DE60010457T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Verarbeitung eines Signales emittiert von einer Zielsignalquelle in einer geräuschvollen Umgebung - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Verarbeitung eines Signales emittiert von einer Zielsignalquelle in einer geräuschvollen Umgebung Download PDF

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Description

  • BEREICH DER TECHNIK
  • Die Erfindung betrifft ein System zur Verarbeitung eines Signals, das von einer Objektsignalquelle in eine verrauschte Umgebung ausgesandt wird, wobei sich die Objektsignalquelle mit Bezug auf die Lage einer Wandleranordnung in einer Objektsignalquellenrichtung φs befindet und wobei das System umfasst: die Wandleranordnung, die M Wandler für den Empfang des mit einem Rauschen gemischten Signals aufweist, wobei jeder Wandler jeweils ein zugehöriges Wandlerausgabesignal erzeugt; einen Strahlformer für den Empfang und das Filtern der M Wandlerausgabesignale zur Erzeugung von mindestens einem Ausgabesignal y'i(n), i= 1...N, wobei der Strahlformer Filterkoeffizienten umfasst, die eine vorgegebene Filtercharakteristik, z.B. eine gewünschte Sichtrichtung, festlegen; ein Strahlformer-Strahlformsteuersystem, das ein Steuersignal Di(n) zur Verfügung stellt, welches mindestens einen physikalisch relevanten Parameter für die Objektsignalquelle, insbesondere die Objektsignalquellenrichtung φs, verkörpert; und Einstellmittel (30Ib, 30IIb) für die Filtercharakteristik des Strahlformers, die in Reaktion auf das Steuersignal Di(n) so wirksam werden, dass der Strahlformer (30I, 30II) eine vorgegebene Filtercharakteristik, z.B. für die Objektsignalquelle (20) in der Objektsignalquellenrichtung φs, aufweist.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein von dem System ausgeführtes Verfahren zur Bearbeitung eines Signals, das von einer Objektsignalquelle in eine verrauschte Umgebung ausgesandt wird.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Strahlformende Systeme werden üblicherweise verwendet, um die Qualität eines empfangenen Signals zu verbessern, indem die empfangenen Signale durch eine Anordnung von Mehrfachwandlern bearbeitet werden. Die Signalbearbeitung durch Wandleranordnungen kann eingesetzt werden, um die Leistungsfähigkeit des Empfangssystems zu erhöhen, welches das Sollsignal auffängt, das in eine verrauschte Umgebung ausgesandt wurde. Strahlformungsverfahren erlauben ein Ausrichten der Maximalempfindlichkeit (Sichtrichtung) der Wandleranordnung auf eine beliebige Signalquelle, indem die strahlformenden Filterkoeffizienten verändert werden. Typische Anwendungen sind im Funkverkehr, der Radarsignalverarbeitung, der Unterwasserakustik und der Spracherfassung für Konferenzschaltungen und Freihandsysteme zu finden.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass entsprechend dem Reziprozitätsprinzip die Signalquellen und -empfänger austauschbar sind und dass durch einen Wechsel der Signalflussrichtung und ein Ersetzen der Empfangswandler durch Übertragungswandler ein entsprechendes Signal von der Wandleranordnung in die Richtung φs ausgesandt werden kann.
  • In der Literatur sind verschiedene Strahlformungsverfahren ausführlich untersucht worden. Eines der am häufigsten untersuchten Verfahren ist das adaptive Strahlformen, bei dem die Filterkoeffizienten entsprechend den Kennwerten des empfangenen Signals angepasst werden. Ein gut bekanntes Strahlformungsverfahren wurde von Frost (O.L. Frost „An algorithm for linearly constrained adaptive array processing", Proc. IEEE, Bd. 60, Nr. 8, S. 926–935, Aug. 1972) vorgestellt. Das Verfahren von Frost wurde von Griffiths und Jim (L.J. Griffiths, C.W. Jim „An alternative approach to linearly constrained adaptive beamforming", IEEE Trans. Antennas Prop., Bd. AP-30, Nr. 1, S. 27–34, Jan. 1982) weiter entwickelt. Das grundlegende Problem dieser adaptiven Strahlformer besteht darin, dass die adaptiven Filter ausgelegt sind, den Rauschanteil im Ausgabesignal des Strahlformers zu löschen, in der Praxis enthält der Rauschschätzwert jedoch auch eine Komponente, die mit dem Sollsignal korreliert. Deshalb dämpfen die adaptiven Filter nicht nur das Rauschen, sondern erzeugen auch eine nicht vorhersagbare Verzerrung des Sollsignals. Diese Korrelation wird üblicherweise durch eine Mehrwegausbreitung, eine falsch eingestellte Sichtrichtung oder eine ungeeignete Modellierung sowie Veränderungen im Ausbreitungsmedium hervorgerufen.
  • Ähnliche adaptive Strahlformungssysteme werden ausführlich in US 5 964 709 A und US 5 581 495 A beschrieben.
  • Um die Verzerrung des Sollsignals zu vermindern, ist es vorteilhafter, ein festes Strahlformungsfilter zu entwerfen, das für eine gegebene Anwendung optimiert ist.
  • Der Vorteil beim Verwenden einer festen Strahlformung besteht darin, dass die festen Filterkoeffizienten auf der Grundlage einer a priori vorliegenden Kenntnis über die Quelle und das Medium sowie die erwünschten Leistungskriterien optimiert werden können, so dass das Filterverhalten deterministisch ist.
  • Ein solche Ausführung kann als ein raumzeitliches Filterentwurfsproblem formuliert werden, in welchem die Geometrie der Anordnung (Wandlerpositionen) und das Abtastzeitintervall ein raumzeitliches Abtastraster festlegen. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sowohl das raumzeitliche Abtastmuster als auch die entsprechenden Filterkomponenten des Strahlformers optimiert werden können, ohne durch die Verzerrung des Sollsignals beeinträchtigt zu werden (M. Kajala, M. Hämäläinen „Broadband beamforming optimization for speech enhancement in noisy environments" IEEE Workshop on Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics, Okt. 1999). Ein solches System und Verfahren wird nun ausführlicher mit Bezug auf die 10 bis 12 beschrieben.
  • Das System gemäß 10 enthält eine Wandleranordnung 10, die mehrere Wandler 10-j, j=1...M, umfasst. Die Wandler empfangen ein Signal, das von einer Signalquelle 20 ausgesandt wird und dem ein Rauschen beigemischt oder überlagert ist. Die Wandler können z.B. Mikrofone zum Empfang und zur Umformung von Drucksignalen in elektrische Signale sein.
  • Die Signalquelle ist mit Bezug auf die Lage der Wandleranordnung 10 in einer Objektsignalquellenrichtung φs angeordnet. Wie in 11 dargestellt ist, kennzeichnet die Objektsignalquellenrichtung φs allgemein die 3-dimensionale Lage der Objektsignalquelle im Raum, z.B. in kartesischen Koordinaten φs = (Xs,Ys,Zs) oder in Kugelkoordinaten φs = (rs, Φs, Θs), mit Bezug auf die Wandleranordnung 10, von der in 11 angenommen wird, dass sie im Ursprung des Koordinatensystems angeordnet ist. Wenn Signale aus dem Fernfeld eintreffen, dann können sie als ebene Wellen modelliert werden. In diesem Falle wird der Abstand rs nicht benötigt, und die Signalquellenrichtung φs reduziert sich auf φs = (Φs, Θs).
