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Master-Vortrag: Aktive Störgeräuschunterdrückung in Kopfhörern und Hörgeräten: Realisierungsaspekte und Algorithmen für ein mobiles Echtzeitsystem

Lars Thieling
Dienstag, 8. Mai 2018
14:00 Uhr
Hörsaal 4G

Lärm kann sowohl physische als auch psychische negative Auswirkungen auf die Gesundheit des Menschen haben. Zur Minderung dieser negativen Auswirkungen hat die aktive Störgeräuschunterdrückung (ANC) in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen und ist Gegenstand intensiver Forschungen. Am IKS werden die für die Forschung notwendigen Echtzeit-Tests bislang auf einem dSPACE-System durchgeführt. Dieses System ist aufgrund seiner Größe und seines Energieverbrauchs weit von einer mobilen Lösung entfernt. Schwerpunkt der Forschungen ist ANC für Kopfhörer und Hörgeräte. Für diesen Anwendungsfall ist die Mobilität des ANC-Systems essentiell.

In dieser Arbeit wird daher ein mobiles Echtzeitsystem entwickelt. Zunächst werden dazu die Ergebnisse einer umfassenden Recherche bezüglich geeigneter Realisierungsplattformen präsentiert und die beste Plattform (ADAU1777) ausgewählt. Entscheidend für die Implementierung existierender ANC-Algorithmen ist die Wahl geeigneter Filterstrukturen. Deshalb werden relevante Filterstrukturen sowie Verfahren zur Konvertierung zwischen diesen vorgestellt. Die Eignung möglicher Filterstrukturen für die Implementierung auf eine gegebene Hardware ist vorzugsweise durch Simulationen zu bestimmen. Hierzu wird eine MATLAB-Toolbox entwickelt, welche die Simulation von Echtzeitsystemen für verschiedene Randbedingungen (Filterstruktur, Rechengenauigkeit, Abtastrate, Verzögerungszeiten der Signalverarbeitung) ermöglicht. Die mit dieser Simulationstoolbox ermittelten Untersuchungsergebnisse werden diskutiert und bewertet. Unter Berücksichtigung der Simulationsergebnisse werden gegebene Reglerrealisierungen geeignet konvertiert und auf der ausgewählten Realisierungsplattform implementiert. Das entwickelte Echtzeitsystem wird umfangreichen Messungen unterzogen. Ein Vergleich der dabei erhaltenen Messergebnisse mit simulativ ermittelten Messergebnissen zeigt einen hohen Grad an Übereinstimmung und bestätigt somit die Korrektheit der Implementierung des Echtzeitsystems, aller erarbeiteten Algorithmen und der Simulationstoolbox.
Ausgehend von diesem Status wird das Echtzeitsystem im Hinblick auf eine adaptive Steuerung der Filterkoeffizienten ausgebaut. Hierzu wird das Hardware-Konzept um einen digitalen Signal-Prozessor (ADSP-SC584) erweitert, welcher mit dem ADAU1777 über serielle Schnittstellen (I2C, I2S) bezüglich Parameter und Audiodaten kommuniziert. Zur Kapselung der dafür benötigten Funktionalität wird eine entsprechende API entwickelt, die eine komfortable Implementierung von Adaptionsalgorithmen auf der neuen Hardware-Plattform ermöglicht. Somit stellt das entwickelte System (Hardware und Software) nicht nur eine mobile Anwendungsplattform dar, sondern kann auch voll umfänglich für die Forschung neuer ANC-Algorithmen verwendet werden.

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