Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
In de context van akoestische communicatie wordt de informatie overgedragen door het moduleren van de draagfrequentie. Dit gebeurt met behulp van technieken zoals orthogonale frequentiedivisie multiplexing (OFDM), waarbij meerdere draagfrequenties orthogonaal worden gecombineerd om de gegevenssymbolen te coderen. OFDM wordt gewaardeerd om zijn robuustheid tegen synchronisatiefouten en zijn potentieel voor verhoogde doorvoersnelheid binnen een gegeven bandbreedte. Het wordt meestal geïmplementeerd in draadloze communicatie met gespecialiseerde hardware, maar in akoestische communicatie wordt het doorgaans via software gegenereerd. Dit heeft als gevolg dat het volledige potentieel van OFDM in akoestische systemen niet altijd kan worden gerealiseerd.
In veel draadloze systemen zoals Wi-Fi wordt OFDM gecombineerd met geavanceerde modulatie, bijvoorbeeld 256-QAM (quadratuur-amplitude modulatie), om de spectrale efficiëntie te optimaliseren. Echter, in akoestische communicatie zijn dergelijke hoge-orde modulaties moeilijk uitvoerbaar door de aanwezigheid van significante kanaalstoringen, zoals multipad-propagatie, Dopplereffecten en frequentieselectieve fading. Daarom is OFDM in akoestische communicatie vaak beperkt tot het gebruik van modulatie zoals frequentie-shift keying (FSK) en amplitude-shift keying (ASK), waarbij de informatie voornamelijk wordt gecodeerd door variaties in frequentie en amplitude, in plaats van fasevariaties, die in veel RF-systemen gangbaar zijn.
De beperking van het gebruik van fasegebaseerde modulatieschema’s in akoestische communicatie komt voort uit de inherente instabiliteit van fase in akoestische kanalen. Dit maakt het moeilijk om modulatietechnieken die afhankelijk zijn van faseveranderingen, zoals fase-shift keying (PSK), toe te passen. Daardoor worden in de praktijk vaak systemen gebruikt die eenvoudiger en robuuster zijn, zoals FSK, die effectief omgaan met de uitdagingen die de akoestische omgeving biedt.
Naast OFDM worden in akoestische communicatie en sensing ook andere golfvormen, zoals chirp-golven en zuivere tonen, veel gebruikt. Chirp-golven zijn vooral nuttig voor lange-afstandscommunicatie, omdat ze bestand zijn tegen interferentie en het Dopplereffect. Ze hebben echter een lange duur en lage doorvoersnelheid. Zuivere tonen zijn eenvoudiger, maar bieden vaak niet de benodigde robuustheid in complexe omgevingen.
In de context van akoestische sensing, waar het doel is om objecten te detecteren of hun bewegingen te volgen, zijn de eisen voor golfvormen anders dan in communicatie. Effectieve akoestische sensing vereist dat de gekozen golfvorm goed reageert op omgevingsveranderingen, zodat detecteerbaarheid en resolutie worden gemaximaliseerd. Hier komen technieken zoals spread spectrum (SS) modulatietechnieken goed van pas. Deze signalen vertonen kenmerken die hen zeer detecteerbaar maken, zoals een autocorrelatiefunctie die lijkt op een punaise, wat ze resistent maakt tegen multipad-effecten en robuust tegen ruis.
Voor akoestische sensing worden naast chirp-golven en zuivere tonen ook complexe orthogonale codes zoals de GSM-trainingsequentie, Barker-code, M-sequentie en Zadoff-Chu (ZC) sequentie toegepast. De GSM-trainingsequentie is ontworpen om kanaalverstoringen te verminderen en de propagatietijd in communicatiesystemen te egaliseren. Barker-codes, die oorspronkelijk voor radar zijn ontwikkeld, zijn zeer nuttig voor het moduleren van impulsen in de radarcommunicatie. De M-sequentie, die wordt gebruikt voor synchronisatie in 5G-systemen, en de ZC-sequentie, die vaak in moderne cellulaire netwerken wordt gebruikt, bieden uitstekende autocorrelatie-eigenschappen en zijn bijzonder effectief voor synchronisatie en kanaalschatting.
De ZC-sequentie, bijvoorbeeld, heeft de eigenschap van constante amplitude en een ideale kruiscorrrelatie, wat het uiterst geschikt maakt voor toepassingen waar nauwkeurigheid en robuustheid van het signaal essentieel zijn. De ZC-sequentie wordt gekarakteriseerd door de lengte en de wortelindex, wat zorgt voor een zeer gerichte en efficiënte signaalverwerking.
