Abschlussarbeit

Hardwarenahe Mikrofonentzerrung für Arrayanwendungen

Masterarbeit von Maintz, Thomas

Die Untersuchung eines Schallfeldes mit einem Array von Empfängern lässt bei Berücksichtigung ihrer Anordnung und Richtcharakteristika aufschlussreiche Erkenntnisse über die direktionalen Eigenschaften des gemessenen Feldes zu. Um eine hohe räumliche Auflösung zu erhalten, werden viele Mikrofone benötigt. Aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit werden Micro-Electro-Mechanical-System-(MEMS)-Mikrofone mit nicht ideal glattem Frequenz- und Phasengang eingesetzt. Für Arrayanwendungen müssen alle Empfänger daher in Frequenz- und Phasengang individuell entzerrt werden. Da ein Field Programmable Gate Array (FPGA) -Baustein die Möglichkeit bietet angepasste Hardware bereitzustellen, kann eine Live-Mikrofonentzerrung bereits im FPGA geschehen. In dieser Arbeit wurde der Xilinx Zynq-FPGA für die Umsetzung gewählt. Dieser besitzt neben einer programmierbaren Logik zwei ARM-Mikroprozessoren, welche eine Firmware ausführen können. Die Verbindungen zwischen den Prozessoren und der angepassten Hardware sind durch vorgegebene standardisierte Protokolle hergestellt. Anhand dieser Schnittstelle können die zur Entzerrung benötigten Filterkoeffizienten in die entwickelte Firmware eingebunden und in die Strukturen des FPGA geschrieben werden. Für die hardwarenahe Mikrofonentzerrung stehen in der verwendeten Zynq-FPGA-Architektur optimierte Recheneinheiten zur Verfügung. Diese Arbeit befasst sich mit der Konzeptionierung und Implementierung eines skalierbaren Faltungskerns mit minimaler Latenz zur Entzerrung einer Vielzahl von Mikrofonsignalen in FPGA-Technik - hier der Xilinx Zynq-Architektur - unter Ausnutzung von Pipelining. Dabei sind parallele F IR-Filterstrukturen und Biquads für jeden Mikrofonkanal implementiert und einzeln im Verhalten einstellbar. Durch die Verwendung einer hybriden Faltungstechnik unter Ausnutzung von Zeit- und Frequenzbereichsfaltung können die längere Entzerrungsfilter genutzt werden. Um Rechenoperationen der FFT einzusparen wurden die Symmetrieeigenschaften der Spektren von reellwertigen Signalen genutzt. Die Lösung soll zur Live-Entzerrung innerhalb eines sphärischen Mikrofonarrays eingesetzt werden und gibt die entzerrten Signale über MADI aus. Neben der Implementierung wurden Eigenschaften der Entzerrung in Fixpunktgenauigkeit untersucht und mit den Ergebnissen von Desktop-Rechnern in Gleitpunktarithmetik anhand eines Golden-Reference-Modells verglichen.