  • Beim Empfang des Signals erzeugen die Wandler 10-1...10-M der Wandleranordnung 10 gemäß 10 Analogsignale, die anschließend durch einen mehrkanaligen Analog-Digital-Umwandler 15 abgetastet werden. Die abgetasteten Signale x1(n)...xM(n) werden in einen elementaren Strahlformer 30 eingespeist. Der Strahlformer ist durch eine Filterbank gegeben, die M FIR-Filter 35-1...35-M umfasst. Ein Ausgabesignal y'(n) des Strahlformers 30 wird durch Zusammenfassen der jeweiligen Ausgabesignale x'1(n)...x'M(n) der FIR-Filter gebildet.
  • Der Strahlformer 30 ist in der Lage, die Strahlform der Wandleranordnung 10 in jede beliebige Sichtrichtung φi zu lenken, indem ein Filter mit einem geeigneten Satz von festen Filterkoeffizienten verwendet wird. Die Sichtrichtung φi des Strahlformers fällt nicht notwendigerweise mit der Objektsignalquellenrichtung φs zusammen.
  • In dem Falle, dass das Signal von der Signalquelle 20 in eine verrauschte Umgebung ausgesandt wird, stellen die abgetasteten Wandlersignale x1(n)...xM(n) ein verrauschtes Signal dar. Wenn gleichzeitig die Sichtrichtung φi, auf welche die Richtcharakteristik des Strahlformers 30 korrekt eingestellt ist, mit der Objektsignalquellenrichtung φs übereinstimmt, dann werden die verrauschten Komponenten in den Wandlersignalen weitgehend unterdrückt. Das Ausgabesignal y'(n) der Filterbank 30 schätzt das von der Signalquelle 20 ausgesandte Signal ab, d.h., das Signal-Rausch-Verhältnis SRV oder irgendein anderes geeignetes Qualitätsmaß des gefilterten Signals y'(n) wird maximiert. Wegen des Umstandes, dass der Strahlformer 30 in 10 nur einen Satz fester Filterkoeffizienten umfasst, erfordert der erfolgreiche Einsatz dieses Systems eine a priori Kenntnis über die Objektsignalquellenrichtung φs. Um das Ausgabesignal des Strahlformers y'(n) zu verstärken, muss die Sichtrichtung φi des Strahlformers auf die Objektsignalquellenrichtung φs hin ausgerichtet werden, indem ein geeigneter Satz von festen Filterkoeffizienten zur Verfügung gestellt wird.
  • Bei der sequenziellen Ausrichtung der Richtcharakteristik des elementaren Strahlformers auf verschiedene vorgegebene Sichtrichtungen φi, i = 1...N, muss z.B. zum Verfolgen einer sich bewegenden Signalquelle für jede vorgegebene Sichtrichtung φi ein jeweiliger Satz fester Filterkoeffizienten in einem Speicher gespeichert und in das Filter vor der Verwendung eingeführt werden. Folglich ist das System gemäß 10 nicht geeignet, um Signale zu verarbeiten, die von unterschiedlichen Signalquellen ausgesandt werden, welche mit Bezug auf die Wandleranordnung 10 in unterschiedlichen Objektrichtungen φs,p, p = 1...P, angeordnet sind.
  • 12 zeigt einen weiterentwickelten Strahlformer 30', der die Nachteile des elementaren Strahlformers suboptimal überwindet. Der weiterentwickelte Strahlformer 30' umfasst N ≥ 1 Filterbänke 30-1...30-N und ist so in der Lage, gleichzeitig die Strahlformerausgabesignale y'1(n)...y'N(n) zu berechnen.
  • Eine jede Filterbank umfasst M Finitimpulsantwort-FIR-Filter jeweils für den Empfang desselben Eingangssignalvektors x(n) = [x1(n) x2(n) ... xM(n)], der vom mehrkanaligen Analog-Digital-Umwandler 15 ausgegeben wird. Die M Filter 35-i-1...35-i-M in jeder der i = 1 – N Filterbänke werden jeweils durch den individuellen Satz fester Filterkoeffizienten charakterisiert, mit dem Ergebnis, dass jede Filterbank einer der N Sichtrichtungen φi, i = 1...N, angepasst ist.
  • Die Ausgabesignale des Strahlformers in 12, d.h. die Ausgabesignale der Filterbänke 30-1...30-N, können dargestellt werden als
    Figure 00070001
    wobei Lij die Länge des des Filters 35-i-j ist, das die festen Filterkoeffizienten hi,j,k, k = 0...Li,j aufweist. Unter der Annahme Li,j = L für alle i = 1...N und j = 1...M kann das i-te Ausgabesignal y'i(n) in die Form
    Figure 00070002
    umgeschrieben werden. Eines der Signale y'i(n), i = 1...N, kann als ein Soll-Ausgabesignal ausgewählt werden, welches den besten Schätzwert des Signals darstellt, das zur Wandleranordnung hin ausgesandt wird.
  • Diese Auswahl wird von einem Mischer 60 ausgeführt, der vorzugsweise P Signale aus den N Ausgabesignalen des Strahlformers y'i(n), i = 1...N, auswählt. Diese P ausgewählten Signale können P Signale yp(n) für p = 1...P verkörpern, die von P verschiedenen Signalquellen 20-1...20-P in den jeweiligen Objektsignalquellenrichtungen φs,p für p = 1...P ausgesandt wurden, wenn die jeweiligen Sichtrichtungen φi der Strahlformerausgabesignale den Objektsignalquellenrichtungen φs,p zumindest nahe kommen. Außerdem kann der Mischer 60 eines oder mehrere Strahlformerausgabesignale y'i(n), welche die Signalquellen 20-1...20-P verkörpern, zusammen in einem Ausgabesignal yp(n) kombinieren, was z.B. bei Konferenzschaltungen erwünscht sein kann. In einer einfachen Ausführung, wenn bevorzugt zwischen unterschiedlichen Sichtrichtungen geschaltet wird, kann der Mischer durch einen Multiplexer ersetzt werden. Die Ausgabesignalauswahl wird durch eine Ausgabesteuereinheit 70 des Strahlformers ausgeführt, die dem Mischer 60 ein Steuersignal zur Verfügung stellt. Im Allgemeinen weist die Steuereinheit 70 den Mischer 60 an, das Strahlformer-Ausgabesignal y'i(n) auszuwählen, das die beste Filterleistung aufweist, d.h. die Sichtrichtung φi, welche der Richtung φs,p, in der das Sollsignal tatsächlich ausgesandt wurde, am nächsten kommt.
  • Das dem Stand der Technik entsprechende System gemäß 12, das M Wandler 10-1...10-M und M·L Finitimpulsantwort-FIR-Filter 35-i-1...35-i-M der Länge L umfasst, muss in einem Speicher Mempri(S) = M·L·N (3) Koeffizienten bereithalten, um parallel S ≤ N Signale zu filtern. In diesem Falle ist der Rechenaufwand mindestens durch Loadpri(S) = M·L·S (4) Multiplikations- und Aufsummationsoperationen pro Abtastintervall gegeben, um die S gleichzeitigen Ausgabesignale y'i(n) des Strahlformers zu bilden.
  • Außerdem ist nur eine maximale Anzahl von N vorgegebenen festen Sichtrichtungen im weiterentwickelten Strahlformer 30' verfügbar, welche durch die N Filterbänke gebildet werden.
  • Dagegen kann ein Signal auch in eine Objektsignalquellenrichtung φs,p ausgesandt werden, die nicht mit irgendeiner der vorgegebenen N Sichtrichtungen φi, i = 1...N, übereinstimmt. In diesem Falle würde das System lediglich suboptimal arbeiten, wobei der Suboptimalitätsgrad von der Differenz zwischen der tatsächlichen Objektsignalquellenrichtung φa,p, in die das Signal von der Signalquelle ausgesandt wird, und der Sichtrichtung φi, auf die der Strahlformer eingestellt ist, abhängt.