Bij het gebruik van spread spectrum-technieken zoals de ZC-sequentie in akoestische sensing is het van cruciaal belang om de juiste parameters te kiezen voor de golflengte en de duur van het signaal, afhankelijk van de toepassing en de omgevingsfactoren. Dit maakt het mogelijk om verschillende soorten objecten en bewegingen effectief te detecteren en tegelijkertijd de gevoeligheid voor interferentie en ruis te minimaliseren.
Om de efficiëntie van akoestische sensing en communicatie te verbeteren, moeten ontwerpers van systemen rekening houden met de fysieke beperkingen van de omgeving waarin ze werken, zoals de kanaaleigenschappen en de interactie van geluidsgolven met de omgeving. Dit betekent dat er vaak compromissen moeten worden gesloten tussen de robuustheid van het signaal en de benodigde doorvoersnelheid of detectiecapaciteit.
Hoe worden de uitdagingen van luchtakoestische communicatie aangepakt?
In eerdere secties hebben we ons gericht op de fysieke laag van luchtakoestische communicatie (AAC), maar het belang van medium access control (MAC) kan niet worden onderschat wanneer meerdere transmissies tegelijkertijd plaatsvinden. Het MAC-protocol is essentieel voor het voorkomen van een groot aantal botsingen binnen akoestische kanalen. Een van de meest gebruikte MAC-protocollen in akoestische systemen is Time Division Multiple Access (TDMA). Dit protocol is populair vanwege zijn eenvoud en effectiviteit. Zo maakt bijvoorbeeld het werk in [14] gebruik van TDMA om de transmissietijd van verschillende akoestische ankers in een infrastructuurbased akoestisch lokalisatiesysteem te beheren. De klokken van deze ankers worden gesynchroniseerd via het Network Time Protocol (NTP) via draadloze communicatie, waardoor ankers binnen gehoorafstand in een ordelijke volgorde kunnen zenden. Hoewel complexere MAC-protocollen toegepast zouden kunnen worden in AAC, leidt dit vaak tot aanzienlijke verwerkingskosten of onwenselijke vertragingen. In veel gevallen zorgt de fysieke scheiding van apparaten, bijvoorbeeld door muren, ervoor dat de interferentie in akoestische kanalen wordt beperkt, waardoor de behoefte aan ingewikkelde MAC-protocollen afneemt.
De evolutie van luchtakoestische communicatie kent echter verschillende openstaande problemen en onderzoeksuitdagingen die het een dynamisch onderzoeksgebied maken.
Een van de grootste beperkingen van luchtakoestische communicatie is de beperkte datasnelheid. Aerial acoustic communication biedt doorgaans datasnelheden die lager zijn dan 1 kbps, wat de toepassing in veel echte situaties aanzienlijk beperkt. Voor toepassingen zoals netwerkcommunicatie in voertuigen is bijvoorbeeld een minimale datasnelheid van 10 kbps vereist, waardoor AAC in dergelijke contexten ongeschikt is. Enkele mogelijke strategieën om de datasnelheid te verbeteren zijn het gebruik van hoogefficiënte modulatie-technieken die robuust zijn tegen kanaalvariaties en achtergrondruis, en het benutten van ruimtelijke diversiteit door gelijktijdige communicatielinks te creëren en RAKE-ontvangers te gebruiken om deze te combineren. Beide technieken vereisen echter aanzienlijke rekencapaciteit, die momenteel veelal via software wordt gerealiseerd. Bovendien neemt de datasnelheid die via akoestische communicatie kan worden bereikt sterk af naarmate de afstand tussen de zender en ontvanger toeneemt. Wanneer de afstand tussen de zenders meer dan een paar meter bedraagt, valt de effectieve datasnelheid vaak terug naar slechts enkele tientallen bits per seconde, mits de communicatie-link op dergelijke afstanden nog steeds functioneert.
Het gebruik van akoestische metasurfaces biedt echter een veelbelovende oplossing voor het verbeteren van de datasnelheid op lange afstand. Deze structuren kunnen fungeren als RAKE-ontvangers door invallende akoestische golven op te vangen en ze naar de ontvanger te richten, waardoor de signaalkwaliteit verbetert. Akoestische metasurfaces bieden ook een mogelijke oplossing voor niet-line-of-sight (NLoS) scenario's, wat kan helpen bij het verbeteren van de signaalontvangst in uitdagende omgevingen.
