AT520106A1 - Method to control the dynamic range of a signal - Google Patents

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AT520106A1 ATA50570/2017A AT505702017A AT520106A1 AT 520106 A1 AT520106 A1 AT 520106A1 AT 505702017 A AT505702017 A AT 505702017A AT 520106 A1 AT520106 A1 AT 520106A1
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Modifizieren eines Eingangssignals, vorzugsweise eines Audiosignals, umfassend das Teilen des Eingangssignals in wenigstens einen ersten Eingangsteil und einen zweiten Eingangsteil, die Verstärkung wenigstens des ersten Eingangsteils mit einer linearen Verstärkung zum Erzeugen eines ersten Ausgangsteils und die nichtlineare Verstärkung wenigstens des zweiten Eingangsteils des Eingangssignals zum Erzeugen eines zweiten Ausgangsteils und das Summieren des ersten Ausgangsteils und des zweiten Ausgangsteils zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, und auf ein Hörgerätesystem, das wenigstens eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Eingangssignals, vorzugsweise eines Audiosignals, einen linearen Verstärker und wenigstens einen nichtlinearen Verstärker umfasst, die jeweils mit der Empfangseinheit verbunden sind, um wenigstens Teile des elektrischen Eingangssignals zu empfangen und zu verstärken oder zu modifizieren, und außerdem jeweils mit einer Summiereinheit verbunden sind, um die verstärkten Signale zu summieren, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Um eine Verringerung der Wahrscheinlichkeit von Pumpeffekten und hörbaren Sprüngen zu erreichen und die Verständlichkeit von gesprochenen Worten zu verbessern, wird für die nichtlineare Verstärkung ein mit dem zweiten Eingangsteil korreliertes momentanes Amplitudensignal erzeugt und zum Steuern der nichtlinearen Verstärkung verwendet oder umfasst der nichtlineare Verstärker eine Amplitudensignaleinheit zum Erzeugen eines momentanen Amplitudensignals und eine Kombinationseinheit zum Kombinieren des momentanen Amplitudensignals mit dem an den nichtlinearen Verstärker gelieferten Teil des Eingangssignals.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Modifizieren eines
Eingangssignals, vorzugsweise eines Audiosignals, umfassend das Teilen des
Eingangssignals in wenigstens einen ersten Eingangsteil und einen zweiten
Eingangsteil, die Verstärkung wenigstens des ersten Eingangsteils mit einer linearen Verstärkung zum Erzeugen eines ersten Ausgangsteils und die nichtlineare Verstärkung wenigstens des zweiten Eingangsteils des Eingangssignals zum Erzeugen eines zweiten Ausgangsteils und das Summieren des ersten Ausgangsteils und des zweiten Ausgangsteils zum Bereitstellen eines Ausgangssignals.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Hörgerätesystem, das wenigstens eine
Empfangseinheit zum Empfangen eines Eingangssignals, vorzugsweise eines
Audiosignals, einen linearen Verstärker und wenigstens einen nichtlinearen
Verstärker umfasst, die jeweils mit der Empfangseinheit verbunden sind, um wenigstens Teile des elektrischen Eingangssignals zu empfangen und zu verstärken oder zu modifizieren, und außerdem jeweils mit einer Summiereinheit verbunden sind, um die verstärkten Signale zu summieren, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.
In WO 98/18294 A1 werden Hörgeräte beschrieben, welche die Ein- und
Ausschwingzeit ausgleichen, um die Verständlichkeit der normalen Sprache zu erhöhen. Daher werden eine lineare Verstärkung und eine nichtlineare Verstärkung des Audiosignals getrennt durchgeführt und dann kombiniert, um das gewünschte Ausgangssignal zu erzeugen. Dadurch wird das Auftreten von unerwünschten
Pumpeffekten oder hörbaren Sprüngen reduziert. Die beschriebenen Systeme können Zeitkonstanten entsprechend einstellen, um diese Effekte zu verringern.
Aber dennoch haben die beschriebenen Systeme Probleme mit Pumpeffekten und hörbaren Sprüngen und sind nicht in der Lage, diese auf das gewünschte Niveau zu reduzieren. Dies führt zu einer mangelnden Verständlichkeit von gesprochenen Worten. Daher erfüllen die Systeme immer noch nicht vollständig die Bedürfnisse von hörgeschädigten Menschen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Wahrscheinlichkeit von Pumpeffekten und hörbaren Sprüngen weiter zu verringern. Eine weitere Aufgabe ist es, dies automatisch zu tun, so dass keine Zeitkonstanten manuell angepasst werden müssen, und somit die Verständlichkeit von gesprochener Sprache zu verbessern.
