Beamforming mit Mikrofonarrays Markus Kasemann Beamforming mit Mikrofonarrays • Beamforming - Was ist das? Wie funktioniert das? Was kann man damit machen? Copyright 2015 by InfoComm International® Beamforming – was ist das? • Beamforming – Der Begriff • “Strahl”: – räumliche Selektivität – ein Ziel kann genau anvisiert werden – es wird etwas generiert, dass an den Zielort transportiert wird • „Formung“: – die Zielortverteilung kann genau bestimmt werden Copyright 2015 by InfoComm International® Beamforming – was ist das? • Beamforming – Der Begriff • “Strahl”: – räumliche Selektivität – ein Ziel kann genau anvisiert werden – es wird etwas generiert, dass an den Zielort transportiert wird • „Formung“: – die Zielortverteilung kann genau bestimmt werden Copyright 2015 by InfoComm International® Beamforming – was ist das? • Beamforming – Wortgebrauch • Von Beamforming wird gesprochen, wenn durch Verschaltung mehrerer Sensoren (Antennen, Mikrofone, etc…) oder Aktoren (Antennen, Lautsprecher) das räumliche Abstrahl- oder Aufnahmeverhalten der Anordnung beeinflusst wird. • BSP: Radarantenne, Lautsprecher-Line-Array, Revoluto Copyright 2015 by InfoComm International® Beamforming – was ist das? • Beamforming – Wortgebrauch • Für Mikrofonarrays ist der Begriff irreführend, da gar kein Strahl erzeugt wird. – (Analogie: Kamera kann auch nicht schießen) • Der Begriff hat sich aber durchgesetzt und ist ja auch schön griffig. Copyright 2015 by InfoComm International® Beamforming – was ist das? • Beamforming vs. Beamsteering • • • Beamforming bezeichnet alle Arten der Strahlformung – fest oder adaptiv. Beamsteering bedeutet „Veränderliches Beamforming“ ERGO: Beamsteering ist immer Beamforming, Beamforming aber nicht immer Beamsteering. Copyright 2015 by InfoComm International® Beamforming mit Mikrofonarrays • Beamforming - Was ist das? Wie funktioniert das? Was kann man damit machen? Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Wir konzentrieren uns auf Mikrofonarrays – Prinzipien meist invertierbar – Mikrofone einfacher, da annähernd punktförmig • Technische Grundbausteine – Additive Arrays – Subtractive Arrays Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays – Das Signal zweier Mikrofonkapseln wird addiert Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays • Signale aus der Nutzrichtung werden verstärkt. – Frequenzunabhängiges Verhalten – Verdopplung der Mikrofonanzahl: 3dB SNR Gewinn Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays • Signale aus der Rückwärtsrichtung werden ebenfalls verstärkt. – Kugelkapseln vorausgesetzt Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays • Seitlich einfallende Signale werden ebenfalls verstärkt… Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays • • Seitlich einfallende Signale werden ebenfalls verstärkt… … oder auch nicht. Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays • Dito für schräg einfallende Signale Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays • Aus Nutzrichtung: – linearer Frequenzgang – SNR Gewinn • Rückwärtsunterdrückung – Keine Verbesserung durch Arraybildung • Seitenunterdrückung: – Abhängig von Frequenz und Mikrofonabstand Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Ein Beispiel: • Abstand der Mikrofone: 10cm • Frequenz: 100Hz • Wellenlänge: 343cm 10 cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Ein Beispiel: • Abstand der Mikrofone: 10cm • Frequenz: 500Hz • Wellenlänge: 69cm 10 cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Ein Beispiel: • Abstand der Mikrofone: 10cm • Frequenz: 1000Hz • Wellenlänge: 34cm 10 cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Ein Beispiel: • Abstand der Mikrofone: 10cm • Frequenz: 1500Hz • Wellenlänge: 23cm 10 cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Ein Beispiel: • Abstand der Mikrofone: 10cm • Frequenz: 1700Hz • Wellenlänge: 20cm 10 cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Ein Beispiel: • Abstand der Mikrofone: 10cm • Frequenz: 2000Hz • Wellenlänge: 17cm 10 cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Ein Beispiel: • Abstand der Mikrofone: 10cm • Frequenz: 2000Hz • Wellenlänge: 17cm 10 cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Ein Beispiel: • Abstand der Mikrofone: 10cm • Frequenz: 2500Hz • Wellenlänge: 