Time-Domain Beamforming in OM-SoX
Abstract
Dieser Beitrag bietet eine Einführung in die Technik des akustischen Beamformings und erklärt, wie die Methode des Delay-and-Sum-Beamformings im Zeitbereich (TDBF) funktioniert. Anhand der Implementierung in der grafischen Programmieroberfläche OpenMusic mit der OM-SoX-Library werden die praktischen Schritte zur Erstellung eines Beamforming-Systems veranschaulicht. Darüber hinaus werden Anwendungsmöglichkeiten sowie aktuelle Praxisbeispiele vorgestellt, die das Potenzial dieser Technologie in der Audioverarbeitung und -steuerung aufzeigen.
Was ist Beamforming?
Beamforming ist eine fortschrittliche Signalverarbeitungstechnik, die es ermöglicht, Signale gezielt aus einer bestimmten Richtung zu empfangen oder in eine bestimmte Richtung zu senden. Beim akustischen Beamforming handelt es sich um Schallwellen, die entweder mit einem Lautsprecher-Array gerichtet ausgesendet oder mit einem Mikrofon-Array aus einer bestimmten Richtung erfasst werden. Darüber hinaus findet Beamforming auch in anderen Anwendungsbereichen Verwendung, in denen Signale mithilfe von Antennen verarbeitet werden – beispielsweise zur präziseren Zielerkennung und effizienteren Interferenzunterdrückung in Radarsystemen oder zur Optimierung moderner Mobilfunknetze.
Im weiteren Verlauf dieses Beitrags wird zunächst eine grundlegende Methode des akustischen Beamformings erläutert. Anschließend folgt eine Beschreibung der Implementierung dieses Ansatzes in der grafischen Programmieroberfläche OpenMusic unter Verwendung der Library OM-SoX. Abschließend werden sowohl mögliche Anwendungskonzepte als auch aktuelle Praxisbeispiele vorgestellt.
Delay-and-Sum-Beamforming
Das Delay-and-Sum-Beamforming ist eine grundlegende Technik zur Steuerung der Richtung und Fokussierung von Schallwellen durch Phasen- und Amplitudenanpassungen. Dabei werden Signale von einem Mikrofon- oder Lautsprecher-Array entweder gezielt empfangen oder ausgesendet. Diese Technik lässt sich in zwei Methoden unterteilen: das Delay-and-Sum-Beamforming im Zeitbereich (Time-Domain Beamforming, TDBF) und im Frequenzbereich (Frequency-Domain Beamforming, FDBF).
Während beim TDBF die Signalverarbeitung direkt im Zeitbereich erfolgt, wird beim FDBF das Signal zunächst in den Frequenzbereich transformiert und dort weiterverarbeitet. Letzteres Verfahren ist zwar leistungsfähiger, aber auch komplexer in der Implementierung und erfordert eine höhere Rechenleistung. Das Beamforming im Zeitbereich wird häufig als erster Schritt bei der Entwicklung von Beamforming-Systemen genutzt, da es weniger rechenintensiv ist und eine Grundlage für weiterentwickelte Methoden bietet. Da in diesem Projekt ausschließlich das TDBF verwendet wird, beschränkt sich die genauere Betrachtung der Funktionsweise auf diese Methode.
Time-Domain Beamforming
Beim TDBF werden gezielt destruktive und konstruktive Überlagerungen von Schallwellen genutzt, um eine bestimmte Richtcharakteristik des Schalls zu erzeugen. Konkret bedeutet das, dass – abhängig von den Abständen der Lautsprecher im Array zueinander und der gewünschten Richtwirkung – die Phasenverschiebung für die Signale jedes einzelnen Lautsprechers berechnet werden muss.
In der folgenden Animation wird dieses Prinzip anhand von fünf Klangquellen in äquidistanter Anordnung mit gleichmäßig phasenverschobenen Signalen identischer Frequenz veranschaulicht.