Die Anpassung des Hörgerätes sollte erleichtert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 1 oder durch eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst.
Durch die Verwendung eines momentanen Amplitudensignals A(t) zur Steuerung der nichtlinearen Verstärkung wird die Wahrscheinlichkeit von hörbaren Sprüngen drastisch reduziert. Es ist eine verzögerungsfreie Verarbeitung von Signalen möglich, aber im Gegensatz zu anderen Algorithmen, die mit verzögerungsfreier
Verarbeitung arbeiten, oder solchen mit sehr geringer Verzögerung erhöht dieser
Algorithmus überraschenderweise nicht die Wahrscheinlichkeit von Pumpeffekten.
Dieser bemerkenswerte Unterschied macht seine Anwendung unvermutet attraktiv, da die Verständlichkeit hierdurch stark verbessert wird. Das momentane Amplitudensignal A(t) wird in Echtzeit erzeugt und kann daher direkt zur Änderung des zweiten Eingangsteils verwendet werden.
Die lineare Verstärkung kann durch einen einzelnen Verstärker oder auch durch eine Anordnung von in Reihe und/oder parallel geschalteten linearen Verstärkern erzeugt werden. Die lineare Verstärkung kann einstellbar sein. Es ist möglich, den ersten Eingangsteil in verschiedene Unterteile zu teilen, um verschiedene lineare
Verstärker für verschiedene Teile des Signals bereitzustellen. Das Signal kann z.B. nach Frequenz unterteilt werden, um jedem linearen Verstärker ein definiertes
Frequenzband zu liefern. Dies kann durch Filtern des ersten Eingangsteils nach
Frequenz erfolgen, z.B. durch Hoch- und/oder Tiefpassfilter. Die Verstärkungen der linearen Verstärker können unterschiedlich festgelegt werden.
Die nichtlineare Verstärkung kann ebenfalls durch einen einzelnen Verstärker oder auch durch eine Anordnung von in Reihe oder parallel geschalteten nichtlinearen
Verstärkern erzeugt werden. Die Algorithmen der nichtlinearen Verstärker können unterschiedlich gewählt werden. Wie vorstehend für die lineare Verstärkung beschrieben, kann jeder nichtlineare Verstärker nur mit einem Unterteil des zweiten Eingangsteils beliefert werden. Neben der Unterteilung des zweiten Eingangsteils nach Frequenz könnte eine weitere Möglichkeit darin bestehen, den Eingangsteil nach Amplitude zu unterteilen.
Nachdem die Teilung des Eingangssignals in wenigstens einen ersten Eingangsteil und einen zweiten Eingangsteil erfolgt ist, kann das Eingangssignal in Teile von unterschiedlicher Form, beispielsweise abhängig von der Frequenz oder der
Amplitude, geteilt sein. Wenn jedoch der erste Eingangsteil das gesamte
Eingangssignal ist und der zweite Eingangsteil ebenfalls das gesamte
Eingangssignal ist, dann kann das gesamte Eingangssignal sowohl linear als auch nichtlinear verstärkt werden. Daher geht kein Amplitudenbereich oder
Frequenzbereich verloren.