  • Das System vom Stand der Technik gemäß 12 hat den Nachteil, dass für jede gewünschte Sichtrichtung φi des Strahlformers eine eigene Filterbank zur Verfügung gestellt werden muss, die mit einem individuellen Satz von festen Filterkoeffizienten arbeitet. Außerdem ermöglicht das System gemäß 12 nur suboptimalen Empfang und Wiederherstellung von Signalen, die in eine Objektsignalquellenrichtung φs,p ausgesandt wurden, welche nicht genau mit irgendeiner der vorgegebenen Sichtrichtungen φi des Strahlformers, welche durch die festen Koeffizienten gegeben sind, übereinstimmt.
  • Diese Erfindung verwendet die Theorie der sogenannten 1-dimensionalen (1D) Polynomfilter. Vom Stand der Technik her ist bekannt, dass Koeffizienten eines veränderlichen 1D-FIR-Filters durch ein Polynom dargestellt werden können. Auf Polynomen aufbauende Filter sind eingesetzt worden für variable Verzögerungen (C.W. Farrow, „A continuously variable digital delay element", ISCAS-88, S. 2641 – 2645, 1988), für das Teilverzögerungsfiltern (T.I. Laakso, V. Välimäki, M. Karjalainen, U.K. Laine, „Splitting the unit delay – tools for fractional filter design", IEEE Signal Processing Magazine, S. 30 – 60, Jan. 1996), für Digitalempfänger (V. Tuukanen, J. Vesma, M. Renfors, „Combined interpolation and maximum likelihood symbol timing in digital receivers", 1997 IEEE 6th International Conference on Universal Personal Communications Record, Bd. 2, S. 698 – 702, 1997), für Digitalmodems (L. Erup, F.M. Gardner, R.A. Harris, „Interpolation in digital modems – Part II: implementation and performance", IEEE Trans. on Comm., Bd. 41, Nr. 6, S. 998 – 1008, Juni 1993) und zur Modellierung von Schallröhren (V. Välimäki, „Discrete – time modeling of acoustic tubes using fractional delay filters", Promotionsschrift, Technische Universität Helsinki, Otaniemi, 1995/Report 37, S. 95 – 104, 1995). All diese Verfahren sind darauf ausgerichtet, die Verzögerungskennwerte eines einzelnen 1D-FIR-Filters anzupassen, ohne das Betragsspektrum des Signals zu beeinflussen. Ein anderes Konstruktionsverfahren für veränderliche 1D-FIR-Filter mit veränderlichen Abschneidefrequenzen wurde von Deng (T.B.Deng, „Weighted leat-squares method for designing arbitrarily 1-D FIR digital filters", Signal Processing, Bd. 80, S. 597 – 613, 2000) vorgestellt.
  • Die von Farrow vorgestellte optimale Filterstruktur für eine stetig veränderliche Digitalverzögerung wurde für polynomgestützte 1D-FIR-Filter verallgemeinert. Vom Stand der Technik her ist bekannt, dass die sogenannte Farrow-Struktur verwendet werden kann, polynomgestützte 1D-FIR-Filter zu verwirklichen, die ein Abstimmen der Filterkennwerte unter Verwendung eines einzigen Steuerparameters unterstützen.
  • Um die Sichtrichtung des elementaren Strahlformers in 10 zu lenken, wäre es möglich, eine Vorverarbeitung der Wandlersignale unter Verwendung veränderlicher Verzögerungsfilter vorzunehmen. Diese Art der Ausführung würde jedoch verschiedene Nachteile mit sich bringen: die optimalen Filterkennwerte des elementaren Strahlformers würden beeinträchtigt werden, wenn die Sichtrichtung von der vorgesehenen Sichtrichtung des ursprünglichen elementaren Strahlformers abweicht, die Realisierung eines ausreichend guten 1D-Teilverzögerungs-FIR-Filters würde ziemlich hohe Filterordnungen erfordern, und jedes Wandlersignal würde einen eigenen Steuerparameter erfordern, die voneinander abhängig sein würden.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • In Anbetracht dieser Sachlage ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein System und Verfahren zur Verarbeitung eines Signals zu verbessern, das in eine verrauschte Umgebung ausgesandt wird, so dass der Empfang eines deutlichen Signals für eine beliebige Objektsignalquellenrichtung φs mit nur einem Minimum an Rechenaufwand und Speicherkapazität erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Ausführungen des unabhängigen Anspruchs 1 zur Vorrichtung und des unabhängigen Anspruchs 21 zum Verfahren.
  • Genauer gesagt wird die Aufgabe für das oben beschriebene System dadurch gelöst, dass die einstellbaren Filterkoeffizienten des Strahlformers durch die folgende Gleichung gegeben sind:
    Figure 00120001
    wobei die at(j,k) feste Filterparameter sind, Di ein Vektor von veränderlichen Filterparametern ist, welche das Steuersignal Di(n) verkörpern, und die Ft(Di) Funktionen der Di sind.
  • Es ist vorteilhaft, dass die einstellbaren Filterkoeffizienten in feste und veränderliche Filterparameter unterteilt werden. Nur die festen Filterparameter für ein einstellbares Strahlformungsfilter müssen in einem Speicher gespeichert werden, und somit wird im Vergleich mit dem herkömmlichen System weniger Speicherkapazität benötigt. Außerdem müssen nur die veränderlichen Filterparameter in Reaktion auf das Steuersignal Di(n) verändert werden, um die Richtcharakteristik des Strahlformers zu lenken, so dass der Rechenaufwand reduziert wird.
  • Das Strahlformer-Strahlformsteuersystem enthält Hilfsmittel zum Erkennen aller relevanten Parameter für die Objektsignalquelle in Bezug auf die Wandleranordnung, insbesondere die Objektsignalquellenrichtung φs, und zum Erzeugen eines Steuersignals Di(n), das die im Vektor Di enthaltenen veränderlichen Filterparameter beeinflusst. Erfindungsgemäß ist die resultierende strahlformende Filtercharakteristik genau mit diesen Parametern, insbesondere mit der Objektsignalquellenrichtung, abgestimmt. Zusätzlich ermöglicht eine geeignete Wahl der Funktionen Ft(Di), um z.B. die einstellbaren Filterkoeffizienten hj,k(Di) des Strahlformers als Polynome in einem veränderlichen Filterparameter Di (der seinerseits die gewünschte Sichtrichtung φi verkörpert) und mit den festen Filterparametern at(j,k) als Polynomkoeffizienten darzustellen, die Erzeugung nicht nur einer endlichen Zahl von vorgegebenen strahlformenden Kenngrößen, z.B. das Hinlenken der strahlformenden Richtcharakteristik auf einen diskreten Satz von vorgegebenen Sichtrichtungen φi, sondern auch eine Interpolation der strahlformenden Charakteristik zwischen zwei vorgegebenen Sichtrichtungen, so dass die strahlformende Richtcharakteristik stetig und gleichförmig gelenkt werden kann.
  • Die Signalquelle, welche die vom System empfangenen Signale aussendet, ist weder hinsichtlich ihrer Beschaffenheit noch ihrer Lage im Raum noch durch die Frequenz der von ihr erzeugten Signale eingeschränkt. Folglich gibt es den Vorteil, dass das System an eine beliebige Art von Signalen, die von der Signalquelle ausgehen, angepasst werden kann.
