aus einer inversen Fourier-Transformation und einem Fensterbildungsverfahren gebildet. Es könnte sich auch um eine inverse Transformation im Wellenlängenbereich handeln.
Das Signal z(n) ist nun durch folgende Beziehung gegeben:
wobei h_s(n) das Längensynthesefenster M ist.
Diese besondere Einsatzmethode ist Teil der Gruppe der Störungsreduktionstechniken (z. B. Umgebungsrauschen, Nachhall, akustisches Echo usw...) durch kurzfristige Spektraländerung. Dazu erfolgt die Verarbeitung blockweise pro gleitendem Zeitfenster. All diese Ansatzvarianten können verwendet werden, um das erfindungsgemäße Verfahren einzusetzen.
Die Funktion W(p, ω_k) des Nachfilters wird durch das Verhältnis der Bewertung
(p, ωk) der Leistung des Ausgangssignals der Antenne zur Bewertung
(p, ω_k) der Leistung des Eingangssignals erhalten und ist somit durch folgende Beziehung gegeben:
Wie bereits erwähnt, ist es möglich, auf das Nachfilter lineare oder nichtlineare Transformationen anzuwenden. Dies ist beispielsweise der Fall, um Bewertungsfehler in besonderen Zusammenhängen zu vermeiden (an den Frequenzen, an denen das Nachfilter Werte über ein vorbestimmtes Intervall hinaus annimmt, beispielsweise [0;1]. Es ist somit notwendig, eine Begrenzungsfunktion mit einem Grenzwert anzuwenden, um nicht gewünschte Verstärkungen zu vermeiden). Es kann auch gewünscht werden, gewisse Werte nahe dem Maximalwert, den die Funktion des Nachfilters annehmen kann, zu bevorzugen und die Werte nahe dem Minimalwert, den die Funktion des Nachfilters annehmen kann, stärker zu verringern.
Die Bewertung der Leistung des Signals am Eingang P_x(p, ω_k) erfolgt in der Einheit ESTE durch den Durchschnitt der Bewertung der Spektralleistungsdichten der aus den Mikrofonen C_i bis C_N stammenden Signale:
Es ist anzumerken, dass die Bestimmung dieser Leistung nur die Signale von nur einem Fühler oder manchen Fühlern C_i bis C_N verwenden könnte.
Was die Bewertung der Leistung des Signals am Antennenausgang
(p, ω_k) betrifft, so erfolgt sie durch die Einheit ESTS und ist durch die Bewertung der Spektralleistungsdichte dieses Signals gegeben:
(p, ω_k)
(p, ω_k) (26)
Die Einheit UC berechnet die Funktion des Nachfilters W(p, ω_k) und liefert diese an das Nachfilter W selbst.
Die Bewertungen der Spektraldichten
(p, ω_k) und
(p, ω_k) müssen einem Kompromiss zwischen einer langfristigen Bewertung, die eine geringe Unterschiedlichkeit zeigt, und einer raschen Aktualisierung des Nachfilters mit der Funktion W(p, ω_k) entsprechen, das eine Verfolgung der zeitlichen Veränderungen der in Betracht gezogenen Signale gewährleisten soll.
Zum Beispiel wird eine rekursive Bewertung durch exponentielle Glättung verwendet, die diesen Kompromiss gewährleistet und einfach mit Hilfe der folgenden rekursiven Gleichungen zu berechnen ist:
wobei α eine Zahl nahe 1 ist, die mit der Zeitkonstante τ der exponentiellen Glättung durch folgendes Verhältnis verbunden ist:
a = e-R/(τFe) (29)
wobei Re die Bemusterungsfrequenz und R der Versetzungsabstand der Fenster (in den Mustern) ist.
Es ist anzumerken, dass die Summe der Gewichtungen der beiden Terme des zweiten Glieds der Gleichungen der oben dargestellten Bewertungen nicht gleich eins ist. Dies ist durch den Ausdruck des Nachfilters in einer Form zu erklären, die es ermöglicht, die übliche Gewichtung eines der beiden Terme durch (1 – α) zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren, wie es beschrieben ist, wurde mit einer Akustikantenne eingesetzt, die für interaktive Kommunikationsanwendungen von PCs aus hergestellt wurde. Diese Akustikantenne ist auf dem Bildschirm eines PC angeordnet. Sie besteht aus 9 Mikrofonen C₁ bis C₉ herzförmigen Typs, die linear auf einer Länge von 40 cm angeordnet sind. Diese Antenne ist derart ausgeführt, dass sie sich aus vier Unterantennen zusammensetzt, die jeweils für Niedrigfrequenzen, Mittelniedrigfrequenzen, Mittelhochfrequenzen und Hochfrequenzen, und zwar in dem erweiterten Telefonband [50 Hz–7 kHz], bestimmt sind.
