White Paper. Mikrofon Array mit steuerbarer Richtcharakteristik. (Beamforming Mikrofon Array) COMM-TEC Vertriebsgesellschaft mbh, Uhingen

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1 White Paper Mikrofon Array mit steuerbarer Richtcharakteristik (Beamforming Mikrofon Array) COMM-TEC Vertriebsgesellschaft mbh, Uhingen Autor: Uwe Röddinger, CTS Version: 5.3 Stand: Oktober 2013 Seite 1

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3 Executive Summary Audiokonferenzen werden eingesetzt, wenn Menschen an zwei oder mehr voneinander entfernten Orten miteinander reden wollen. Je besser hier die technischen Hilfsmittel funktionieren, umso natürlicher ist die Wahrnehmung der teilnehmenden Personen. Schlechte Technik sorgt für den Eindruck, ein Telefonat zu führen, gute Technik lässt den Teilnehmer vergessen, dass er Technik benutzt. Die größte Bedeutung hat hier die Mikrofonierung. Sie dient dazu, das gesprochene Wort gut verständlich und laut genug aufzunehmen und zu übertragen, dabei Störgeräusche und bauakustische Sünden zu eliminieren. Je größer der Raum, je mehr Personen und je größer die Sünden, umso aufwändiger wird die Mikrofonierung. Mit Beamforming Mikrofon Arrays, kurz BFMAs, wird dieser Anspruch erreicht. Sie decken weite Bereiche sehr gleichmäßig ab, können Störzonen des Raums ausblenden, klingen perfekt und sind einfach zu bedienen. Selbst wenn sich die Teilnehmer im Raum bewegen, den Kopf drehen: Es klingt so, als wären Sie dort. Beamforming Mikrofon Arrays erlauben stressfreie Kommunikation: Effizient perfekte Raumabdeckung mit nur 1 Mikrofon! Elegant unauffälliges, zeitloses Design Perfekter Klang als wären Sie vor Ort Dieses White Paper beschäftigt sich mit der Physik, der verwendeten Technologie, der Wirkungsweise und der Anwendung von ClearOne BFMAs. Die Physik BFMAs gibt es seit fast 100 Jahren. Sie wurde zuerst beim Militär genutzt, um die Bewegungsrichtung und Position von Flugzeugen, Schiffen und U-Booten akustisch bestimmen zu können. Bis Mitte der 70er Jahre des vorigen Jahrhunderts, als Mikroprozessoren allgemein verfügbar wurde, arbeiteten diese Arrays zu 100% akustisch und waren ziemlich primitiv. Die rasante Entwicklung der digitalen Signalverarbeitung und für diese Anwendung passender Software haben diese Technologie dramatisch weiterentwickelt. Durch geschicktes Design und entsprechendem Knowhow ist es somit heute möglich, außergewöhnliche Mikrofon-Array-Systeme zu erschaffen und mit ihnen gezielt Töne einzufangen und diese in perfekter Klangqualität zu reproduzieren. Seite 3

4 Beamforming Mikrofon Arrays verwenden die sogenannte Spatial Filtering Technik, auch Raumfilter oder Lochfilter genannt. Einfach ausgedrückt werden Wellen egal ob elektromagnetische, optische oder akustische Wellen - verändert, wenn sie durch Löcher mit einem definierten Durchmesser geleitet werden. Das erlaubt dieser Technik, definierten Einfluss auf die Wellen zu nehmen und sie im Sinne der Anwendung zu manipulieren. Dieses White Paper konzentriert sich auf die Methode, mit Raumfiltern und DSPs die Richtcharakteristik eines Mikrofon Arrays für die Nutzung in Audio- und Videokonferenzanwendungen zu beschreiben. Ziel eines solchen BFMA ist es, das gesprochene Wort (Nutzinfomation) klar und deutlich aufzunehmen, unerwünschte Geräusche (Störinformation) hingegen so weit wie möglich zu unterdrücken. Dabei werden sogar unterschiedliche Abstände der Sprecher zum Mikrofon ausgeglichen. Das Resultat ist eine Schallübertragung in andere Räume, als wäre ich tatsächlich im anderen Raum. Die Theorie des <Acoustic Beamforming> Der Wissenschaftler Andrew A. Ganse des Applied Physics Laboratory der University of Washington erklärt das wie folgt: Die Basis aller Überlegungen ist der Punkt, das mehrere Wandler nah zu einander montiert werden. Empfangen diese Wandler Schallwellen, kommen die Informationen nicht zeitgleich an allen Wandlern an. Würden wir die elektrischen Informationen der Wandler nehmen und sie einfach mischen, käme es zu Interferenzen, also Auslöschungen und Anhebungen, die frequenz- und richtungsabhängig wären. Gehen wir jetzt her und verändern die Abstände der Wandler zueinander und verzögern die Einzelsignale in Bezug auf andere, können wir diese Interferenzen steuern und zu unseren Zwecken nutzen. Wir nutzen also die Interferenzen, um unerwünschten Schall zu eliminieren, und erwünschten Schall zu verstärken. Am Einfachsten ist es, wenn wir uns ein Lautsprecher Line Array anschauen. Hier werden mehrere gleichartige Lautsprecher in einem definierten Abstand zueinander montiert und per DSP mit verschiedenen Signalen befeuert. Dadurch erreichen wir einen definierten, veränderlichen Abstrahlwinkel, und die Schalldruckabnahme geht von 6 db auf 3 db bei Verdopplung der Entfernung zurück. Das BFMA arbeitet (vereinfacht ausgedrückt) genauso: definierbarer Einlasswinkel und geringere Pegelabnahme bei Vergrößerung der Entfernung. Das Ergebnis: Ein Mikrofon mit steuerbarer Richtcharakteristik benannt nach der Technik als Beamforming Mikrofon Array. Seite 4