  • Wegen der automatischen Lenkung der Richtcharakteristik des Strahlformers oder der Wandleranordnung in Reaktion auf das Steuersignal Di(n) ist das System für Freihandsysteme sehr geeignet.
  • Vorzugsweise ist die Anzahl der veränderlichen Filterparameter geringer als die Anzahl der festen Filterparameter. In diesem Falle werden die Vorteile einer geringeren Speicherkapazität sowie eines geringeren Rechenaufwandes unterstützt. hj,k(Di) = a0(j,k)F0(Di) + al(j,k)Fl(Di) + ... + aτ(j,k)Fτ(Di)
  • Der Vektor der veränderlichen Filterparameter Di kann eine einzige Variable sein, die einen optimalen Polynomfilter für ein Verfolgen von Objektsignalquellenrichtungen φs im Raum nachbildet. Eine flexiblere Quellenverfolgung im Raum würde durch Verwenden eines Vektors Di von drei Variablen ermöglicht werden, die z.B. den Abstand r, den Azimutwinkel Φ und den Erhebungswinkel Θ der Objektsignalquellenrichtung φs verkörpern.
  • Zusätzlich zu den geometrischen Parametern kann der Vektor der veränderlichen Filterparameter Di auch einen der physikalisch relevanten Parameter, wie das Hintergrundrauschen, die gewünschte Signalbandbreite, das Signalspektrum, die Strahlform, physikalische Eigenschaften des Mediums wie die Temperatur, Systemparameter wie die Kamerasteuerung oder eine Kombination daraus enthalten.
  • Nach allen Ausführungsformen der Erfindung ist es vorteilhaft, dass der Strahlformer mit den einstellbaren Filterkoeffizienten eine Polynom-Filterkennlinie aufweist. Eine solche Kennlinie erlaubt eine einfache Berechnung der Ausgabesignale des Strahlformers.
  • Dieses Interpolationspolynom hj,k(Di) erlaubt einen einfachen Wechsel der Filterkoeffizienten mit einem unbedeutenden Rechenaufwand.
  • Die Funktionen Ft(Di) bilden vorzugsweise ein Taylor-Polynom
    Figure 00140001
    da Taylor-Polynome einfach anzuwenden sind. Die Funktionen Ft(Di) können jedoch auch Tschebyscheff-Polynome sein, um eine Optimierung zur Minimierung des Maximalfehlers zu unterstützen.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst das System einen Speicher zum Speichern der festen Filterparameter at(j,k), ein Filterkoeffizientenerzeugungsmittel (30Ib) als Strahlformer-Filtercharakteristikeinstellmittel zum Einstellen der Filterkoeffizienten gemäß der Gleichung
    Figure 00150001
    Signalverarbeitungsmittel zur Erzeugung eines Strahlformerausgabesignals y'i(n), i = 1...N, unter Verwendung der Gleichung
    Figure 00150002
  • Die Verarbeitung der Signale y'i(n) entsprechend der letzten Gleichung hat den Vorteil, dass die Anpassung des Systems an eine beliebige Objektrichtung unterstützt werden kann, indem lediglich der Vektor der veränderlichen Filterparameter Di in Reaktion auf das Steuersignal Di(n) eingestellt wird. Demzufolge wird der Rechenaufwand zum Ausführen der Anpassung auf ein Minimum reduziert. Eine parallele Berechnung mehrerer Strahlformerausgabesignale erleichtert das Auffinden des am meisten geeigneten Signals gemäß der vorgegebenen Entscheidungskriterien.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Strahlformer mindestens zwei Filterbänke, von denen jede die M Wandlerausgabesignale empfängt und filtert, um ein Zwischensignal y''t(n), t = 0...T, zu erzeugen, und mindestens ein Nachfilter als Strahlformer-Filtercharakteristikeinstellmittel zum Empfang der mindestens zwei Zwischensignale y''t(n), um als Reaktion auf das Steuersignal Di(n) das Strahlformerausgabesignal y'i(n), i = 1...N, zu erzeugen.
  • Vorzugsweise weist die zweite Ausführungsform der Erfindung das Merkmal auf, dass jede der mindestens zwei Filterbänke das Zwischensignal y''t(n) aus den Wandlerausgabesignalen xj(n-k) gemäß folgender Gleichung
    Figure 00160001
    errechnet, wobei die at(j,k) die vorgegebenen festen Filterparameter sind; und dass
    das Nachfilter das Strahlformerausgabesignal y'i(n) aus dem Zwischensignal y''t(n) gemäß der folgenden Gleichung
    Figure 00160002
    errechnet, wobei die Ft(Di) die besagten Funktionen von Di sind.
  • In einer beliebigen Ausführungsform der Erfindung werden die Wandler vorzugsweise linear, 2-dimensional oder 3-dimensional in der Wandleranordnung 10 angeordnet. Außerdem können sie eine kugelförmige, bidirektionale oder einige kompliziertere Richtempfindlichkeitscharakteristiken oder deren Kombination aufweisen. Auf diese Weise wird ein optimaler Empfang der Signale für jede Form der Signalcharakteristiken erreicht. Beim Bemessungsverfahren der Strahlformungsfilter können die Kennwerte der Wandlerempfindlichkeit berücksichtigt werden, so dass sie die Erfindung nicht eingrenzen.
  • Die Wandler in der Wandleranordnung werden vorzugsweise verkörpert durch Mikrophone beim Empfang akustischer Signale, durch Antennenelemente beim Empfang elektromagnetischer Signale oder durch Wasserschallempfänger beim Empfang akustischer Unterwassersignale.
  • Es ist vorteilhaft, dass das System mindestens einen Mischer für den Empfang und die Weiterverarbeitung von mindestens zwei der Strahlformerausgabesignale y'i(n) umfasst. Auf diese Weise können bestimmte Objektsignalquellenrichtungen oder deren Kombinationen zur weiteren Verarbeitung ausgewählt werden.
  • Zum Löschen von Echoeffekten im Ausgabesignal y'i(n) des Strahlformers umfasst das System vorteilhaft eine Echolöscheinheit.
  • Das System umfasst vorteilhaft eine Echolöschsteuereinheit zum Steuern der Echolöscheinheit in Reaktion auf das Steuersignal Di(n). Auf diese Weise wird die Leistung der Echolöscheinheit vergrößert.
  • Um im Ausgabesignal y'i(n) des Strahlformers ferner das Rauschen zu löschen, umfasst das System vorteilhaft eine Rauschlöscheinheit.
  • Das System umfasst vorteilhaft eine Rauschlöschsteuereinheit zum Steuern der Rauschlöscheinheit in Reaktion auf das Steuersignal Di(n). Auf diese Weise wird die Leistung der Rauschlöscheinheit vergrößert.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gemäß Verfahrensanspruch 21 durch ein Verfahren gelöst, ein empfangenes Signal von einer Objektsignalquelle in einer verrauschten Umgebung zu verarbeiten.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung ausführlich mit Bezug auf die folgenden Bilder beschrieben, wobei
  • 1 die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zeigt;
  • 2 eine detaillierte Darstellung eines Signalverarbeitungsmittels gemäß 1 zeigt;
  • 3 eine detaillierte Darstellung eines Filterkoeffizientenerzeugungsmittels gemäß 1 zeigt;
  • 4 die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zeigt;
  • 5a – d verschiedene Ausführungsformen von Nachfiltern gemäß 4 veranschaulichen;
  • 6 den Rechenaufwand für das System gemäß 4 im Vergleich zu einem System vom Stande der Technik veranschaulicht;
  • 7 den Einsatz einer Echo- und einer Rauschlöscheinheit in den Systemen gemäß 1 und 4 veranschaulicht;
  • 8 eine Hilfsfigur zur Darstellung der Lage einer Wandleranordnung in einem Koordinatensystem ist, das für 9a...9c verwendet wurde;
  • 9a – c die Änderungen der Empfindlichkeitskennwerte des Systems nach 1 und 5 darstellt, wenn die Sichtrichtung des Strahlformers verändert wird;
  • 10 ein vom Stand der Technik her bekanntes elementares System zeigt;
  • 11 ein Koordinatensystem zeigt, dass die Aufstellung einer Objektsignalquelle und einer Wandleranordnung nach dem Stande der Technik und nach vorliegender Erfindung darstellt; und
  • 12 ein weiterentwickeltes, vom Stand der Technik her bekanntes System zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Der Diskussion spezieller Ausführungsformen der Erfindung werden die folgenden Anmerkungen, die sich auf alle Ausführungsformen der Erfindung beziehen, vorangestellt.