Die erste Unterantenne besteht aus den Fühlern C₁, C₅, C₉, deren Abstände zwischen aneinandergrenzenden Fühlern 20 cm betragen. Auf das Signal jedes dieser Fühler wird eine Bandbegrenzungsfilterung mit einer durch die Funktion g₁(f) gegebenen Charakteristik angewendet.
Die zweite Unterantenne besteht aus den Fühlern C₁, C₂, C₅, C₈, C₉, deren Abstände zwischen aneinandergrenzenden Fühlern 10 cm betragen. Auf das Signal jedes dieser Fühler wird eine Bandbegrenzungsfilterung mit eine durch die Funktion g₂(f) gegebenen Charakteristik angewendet.
Die dritte Unterantenne besteht aus den Fühlern C₂, C₃, C₅, C₇, C₈, deren Abstände zwischen aneinandergrenzenden Fühlern 5 cm betragen. Auf das Signal jedes dieser Fühler wird eine Bandbegrenzungsfilterung mit eine durch die Funktion g₃(f) gegebenen Charakteristik angewendet.
Die vierte Unterantenne besteht aus den Fühlern C₃, C₄, C₅, C₆, C₇, deren Abstände zwischen aneinandergrenzenden Fühlern 2,5 cm betragen. Auf das Signal jedes dieser Fühler wird eine Bandbegrenzungsfilterung mit einer durch die Funktion g₄(f) gegebenen Charakteristik angewendet.
Es ist zu verstehen, dass, da das Mikrofon C₁ gleichzeitig den beiden ersten Unterantennen angehört, das von ihm gelieferte Signal in einem Kanalfilter FV₁ einer Bandbegrenzungsfilterung mit einer Charakteristik unterzogen wird, die durch die Funktion, die eine Summe der beiden für diese Unterantennen charakteristischen Funktionen g₁(t) + g₂(t) ist, gegeben ist.
So sind die Kanalfilter FV₁ bis FV₉ jeweils Übertragungsfunktionen α₁(t) bis α₉(t), die durch die folgenden Beziehungen definiert sind.
α₁(t) = α₉(t) = g₁(t) + g₂(t)
α₂(t) = α(t) = g₂(t) + g₃(t)
α₃(t) = α₇(t) = g₃(t) + g(t)
α(t) = α₆(t) = g₄(t)
α₅(t) = g₁(t) + g₂(t) + g₃(t) + g₄(t)
Diese Filter gewährleisten eine Kontrolle der Richtwirkung, die dem Kontext der Tonaufnahme für eine Arbeitsstation entspricht, mit einer Ausrichtung der Antenne gegenüber dem Computerbildschirm, eine Öffnung der konstanten Hauptkeule (Öffnungswinkel –3 dB von 20°) und einem Hochfahren der Nebenkeulen von weniger als –12 dB im Verhältnis zum Maximum der Hauptkeule.
Es ist zu verstehen, dass diese Filter FV₁ bis FV₉ im Frequenzbereich eingesetzt werden, wie dies oben in Bezug auf 5 erklärt wurde.
Es werden die Leistungen eines soeben beschriebenen Antennensystems im Hinblick auf das akustische Echo beschrieben. Es wird angenommen, dass sich der Benutzer der Maschine, auf der das Antennensystem installiert ist (lokal Sprechender genannt) im Freisprechbetrieb befindet. Der Ton der Person, mit der er kommuniziert (fern Sprechender genannt) wird über einen rechts des Bildschirms dieser Maschine angeordneten Lautsprecher verbreitet. Das zu verringernde akustische Echo ist das Signal, das von der Akustikantenne erfasst wird und sich aus dem von diesem Lautsprecher entsandten Ton ergibt. Dieses Echo ist eine sehr unangenehme Störung, da der fern Sprechende seine eigene Stimme zeitlich versetzt hört (aufgrund der Verzögerung in der Fernsprechkette). Wenn der Pegel des Echos einen gewissen Wert erreicht, kann ein instabiles selbsthaltendes Phänomen entstehen, das eine bekannte Schwingung unter der Bezeichnung Larsen-Effekt erzeugt.