5 Wie alle Audioexperten wissen, nimmt ein Mikrofon mit Kugelcharakteristik Schall aus nahezu allen Richtungen gleich stark auf. Der Nachteil der Kugelcharakteristik ist, das der von ihnen aufgenommene Schall hohl und/oder hallig klingt, ebenso unterscheidet ein solches Mikrofon nicht zwischen erwünschtem Schall (des Redners) und unerwünschtem Schall (der Klimaanlage ). Der erste Schritt zur Verbesserung der Situation waren Mikrofone mit einer sogenannten Nieren Charakteristik. Diese Technik wurde in den frühen 40er Jahren des vorigen Jahrhunderts entwickelt. Durch Schallführungsmaßnahmen wurde hier die Richtwirkung der Nutzung angepasst, diese Technik findet auch heute noch Verwendung. Sie klingen deutlich weniger hallig als Kugel Mikrofone, sind aber immer noch nicht perfekt. Richtcharakteristik von Beamforming Mikrofon Arrays BFMAs können benutzt werden, um den Empfang von Schall zu richten, fast zu fokussieren auf die Information, die von den Konferenzteilnehmern gehört werden soll. Unerwünschter Schall wird nicht aufgenommen und verschlechtert somit nicht die wahrgenommene Qualität des aufgenommenen Schalls. Schall zu selektieren und unerwünschten Schall zu unterdrücken ist das Ziel der Toningenieure und Tontechniker seit beinah 100 Jahren. Mit BFMAs und ihrer hochleistungs- DSP Technik ist das heute einfach und in professioneller Qualität machbar. Statt sich aber jetzt mit den Laufzeiten, Interferenzen und der Ausrichtung von 24 Mikrofonkapseln eines BFMAs auseinander zu setzen, stellen Sie mit einer zum System gehörenden Software einfach die Bereiche ein, die Sie aufzeichnen wollen, und das Gleiche tun Sie mit den Bereichen, die Sie akustisch unterdrücken wollen. Sie könne somit definieren, dass die Stimmen von Personen an einem Konferenztisch aufgezeichnet werden, eine in den Raum führende Tür mit ihren Geräuschen aber ausgeblendet bzw. akustisch weniger stark wahrgenommen wird. Mit dieser Technik ist es machbar, ein Mikrofon Array so zu nutzen, das es die Mikrofonierung unterschiedlich vieler Teilnehmer einer Videokonferenz perfekt abbildet. Per Knopfdruck verändern Sie die Mikrofonierung einer Anwendung, ohne Neuverkabelung, Auf- oder Abbau ungenutzter Mikrofone sowie aller damit verbundenen, notwendigen Einstellungen. Diese Möglichkeiten der BFMAs erlauben es, die State-of-the-art Video- und Telekonferenzsysteme besser als jemals zuvor zu nutzen. Seite 5