  • Alle Ausführungsformen des Systems gemäß vorliegender Erfindung unterscheiden sich von dem herkömmlichen System, das in 12 dargestellt ist, im Wesentlichen nur in der Ausführung und im Betrieb des Strahlformers. Folglich entsprechen die Signalquellen 20-p, die Wandleranordnung 10, der mehrkanalige Analog-Digital-Umwandler 15, der Mischer 60 und die Strahlformer-Ausgabesteuereinheit 70 wie auch ihre jeweiligen Funktionen in den erfindungsgemäßen Ausführungsformen den betreffenden Komponenten und Funktionen in 12. Das gleiche gilt für die Definition der Objektsignalquellenrichtungen φs,p und der Sichtrichtung φi des Strahlformers.
  • In der Erfindung werden zwei Ausführungsformen des Strahlformers 30 diskutiert. Entsprechend beiden Ausführungsformen empfangen die Strahlformer die Eingangssignale x1(n) ... xM(n) und berechnen die Strahlformerausgabesignale y'i(n) unter Verwendung derselben Gleichung
  • Figure 00200001
  • Der Term hj,k(Di) in Gleichung 5 stellt die einstellbaren Filterkoeffizienten des Strahlformers dar, die in einer sehr allgemeinen Form gemäß folgendem Polynom hj,k(Di) = a0(j,k) F0(Di) + a1(j,k) F1(Di) + ... + aT(j,k) FT(Di) (6)berechnet werden können,
    wobei die at(j,k) feste Filterparameter mit t = 0...T, j = 1...M und k = 0...L-1 sind,
    wobei die Di veränderliche Filterparameter sind, die durch das Steuersignal Di(n) bereit gestellt werden und wobei Ft(Di) eine Funktion der Di, vorzugsweise eine Taylor-, Tschebyscheff- oder Legendre-Funktion, ist.
  • Folglich weisen alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen des Strahlformers eine polynomförmige Filtercharakteristik auf, die gesteuert wird, indem lediglich die veränderlichen Filterparameter Di eingestellt werden. Folglich weist das System den Vorzug auf, dass die Lenkgenauigkeit der Richtcharakteristik des Strahlformers nur von der Zahlengenauigkeit der Rechenhilfsmittel abhängt und dass die Strahllenkung mit einem minimalen Rechenaufwand ausgeführt werden kann.
  • Die Filtercharakteristik des Strahlformers wird in Antwort auf die veränderlichen Filterparameter Di gesteuert, um das beste Leistungsvermögen zu erreichen, das durch unterschiedliche Optimierungskriterien gesteuert werden kann. Die verwendeten Optimierungskriterien hängen vom gewünschten Maß der Signalqualität und der Filterleistung ab. Ein übliches Maß für die Signalqualität ist das Signal-Rausch-Verhältnis SRV, worunter gewöhnlich ein Verhältnis von Signal- zu Rauschleistung verstanden wird. In dieser Erfindung wird das SRV als ein Sammelmaß für die Signalqualität verstanden. Beispiele für diese alternativen Maße für die Signalqualität sind z.B. das gewichtete Verhältnis von Signal- zu Rauschleistung, so z.B. das Verhältnis von Signal- zu Rauschlautheit, das Verhältnis von Signal zu Störung und Rauschen SSRV, das Signal-Rausch-Abdeckverhältnis, die Bitfehlerrate BFR, das Signal-Störungsverhältnis SSV und die Gleichkanalstörung GKS.
  • Erfindungsgemäß senden die Signalquellen die Signale in eine verrauschte Umgebung aus. Somit sind die von der Wandleranordnung empfangenen Signale üblicherweise Kombinationen verschiedener Signalkomponenten: die ursprünglich von der Objektsignalquelle ausgesandten Signale, deren reflektierte Komponenten, Nachhall, gerichtete und diffuse Rauschsignale und weitere Störsignale, wie z.B. ein Schallecho. In dieser Erfindung werden alle Signalkomponenten, die aus einer Richtung eintreffen, die sich von der Sichtrichtung des Strahlformers φi unterscheidet, als Rauschkomponenten für das strahlformende Filter angesehen. Somit ist es nicht Gegenstand dieser Erfindung zu versuchen, die Einflüsse auf das Signal infolge Mehrwegausbreitung auszugleichen. Im Gegenteil, es wird die Strahlformung optimiert, um die aus der Objektsignalquellenrichtung eintreffenden Signale zu empfangen, während die Signale aus anderen Richtungen, d.h. das Rauschen, gedämpft werden.
  • 1 zeigt die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlformers. Der Strahlformer 30I umfasst die Signalverarbeitungsmittel 30Ia, ein Filterkoeffizientenerzeugungsmittel 30Ib und einen Speicher 30Ic.
  • Das Signalverarbeitungsmittel 30Ia empfängt die Eingangssignale x1(n)...xM(n), die vom mehrkanaligen Analog-Digital-Wandler 15 ausgegeben werden, und die Filterkoeffizienten hj,k(Di) vom Filterkoeffizientenerzeugungsmittel 30IIb, um das Ausgabesignal y'i(n) des Strahlformers gemäß Gleichung 5 zu erzeugen.
  • 2 zeigt eine Ausführung eines Signalverarbeitungsmittels für einen elementaren Strahlformer.
  • Der Speicher 30Ic ist dazu vorgesehen, verschiedene Sätze von festen Filterparametern at(j,k) zu speichern, so dass das Filterkoeffizientenerzeugungsmittel 30Ib auf sie zugreifen kann.
  • Das Filterkoeffizientenerzeugungsmittel 30Ib empfängt sowohl die festen Filterparameter at(j,k) vom Speicher 30Ic als auch das Steuersignal Di(n) von einem Strahlformer-Strahlformsteuersystem, um die Filterkoeffizienten des Strahlformers 30Ia gemäß Gleichung (6) einzustellen, bevor sie an das Signalverarbeitungsmittel 30Ia ausgegeben werden.
  • 3 zeigt eine spezielle Ausführungsform des Filterkoeffizientenerzeugungsmittels 30Ib, das die festen Filterparameter at(j,k) und veränderliche Filterparameter Di empfängt, um die Filterkoeffizienten hj,k(Di) gemäß Gleichung
    Figure 00230001
    zu berechnen.