6 ist ein Diagramm, das in Abhängigkeit von der Zeit die Amplitude der Signale am Ausgang einer Antenne zeigt, wie beispielsweise einer solchen, die vorher beschrieben wurde, allerdings ohne Nachfilterungseinheit. In Schwarz ist die Nutzsprachkomponente dargestellt, die vom lokal Sprechenden entsandt wird, und in Grau die Komponente des akustischen Echos.
Es ist anzumerken, dass es diese Darstellung ermöglicht, die Leistungen des Systems darzustellen, jedoch in Wirklichkeit sind die Nutzsignale und die Echosignale überlagert, Es ist ferner anzumerken, dass die Störungen besonders unangenehm sind, wenn beide Personen gleichzeitig sprechen, ausgenommen im Zeitabstand [2,3s; 3s], und somit sind gleichzeitig die Störung und die Nutzquelle vorhanden. Das Verhältnis zwischen Nutzsignal und Echosignal entspricht dieser Erfahrung und beträgt 10,4 dB am Antenneneingang, ein Wert, der am Zentralmikrofon an der Antenne gemessen wird.
7 zeigt dieselben Signale wie die in 6 dargestellten, jedoch am Ausgang des Nachfilters, wie soeben beschrieben. Es ist durch das Nachfilter eine deutliche Verringerung des Echos festzustellen, das am Antennenausgang vorhanden ist, ohne Verringerung des Nutzsignalpegels. Die gemessenen Werte der Verhältnisse zwischen Nutzsignal und Echo betragen 10,4 dB am Antenneneingang, 14 dB am Antennenausgang und 21 dB am Nachfilterausgang. Folglich beträgt die durchschnittliche Verbesserung im Signal-Echo-Verhältnis 4,6 dB für die Antenne und 7 dB für das Nachfilter, was dem System eine Verbesserung des Signal-Echo-Verhältnisses von 11,6 dB bringt.
8 informiert über die Verringerung des Echos im Laufe der Zeit. Die Kurven werden durch energetische Messung der Signale in Blöcken zu 64 ms erhalten. Es ist zu beobachten, dass das Nachfilter die Leistungen der Antenne deutlich erhöht. Ferner wird zu den Zeitpunkten, zu denen die Lokalsprache nicht mehr aktiv ist (Zeitabstand [2,3 s; 3s], das Restecho am Antennenausgang durch das Nachfilter um mehr als 20 dB verringert.

Claims

Verfahren zur Verbesserung des Verhältnisses der Leistung des Nutzsignals zu jener der Störsignale einer Antenne (ANT), umfassend mindestens einen Fühler (C₁ bis C_N), dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, das von der Antenne (ANT) gelieferte Signal mit Hilfe eines Filters (W) zu filtern, dessen Übertragungsfunktion (W(t), W(t,f)) gleich dem Verhältnis zweier linearer Funktionen (F) und (G) der Leistung
(t),
(t,f)) am Ausgang der Antenne (ANT) und der Leistung
(t),
(t,f)) am Eingang der Antenne (ANT) ist:
Verfahren zur Verbesserung des Verhältnisses der Leistung des Nutzsignals zu jener der Störsignale nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragaungsfunktion (W(t), W(t,f)) gleich dem Verhältnis der Leistung
(t),
(t,f)) des Signals am Ausgang der Antenne (ANT) und der Leistung
(t),
(t,f)) des Signals oder der Signale ist, die von dem bzw. den Fühlern (C₁ bis C_N) an den Eingang der Antenne (ANT) geliefert werden:
Verfahren zur Verbesserung des Verhältnisses der Leistung des Nutzsignals zu jener der Störsignale nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Leistung
(t),
(t, f)) des Signals am Ausgang der Antenne (ANT) und die Leistung
(t),
(t,f)) des Signals oder der Signale, das oder die von dem bzw. den Fühlern (C₁ bis C_N) an den Eingang der Antenne (ANT) geliefert werden, zu bewerten.
