WO2007048682A1

WO2007048682A1 - Verfahren zum bestimmen einer übertragungsfunktion sowie eine vorrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: WO2007048682A1
Application number: PCT/EP2006/066994
Authority: WO
Inventors: Harry Bachmann
Original assignee: Anocsys Ag
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2006-10-03
Publication date: 2007-05-03
Also published as: EP1943640A1; US20090225998A1

Abstract

Eine unbekannte Übertragungsfunktion (H) wird geschätzt, die ein Eingangssignal (x) und ein tatsächliches Ausgangssignal (y) aufweist. Die Erfindung besteht darin, dass ein geschätztes Ausgangssignal (ŷ) unter Verwendung des Eingangssignals (x) mittels eines adaptiven Prozesses (2) erzeugt wird, dass ein Fehlersignal (e) aus dem tatsächlichen Ausgangssignal (y) und dem geschätzten Ausgangssignal (ŷ) erzeugt wird und dass der adaptive Prozess (2) aufgrund des Fehlersignals (e) verbessert wird, wobei in Abhängigkeit mindestens einer Bedingung mindestens einer der folgenden Signalpfade mit einem vordefinierten Signal beaufschlagt wird: ein das Fehlersignal (e) führender Signalpfad oder ein das geschätzte Ausgangssignal (ŷ) führender Signalpfad. Damit können adaptive Prozesse bzw. Algorithmen wesentlich optimiert werden. Ferner sind eine Anwendung des Verfahrens, eine Vorrichtung sowie eine Verwendung der Vorrichtung angegeben.

Description

Verfahren zum Bestimmen einer Übertragungsfunktion sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines adaptiven Algorithmus nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Anwendung des Verfahrens, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Verwendung der Vorrichtung.

Lärmquellen werden zunehmend als Umweltbelastung wahrgenommen und gelten als Verminderung der Lebensqualität. Da sich Lärmquellen häufig jedoch nicht vermeiden lassen, wurden bereits Verfahren zur Geräuschreduktion vorgeschlagen, die auf dem Prinzip der Wellenauslöschung basieren.

Das Prinzip der aktiven Geräuschreduktion (ANC oder "Active Noise Cancelling") beruht auf der Auslöschung von Schallwellen durch Interferenzen. Diese Interferenzen werden von einem oder mehreren elektro-akustischen Wandlern, beispielsweise von Lautsprechern, erzeugt. Das von den elektro-akustischen Wandlern abgestrahlte Signal wird mittels eines dazu geeigneten Algorithmus berechnet und laufend korrigiert. Als Grundlage für die Berechnung des von den elektro-akustischen Wandlern auszustrahlenden Signals dienen die von einem oder mehreren Sensoren gelieferten Informationen. Dies sind zum einen Informationen über die Beschaffenheit des zu minimierenden Signals. Hierzu kann zum Beispiel ein Mikrofon verwendet werden, welches das zu minimierende Geräusch erfasst. Zum anderen werden aber auch Informationen über das verbleibende Restsignal benötigt. Auch hierzu können Mikrophone verwendet werden.

Das bei aktiver Geräuschreduktion angewendete grundlegende Prinzip wurde von Dr. Paul Lueg in einer Patentschrift aus dem Jahr 1935 und der Offenlegungsnummer AT-141 998 B beschrieben. Durch diese Druckschrift ist offenbart, wie Lärm in einer Röhre mittels Erzeugung eines Signals mit entgegen gesetzter Phasenlage ausgelöscht werden kann.

Weiterentwicklungen führten zu einer Reihe von spezifischen Algorithmen, wie zum Beispiel der LMS (Least Mean Square) und verwandte Algorithmen wie der FxLMS oder der NLMS.