  • Wie aus den Gleichungen 6 und 7 in Kombination mit Gleichung 5 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich wird, wird das Lenken des Strahlformers oder insbesondere das Lenken der Filterkennwerte, d.h. der Sichtrichtung, der strahlformenden Filter mit Bezug auf eine beliebige Objektquellenrichtung ermöglicht, indem lediglich die Lenkparameter Di wie vom Steuersignal Di(n) bereitgestellt variiert werden. Folglich hat das System den Vorteil, dass das Lenken der Strahlform, der Sichtrichtung oder beliebiger anderer Filterkennwerte des Strahlformers mit einem minimalen Rechenaufwand ausgeführt werden kann.
  • Das Steuersignal Di(n) wird dem Filterkoeffizienterzeugungsmittel 30Ib durch das Strahlformer-Strahlformsteuersystem 40 bereitgestellt.
  • Das Strahlformer-Strahlformsteuersystem 40 erfasst mindestens einen physikalisch relevanten Parameter für die Objektsignalquelle 20, insbesondere die Objektsignalquellenrichtung φs, von der aus das Signal zum gegebenen Zeitpunkt gerade ausgesandt wird. Ausgehend von dem erfassten physikalischen Parameter erzeugt das Steuersystem 40 das Steuersignal Di(n), das die veränderlichen Filterparameter Di verkörpert, wobei z.B. eine Zuordnungstabelle verwendet wird.
  • Jeder der veränderlichen Filterparameter Di stellt jeweils einen der Parameter Quellenrichtung, Quellenabstand, Rauschspektrum, Signalbandbreite, Signalspektrum, Strahlform, physikalische Eigenschaften des Mediums, Kamerasteuerung oder deren Kombination dar.
  • Nach Gleichung 6 sind die Filterkoeffizienten des Strahlformers in Reaktion auf die veränderlichen Filterparameter Di einstellbar. Durch Einstellen der Filterkoeffizienten wird die Filtercharakteristik des Strahlformers an den vorliegenden Zustand der Objektsignalquelle angepasst, der durch die erfassten physikalischen Parameter gegeben ist. Somit ist die Strahlform des Strahlformers auf die erfasste oder verfolgte Objektsignalquellenrichtung φs hin ausgerichtet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Signalquelle ein Sprecher in einem Fahrzeug sein. In diesem Falle kann das Strahlformer-Strahlformsteuersystem die Richtung des Sprechers als eine Objektsignalquellenrichtung φs visuell verfolgen. Ein akustisches Schallortungssystem ist z.B. in der US-Patentschrift US 4,741,038 offengelegt.
  • 4 zeigt die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlformers. Der Strahlformer 30II umfasst mindestens zwei Filterbänke 30IIa und mindestens ein Nachfilter 30IIb.
  • Jede der Filterbänke 30IIa-t, t = 0...T, empfängt alle abgetasteten Wandlerausgabesignale xm(n), m = 1...M, und erzeugt ein Zwischensignal y''t(n) gemäß folgender Gleichung:
    Figure 00250001
    wobei die at(j,k) die vorgegebenen festen Filterparameter sind.
  • Alle Zwischensignale y''(n), die durch die Filterbänke 30IIa-t erzeugt werden, werden jeweils mindestens einem Nachfilter 30IIb-i übermittelt. Im Nachfilter werden die Zwischensignale in das Strahlformerausgabesignal nach der folgenden Gleichung
    Figure 00250002
    transformiert, wobei Di der Vektor der veränderlichen Filterparameter ist.
  • 5a und 5b zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen des Nachfilters. In beiden Fällen umfasst das Nachfilter Multiplikations- und Additionseinheiten, die auf unterschiedliche Weise angeordnet sind, um die Gleichung 9 auszuführen.
  • Vom Stand der Technik her ist bekannt, dass die Tschebyscheff-Näherung ĥ(Di) die beste Näherung für eine stetige Funktion h(Di) in dem Sinne liefert, dass sie den Maximalfehler
    Figure 00250003
    minimiert. Die Tschebyscheff-Näherung ĥj,k(Di) wird berechnet gemäß ĥj,k(Di) = b0(j,k) F0(Di) + b1(j,k) F1(Di) + ... + bT(j,k) FT(Di); (11)wobei die Ft(Di) Tschebyscheff-Funktionen Ft(Di) = cos(t * arccos(Di)), t = 0 ... T (12)sind, und Di gleich
    Figure 00260001
    gesetzt wird, und worin die bt, t = 0...T, Variablen sind, die aus dem folgenden linearen System aus T + 1 Gleichungen hj,k(Di) = b0(j,k) F0(Di) + b1(j,k) F1(Di) + ... + bT(j,k) FT(Di) (14)für i = 0...T berechnet werden, wobei die hj,k(Di) die bekannten Filterkoeffizienten des Strahlformers sind. Eine wohlbekannte Rekursionsformel für die Tschebyscheff-Funktionen Ft(Di) ist F0(Di) = 1, F1(Di) = Di Ft+1(Di) = 2 Di * Ft(Di) – Ft-1(Di). (15)
  • Nachstehend wird die zweite Ausführungsform des Strahlformers an den Einsatz von Tschebyscheff-Funktionen angepasst, und es werden zwei unterschiedliche Realisierungen vorgestellt. Es sollte angemerkt werden, dass sich ähnliche Modifikationen in der ersten Ausführungsform des Strahlformers auf direktem Wege ausführen lassen, indem berücksichtigt wird, dass das Filterkoeffizientenerzeugungsmittel 30Ib dem Nachfilter 30IIb und die festen Koeffizienten im Speicher 30Ic den festen Filterparametern in den Filterbänken 30IIa entsprechen.
  • Der erste Weg zur Realisierung der Tschebyscheff-Näherung in der zweiten Ausführungsform des Strahlformers besteht darin, die at(j,k) in Gleichung 8 durch die bt(j,k) zu ersetzen, indem das lineare System in Gleichung 14 gelöst wird, und ein in 5c dargestelltes Nachfilter zu verwenden, um das Endausgabesignal
    Figure 00270001
    zu bilden.
  • Das Nachfilter in 5c berechnet zunächst die Funktionen Ft(Di) für ein gegebenes Di nach der Rekursionsformel in Gleichung 15 und verwendet dann die Werte der Ft(Di), t = 0...T, um das Endausgabesignal y'i(n) gemäß Gleichung 16 zu berechnen. Im Einzelnen zeigt 5d das zugehörige Nachfilter für einen speziellen Fall von vier Zwischensignalen y''0(n)...y''3(n), wobei y'i(n) nach Gleichung 16 berechnet wird, in der die Funktionswerte Ft(Di) nach der Rekursionsformel in Gleichung 15 für t = 0...3 bestimmt werden.
  • Der zweite Weg zum Einsatz der Tschebyscheff-Näherung in der zweiten Ausführungsform des Strahlformers ist vielleicht der effektivste hinsichtlich des Rechenaufwandes. Er nutzt das in 5b dargestellte Nachfilter. Die Zwischenausgabesignale y''t(n) werden erhalten, indem zunächst das lineare System in Gleichung 14 für die bt(j,k) gelöst wird und dann die erhaltenen Ausdrücke in einer Taylor-Polynomform gruppiert werden. Zum Beispiel können für T = 3 die festen Filterparameter at(j,k) in Gleichung 8 aus den folgenden Gleichungen bestimmt werden: a0(j,k) = b0(j,k) – b2(j,k) a1(j,k) = b1(j,k) – 3 b3 (j,k) a2(j,k) = 2 b2(j,k) a3(j,k) = 4 b3(j,k). (17)
  • Die festen Koeffizienten at(j,k) sind nun mit den Gleichungen 5, 7, 8 und 9 vergleichbar.
  • In der zweiten Ausführungsform des Strahlformers werden die veränderlichen Filterparameter Di den Nachfiltern in einer Form des Steuersignals Di(n) zur Verfügung gestellt, das wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben durch das Strahlformer-Strahlformsteuersystem erzeugt wird.