14cm 10 cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Ein Beispiel: • Abstand der Mikrofone: 10cm • Frequenz: 3430Hz • Wellenlänge: 10cm 10 cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Ein Beispiel: • Abstand der Mikrofone: 10cm • Frequenz: 5415Hz • Wellenlänge: 6cm 10 cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Kompromisse: • Gute Richtwirkung für tiefe Frequenzen: – Mikrofone so weit wie möglich auseinander • Keine Sidelobes bei höheren Frequenzen: – Mikrofone so nah wie möglich zusammen Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Nahbesprechung: • Nutzrichtung: – unverändert • Seiteinfall: – ‚näheres‘ Mikrofon lauter als andere – Arraywirkung nimmt ab Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Additive Arrays - Zusammenfassung: • SNR Gewinn • Frequenzabhängige Richtwirkung – Off-Axis Verfärbung • Richtwirkung bei tiefen Frequenzen nur mit großen Arrays • Richtwirkung „nur 2D“ • Kein ausgeprägter Nahbesprechungseffekt Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Subtractive Arrays (Superdirective / Dipol) • Das Signal zweier Mikrofonkapseln wird subtrahiert Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays • Signale aus der Nutzrichtung: – Tiefe Frequenzen werden gedämpft. – Hohe Frequenzen werden verstärkt – ‚Zu Hohe‘ Frequenzen werden wieder gedämpft – Usw. Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays • Signale aus der Nutzrichtung: – D = 2cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays • Signale aus der Nutzrichtung: – D = 10cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays • Signale von der Seite: – werden frequenzunabhängig unterdrückt • Signale von Hinten: – Gleich wie vorne jedoch Phasenverkehrt Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays • Aus Nutzrichtung: – Tiefenabfall – SNR Verlust • Rückwärtsunterdrückung – Keine Verbesserung durch Arraybildung • Seitenunterdrückung: – Frequenzunabhängig Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays • Richtwirkung: – D = 2cm @ 100Hz Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays • Richtwirkung: – D = 2cm @ 1000Hz Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays • Richtwirkung: – D = 2cm @ 10000Hz Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays • Richtwirkung: – D = 2cm @ 19000Hz Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays - Kompromisse • Gutes SNR für tiefe Frequenzen: – Mikrofone so weit wie möglich auseinander • Nutzbarkeit bei hohen Frequenzen: – Mikrofone so nah wie möglich zusammen Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays - Nahbesprechung • Nutzrichtung: – ‚näheres‘ Mikrofon lauter – Kein Dipol mehr -> mehr Bässe als Dipol – „Nahbesprechungseffekt“ • Seiteinfall: – Keine Veränderung Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays – 3D Richtwirkung Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays – Zusammenfassung • Frequenzunabhängige Richtwirkung – Keine Off-Axis Verfärbung • Gute Richtwirkung bei tiefen Frequenzen • „3D“ Richtwirkung • SNR Verlust bei tiefen Frequenzen • Nahbesprechungseffekt – Starke Änderung des Frequenzgangs bei Nahbesprechung Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays – Sonderfälle • Mechanische Umsetzung: – Membranresonanz führt zu rauschfreier Verstärkung! = Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays – Sonderfälle • Niere – Signale verzögern und abziehen: Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays – Sonderfälle • Niere – Signale verzögern und abziehen • ΔT ist die Schalllaufzeit zwischen den Mikrofonen ΔT = Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays – Sonderfälle - Niere • Nutzrichtung: – Delay verdoppelt Mikrofonabstand • Mehr Pegel (6dB) • Niedrigere Grenzfrequenz ΔT • Seite: – Keine Auslöschung, sondern -6dB • Hinten: – Mikros sind durch Delay ‚am gleichen Ort‘ • Auslöschung Copyright 2015 2011 by InfoComm International® = Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays – Sonderfälle - Niere • Signale aus der Nutzrichtung: – D = 2cm – Acht vs Niere ΔT = Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays – Sonderfälle - Niere • Signale aus der Nutzrichtung: – D = 2cm – 1000Hz ΔT = Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Superdirective Arrays – Sonderfälle - Niere • ΔT ungleich Schalllaufzeit ergibt andere Richtwirkungen. Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Grundbausteine - Gegenüberstellung Additive Superdirective Richtwirkung Frequenzabhängig Frequenzunabhängig SNR Verbesserung Verschlechterung Nahbesprechung Richtwirkung anders Frequenzgang anders Großer Mikroabstand Starke Richtwirkung, aber Gutes SNR, aber Sidelobes ‘Frontlobes’ Kleiner Mikroabstand Schwache Richtwirkung, keine Sidelobes Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Schlechtes SNR, aber hohe Grenzfrequenz Beamforming – wie funktioniert das? • Grundbausteine – Prinzipielles • Gute Richtwirkung für tiefe Frequenzen geht durch – Größe oder – Rauschen • Vielleicht haben sie Beamforming schon öfter als relativ einfache straight-forward Technik gehört. – Grund vielleicht: Bei HF ist die Theorie viel einfacher, dafür die praktische Umsetzung schwieriger. (WLAN 12-12,5cm) – Audio 50Hz-12,8kHz: 8 Oktaven (6,8m – 2,7cm) Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Mehr Kapseln, Beamsteering, etc… Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Mehr Kapseln – Beispiel: 5 Nieren – 14cm – linear verteilt Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Mehr Kapseln – Beispiel: 5 Nieren – 14cm – linear verteilt – 1000, 2000, 4000, 8000Hz Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Mehr Kapseln – Beispiel: 5 Nieren – 14cm – linear verteilt – 1000, 2000, 4000, 8000Hz – Gesamtbreite bestimmt Seitenunterdrückung – Keiner Mikroabstand innen dämpft Sidelobes Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Mehr Kapseln – Beispiel: 5 Nieren – 14cm – linear verteilt – 1000, 2000, 4000, 8000Hz – VORSICHT: • Hohe Frequenzen zu stark gebündelt! • Extreme Färbung Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Mehr Kapseln – Wie müsste es sein? – Beispiel: 5 Kapseln – 12cm Array – 2300Hz 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Mehr Kapseln – – – – Wie müsste es sein? Beispiel: 5 Kapseln – 12cm Array 500Hz Superdirective - Rauschen 13.9 -7.2 -8.7 -7.2 13.9 Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Mehr Kapseln – – – – Wie müsste es sein? Beispiel: 5 Kapseln – 12cm Array 8200Hz Array verkleinert – etwas mehr Rauschen 0.0 1.3 2.4 1.3 0.0 Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Beamsteering – Idee: • Durch Verzögern der Einzelkapseln das Array virtuell drehen • Dadurch entsteht ein neuer 0° Winkel Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Beamsteering – Idee: • Durch Verzögern der Einzelkapseln das Array virtuell drehen • Dadurch entsteht ein neuer 0° Winkel 1s 1s+d1 Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Beamsteering – Idee: • Durch Verzögern der Einzelkapseln das Array virtuell drehen • Dadurch entsteht ein neuer 0° Winkel • VORSICHT: Delays stimmen nur für EINEN Winkel! 1s 1s+d1 Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Beamsteering Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Erweiterungsmöglichkeiten – Beamsteering – ERGO: • Bei Beamsteering ist Vorsicht geboten • Es funktioniert, aber nur in Grenzen • Symmetrische Anordnungen bevorzugt Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – wie funktioniert das? • Ein konkretes Mikrofonarray – Beyerdynamic RM31Q Design: • 5 Nierenkapseln • gleichmäßiger Frequenzgang im vorderen Einsprechbereich. • niedriges Rauschen im gut hörbaren Frequenzbereich. Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming mit Mikrofonarrays • Beamforming - Was ist das? Wie funktioniert das? Was kann man damit machen? Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • Beamforming – was kann man damit machen? – Prinzipiell alles, also nähern wir uns der Frage nach einzelnen Teilaspekten. • SNR • Richtwirkung Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • SNR – Kann ich jetzt weiter weggehen? Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • SNR – Kann ich jetzt weiter weggehen? – Ja und Nein • Ist ein Array additiv und ordentlich gemacht, dann hat es gegenüber einer einzelnen Mikrokapsel ein besseres SNR. Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • SNR – Kann ich jetzt weiter weggehen? – Ja und Nein • Ist ein Array additiv und ordentlich gemacht, dann hat es gegenüber einer einzelnen Mikrokapsel ein besseres SNR. • Faustregel: – Kapselzahl vervierfacht -> SNR 6dB besser -> doppelter Abstand möglich • ABER: Nicht immer alle Kapseln aktiv Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • SNR – Kann ich jetzt weiter weggehen? – Ja • aber keine Wunder erwarten! – Technikersicht: • Wenn ein Kunde das Mikrofon gerne weit weg stellen möchte, dann ist das mit einem Array weniger schlimm. Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • SNR – Kann ich jetzt weiter weggehen? – VORSICHT: • Das gilt für additive Arrays – Subtraktive Arrays sind im SNR eher schlechter als eine Einzelkapsel. Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • Richtwirkung – Wie eng geht das denn jetzt? Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • Richtwirkung – Wie eng geht das denn jetzt? – Akustische Kamera mit 1-2m Ausmaß und schlechter Audioqualität kann sehr sehr eng (Auflösung im cm Bereich) • aber: Riesig und darf ein bisschen rauschen – Wie eng ist gut? • Zu enge Mikrofonie schränkt eher ein als zu helfen. Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • Richtwirkung – Wie eng geht das denn jetzt? – Generell: • Breitbandige Richtwirkung braucht eine gewisse Größe • hier ca. 18cm Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • Richtwirkung – Wie eng geht das denn jetzt? – Generell: • Halbierung der Größe: Effekt setzt eine Oktave höher ein… • Kleines Array kann also sehr Effektvoll klingen, weil die Höhen auch hier sehr stark gerichtet werden können Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • Richtwirkung – Kann ich jetzt weiter weg? – – Diffus- und Direktschallverhältnis Feedback Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • Richtwirkung – Kann ich jetzt weiter weg? – Ja: • • Durch Verengung der Richtcharakteristik wird weniger Raumanteil aufgenommen Feedbackgefahr wird verringert Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • Richtwirkung – Kann ich jetzt weiter weg? – ABER: • Bei RM31Q Richtwirkung nur vertikal, horizontal Niere – Vorteil: » Seitlich ist mehr Bewegungsfreiheit » Zwei Sprecher, ein Mikrofon • • Reflexionen/Feedback von Decke und Boden minimiert Seitlich aber nicht. Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • Richtwirkung – Kann ich jetzt weiter weg? – Technikersicht: • Wenn ein Kunde das Mikrofon gerne weit weg stellen möchte, dann ist das mit einem Array weniger schlimm. Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • Richtwirkung – Kann ich den Beam schwenken? Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming – was kann das? • Richtwirkung – Kann ich den Beam schwenken? – Hängt natürlich vom konkreten Array ab – Die Technologie erlaubt es – Faustregel: • Die Geometrie des Arrays gibt die Schwenkbarkeit vor – Rotationssymmetrisch (Kreis o.ä.): Gut schwenkbar – Stark gerichtet (Linie o.ä.): Gering schwenkbar Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming mit Mikrofonarrays • Beamforming - Was ist das? Wie funktioniert das? Was kann man damit machen? Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming mit Mikrofonarrays • Beamforming – Fazit Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming mit Mikrofonarrays • Beamforming – Fazit • In einer Welt von Technikern… – … bekommt jeder Redner sein eigenes Mikrofon – … dass er mit den Lippen berührt – … um dann laut und deutlich hineinzusprechen • Das ergibt ein rauscharmes, trockenes, feedbackfreies Signal – Herrlich! Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming mit Mikrofonarrays • Beamforming – Fazit • In einer Welt von Technikern… – … bekommt jeder Redner sein eigenes Mikrofon – … dass er mit den Lippen berührt – … um dann laut und deutlich hineinzusprechen • Das ergibt ein rauscharmes, trockenes, feedbackfreies Signal – Herrlich! Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming mit Mikrofonarrays • Beamforming – Fazit • In der Welt der Kunden wollen aber manche – … nicht durch das Mikrofon eingeschränkt werden – … das Mikrofon aus dem Sichtfeld haben – … die Hände frei haben Copyright 2015 2011 by InfoComm International® Beamforming mit Mikrofonarrays • Beamforming – Fazit • Mikrofonarrays können dabei helfen! • Mit Verstand eingesetzt minimieren sie die dabei entstehenden Probleme. Copyright 2015 2011 by InfoComm International®
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