Es ist vorteilhaft, wenn die Verstärkungscharakteristik des Ausgangssignals im
Verhältnis zum Eingangssignal einen ersten Amplitudenbereich mit einer im
Wesentlichen linearen ersten Verstärkung und einen zweiten Amplitudenbereich mit einer nichtlinearen Verstärkung, der niedrigere Amplituden als der erste Amplitudenbereich abdeckt, umfasst, wobei die Verstärkung des zweiten Amplitudenbereichs immer höher als oder so hoch wie die erste Verstärkung ist. Dies führt zu einer höheren Verstärkung der niedrigeren Amplituden und zu einer linearen Verstärkung der höheren Amplituden, was die Verständlichkeit von gesprochenen Worten verbessert. Die Verstärkungscharakteristika können abhängig von der Position des zweiten Amplitudenbereichs in Bezug auf den ersten Amplitudenbereich definiert sein. Zwischen dem ersten und dem zweiten Amplitudenbereich kann ein Umschaltbereich angeordnet sein, mit z.B. einer Verstärkung, die etwas kleiner ist als die lineare Verstärkung des ersten Amplitudenbereichs. Vorzugsweise beginnt jedoch der erste Amplitudenbereich bei einer Schwellenamplitude A und endet der zweite Amplitudenbereich bei der Schwellenamplitude A und wird die Schwellenamplitude A durch ein Einstellsignal bestimmt. Eine Kompression im Teil des Signals im zweiten Amplitudenbereich kann dann direkt in eine lineare Verstärkung im Teil des Signals im ersten
Amplitudenbereich übergehen. Das Einstellsignal kann die Schwellenamplitude bestimmen und kann damit den Amplitudenbereich festlegen, in dem eine
Kompression durchgeführt werden soll. Daher kann das Einstellsignal je nach
Fortschreiten des Hörverlustes des Benutzers geändert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verstärkung des zweiten
Eingangsteils die Verstärkung mit einer linearen Verstärkung. Dies ist von Vorteil, da die zusätzliche lineare Verstärkung eine minimale Verstärkung für den zweiten
Eingangsteil gewährleisten kann. Natürlich könnte die lineare Verstärkung dieser
Verstärkung unabhängig von der nichtlinearen Verstärkung oder der linearen
Verstärkung der Verstärkung des ersten Eingangsteils einstellbar sein. Auf diese
Weise kann der Pegel der nichtlinearen Verstärkung justiert werden. Diese lineare
Verstärkung kann vor oder nach der nichtlinearen Verstärkung erfolgen.
Wenn für die nichtlineare Verstärkung der zweite Eingangsteil durch die Summe aus dem momentanen Amplitudensignal A(t) und einem absoluten Term K dividiert wird, kann die Division durch 0 durch den Term K verhindert werden. Außerdem kann der Kompressionsgrad durch den Wert des Terms K bestimmt werden.
Wenn das momentane Amplitudensignal A(t) zur Steuerung der Verstärkung der nichtlinearen Verstärkung verwendet wird, kann auf leichte Weise eine Kompression oder Expansion des zweiten Eingangsteils erreicht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das momentane Amplitudensignal A(t) erzeugt, indem ein analytisches Signal, das aus zwei Hilbert-Signalen h1(t) und h2(t) mit dem gleichen Energiespektrum wie der zweite Eingangsteil besteht, erzeugt wird und die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Hilbert
Signale h1(t) und h2(t) berechnet wird. Auf diese Weise kann eine sehr schnelle
Kompression von hoher Qualität erreicht werden. Der Begriff "analytisches Signal" bezeichnet ein komplexes Signal, dessen Imaginärteil die Hilbert-Transformierte des Realteils darstellt. Die mathematischen Grundlagen sind bekannt und sind zum Beispiel in R.B. Randall: "Frequency Analysis", Brüel & Kjaer, 1987, ausführlich erläutert. Aufgrund dieser Eigenschaft werden die beiden Komponenten des analytischen Signals kurz als Hilbert-Signale h1(t) und h2(t) bezeichnet werden. Die Hilbert-Transformation erzeugt aus einer Funktion eine andere Funktion, deren Amplitudenspektrum identisch ist, deren Phasenverhältnis aber in allen Frequenzen um π/2 verschoben ist. Grundsätzlich wäre es möglich, das Eingangssignal einer solchen Hilbert-Transformation zu unterziehen. Dies ist jedoch in einer Schaltung sehr schwer zu realisieren. Dennoch ist es leicht möglich, zwei Ausgangssignale zu erzeugen, die beide mit dem Eingangssignal im Amplitudenspektrum übereinstimmen und deren Phasenverhältnis zueinander um π/2 verschoben ist.
