Contributions to Wideband Hands-free Systems and their Evaluation

Jung, Marc-André

This work deals with the advancement of wideband hands-free systems (HFS’s) for mono- and stereophonic cases of application. Furthermore, innovative contributions to the corr. field of quality evaluation are made. The proposed HFS approaches are based on frequency-domain adaptive filtering for system identification, making use of Kalman theory and state-space modeling. Functional enhancement modules are developed in this work, which improve one or more of key quality aspects, aiming at not to harm others. In so doing, these modules can be combined in a flexible way, dependent on the needs at hand. The enhanced monophonic HFS is evaluated according to automotive ITU-T recommendations, to prove its customized efficacy. Furthermore, a novel methodology and techn. framework are introduced in this work to improve the prototyping and evaluation process of automotive HF and in-car-communication (ICC) systems. The monophonic HFS in several configurations hereby acts as device under test (DUT) and is thoroughly investigated, which will show the DUT’s satisfying performance, as well as the advantages of the proposed development process. As current methods for the evaluation of HFS’s in dynamic conditions oftentimes still lack flexibility, reproducibility, and accuracy, this work introduces “Car in a Box” (CiaB) as a novel, improved system for this demanding task. It is able to enhance the development process by performing high-resolution system identification of dynamic electro-acoustical systems. The extracted dyn. impulse response trajectories are then applicable to arbitrary input signals in a synthesis operation. A realistic dynamic automotive auralization of a car cabin interior is available for HFS evaluation. It is shown that this system improves evaluation flexibility at guaranteed reproducibility. In addition, the accuracy of evaluation methods can be increased by having access to exact, realistic imp. resp. trajectories acting as a so-called “ground truth” reference. If CiaB is included into an automotive evaluation setup, there is no need for an acoustical car interior prototype to be present at this stage of development. Hency, CiaB may ease the HFS development process. Dynamic acoustic replicas may be provided including an arbitrary number of acoustic car cabin interiors for multiple developers simultaneously. With CiaB, speech enh. system developers therefore have an evaluation environment at hand, which can adequately replace the real environment.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung breitbandiger Freisprechsysteme für mono-/stereophone Anwendungsfälle und liefert innovative Beiträge zu deren Qualitätsmessung. Die vorgestellten Verfahren basieren auf im Frequenzbereich adaptierenden Algorithmen zur Systemidentifikation gemäß Kalman-Theorie in einer Zustandsraumdarstellung. Es werden funktionale Erweiterungsmodule dahingehend entwickelt, dass mindestens eine Qualitätsanforderung verbessert wird, ohne andere eklatant zu verletzen. Diese nach Anforderung flexibel kombinierbaren algorithmischen Erweiterungen werden gemäß Empfehlungen der ITU-T (Rec. P.1110/P.1130) in vorwiegend automotiven Testszenarien getestet und somit deren zielgerichtete Wirksamkeit bestätigt. Es wird eine Methodensammlung und ein technisches System zur verbesserten Prototypentwicklung/Evaluation von automotiven Freisprech- und Innenraumkommunikationssystemen vorgestellt und beispielhaft mit dem monophonen Freisprechsystem in diversen Ausbaustufen zur Anwendung gebracht. Daraus entstehende Vorteile im Entwicklungs- und Testprozess von Sprachverbesserungssystem werden dargelegt und messtechnisch verifiziert. Bestehende Messverfahren zum Verhalten von Freisprechsystemen in zeitvarianten Umgebungen zeigten bisher oft nur ein unzureichendes Maß an Flexibilität, Reproduzierbarkeit und Genauigkeit. Daher wird hier das „Car in a Box“-Verfahren (CiaB) entwickelt und vorgestellt, mit dem zeitvariante elektro-akustische Systeme technisch identifiziert werden können. So gewonnene dynamische Impulsantworten können im Labor in einer Syntheseoperation auf beliebige Eingangsignale angewandt werden, um realistische Testsignale unter dyn. Bedingungen zu erzeugen. Bei diesem Vorgehen wird ein hohes Maß an Flexibilität bei garantierter Reproduzierbarkeit erlangt. Es wird gezeigt, dass die Genauigkeit von darauf basierenden Evaluationsverfahren zudem gesteigert werden kann, da mit dem Vorliegen von exakten, realen Impulsantworten zu jedem Zeitpunkt der Messung eine sogenannte „ground truth“ als Referenz zur Verfügung steht. Bei der Einbindung von CiaB in einen Messaufbau für automotive Freisprechsysteme ist es bedeutsam, dass zu diesem Zeitpunkt das eigentliche Fahrzeug nicht mehr benötigt wird. Es wird gezeigt, dass eine dyn. Fahrzeugakustikumgebung, wie sie im Entwicklungsprozess von automotiven Sprachverbesserungsalgorithmen benötigt wird, in beliebiger Anzahl vollständig und mind. gleichwertig durch CiaB ersetzt werden kann.

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Jung, Marc-André: Contributions to Wideband Hands-free Systems and their Evaluation. Aachen 2018. Shaker. ISSN: 1865-2484.

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