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Voice over CAN

Digitale Audioübertragung über den CAN-Bus

20. November 2013, 13:25 Uhr   |  Ulrich Bschorer und Gabriele Cappelli

Digitale Audioübertragung über den CAN-Bus
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Voice over CAN

Digitale Übertragung von Sprache und Musik in Mobilfunk und Internet ist längst Standard. Für eine effiziente Übertragung spielen Audio-Codecs eine wichtige Rolle. Sie reduzieren die benötigte Bitrate des digitalen Audiosignals. Das macht sie für den Einsatz in Systemen mit niedriger Übertragungskapazität interessant. Ein Team von Mixed Mode hat die Einsatzmöglichkeit von Audio-Codecs mit dem CAN-Bus untersucht.

Bild 1. Das STM32F4 Discovery Board von STMicroelectronics verfügt über ein integriertes Mikrofon und einen Audioausgang für Kopfhörer oder Lautsprecher. Als CAN Transceiver kommt ein Microchip MCP2551 zum Einsatz. Zur Messung der CAN-Bus-Auslastung
© Mixed Mode

Bild 1. Das STM32F4 Discovery Board von STMicroelectronics verfügt über ein integriertes Mikrofon und einen Audioausgang für Kopfhörer oder Lautsprecher. Als CAN Transceiver kommt ein Microchip MCP2551 zum Einsatz. Zur Messung der CAN-Bus-Auslastung wurde ein CAN Adapter von Ixxat verwendet.

Die Übertragungskapazität des CAN-Bus ist geringer als bei Ethernet, allerdings ist CAN echtzeitfähig und besonders für zeitkritische Aufgaben geeignet. Daher ist er in der Automatisierungstechnik, Luft- und Raumfahrt sowie in Autos und Schienenfahrzeugen weit verbreitet. Auch für digitale Audioübertragung ist der CAN-Bus geeignet. So ist schon lange bekannt, dass darüber Sprache übertragen werden kann [1], aber die Qualität von Musikübertragung ließ zu wünschen übrig und funktionierte halbwegs zufriedenstellend nur über kurze Distanzen. Der Ansatz von Mixed Mode bestand darin, die Steigerung der Übertragungsqualität und eine Senkung der benötigten Bitrate mit modernen Audio-Codecs zu versuchen, um den CAN-Bus auf diese Weise auch über größere Distanzen für die Audioübertragung nutzbar zu machen. Anhand eines einfachen Labor-aufbaus und drei Testszenarien werden nachfolgend die Möglichkeiten des CAN-Bus in Kombination mit Audio-Codecs demonstriert.

Laboraufbau simuliert Kommunikationsverbindung

Bild 2. Die zwei Evaluation Boards STM32F4Discovery sind am CAN-Bus zusammen mit einem CAN Analyzer angeschlossen. Jedes Board hat einen Kopfhörer und ein Mikrofon.
© Elektronik

Bild 2. Die zwei Evaluation Boards STM32F4Discovery sind am CAN-Bus zusammen mit einem CAN Analyzer angeschlossen. Jedes Board hat einen Kopfhörer und ein Mikrofon.

Der Laboraufbau besteht aus Komponenten, die leicht zu beschaffen sind. Bild 1 zeigt das STM32F4 Discovery Board von STMicroelectronics. Dieses Board verfügt über ein integriertes Mikrofon und einen Audioausgang für Kopfhörer oder Lautsprecher. Der CAN-Transceiver ist ein Microchip MCP2551. Zur Messung der CAN-Bus-Auslastung wurde ein CAN-Adapter von Ixxat verwendet. Bild 2 demonstriert den schematischen Laboraufbau: Zwei dieser Boards sind am CAN-Bus angeschlossen. Auf den Boards ist eine selbst entwickelte Testapplikation installiert, die das Audiosignal des Mikrofons digitalisiert und mit dem CAN-Bus zur jeweiligen Gegenstelle sendet. Dort wird das Audiosignal über den Kopfhörer wiedergegeben. So simulierte Mixed Mode eine Beschallungsanlage und eine Kommunikationsverbindung mit zwei Teilnehmern. Während der Audioübertragung wurde die CAN-Auslastung mit dem CAN-Adapter und einer Analyse-Software gemessen. Die Qualität des übertragenen Audiosignals wurde durch manuelle Tests und die unbestechlichen Ohren von Kollegen beurteilt. Bei Audio-Anwendungen im öffentlichen Bereich (z.B. bei Beschallungs- und Evakuierungsanlagen) würde eine Überprüfung der Sprachverständlichkeit anhand der STIPA-Norm (Speech Transmission Index for Public Address Systems, [2]) erfolgen. Im Laboraufbau wurde jedoch im Rahmen dieser Demonstration auf eine STIPA-Messung verzichtet.

Audiosysteme in der Praxis

In der Praxis muss man beim Einbau von Mikrofonen die Einflüsse der Umgebung beachten. Häufig ist mit Störquellen zu rechnen wie z.B. Motorengeräusche, Lüfteranlagen und vorhandene Lautsprechersysteme. Insbesondere beim Vollduplex-Betrieb kann es in Verbindung mit Lautsprechern zu Rückkopplungen kommen. Mit Hilfe von Echounterdrückungs- und Nebengeräusch-Filtern können sie kompensiert werden. Im Laboraufbau wurden Rückkopplungen durch den Verzicht auf Lautsprecher und den Einsatz von Kopfhörern vermieden. Wenn die Wiedergabe über mehrere Lautsprecher von unterschiedlichen Abspielgeräten aus erfolgen soll, kann das Problem einer phasenverschobenen Wiedergabe auftreten. Dies muss beim Design eines Audiosystems berücksichtigt werden.

Die ausgewählten Testszenarien sind typische Anwendungsfälle aus dem Audiobereich: uni- und bidirektionale Sprachübertragung und Musik-Übertragung. Die benötigte Bitrate für die Testszenarien wurde berechnet und die CAN-Auslastung im Laboraufbau gemessen.

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1. Digitale Audioübertragung über den CAN-Bus
2. Sprache und Musik über den Bus
3. Übertragungskapazitäten des CAN-Bus
4. Auslastung des CAN-Bus variiert stark

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