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Simulation und Aufbau eines akustischen Echokompensators mit Hilfe eines DSP-Boards und Optimierung eines adaptiven Filteralgorithmus

Bild 1): Akustische Echokompenstion als Blockdiagramm
Bild 2): Echokompensator mit Whitening Filter

Immer häufiger werden Fahrzeuge mit Freisprecheinrichtungen ausgerüstet.  Hierbei tritt jedoch eine Rückkopplung über den akustischen Pfad zwischen Lautsprecher und Mikrofon auf, die zu störenden Echos und instabilem Verhalten führen kann. Eine elegante Möglichkeit diese Echos zu unterdrücken, besteht in dem Einsatz von adaptiven Digitalfiltern, wie im Blockdiagramm in Bild 1 dargestellt ist.
Im Rahmen des Projektes wurden zunächst entsprechende Simulationsmodelle auf der Basis des Software-Tools MATLAB erstellt und detaillierte Untersuchungen durchgeführt. Mit Hilfe der erstellten Simulationsmodelle sollten Aussagen zum Einschwingverhalten, zum Tracking-Verhalten sowie zum erforderlichen Realisierungsaufwand gemacht werden.
In einem zweiten Schritt wurden dann auch Messungen in Echtzeit mit einem Hardware-Aufbau durchgeführt. Hierzu wurde mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors und geeigneten Interfaces eine Freisprecheinrichtung mit akustischer Echokompensation realisiert. Mit dem System konnten dann messtechnische Untersuchungen hinsichtlich der erreichbaren Echodämpfung, der maximal möglichen Filtergröße und der Stabilitätseigenschaften durchgeführt werden.
Insbesondere wurde untersucht, inwieweit gegenüber dem klassischen NLMS-Algorithmus Verbesserungen hinsichtlich des Realisierungsaufwands und der Performance erreicht werden können. Ein Ansatz hierzu war die blockweise Aktualisierung der Filterkoeffizienten, die zu einer deutlichen Reduzierung des Rechenaufwands führte.
Das Blockdiagramm des entwickelten Algorithmus ist in Bild 2 dargestellt. Durch eine zusätzliche Vorfilterung der Signale mit Hilfe von „Whitening-Filtern“ (fest und adaptiv) konnte das Einschwingverhalten bei spektral gefärbten Eingangssignalen deutlich verbessert werden.

Bild 3: Simulationsergebnis mit Prewhitning Filter 3. Ordnung
Bild 4: Gemessene Echodämpfung

Um das Nutzsignal durch das „Whitening-Filter“ nicht zu verfälschen, wurde das adaptive Filter als Schattenfilter realisiert, das permanent aktualisiert wird. Die Weitergabe der Filterkoeffizienten an das eigentliche Filter im Signalpfad erfolgte nur, falls tatsächlich eine Verbesserung der Echodämpfung erreicht werden konnte. Durch diese Maßnahmen konnte eine deutliche Steigerung der Gesamtperformance erreicht werden.
Bild 3 zeigt das mit einem Simulationsmodell ermittelte Fehlersignal für ein männliches Sprachsignal am Eingang. In Bild 4 sind die gemessenen Kurven der Echodämpfung wiedergegeben, die mit und ohne „Whitening“ ermittelt wurden.

 

 

 

- Fahrspurerkennung (LDW Lane Departure Warning)
- Fahrlichtassistent (Headlight Control)
- Fahrzeugkommunikation (Car-to-Car Communication)

Kamerasystem zur Erkennung von bewegten Objekten
Detailansicht

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Der zunehmende Einsatz vielfältiger Funksysteme auf begrenztem Raum innerhalb von Fahrzeugen kann neben den Vorzügen, die das einzelne Systems bieten soll, auch negative Begleiterscheinungen durch Störbeeinflussungen mit sich bringen, wenn nicht bereits in der Konzeptphase die Problematik der elektromagnetischen Verträglichkeit sorgfältig beachtet wird.
Viele Autofahrer kennen den Effekt, dass ein Mobiltelefon beim Einschalten charakteristische Geräuschmuster über die Lautsprecher abgeben kann, obwohl die Verarbeitung von Mobilfunksignalen durch das Autoradio gar nicht vorgesehen ist. Derartige durch das Zusammenwirken von hohen Feldstärken, antennenähnlichen Strukturen und nicht linearen Schaltungseigenschaften bedingte elektromagnetische Inkompatibilitäten sind in dem genannten Beispiel harmlos, bei sicherheitsrelevanten Funktionen aber unbedingt zu vermeiden.
Die Richtlinie 2004/108/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 15. Dezember 2004 definiert den Ausdruck "elektromagnetische Verträglichkeit" als "die Fähigkeit eines Betriebsmittels, in seiner elektromagnetischen Umgebung zufrieden stellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für andere Betriebsmittel in derselben Umgebung unannehmbar wären".

Ein weiterer Aspekt, der ausschließlich durch feldtheoretische Verfahren behandelt werden kann, ist die Begrenzung der Exposition der Fahrzeuginsassen, wobei die Exposition über die im menschlichen Körper durch die Funkfelder erzeugten spezifischen Absorptionsraten definiert wird. In einem umfangreichen Forschungsprojekt des Lehrstuhls für Theoretische Elektrotechnik zur Wirkung verschiedener körpernah betriebener Endgeräte auf den Nutzer wurde zwar belegt, dass eine typische Einzelquelle, beispielsweise ein W-LAN-Sender in einer Büro- oder Haushaltsumgebung, keinen nennenswerten Prozentsatz der derzeit in einschlägigen Empfehlungen, Normen und Verordnungen festgelegten maximal zulässigen Expositionswerte ausschöpft. Diese Situation kann sich aber signifikant verändern in dem elektromagnetisch nahezu geschlossenen Innenraum eines Fahrzeugs, in dem durch den simultanen Einsatz vieler Funksysteme auch noch eine entsprechende multiple Exposition der Insassen stattfindet.