Stereofonik akustik yankı giderme

Abstract

ÖZET iki kapalı mekanda bulunan insanların haberleşmelerini sağlamak amacıyla her iki odaya mikrofonlar ve hoparlörlerin yerleştirildiği ve bunların telefon hatları üzerinden bağlandığı sistemlere telekonferans sistemleri denilmektedir. Telekonferans sistemlerinin kullanım alanları gün geçtikçe artmaktadır. Bu teknoloji sayesinde, televizyon kanalları düzenledikleri paneller ve tartışma programlarını farklı şehirde bulunan iki stüdyoda aynı anda yapabilmekte, şirketler yönetim kurulu üyelerinin bir kısmı önemli bir iş gezisindeyken yönetim kurulu toplantılarını eksiksiz yapabilmektedirler. Yapılan hesaplamalar sonucu etkin bir telekonferans sistemi geliştirildiği takdirde, iş adamlarının milyonlarca dolarlık ulaşım masraflarının büyük ölçüde azalacağı belirlenmiştir. Fakat bu sistemlerin etkin olarak kullanılabilmesi için akustik yankı sorununun çözülmesi gerekmektedir. Bir odada bulunan hoparlörden çıkan sesin odanın akustik özelliklerine göre yankı eklenmesi sebebiyle bozulup mikrofondan alınarak diğer odaya gönderilmesi, ve diğer odada aynı işlemler sonucu geri dönmesi sebebiyle, sonsuz bir döngü oluşmaktadır. Gidiş dönüş hattı üzerinde oluşan bu sonsuz döngü sesin kalitesini bozmakta, daha kötüsü bazen ötmelere sebep olmaktadır. Akustik yankıların giderilmesi için uzun yıllardır çalışılmaktadır. İlk kullanılan yöntem, telefon hatlarında başarıyla kullanılan uyarlaman yankı gidericilerdir. Fakat akustik yankıların uzun gecikmeler içermesi ve stereofonik durumda uyarlama işleminin hem alıcı hem verici odanın akustik değişimlerini izlemesi gerekmesi sebebiyle stereofonik akustik yankı gidermede uyarlaman yöntemler iyi sonuç vermemektedir. Bu tez kapsamında ele alınan yöntem, her iki odaya bir mikrofon dizisi yerleştirmek ve bir çeşit uzaysal süzgeçleme yapan huzme yönlendiriciler yardımıyla konuşmacının sesinin odanın akustiğinden bağımsız şekilde alınmasını sağlamak ilkesine dayanmaktadır. Bunu gerçekleştirmek için öncelikle konuşmacının yerinin belirlenmesi gerekmektedir ki bu tezin ağırlığını bu kısım oluşturmaktadır. Gösterilmiştir ki, doğrusal ve eşit aralıklarla yerleştirilmiş mikrofon dizisi kullanıldığında ses dalgalarının geliş açısının kestirimi, frekans kestirimine eşdeğer olmaktadır. Bu sebeple; Goertzel Algoritması gibi bilinen bir frekans kesitirimi algoritması, bizim tarafımızdan geliştirilen Geliştirilmiş Doğrudan Frekans Keslarimi Tekniği, en çok kullanılan geliş açısı kestiricilerinden MUSIC algoritması, bizim tarafımızdan önerilen bir yapay sinir ağı geliş açısı kestiricisi ve son olarak Cadzow'un önerdiği İlişkili Sinyaller için Geliş Açısı Kestiricisi probleme uygulanmış ve bilgisayar benzetişimleri yapılmıştır. İkinci adım olan istenen sinyali süzme işlemi için bir darbantlı sinyal ve 3 sinüsün toplamı şeklinde modellenen bir genişbant sinyal kullanılmış ve her iki durum için de benzetişimler yapılmıştır. Çalışmalarımızın sonucu, huzme yönlendirme tekniklerinin, stereofonik akustik yankı gidermede etkin olarak kullanılabilecek bir yöntem olduğu ve üzerinde çalışılması gerektiği ortaya konmuştur.

ABSTRACT Teleconference systems consist of microphones and loudspeakers which are placed in two rooms and connected with telephone lines. These systems are used in many areas in communications. For example, TV companies can connect two of then- studios, which are in different cities, and company meetings can be done without absence of their members who may be out of town. Researches show that if these systems can be more lifelike, traveling cost of businesspeople which might be billions of Dollars can be dramatically reduced. However, in order to be able to use these systems properly, the acoustic echo cancellation problem must be solved first. In these systems, speech of a speaker in the transmitter room is picked up by a microphone and is transmitted to the listeners in the receiver room. Microphones in the receiver room pick up this speech, with the echoes due to both of the transmitter and the receiver rooms, and then they transmit it back to the transmitter room. If nothing were done, this would repeat itself and the speech would distort. Researches on the cancellation of acoustic echoes have been continuing for many years. The first approach applied to acoustic echo cancellation problem was adaptive echo cancellation, which perfectly worked for on line echo cancellation. However, since acoustic echoes have much larger impulse responses than line echoes, and in the stereophonic case adaptive echo cancellers have to track variations both in the receiver and transmitter rooms, adaptive filters are not very useful for the stereophonic acoustic echo cancellation. The acoustic echo cancellation method used in this thesis is based on spatial filtering of the speech embedded in its echoes, and thus transmitting only the speech signal. This can be done by using microphone arrays and beamforming techniques. The first step in this technique is to locate the speaker's position. It can be shown that the direction of arrival estimation of plane (sound) waves from the data received at spatially separated points is similar to the frequency estimation of the signal from its samples. Therefore, we apply the Goertzel algorithm, a well known frequency estimation technique; Normalized Frequency Estimation Technique which we developed by modifying an adaptive method; MUSIC algorithm, the most used direction of arrival angle estimation technique; a neural network which we have proposed; and an estimator for cohorent sources which Cadzow proposed. We have run the simulations for comparative performance evaluation. The second step in our work was spatial filtering. We implemented a filter for a narrowband signal and another one for a broadband signal. We have modeled the broadband signal as a sum of three sinusoids. We have seen that the beamforming approach to Stereophonic Acoustic Echo Cancellation problem is very promising and could be developed further and adapted to real-time applications. As a result, we can use beamforming techniques as a solution to the stereophonic acoustic echo cancellation problem. VI