Einzug der digitalen Sensorik Weltweit erstes digitales I²S-Frontend

Trotz des Zeitalters der Digitalisierung ist die analoge Messtechnik in vielen Anwendungen bisher nicht zu ersetzen. Festzustellen ist aber, dass es sehr viele Konsumerprodukte gibt, die akustische Signale aufzeichen und digital weiterverarbeiten, z.B. Mobiltelefone. Ebenfalls kann beobachtet werden, dass in diesen Produkten sehr häufig digitale Sensoren eingesetzt werden, wie z.B. Lagesensoren in Smartphones, die dafür sorgen, dass sich der Bildschirm wie von Geisterhand neu orientiert, wenn sich die Lage verändert. Durch die Massenproduktion wird die digitale Sensorik nun auch preislich für die Messtechnik attraktiv. Es liegt nahe aus einer konventionellen Messkette für akustische Signale, kostspielige Komponenten zu substituieren, um so eine kostengünstige akustische Kamera für den Mittelstand oder zukünftig für private Zwecke zu entwickeln. Samplegenaue digitale MEMS-Mikrofone Digitale Mikrofone haben positive Eigenschaften, z.B. ihre Phasengenauigkeit und Langzeitstabilität, welche für Array-Technologien sehr relevant sind. Meist handelt es sich dabei um MEMS-Mikrofone, die in der Lage sind, akustische Wellen in elektische Signale umzuwandeln, diese dann direkt in der Mikrofonkapsel zu digitalisieren und über ein Bussystem extern auszugeben. Das bedeutet, dass in jeder Mikrofonkapsel eines digitalen Mikrofons die A/D-Wandlung bereits fest eingebaut ist. Da für akustische Kameras eine samplegenaue Synchronizität zwischen den Mikrofonen benötigt wird, ist es unabdingbar, jede dieser Kapseln mit dem gleichen Clock-Signal zu versorgen, damit die Kapseln im Gleichtakt laufen und die Samples auf jedem Kanal zur gleichen Zeit entstehen, wie auf den anderen Kanälen. Ausgewählt wurde eine Mikrofonkapsel mit einer Auflösung von 24bit und einer Samplerate von 48kHz. Diese besitzt digitale I/Os, auf denen die Kapsel mit den Clocks versorgt wird und die Daten im I²S-Format auf einem Bus bereit stellt. I²S-Frontend mit SingleBoardRIO-System Gesucht wurde nun eine Schnittstelle zwischen dem Computer, der die Mikrofonsignale als Zeitdaten speichert und den ca. 32 bis 64 Mikrofonen einer akustischen Kamera, die synchron und samplegenau die Schallwellen umwandeln. Da die Kapseln die digitalisierten Daten seriell auf dem Bus bereitstellen, ergibt sich eine Busgeschwindigkeit von 3,072MHz (64xsample rate). Um diese Busleitungen auszulesen, wird ein schnelles, digitales Frontend benötigt, welches das I²S-Protokoll entschlüsselt und die Daten dem PC zur Verfügung stellt. Zudem muss das System auf vielen Kanälen in Echtzeit im MHz-Frequenz-Bereich determinischtisch arbeiten. Um diese Leistung zu erbringen, war es nötig eine sehr performante Plattfom zu finden, die in Echtzeit arbeiten kann, viele schnelle Digitalkanäle zur Verfügung stellt und zusätzlich eine hohe Rechenleistung hat, um die I²S Signale zu entcrypten und in Echtzeit an einen PC weiterzuleiten. In dem I²S-Frontend kommt ein SingleBoardRIO-System der neuesten Generation von National Instruments zum Einsatz. Das FPGA übernimmt die Kommunikation mit den Sensoren und der RT-Controller die Übermittlung der Daten an den PC. An dem Frontend können 40 Mikrofone bei 48kHz simultan und kontinuierlich eingelesen werden. Ebenso ist es möglich, bis zu 64 Mikrofone bei einer Abtastrate von 25kHz zu betreiben. Die akustische Kamera Noise Inspector ist bereits als digitales System erhältlich und nutzt hochperformante Algorithmen wie, z.B. Beamfoming, akustische Holographie, Capon, Music, orthogonal Beamforming, oder Rotational Beamforming für sehr schnell drehende Objekte.