Verfahren zur Verbesserung des Verhältnisses der Leistung des Nutzsignals zu jener der Störsignale nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Leistung
(t),
(t,f)) des Signals oder der Signale, die von dem bzw. den Fühlern (C₁ bis C_N) an den Eingang der Antenne (ANT) geliefert werden, bewerten zu können, um das, einige oder die Signale (x_i(t), i = 1 bis N), das oder die von dem, einigen oder der. Fühlern (C₁ bis C_N) der Antenne (ANT) geliefert werden, zu verwenden.
Verfahren zur Verbesserung des Verhältnisses der Leistung des Nutzsignals zu jener der Störsignale nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Leistung
(t),
(t, f)) des Signals oder der Signale, die von dem bzw. den Fühlern (C₁ bis C_N) an den Eingang der Antenne (ANT) geliefert werden, bewerten zu können, um das oder einige Signale, das oder die von der Verarbeitung in einer Antennenverarbeitungseinheit (TA) der Antenne (ANT) für die Signale (x_i(t), i = 1 bis N), die von den Fühlern (C₁ bis C_N) der Antenne (ANT) geliefert werden, stammt oder stammen, zu verwenden.
Verfahren zur Verarbeitung von Antennensignalen, darin bestehend, im Frequenzbereich das bzw, jedes Signal, das von mindestens einem Fühler (C₁ bis C_N) geliefert wird, zu transferieren, das bzw. jedes von dieser Umformung stammende Signal zu filtern, die nach dem Filtern erhaltenen Signale zu summieren und im Zeitbereich das nach der Summierung erhaltene Signal zu transferieren, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, das von der Antenne (ANT) gelieferte Signal mit Hilfe eines Filters (W) zu filtern, dessen Übertragungsfunktion (W(t,f)) gleich dem Verhältnis zweier linearer Funktionen (F) und (G) der Leistung
am Ausgang des Summierer (SOM) und der Leistung
des bzw. der Signale ist, das bzw. die von der bzw. den Transformationseinheiten im Frequenzbereich (UTF) geliefert:
Verfahren zur Verarbeitung von Antennensignalen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion (W(t,f)) gleich dem Verhältnis der Leistung
(t,f)) des Signals am Ausgang der Summierers (SOM) und der Leistung
(t,f)) des oder der Signale ist, die von der bzw. den Transformataionseinheiten im Frequenzbereich (UTF) geliefert werden:
Verfahren zur Verarbeitung von Antennensignalen nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Leistung
(t,f)) des Signals am Ausgang der Antenne (ANT) und die Leistung
(t,f)) des bzw. der Signale zu bewerten, die von dem oder den Fühlern (C₁ bis C_N) an den Eingang der Antenne (ANT) geliefert werden.
Verfahren zur Verarbeitung von Antennensignalen nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Durchführung der Bewertung der Leistung
(t,f)) des oder der Signale, die von dem bzw. den Fühlern (C₁ bis C_N) an den Eingang der Antenne (ANT) geliefert werden, darin besteht, den Durchschnitt der Bewertung der Spektralleistungsdichten
(t,f)) der Signale, die von dem bzw. den Fühlern (C₁ bis C_N) stammen, festzustellen:
Verfahren zur Verarbeitung von Antennensignalen nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Durchführung der Bewertung der Leistung
(t,f)) des Signals am Ausgang des Summierers (SOM) darin besteht, die Bewertung der Spektralleistungsdichten
(t,f)) dieses Signals durchzuführen:
(t,f) =
(t,f)
Verfahren zur Verarbeitung von Antennensignalen nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, diese Bewertungen rekursiv durch exponentielle Glättung durchzuführen.