6 Beamforming in Konferenz Anwendungen Es ist üblich, in Video- und Telekonferenzsystemen mit einer Vielzahl von Mikrofonen zu arbeiten. Ein alter Wahlspruch war dabei, jeweils 1 Mikrofon so nah wie möglich an die aufzunehmende Schallquelle zu bringen. Dabei können die Mikrofone auf dem Tisch stehen, unter der Decke hängen, an der Kleidung von Person befestigt sein oder als Handmikrofone herumgereicht zu werden. Dazu kommen meistens Richtmikrofone mit Nieren Charakteristik zum Einsatz. Werden die Mikrofone sauber ausgerichtet und gehandhabt, an einen professionellen Mikrofonmischer angeschlossen und gut eingestellt, kann das Ergebnis sehr gut werden. Der Aufwand für Aufbau, Inbetriebnahme und Betreuung im Betrieb ist allerdings nicht unerheblich. Ganz abgesehen davon, mit den Konferenzteilnehmern die Funktion der Mikrofone zu testen und sie an deren Kleidung zu befestigen. Ist dieser Schritt überwunden, fordert die Anwendung dann eine perfekte Aussteuerungsautomatik oder den erfahrenen Tontechniker, um die Pegel während der Konferenz entsprechend anzupassen. Zusätzlich taucht in Sitzungsräumen immer häufiger der Wunsch auf, Mikrofone aus Gründen der Ästhetik zu verbergen. Dabei stören die Mikrofone auf dem Tisch oder abgehängt von Decken eher das Auge des Betrachters als die Ohren der Zuhörer. Das alles führt zu einem kaum noch vertretbaren Aufwand, da die Physik herkömmlicher Mikrofone sich nicht überlisten lässt. Im Gegensatz hierzu ist ein BFMA Leicht und schnell aufgebaut Leicht und schnell eingemessen und eingerichtet Sichtbar installiert - wenig störend Unsichtbar installiert - perfekt arbeitend Mit einem solchen Array auf dem Konferenztisch, an der Raumdecke oder selbst an einer Wand montiert, kann mit Hilfe einer Steuersoftware von einem durchschnittlich geschulten Audioanwender sogar ein einzelner Redner aus einer Gruppe herausgezoomt werden, ohne das die Nutzbarkeit oder die Audioqualität leidet! Dabei arbeiten das Mikrofon Array, das integrierte DSP Signalprozessing und die Echo Cancellation Technik des BFMA Hand in Hand. Mit nur einem Ziel: Eine einfache Bedienung und perfektes Ergebnis in einer professionellen Anwendung zu garantieren. Die Verschmelzung moderner Inneneinrichtung mit den Vorzügen perfekter Audioqualität gelingt zurzeit perfekt mit dem BFMA von ClearOne. Dieses Array mit seinen 24 Mikrofonkapseln stellt die perfekte Symbiose zwischen Design und Funktion dar: Nahezu unsichtbare Seite 6

7 Technik mit einer Funktion, wie Audioprofis sie für derartige Anwendungen sich schon immer gewünscht haben. Möglich wurde diese Funktionen erstmals durch die Grundlagenforschung der Firma ClearOne, den daraus resultierenden optimierten Raumfiltern, DSP Hard- und Software zur Filterung und Laufzeitanpassung der Einzelsignale bis hin zur patentierten Echo Cancellation Technik. Und das alles in einem einfach zu installierenden und leicht in Betrieb zu nehmenden Produkt: Dem Beamforming Mikrofon Array von ClearOne. Ein solches Array ersetzt in der realen Anwendung bis zu 10 (!) herkömmliche Mikrofone. Durch die Steuermöglichkeiten und die außergewöhnliche Funktionalität verdoppelt dabei das Array die Reichweite der hochwertigen Schallaufnahme gegenüber herkömmlichen Mikrofonen. Das Beamforming Mikrofon Array liefert sein Audiosignal digital an den ClearOne CONVERGE Pro Geräten an. Dabei lassen sich bis zu 3 BFMAs von einer CONVERGE Pro Einheit steuern, insgesamt können 16 BFMAs zu einer Gruppe verbunden werden. Durch den Verbund aus CONVERGE Pro und BFMA haben Sie eine Konferenz Mikrofonierung, wie sie in dieser Qualität, mit diesen Möglichkeiten und diesen Kosten bis heute nicht machbar war. Die kombinierten Fähigkeiten der BFMAs und der CONVERGE Pro Baureihe sorgen für eine gezielte, fokussierte Schallaufnahme von Rednern, der einfachen Ausblendung unerwünschter Geräuschquellen und der Unterdrückung von raumakustischen Störfaktoren. Kurzum: die perfekte Audioreproduktion einer Konferenzumgebung. Die Richtcharakteristik des BFMAs kann so eingestellt werden, dass unerwünschte Regionen in Empfangsrichtung des Arrays wie Fenster, Türen, Lufteinlässe und ähnliches mit Hilfe einer Steuersoftware unterdrückt werden. Diese Software ist auch der Grund, warum es kein sogenanntes Pickup Pattern für das Array geben wird. Sie kreieren das Empfangsmuster selbst! Die Zusammenschaltung mehrere BFMAs erlaubt die unterschiedlichsten akustischen Abdeckungen: Von mehreren Tischen über mehrere Räume bis hin zu Teilbereichen von Gebäuden: BFMAs zeichnen perfekt auf, was Sie brauchen, und unterdrücken, was unerwünscht oder störend ist. Simpel und einfach: Die Installation Ein Beamforming Mikrofon Array ist so konstruiert, das Sie es einfach aufstellen, per CAT Kabel mit einer Seite 7

