Kolloquium - Details zum Vortrag

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Master-Vortrag: Numerische Optimierung rekursiver Filter für aktive akustische Equalisierung

Florian Hilgemann
Dienstag, 6. April 2021
10:00 Uhr
virtueller Konferenzraum

Aktive Störgeräuschunterdrückung (ANC) ist eine auf dem schnell wachsenden Markt für Hörsysteme von Kunden häufig nachgefragte Funktion und hat in der Vergangenheit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Trotz jüngster Fortschritte im Bereich der digitalen Signalprozessoren (DSPs) werden ANC-Systeme zwangs hoher Anforderungen an Gehäusegröße und Stromverbrauch zusammen mit der Notwendigkeit hoher Abtastraten häufig mittels zeitinvarianten Digitalfiltern realisiert. In diesem Fall bieten Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter) eine attraktive Option für die Implementierung, da sie eine geringere Anzahl an Multiplizierern als Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter) benötigen um eine Impulsantwort mit einer bestimmten Länge zu modellieren. Leider liefern herkömmliche Methoden für den Entwurf zeitinvarianter ANC-Filter entweder ein FIR-Filter oder erfordern andere Formen der Nachbearbeitung. Dies kann das Systemverhalten nachteilig beeinflussen und im Falle von Feedback ANC kann die Stabilität des Systems nicht ohne weiteres garantiert werden.

Um die Notwendigkeit der Nachbearbeitung zu überwinden wird in dieser Arbeit ein alternativer Ansatz für den Entwurf von IIR-Filtern für Feedforward und Feedback ANC untersucht, welcher auf iterativen Optimierungsalgorithmen basiert. Dies führt unweigerlich zu nichtkonvexen Optimierungsproblemen, deren globales Optimum nicht ohne weiteres gefunden werden kann. Es wird jedoch gezeigt, dass der Ansatz trotz dieser Einschränkung eine praktikable Option darstellt. Eine wesentliche Neuerung des erarbeiteten Konzepts ist ein modularer Ansatz, der eine präzise Formulierung des Optimierungsziels unter Nebenbedingungen sowie eine flexible Anpassung an geänderte Anforderungen ermöglicht. Der Ansatz wird sowohl durch Simulationen als auch durch eine Echtzeitmessung mit einem Kunstkopf verifiziert. Weiterhin werden die Ergebnisse in Bezug zu einem theoretischen Optimum gesetzt, welches als Abschätzung für die mit einem zeitinvarianten Filter erzielbare Funktionsfähigkeit dient. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die resultierenden IIR-Filter gleich gut oder in vielen Fällen sogar besser als konventionelle Methoden abschneiden. Damit stellt der erarbeitete Ansatz einen wesentlichen Schritt in Richtung optimaler Funktionsfähigkeit dar.

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