Een ander significant probleem bij luchtakoestische communicatie is de dynamische aard van het kanaal, die wordt beïnvloed door Doppler-effecten en fluctuaties in de afstand tussen de zenders en ontvangers. Deze factoren maken het ontwerp van modulatie-schema's complexer, vooral gezien het feit dat real-time kanaalschatting vaak niet haalbaar is. Bovendien kan multipad-propagatie en frequentie-selectieve fading, die verergerd kunnen worden door de eigenschappen van akoestische sensoren, de haalbare datasnelheden aanzienlijk verminderen. Een mogelijke oplossing voor dit probleem is het gebruik van orthogonale tijd-frequentie ruimte (OTFS) modulatie, een techniek die inherent robuust is tegen tijd- en frequentievariaties. De hoge rekeneisen voor OTFS-decodering beperken echter momenteel de brede toepassing van deze techniek in AAC. Om de effecten van multipad-propagatie te verminderen, kunnen microfoonarrays, die vaak in slimme luidsprekers worden opgenomen, worden gebruikt om de signaalontvangst te verbeteren. Een andere mogelijke strategie is het uitbreiden van de operationele bandbreedte naar het ultrasone bereik, zodat AAC-systemen deze extra bandbreedte kunnen gebruiken om de dynamiek van het kanaal effectief tegen te gaan.
Naast de technische verbeteringen die mogelijk zijn in de toekomst, moeten we ook aandacht besteden aan de praktische toepassingen van luchtakoestische communicatie, zoals in positioneringssystemen en afstandsmeting. Het gebruik van akoestische signalen voor ranging is een kosteneffectief alternatief voor traditionele meetinstrumenten. Dit wordt vaak gedaan door de tijd van vlucht van het signaal te berekenen, vermenigvuldigd met de propagatiesnelheid van akoestische golven, die doorgaans constant en vooraf bekend wordt verondersteld. De nauwkeurigheid van de ranging wordt vaak bepaald door de prestaties van de onderliggende tijds-schattingstechnieken, zoals robuuste onsetdetectie en tijdsmeting (ToA). Daarnaast kunnen deze technieken worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: apparaat-gebaseerde ranging (waarbij twee akoestische apparaten met elkaar communiceren) en apparaat-vrije ranging (waarbij een akoestisch apparaat een niet-akoestische doelwit meet). Deze laatste wordt vaak aangeduid als akoestisch radar en kan worden gebruikt voor diverse toepassingen zoals netwerkbeheer en detectie van nabijheid.
Het is belangrijk te begrijpen dat hoewel de technologie achter luchtakoestische communicatie in opkomst is, er nog veel uitdagingen zijn die moeten worden opgelost om deze systemen breed toepasbaar te maken. Een beter begrip van de variabele natuur van akoestische kanalen, de beperkingen van datasnelheden en de manieren waarop we de verwerkingseisen kunnen verlichten, zullen essentieel zijn om de volgende stap te zetten in de ontwikkeling van deze technologie.
Hoe Geluidsignalen Zich Gedragen in Lucht: Effecten van Verlies, Doppler en Reflectie
De geluidsgolven die door de lucht voortbewegen ondergaan geleidelijke verzwakking door geometrische spreiding, atmosferische absorptie en andere dissipatieve processen. Dit leidt uiteindelijk tot een afname van de energie en een daaropvolgende afname van de signaalamplitude. In luchtruimten gebeurt de voortplanting van geluid zonder een fysiek waarneembaar medium, wat vaak wordt vergeleken met draadloze elektromagnetische signalen, zoals radiogolven. Deze geluidsgolven ondergaan een aantal fenomenen, waaronder padverlies, waarbij de signaalintensiteit afneemt naarmate de afstand van de bron toeneemt, en het Dopplereffect, dat de schijnbare verandering van de signaalfrequentie beschrijft door de relatieve beweging tussen de bron en de ontvanger. Bovendien kunnen geluidsgolven in de lucht reflectie ervaren bij het tegenkomen van oppervlakken, breking bij het passeren van gebieden met verschillende luchtdichtheid, diffractie wanneer ze zich om obstakels buigen en verstrooiing wanneer ze in contact komen met complexe structuren. De samenloop van deze effecten heeft aanzienlijke invloed op zowel het bereik van de voortplanting als de nauwkeurigheid van luchtgebonden geluidssignalen.
Padverlies is een fundamenteel concept in draadloze communicatie en kwantificeert de vermindering van de signaalsterkte naarmate het zich door de ruimte verspreidt. Ditzelfde principe geldt voor geluidsgolven in de lucht, waar energie wordt afgevoerd naarmate de afstand van de bron toeneemt. Onder ideale omstandigheden in een vrije ruimte, volgt de geluidintensiteit de inverse-kwadraatwet, wat betekent dat de intensiteit afneemt in verhouding tot het kwadraat van de afstand tot de bron. De intensiteit van het geluid is dus afhankelijk van de afstand tot de geluidsbron en kan als volgt worden beschreven:
Hierbij is de geluidintensiteit op een referentieafstand , bijvoorbeeld 1 meter, en de intensiteit op afstand . Deze formule beschrijft de geometrische spreiding van geluidsenergie in een vrije ruimte, waarbij wordt aangenomen dat de straling isotroop is en er geen reflecties plaatsvinden. In praktische situaties, vooral in afgesloten omgevingen, ervaren geluidsgolven echter vaak multipad-voortplanting, waarbij reflecties van oppervlakken kunnen leiden tot constructieve of destructieve interferentie. Dit maakt dat de ideale vrije-ruimte-aanname vaak niet adequaat is, en dat de waargenomen signaalniveaus aanzienlijk kunnen afwijken van de voorspellingen op basis van dit model.