Antennensystem, umfassend eine Antenne (ANT), die mit mindestens einem Fühler (C₁ bis C_N) versehen und dazu vorgesehen ist, das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignalen der Antenne (ANT) zu verbessern, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Filter (W) umfasst, der dazu vorgesehen ist, das von der Antenne (ANT) gelieferte Signal zu filtern, und dessen Übertragungsfunktion (W(t) , W(t,f) gleich dem Verhältnis zweier linearer Funktionen F und (G) der Leistung
(t) ,
(t,f)) am Ausgang der Antenne (ANT) und der Leistung
(t) ,
(t,f)) am Eingang der Antenne (ANT) ist:
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Übertragungsfunktion (W(t), W(t,f)) des Filters (W) gleich dem Verhältnis der Leistung
(t) ,
(t,f)) des Signals am Ausgang der Antenne (ANT) und der Leistung
(t),
(t,f)) des oder der Signale, die von dem bzw. den Fühlern (C₁ bis C_N) an den Eingang der Antenne (ANT) geliefert werden, ist:
Antennensystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß es Bewertungseinheiten (ESTE, ESTS) umfaßt, um die Leistung
(t),
(t,f)) des das am Ausgang der Antenne (ANT) vorhanden ist, und die Leistung
(t),
(t,f)) des oder der Signale bewerten zu können, die von dem bzw. den Fühlern (C₁ bis C₁) an den Eingang der Antenne (ANT) geliefert werden.
Antennensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungseinheit (ESTE), um die Leistung
(t),
(t,f)) am Eingang der Antenne (ANT) bewerten zu können, das, einige oder die Signale (x_i(t), i = 1 bis N), die von einem, einigen oder den Fühlern (C₁ bis C_N) der Antenne (ANT) geliefert werden, verarbeitet.
Antennensystem nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungseinheit (ESTE), um die Leistung
(t),
(t,f)) am Eingang der Antenne (ANT) bewerten zu können, das oder einige Signale, die von einer Antennenverarbeitungseinheit (TA) der Antenne (ANT) aus den Signalen (x_i(t), i = 1 bis N) geliefert werden, die von dem oder den Fühlern (C₁ bis C_N) der Antenne (ANT) geliefert werden, verarbeitet.
Antennensystem, umfassend eine Einheit zum Transformieren des oder jedes Signals, das von mindestens einem Fühler (C_i wobei i = 1 bis N) geliefert wird, in den Frequenzbereich (UTF), ein Kanalfilter (FV_i), um in dem Frequenzbereich das von der Transformationsseinheit (UTF) gelieferte Signal zu filtern, einen Summierer (SOM), um die jeweils von den Kanalfiltern (FV_i) gelieferten Signale zu summieren, und eine Transformationseinheit (UTT) im Zeitbereich des Signals, das von dem Summierer (SOM) geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß es zwischen dem Summierer (SOM) und der Transformationseinheit im Zeitbereich (UTT) ein Filter (W) umfasst, dessen Übertragungsfunktion (W(t,f)) gleich dem Verhältnis zweier linearer Funktionen (F) und (G) der Leistung
(t,f)) des Signals, das am Ausgang des Summierers (SOM) vorhanden ist, und der Leistung
(t,f)) des oder der Signale ist, die von der Trnasformationseinheit in dem Frequenzbereich (UTF) geliefert werden:
System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion (W(t,f)) des Filters (W) gleich dem Verhältnis der Leistung
(t,f)) des Signals am Ausgang des Summierers (SOM) und der Leistung
(t,f)) des oder der Signale ist, die von der Transformationseinheit in dem Frequenzbereich (UTF) geliefert werden:
Antennensystem nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß es Bewertungseinheiten (ESTE, ESTS) umfaßt, um die Leistung
(t,f)) des Signals, das am Ausgang des Summators (SOM) vorhanden ist, und der Leistung
(t,f)) des oder der Signale, die von den Transformationseinheiten (UTF) geliefert werden, jeweils bewerten zu können.
Antennensystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungseinheit (ESTE) zur Bewertung der Leistung
(t,f)) des oder der Signale, die von dem oder den Fühlern (C₁ bis C_N) an den Eingang der Antenne (ANT) geliefert wird, den Durchschnitt der Bewertung der Spektralleistungsdichten
(t,f)) der von dem oder den Fühlern (C₁ bis C_N) stammenden Signale berechnet:
Antennensystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungseinheit (ESTS) zur
(t,f) der Bewertung der Leistung
(t,f) des Signals am Ausgang des Summierers (SOM) durch die Bewertung
(t,f) der Spektralleistungsdichte dieses Signals gegeben ist:
(t,f)
Antennensystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel umfasst, damit diese Bewertungen auf rekursive Art durch exponentielle Glättung durchgeführt werden.