  • Es soll darauf hingewiesen werden, dass ein Einsetzen von Gleichung 8 in Gleichung 9 zu Gleichung 5 führt, wobei die Koeffizienten hj,k(Di) nach Gleichung 7 berechnet werden. Das wird aus den folgenden Umformungen ersichtlich:
  • Figure 00290001
  • Folglich sind die Wirkungsweisen der Strahlformer 30I und 30II sehr ähnlich.
  • Das polynomgestützte Filtern nach der zweiten Ausführungsform des Strahlformers erfordert Meminv(S) = M·L·(T + 1) (18)Koeffizienten, die im Speicher zu speichern sind. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt nur einen kleinen Satz von Filterkoeffizienten, so dass die erforderliche Speicherkapazität gering ist.
  • Der Strahlformer 30II weist einen Rechenaufwand von Loadinv(S) = M·L·(T + 1) + S·T (19)Multiplikations- und Aufsummationsoperationen pro Abtastintervall auf.
  • Der erste Term M·L·(T + 1) in Gleichung 19 stellt die feste Zahl von Operationen dar, die nötig sind, um die Zwischensignale y''t(n) zu berechnen, welche die Ausgabesignale der Filterbänke sind. Da die Anzahl der Zwischensignale unabhängig von der Anzahl S der Ausgabesignale des Strahlformers y'(n) ist, ist der Rechenaufwand zum Berechnen dieser Zwischensignale y''t(n) gemäß dem ersten Term fest, unabhängig davon, wieviel Ausgabesignale tatsächlich durch die Nachfilter 30IIb-i bereitgestellt oder durch den Mischer 60 ausgewählt werden.
  • Nach Gleichung 19 wird eine kumulative Beanspruchung von T Operationen pro Objektrichtung S hinzugefügt, um die parallelen Ausgabesignale der Nachfilter y'i(n) zu bilden.
  • In 6 wird der Rechenaufwand für eine Anzahl von vorgesehenen Objektrichtungen S für das polynomgestützte Filtern gemäß vorliegender Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen System veranschaulicht. Die Beanspruchung für das erfindungsgemäße System wird nach Gleichung 19 berechnet. Dagegen wird der Rechenaufwand für das dem Stand der Technik entsprechende System nach Gleichung 4 bestimmt. Beide Geraden in 6 basieren auf dem Beispiel M = 5, L = 40, T = 3. Wie aus 6 ersichtlich wird, ist die Zunahme des Rechenaufwandes, die durch die Anzahl der vorgesehenen Objektrichtungen erforderlich ist, bei dem System gemäß vorliegender Erfindung recht gering im Vergleich mit der Zunahme bei einem aus dem Stand der Technik bekannten System. Grob kann gesagt werden, dass für eine Zahl von Objektrichtungen größer als T + 1 das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich mit den vom Stand der Technik her bekannten Verfahren sehr effektiv ist.
  • 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der die Ausgabesignale des Strahlformers y'i(n) durch eine Echo- und Rauschlöscheinheit 82 gefiltert werden. Die Signalverstärkung des Systems vereinigt die SRV-Verbesserung des Strahlformers und die Rauschdämpfung der Echo- und Rauschlöscheinheit 82 miteinander. Es spielt keine Rolle, ob die Realisierung des Strahlformerfilters auf der ersten 30I oder der zweiten Ausführungsform 30II des Strahlformers beruht.
  • Als ein Beispiel ist der Schall-Echoweg in einem typischen Schallraum, wie z.B. im Inneren eines Kraftfahrzeugs, durch eine Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprechersystem 84 und der Mikrophonanlage 10 gegeben. Der Echoweg wird durch die Richtungsempfindlichkeit des Lautsprechersystems, die Raumakustik und die Richtungsempfindlichkeit des Mikrophonsystems beeinflusst. Folglich würden beliebige Veränderungen beim strahlformenden Filtern eine Auswirkung auf den Echoweg haben. Die meisten aus der Technik bekannten Echolöschsysteme beruhen auf einem adaptiven Filtern und sind damit in der Lage, diese Veränderungen zu beherrschen.
  • Erfindungsgemäß kann jedoch die Steuerung solcher bekannter Echolöschsysteme verbessert werden, indem die Veränderungen des Echoweges infolge des Einsatzes des strahlformenden Strahlformsteuersystems 40 berücksichtigt werden. Das wird nach 7 erreicht, indem eine Steuereinheit 81 bereitgestellt wird, um die Schallecho- und Rauschlöscheinheit 82 in Reaktion auf das Steuersignal Di(n) zu überwachen, das vom Strahlformer-Strahlformsteuersystem 40 geliefert wird. Die Steuereinheit 81 kann auch für spezielle Rauschlöscheinheiten eingesetzt werden, wo in einer Umgebung mit einem nicht gleichförmigen Rauschen das Rauschsignalspektrum eine Funktion der Richtungsempfindlichkeit der Mikrophonanlage werden kann. In diesem Falle können die Veränderungen der Schallnachführrichtung, wie sie durch das Strahlformer- Strahlformsteuersystem nachgewiesen werden, z.B. für das Steuern der Untergrundrauschbewertung verwendet werden.
  • Die Anordnung nach 7, insbesondere die beschriebene Steuerung der Echo- und Rauschlöscheinheit 82, macht den Löschprozess stabil gegenüber einer dynamischen Strahlformung in einer Quellennachführsituation.
  • Die 9a, 9b und 9c zeigen die Richtungsempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Systems in der Ebene, die durch das Papierblatt dargestellt wird, wobei eine Allrichtungs-Wandleranordnung 10 des Systems in einem Koordinatensystem angeordnet ist, das in 8 dargestellt ist. Wie aus 9 ersichtlich ist, ist die Empfindlichkeit des Systems optimal, das bedeutet 0 dB, wenn der veränderliche Filterparameter Di entsprechend der Objektsignalquellenrichtung φs ausgewählt wird, in welche die Signalquelle 20 gerade das Signal zur Wandleranordnung hin aussendet, und zwar 0° in 9a, +/– 90° in 9b und +/– 120° in 9c. Der optimale Signalempfang ist in den 9a, 9b, 9c durch weiße Bereiche gekennzeichnet. Wie weiter ersichtlich ist, nimmt die Empfindlichkeit des Systems wie durch die dunklen Bereiche angezeigt ab, wenn der veränderliche Filterparameter Di so abgestimmt wird, dass ein anderer Winkel für die Richtcharakteristik (Sichtrichtung) des Systems ausgewählt wird. 9 veranschaulicht die Empfindlichkeit des Systems in einem Bereich von 300 Hz bis 3400 Hz, was der Hauptbereich für ein Sprachsignal ist.
  • Die Erfindung ist nicht eingeschränkt durch die Art des Mediums oder die Umgebung, in welcher sich die von der Signalquelle ausgesandten Signale ausbreiten. Die einzige Einschränkung hinsichtlich des Mediums ist, dass die Ausbreitungsverzögerung und die Dämpfung zwischen zwei beliebigen Punkten vorhersagbar sein müssen. Folglich kann das der vorliegenden Erfindung entsprechende System für Signale eingesetzt werden, die sich z.B. in Luft oder Wasser ausbreiten.
  • Die Erfindung ist nicht auf Audio-Anwendungen in einem Fahrzeug beschränkt, obwohl Audio-Anwendungen für ein Freisprech-Umfeld in einem Auto eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bilden.