Ein Algorithmus zur aktiven Geräuschreduktion benötigt Informationen von mindestens einem Sensor (zum Beispiel ein Mikrophon) , welcher den Restfehler - im Folgenden auch etwa als Fehlersignal bezeichnet - ermittelt. Je nach Anwendung und verwendetem Algorithmus kommt ein weiterer Sensor dazu, der Informationen über die Beschaffenheit des zu minimierenden Signals liefert. Ferner benötigt ein adaptives Geräuschreduktionssystem einen oder mehrere Aktuatoren (zum Beispiel in der Form von Lautsprechern) zur Ausgabe des Korrektursignals. Die Informationen der Sensoren müssen von einem Analog/Digital-Wandler in ein entsprechendes Format umgewandelt werden. Nach der Bearbeitung durch den Algorithmus wird das Signal von einem Digital/Analog-Wandler zurückgewandelt und an die Aktuatoren übermittelt. Diese Wandler unterliegen Beschränkungen, sowohl bezüglich Auflösung als auch bezüglich Dynamik.

Viele Algorithmen, insbesondere die bekannten Gradientenverfahren, weisen bei unkorrelierten Eingangssignalen einige Instabilitäten auf. Zusammen mit den Einschränkungen der Wandler kann dies bei kleinen Eingangssignalen oder bei raschen Signalwechseln zu einem unkontrollierten Verhalten des Algorithmus führen. Dies kann sich in Form von tieffrequenten Geräuschen oder auch als generell instabiles Verhalten des Gesamtsystems äussern.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen einer Übertragungsfunktion anzugeben, das die vorstehenden Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, eine Anwendung des Verfahrens, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Verwendung der Vorrichtung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Ein Verfahren zur Optimierung eines adaptiven Algorithmus, mit Hilfe dessen eine unbekannte Übertragungsfunktion geschätzt wird, die ein Eingangssignal und ein tatsächliches Ausgangssignal aufweisen wird angegeben, wobei das Verfahren darin besteht, dass ein geschätztes Ausgangssignal unter Verwendung des Eingangssignals mittels eines adaptiven Prozesses erzeugt wird, dass ein Fehlersignal aus dem tatsächlichen Ausgangssignal und dem geschätzten Ausgangssignal erzeugt wird und dass der adaptive Prozess aufgrund des Fehlersignals verbessert wird. Erfindungsgemäss wird in Abhängigkeit mindestens einer Bedingung mindestens ein Signal in .einem der folgenden Signalpfade modifiziert:

- ein das Fehlersignal führender Signalpfad;

- ein das geschätzte Ausgangssignal führender Signalpfad.

Damit wird erstmals ein Verfahren geschaffen, das sich zum Optimieren von adaptiven Algorithmen besonders eignet, denn können doch mit dem erfindungsgemässen Verfahren insbesondere während der Anlauf- und der Auslaufphase eines aktiven Geräuschreduktionssystems nicht erwünschte Signale während einer definierten Zeitspanne aus dem adaptiven Prozess ferngehalten werden, womit das System insgesamt stabiler und robuster wird. Der Auslösezeitpunkt bzw. die erwähnte Bedingung wird mit einem Ein- oder Ausschalten des Gesamtsystems gesetzt.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Gewichtungsfunktion der auf das Fehlersignal und das geschätzte Ausgangssignal wirkenden Verarbeitungseinheit aus einer Anzahl vordefinierter Funktionen wählbar ist.

In einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Bedingung zur

Veränderung eines Signalpfades von dem in diesem Signalpfad geführten Signal abhängig ist.

Auch wenn sich das erfindungsgemässe Verfahren besonders zur aktiven Geräuschreduktion eignet, sind andere

Anwendungen keinesfalls ausgeschlossen. Im Gegenteil: Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich bei allen adaptiven Systemen vorzüglich zur Verbesserung der Stabilität und der Robustheit .

Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung, welche die folgenden Merkmale umfasst:

- eine adaptive Prozessoreinheit zur Bestimmung eines geschätzten Ausgangssignals, wobei der Prozessoreinheit ein Eingangssignal beaufschlagt ist,

- Mittel zum Bestimmen eines Fehlersignals aus einem tatsächlichen Ausgangssignal und dem geschätzten Ausgangssignal, wobei das Fehlersignal der adaptiven Prozessoreinheit zugeführt ist, und - eine Verarbeitungseinheit in mindestens einem der folgenden Signalpfade:

- ein das Fehlersignal führender Signalpfad;

- ein das geschätzte Ausgangssignal führender Signalpfad. Eine weitere Ausführungsvariante umfasst Mittel zum Festlegen der Gewichtungsfunktion der Verarbeitungseinheit aus einer Anzahl vordefinierter Gewichtungsfunktionen für das Fehlersignal und für das geschätzte Ausgangssignal.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Verarbeitungseinheit eine einstellbare Gewichtungsfunktion auf.

Die vorliegende Erfindung wird anhand von

Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen im Folgenden weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockdiagramm der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante, ebenfalls in schematischer Darstellung,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer in Fig. 2 verwendeten Verarbeitungseinheit,

Fig. 4 ein Signalverlauf zur Illustration einer möglichen Funktionsweise einer

Verarbeitungseinheit gemäss Fig. 3. und

Fig. 5 ein weiterer Signalverlauf zur Illustration einer möglichen Funktionsweise einer Verarbeitungseinheit gemäss Fig. 3. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Reduktion von Störgeräuschen. Es handelt sich um ein so genanntes adaptives Geräuschreduktionssystem (ANC - Adaptive Noise Canceller) , mit Hilfe dem ein Störgeräusch in einem Raum R unter Anwendung des Prinzips der Signalauslöschung eliminiert bzw. zumindest reduziert wird.

Zentrale Einheit eines solchen adaptiven

Geräuschreduktionssystems ist eine adaptive Prozessoreinheit 2, die mit einer externen Mikrophoneinheit

1 wirkverbunden ist, wobei der Zusatz "extern" auf eine ausserhalb des Raumes R angeordnete Mikrophoneinheit hinweist. Damit kann ein in der Regel ausserhalb des Raumes R vorhandene Störgeräuschquelle besser erfasst werden. Des Weiteren sind im Raum R zwei interne Mikrophoneinheiten 3 und zwei Lautsprechereinheiten 4 vorgesehen, die alle mit der adaptiven Prozessoreinheit 2 wirkverbunden sind. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist jeweils zwischen einer der

Mikrophoneinheiten 1, 3 und der adaptiven Prozessoreinheit

2 bzw. jeweils zwischen einer der Lautsprechereinheiten 4 und der adaptiven Prozessoreinheit 2 eine Verarbeitungseinheit 5, 6 vorgesehen, welche es ermöglicht, den jeweiligen Signalpfad zu modifizieren.

In der adaptiven Prozessoreinheit 2 wird nun aufgrund des mit der Mikrophoneinheit 1 aufgenommenen Signals ein Reduktionssignal über die Lautsprecher 4 in den Raum R eingespeist, so dass ein durch die Wände oder Fenster in den Raum R gelangendes Störsignal durch Signallöschung bzw. Signalreduktion im Raum R gelöscht bzw. reduziert wird. Damit dies unter sich ändernden Bedingungen mit Erfolg erreicht werden kann, wird mit Hilfe der Mikrophoneinheiten 3 ein Fehlersignal aufgenommen und an die adaptive

Prozessoreinheit 2 zurückgeführt, so dass in der adaptiven Prozessoreinheit 2 die Berechnungen des Reduktionssignals verbessert werden können und in der Folge eine Signallöschung bzw. Signalreduktion erreicht werden kann.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass eine beliebige Anzahl Mikrophoneinheiten 1, 3 und Lautsprechereinheiten 4 denkbar ist, ohne dass das erfindungsgemässe Prinzip verlassen wird. Auch sind anstelle der Mikrophoneinheiten 1, 3 und/oder der