Het Dopplereffect, of Dopplerverschuiving, is een verschijnsel waarbij de waargenomen frequentie van een golf verandert voor een waarnemer die zich relatief beweegt ten opzichte van de bron van de golf. Wanneer een bron en een waarnemer zich naar elkaar toe bewegen, worden opeenvolgende golfkreten uitgezonden vanaf steeds dichterbij gelegen posities ten opzichte van de waarnemer, wat leidt tot een schijnbare toename van de frequentie. Als de bron en waarnemer van elkaar af bewegen, ontstaan de golfkreten steeds verder uit elkaar liggende posities, wat resulteert in een waargenomen afname van de frequentie. Een bekend voorbeeld van dit effect is de verandering in de waargenomen toonhoogte van de hoorn van een voertuig wanneer het nadert en zich vervolgens weer verwijdert van een stilstaande waarnemer. De waargenomen frequentie is maximaal tijdens de benadering, gelijk aan de bronfrequentie op het moment van passeren (door de nul radiale snelheid), en neemt daarna af naarmate de afstand toeneemt.
De frequentieverschuiving kan worden berekend met de volgende formule:
waar de verandering in frequentie is, de relatieve radiale snelheid tussen de geluidsbron (zender) en de waarnemer (ontvanger), de oorspronkelijke frequentie is en de snelheid van het geluid in de lucht.
Temperatuur speelt ook een rol bij de voortplanting van geluid. De snelheid van geluid wordt sterk beïnvloed door de thermodynamische omstandigheden, zoals temperatuur en luchtvochtigheid. Bij hogere temperaturen en meer vocht in de lucht zal de snelheid van geluid toenemen, wat een belangrijk effect kan hebben op de nauwkeurigheid van metingen in omgevingen waar deze variabelen significant zijn. De snelheid van geluid in lucht kan worden benaderd door de volgende vergelijking:
waarbij de absolute temperatuur in Kelvin is, de dampdruk van water in de lucht en de atmosferische druk is. Hoewel de invloed van vochtigheid relatief klein is, kan de temperatuur een aanzienlijke invloed hebben op de snelheid van geluid, vooral in gecontroleerde omgevingen zoals geluidskamers of laboratoria.
Reflectie, diffractie en verstrooiing zijn fundamentele golfeffecten die optreden wanneer geluidsgolven in contact komen met grenzen of obstakels. Reflectie vindt plaats wanneer een geluidsgolf een grens tussen twee media bereikt, waarbij een deel van de golf terug het oorspronkelijke medium in wordt gereflecteerd. In luchtruimten is reflectie vaak te zien wanneer geluidsgolven van harde oppervlakken, zoals muren of plafonds, weerkaatsen. Dit effect is bijvoorbeeld duidelijk te horen in grote, lege concertzalen, waar geluidsgolven die door een zang of instrumenten worden geproduceerd, van verre muren weerkaatsen en na een korte tijdsvertraging opnieuw worden waargenomen, waardoor een echo ontstaat.
Het effect van reflectie is afhankelijk van de akoestische impedantie van de materialen waartegen de geluidsgolven botsen, en de intensiteit en richting van de gereflecteerde golven kunnen variëren, afhankelijk van de specifieke eigenschappen van de oppervlakken. In realistische omgevingen, vooral wanneer geluid wordt geproduceerd door een omnidirectionele bron zoals een luidspreker, kunnen reflecties zich in verschillende hoeken verspreiden, wat resulteert in een complex patroon van weerkaatste signalen. Nieuwe technieken, zoals beamforming met akoestische arrays, kunnen worden toegepast om de richting en intensiteit van geluid te controleren, wat vooral nuttig is voor toepassingen die nauwkeurige geluidslokalisatie en energieconcentratie vereisen.
Diffusie beschrijft het fenomeen waarbij golven zich buigen en spreiden wanneer ze een opening of obstakel tegenkomen. Dit effect wordt vooral merkbaar wanneer de afmetingen van het obstakel of de opening vergelijkbaar zijn met de golflengte van het geluid.