Claims (21)

  1. System zur Verarbeitung eines Signals, das von einer Objektsignalquelle (20) in eine verrauschte Umgebung ausgesandt wird, wobei die Objektsignalquelle (20) sich in einer Objektsignalquellenrichtung φs mit Bezug auf die Lage einer Wandleranordnung (10) befindet; wobei das System umfasst: die Wandleranordnung (10), die M Wandler zum Empfang des mit Rauschen gemischten Signals aufweist, wobei jeder Wandler ein jeweils zugehöriges Wandlerausgabesignal erzeugt; ein Strahlformer (30I, 30II) zum Empfang und zum Filtern der M Wandlerausgabesignale, um mindestens ein Ausgabesignal y'i(n), i = 1...N, zu erzeugen, wobei der Strahlformer (30I, 30II) einstellbare Filterkoeffizienten enthält, die eine vorgegebene Filtercharakteristik, z.B. eine gewünschte Sichtrichtung, bestimmen; ein Strahlformer-Strahlformsteuersystem (40), das ein Steuersignal Di(n) liefert, welches mindestens einen physikalisch relevanten Parameter der Objektsignalquelle (20), insbesondere die Objektsignalquellenrichtung φs, verkörpert; und ein Strahlformer-Filtercharakteristikeinstellmittel (30Ib, 30IIb), das in Reaktion auf das Steuersignal Di(n) so tätig wird, dass der Strahlformer (30I, 30II) eine vorgegebene Filtercharakteristik, z.B. für die Objektsignalquelle (20) in der Objektsignalquellenrichtung φs, aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die einstellbaren Filterkoeffizienten durch die folgende Gleichung gegeben sind:
    Figure 00350001
    wobei die at(j,k) feste Filterparameter sind, wobei Di ein Vektor von veränderlichen Filterparametern ist, die das Steuersignal Di(n) verkörpern, und wobei die Ft(Di) Funktionen der Di sind.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der veränderlichen Filterparameter kleiner als die Anzahl der festen Filterparameter ist.
  3. System nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vektor der der veränderlichen Filterparameter Di eine einzige Veränderliche ist, welche die Objektsignalquellenrichtung φs verkörpert.
  4. System nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vektor der veränderlichen Filterparameter Di ein Vektor ist, der multiple veränderliche Filterparameter enthält.
  5. System nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderlichen Filterparameter einen der Parameter Quellenrichtung, Quellenabstand, Rauschspektrum, Signalbandbreite, Signalspektrum, Strahlform, physikalische Eigenschaften des Mediums, Kamerasteuerung oder eine Kombination daraus enthalten.
  6. System nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionen Ft(Di) ein Taylor-Polynom
    Figure 00360001
    bilden.
  7. System nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionen Ft(Di) Tschebyscheff-Polynome Ft(Di) = cos(t arccos(Di))sind.
  8. System nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das System umfasst: einen Speicher (30Ic) zum Speichern der festen Filterparameter at(j, k); ein Filterkoeffizientenerzeugungsmittel (30Ib) als Strahlformer-Filtercharakteristikeinstellmittel zum Einstellen der Filterkoeffizienten gemäß der Gleichung
    Figure 00360002
    ein Signalverarbeitungsmittel (30Ia) zum Erzeugen eines Strahlformerausgabesignals y'i(n), i = 1...N, unter Verwendung der Gleichung
    Figure 00370001
  9. System nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlformer (30II) umfasst: mindestens zwei Filterbänke (30IIa-0...30IIa-T), von denen jede die M Wandlerausgabesignale empfängt und filtert, um ein Zwischensignal y''t(n), t=0...T, zu erzeugen; mindestens ein Nachfilter (30IIb-1...30IIb-N) als Strahlformer-Filtercharakteristikeinstellmittel zum Empfang der mindestens zwei Zwischensignale y''t(n), um das Strahlformerausgabesignal y'i(n), i = 1...N, in Reaktion auf das Steuersignal Di(n) zu erzeugen.
  10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der mindestens zwei Filterbänke (30IIa-0...30IIa-T) das Zwischensignal y''t(n) aus den Wandlerausgabesignalen xj(n-k) nach folgender Gleichung berechnet:
    Figure 00370002
    wobei die at(j,k) die vorgegebenen festen Filterparameter sind; und dass das Nachfilter (30IIb-i) das Strahlformerausgabesignal y'i(n) aus dem Zwischensignal y''t(n) nach der folgenden Gleichung berechnet:
    Figure 00380001
    wobei die Ft(Di) die Funktionen der Di sind.
  11. System nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (10-1...10-M) linear, 2-dimensional oder 3-dimensional in der Wandleranordnung (10) angeordnet sind.
  12. System nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (10-1...10-M) eine unidirektionale, bidirektionale oder eine kugelförmige Empfindlichkeitscharakteristik oder eine Kombination daraus aufweisen.
  13. System nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (10-1...10-M) in der Wandleranordnung (10) Mikrophone sind, die für den Empfang akustischer Signale geeignet sind.
  14. System nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandleranordnung (10) eine Antenne zum Empfang elektromagnetischer Signale ist.
  15. System nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandleranordung (10) eine Sonaranordnung ist.
  16. System nach einem der Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass das System mindestens einen Mischer (60) zum Empfang und zur Weiterverarbeitung von mindestens zwei der Strahlformerausgabesignale y'i(n) umfasst.
  17. System nach einem der Ansprüche 1–16, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Echolöscheinheit (82) zum Löschen von Echoeffekten im Ausgabesignal y'i(n) des Strahlformers umfasst.
  18. System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Echolöschsteuereinheit (81) zum Steuern der Echolöscheinheit in Reaktion auf das Steuersignal umfasst.
  19. System nach einem der Ansprüche 1–18, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Rauschlöscheinheit (82) zum Löschen des Rauschens im Ausgabesignal y'i(n) des Strahlformers umfasst.
  20. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Rauschlöschsteuereinheit (81) zum Steuern der Rauschlöscheinheit in Reaktion auf das Steuersignal umfasst.
  21. Verfahren zur Verarbeitung eines Signals, das von einer Objektsignalquelle (20) in eine verrauschte Umgebung ausgesandt wird, wobei die Objektsignalquelle (20) sich in einer Objektsignalquellenrichtung φs mit Bezug auf die Lage einer Wandleranordnung (10) befindet; wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Empfang des Signals durch die Wandleranordnung (10) und Erzeugen eines zugehörigen Wandlerausgabesignals; Filtern des Wandlerausgabesignals gemäß einstellbarer Filterkoeffizienten zum Erzeugen mindestens eines Strahlformerausgabesignals y'i(n), i = 1...N, wobei die Filterkoeffizienten eine gewünschte vorgegebene Filtercharakteristik, z.B. eine gewünschte Sichtrichtung, festlegen; Erkennen mindestens eines physikalisch relevanten Parameters, insbesondere der Objektsignalquellenrichtung φs, und Bereitstellen eines Steuersignals Di(n), das den physikalisch relevanten Parameter verkörpert; und Erzeugen der Filterkoeffizienten in Reaktion auf das Steuersignal Di(n), so dass der Strahlformer (30I, 30II) eine vorgegebene Filtercharakteristik, z.B. für die Objektsignalquelle (20) in der Objektsignalquellenrichtung φs, aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die einstellbaren Filterkoeffizienten durch die folgende Gleichung gegeben sind:
    Figure 00400001
    wobei die at(j,k) feste Filterparameter sind, wobei Di ein Vektor von veränderlichen Filterparametern ist, die das Steuersignal Di(n) verkörpern und wobei die Ft(Di) Funktionen der Di sind.
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