Lautsprechereinheiten 4 andere Wandlereinheiten denkbar.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer vereinfachten Ausführungsvariante der Erfindung gemäss Fig. 1. Erfindungsgemäss können Signale in einzelnen oder mehreren Signalpfaden modifiziert werden. Hierfür ist - wie in Fig. 2 dargestellt - eine Verarbeitungseinheit 5, 6 vorgesehen, welche sowohl auf das geschätzte Ausgangssignal y als auch auf das Fehlersignal e über Multiplikatoreinheiten 12 und 16 einwirkt. Denkbar ist in einer weiteren Ausführungsform, dass für jedes zu modifizierende Signal, d.h. für jeden Signalpfad, eine Verarbeitungseinheit 5, 6 vorgesehen ist, wobei die Gewichtungsfunktionen, welche auf die Signale in den Signalpfaden angewendet werden, unterschiedlich sein können. Eine Gewichtungsfunktion, welche in der

Verarbeitungseinheit 5, 6 auf ein Signal des Signalpfades angewendet wird, modifiziert beispielsweise während dem Zeitintervall der Initialisierung des Gesamtsystems (d.h. beim bzw. unmittelbar nach dem Einschalten) oder während dem Zeitintervall nach der Unterbrechung bzw. dem Abschalten gemäss einer vordefinierten Funktion das Signal. Der Ausgang der adaptiven Prozessoreinheit 2 wird somit in der Multiplikatoreinheit 12 gemäss der Gewichtungsfunktion modifiziert. Das modifizierte Signal wird an eine LautSprechereinheit - wie dies wiederum anhand von Fig. 1 ersichtlich ist - weitergegeben.

In gleicher Weise wird - in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung - der Signalpfad einer Mikrophoneinheit modifiziert und anschliessend in einer Verarbeitungseinheit mit entsprechender Gewichtungsfunktion modifiziert. Das Resultat wird - wiederum mit Blick auf die Ausführungsvariante gemäss Fig. 1 - an die adaptive Prozessoreinheit 2 weitergegeben. Die adaptive Prozessoreinheit 2 erhält als Folge ein gemäss den vorgegebenen Gewichtungsfunktionen modifiziertes Fehlersignal e. Diese Ausführungsvariante macht insbesondere dann Sinn, wenn ein Störgeräusch gemäss einer vorgegebenen Gewichtungsfunktion in einem zeitlich festgelegten Intervall aktiv minimiert werden muss, um abrupte Signalwechsel zu vermeiden. Dies hat auch einen oft erwünschten Glättungseffekt bei raschen Signalwechseln zur Folge. Die erwähnte Ausführungsvariante trägt auch wesentlich zur Stabilität des Gesamtsystems bei, da diese raschen Übergänge ansonsten von den Sensoren - d.h. der Mikrophoneinheiten 3 - zur Erfassung der Restgeräusche miterfasst werden. Damit kann das adaptive Geräuschreduktionssystem insbesondere bei schwierig zu bearbeitenden Eingangssignalen optimal an die momentane Situation adaptieren.

Mithin verlieren allfällige Unzulänglichkeiten der bei digitalen Systemen benötigten Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandler oder anderer Komponenten an Einfluss .

Der in Fig. 2 dargestellten Verarbeitungseinheit 5, 6 wird ein Eingangssignal beaufschlagt, das über eine Schalteinheit 18 geführt ist. Bei der Schalteinheit 18 handelt es sich beispielsweise um einen Hauptschalter, über den die Stromversorgung zum Gesamtsystem ein- bzw. ausgeschaltet werden kann. Eine Schaltzustandsänderung der Schalteinheit 18 dient dabei als Auslösezeitpunkt für eine Gewichtungsfunktion. So wird ab dem Zeitpunkt einer Schaltzustandsänderung die Gewichtung in Funktion der Zeit gemäss einer vordefinierten Funktion geändert. Anhand der Fig. 3 bis 5 werden verschiedene Gewichtungsfunktionen und deren Anwendung näher erläutert.