8 CONVERGE Pro Einheit verbinden und es dann per Software konfigurieren. Haben Sie diese Konfiguration bereits einmal gemacht, aktivieren Sie diese Konfiguration wie einen Preset. Die notwendige Konfiguration selbst ist minimal: die meisten Parameter werden intern im BFMA automatisch ermittelt, Sie definieren über die Software nur den Anwendungsbereich. Also die Zonen, die Sie hören wollen, und Zonen, die Sie nicht hören wollen. Ein Techniker, der bereits Konferenzsysteme betreut hat, kann die Installation und Konfiguration in wenigen Minuten durchführen. Obwohl vollständig konfigurierbar, ist das BFMA so voreingestellt, das sofort funktionsfähig ist ohne Einstellarbeiten. Einfach an den CON- VERGE Pro anstecken. Das BFMA erkennt selbstständig Decken-, Wand- oder Tischbetrieb und stellt sich entsprechend ein. Dieser Status wird auch der CONVERGE Pro Software gemeldet, wenn diese im Automatik Betrieb ist. Damit ist eine Fehlbedienung nahezu ausgeschlossen. Statt sich mit dem Einpegeln einer Vielzahl von Mikrofonen zu widmen, stellen Sie die gewünschte Lautstärke für das BFMA ein und sind einsatzbereit. Haben Sie stark unterschiedliche Anwendungen, nutzen Sie den manuellen Betrieb des BFMAs und können dann die Richtcharakteristik des Mikrofons anpassen. Jeder der verfügbaren Beams kann aktiviert oder deaktiviert werden. Deckenbetrieb (5 Beams) Die Einrichtung eines BFMAs ist somit einfacher als die Einrichtung eines herkömmlichen Multimikrofon-Systems. Die einzige benötigte Verbindung ist ein PoE Kabel pro BFMA und eine Audioverbindung zwischen den BFMAs und den CONVERGE Pro Geräten. Keine Spezialkabel, keine Schraubverbindungen oder andere fehlerträchtige Verbindungen sind notwendig. Tischbetrieb (6 Beams) Seite 8

9 Wandbetrieb (5 Beams) ohne große Anforderung an den Bediener und Nutzer. Beamforming Mikrofon Arrays werden die Welt der Konferenztechnik nachhaltig verändern. Seien Sie von Anfang an dabei. Perfekte Tonqualität in Konferenzanwendungen In der Welt der professionellen Audio- und Videokonferenz repräsentieren BFMAs und dazu passende DSP Signal Prozessoren die neuste Entwicklung. Echo- und Noise Cancellation, exzellente technische Daten und ein auf optimale Qualität getrimmtes Design steht für einmalige Klarheit, Reinheit und Sprachverständlichkeit in der Topklasse der Konferenzprodukte. Die moderne Beamforming Mikrofon Array Technologie hat eindrucksvoll ihre Tauglichkeit bewiesen, die menschliche Stimme in all ihren Facetten in Konferenzsituationen aufzuzeichnen, und dabei unerwünschten Schall auszublenden. Mit dem Ziel, die Verständlichkeit zu erhöhen und das Konferenzergebnis zu verbessern. Und das ganz ohne riesigen Aufwand, denn ein BFMA ersetzt bis zu 10 Richtmikrofone Seite 9

10 Copyright: COMM-TEC Vertriebsgesellschaft mbh, Uhingen 2013 Seite 10