Fig. 3 zeigt eine der Verarbeitungseinheiten 5, β, der ein Eingangssignal 13 zugeführt wird, das in Abhängigkeit von einer Zustandsänderung eine vorgegebene Veränderung einer Gewichtungsfunktion auslöst. In der Verarbeitungseinheit 5, 6 wird ein Äusgangssignal 14 erzeugt, das sich beispielsweise aus dem Verlauf der Gewichtungsfunktion gemäss Fig. 4 oder Fig. 5 ergibt. Dabei kann eine beliebige Gewichtungsfunktion verwendet werden, insbesondere eine ansteigende Rampenfunktion 19 gemäss Fig. 4 oder eine fallende Rampenfunktion 15 gemäss Fig. 5, ein konstanter Wert, ein exponentieller Anstieg/Abstieg oder eine Kombination davon. In der in Fig. 4 dargestellten Graphik ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate das Ausgangssignal 14 dargestellt. Aus dem dargestellten Verlauf lässt sich insbesondere Folgendes ableiten: Das Ausgangssignal 14 erreicht den auf den Wert 1 (100%) normierten Wert gemäss der vorgegebenen Rampenfunktion 15 nach einer Zeit T.

Fig. 5 zeigt eine fallende Rampenfunktion, wobei die Funktion im Intervall 17 den Wert 0 (0%) hat, was sich ferner auf ein günstiges Stabilitätsverhalten auswirkt.

Während sich die Gewichtungsfunktion gemäss Fig. 4 für den Initialisierungsvorgang eignet, lässt sich die Gewichtungsfunktion gemäss Fig. 5 vorzüglich während dem Abschaltvorgang verwenden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung einer unbekannten Übertragungsfunktion (H) eines Raumes (R) , der ein

Eingangssignal (x) und ein tatsächliches Ausgangssignal (y) aufweist, wobei das Verfahren darin besteht,

- dass ein geschätztes Ausgangssignal (y) unter Verwendung des Eingangssignals (x) mittels eines adaptiven Prozesses (2) erzeugt wird,

- dass ein Fehlersignal (e) aus dem tatsächlichen Ausgangssignal (y) und dem geschätzten Ausgangssignal

(y) erzeugt wird und

- dass der adaptive Prozess (2) aufgrund des Fehlersignals (e) verbessert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit mindestens einer Bedingung mindestens ein Signal in einem der folgenden Signalpfade modifiziert wird:

- ein das Fehlersignal (e) führender Signalpfad; - ein das geschätzte Ausgangssignal (y) führender

Signalpfad.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung zur Veränderung eines Signalpfades von dem in diesem Signalpfad geführten Signal (x, e, y) abhängig ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass Signale von mehreren Signalpfaden gleichzeitig modifiziert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation eines Signals nach einer vorgegebenen Gewichtungsfunktion erfolgt.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur aktiven Geräuschreduktion in einem Raum (R) .

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch - eine adaptive Prozessoreinheit (2) zur Bestimmung eines geschätzten Ausgangssignals (y) , wobei der Prozessoreinheit (2) ein Eingangssignal (x) beaufschlagt ist,

- Mittel (11) zum Bestimmen eines Fehlersignals (e) aus einem tatsächlichen Ausgangssignal (y) und dem geschätzten Ausgangssignal (y) , wobei das Fehlersignal (e) der adaptiven Prozessoreinheit (2) zugeführt ist, und

- eine Verarbeitungseinheit (5, 6) in mindestens einem der folgenden Signalpfade:

- ein das Fehlersignal (e) führender Signalpfad;

- ein das geschätzte Ausgangssignal (y) führender

Signalpfad.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Bestimmen eines Pegels oder einer mittleren Leistung eines Signals (x, e, y) vorgesehen sind, wobei diese Mittel mit mindestens einer Verarbeitungseinheit (5, 6) wirkverbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bestimmen eines Pegels oder einer mittleren Leistung eines Signals (x, e, y) in einem Signalpfad mit der Schalteinheit (5, 6) im gleichen Signalpfad wirkverbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schalteinheiten (5, 6) gleichzeitig aktivierbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (5, 6) eine vordefinierte Gewichtungsfunktion aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheiten (5, 6) miteinander wirkverbunden sind.

12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 zur aktiven Geräuschreduktion in einem Raum (R) .