Das momentane Amplitudensignal A(t) wird durch Berechnen der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der beiden Hilbert-Signale h1(t) und h2(t) gewonnen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Hörgerätesystem, bei dem der nichtlineare Verstärker eine Amplitudensignaleinheit zum Erzeugen eines momentanen
Amplitudensignals A(t) und eine Kombinationseinheit zum Kombinieren des momentanen Amplitudensignals A(t) mit dem an den nichtlinearen Verstärker gelieferten Teil des Eingangssignals umfasst. Das System ist gemäß der Erfindung in einer solchen Weise ausgestaltet, dass eine Amplitudensignaleinheit vorgesehen ist, mit der ein momentanes Amplitudensignal A(t) erzeugbar ist, dessen momentane Stärke im Wesentlichen proportional zur momentanen Amplitude des an ihrem Eingang bereitgestellten Teils des Eingangssignals ist, und dass ferner eine Kombinationseinheit vorgesehen ist, in der das momentane Amplitudensignal A(t) mit diesem Teil des Eingangssignals kombiniert wird. Vorzugsweise umfasst die Kombinationseinheit eine Dividiererschaltung, bei der der zweite Eingangsteil durch das momentane Amplitudensignal A(t) dividiert werden kann. Auf diese Weise wird eine starke Reduzierung des Lautstärkebereichs erreicht. Um eine verbotene
Division durch Null zu verhindern, können ein Addierer sowie eine einstellbare
Signalquelle vorgesehen werden, wobei der Ausgang der Amplitudensignaleinheit und die einstellbare Signalquelle mit den Eingängen des Addierers verbunden sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass an den
Ausgang der Amplitudensignaleinheit ein nichtlinearer Transformator angeschlossen ist, der einen spannungsgesteuerten Verstärker für den Teil des Eingangssignals steuert, der von der Empfangseinheit an den nichtlinearen Verstärker geliefert wird. Abhängig von den Eigenschaften des nichtlinearen Transformators ist es möglich, jede gewünschte Transformationsfunktion zu realisieren. Der spannungsgesteuerte Verstärker bildet in Kombination mit dem nichtlinearen Transformator die
Kombinationseinheit. Es kann auch vorgesehen sein, dass mit dem nichtlinearen
Transformator ein Zeitglied in Reihe geschaltet ist. Das Zeitglied, das eine
Verzögerungseinheit sein kann, ermöglicht es auch, Einfluss auf die Steigung von
Signalanstiegen zu nehmen. Vorzugsweise umfasst die Amplitudensignaleinheit eine Hilbertschaltung mit zwei Ausgängen, die mit zwei Hilbert-Signalen h1(t) und h2(t) gespeist werden, die aus dem an den nichtlinearen Verstärker gelieferten Teil des Eingangssignals gewonnen werden, wobei diese Hilbert-Signale die Komponenten des analytischen Signals darstellen, und eine Logikschaltung, die zwei Eingänge aufweist, die mit den Ausgängen der Hilbertschaltung verbunden sind, und aus den beiden Signalen h1(t) und h2(t), die den Eingängen zugespeist werden, gemäß dem folgenden Algorithmus ein Ausgangssignal A(t) erzeugt:
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die das Ein-/Ausgangsverhalten einer Schaltung wie der in Fig. 1 dargestellten bei verschiedenen Werten des Einstellsignals veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen:
In Fig. 1 ist eine typische Ausführungsform der Erfindung als schematisches Blockschaltbild dargestellt. Ein Eingangssignal kann an die Schnittstelle 1 angelegt werden, um an eine Empfangseinheit 2 geliefert zu werden. Die Empfangseinheit 2 teilt das Eingangssignal in einen ersten Eingangsteil und einen zweiten Eingangsteil und liefert den ersten Eingangsteil an einen linearen Verstärker 3 und den zweiten Eingangsteil an einen nichtlinearen Verstärker 4. Bei dieser Ausführungsform entsprechen der erste Eingangsteil und der zweite Eingangsteil beide dem gesamten Eingangssignal. Der lineare Verstärker 3 verfügt über einen zweiten Eingang 3a zum Empfangen eines Signals, das den Wert der linearen Verstärkung angibt. Der nichtlineare Verstärker 4 verfügt über einen dritten Eingang 4a zum Empfangen eines Einstellsignals 5. Diese Signale können über ein Potentiometer bereitgestellt werden, das vom Benutzer des Hörgerätes eingestellt werden kann. Der lineare Verstärker 3 erzeugt auf der Basis seiner Eingänge ein verstärktes erstes Ausgangssignal und sendet es an eine Summiereinheit 6. Der nichtlineare Verstärker 4 erzeugt ebenfalls auf Basis seiner Eingänge ein verstärktes Signal, nämlich ein zweites Ausgangssignal, das ebenfalls an die Summiereinheit 6 gesendet wird. Das erste und das zweite Ausgangssignal werden summiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das am Ausgang 7 bereitgestellt wird.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Amplituden des Ausgangssignals von den Amplituden des Eingangssignals. Die Kurve, welche die Beziehung der Amplituden beschreibt, ist in vier verschiedenen Formen dargestellt, die durch vier verschiedene Werte des Einstellsignals 5 definiert sind. Die lineare
Verstärkungskurve 10 beschreibt die Beziehung bei einer linearen Verstärkung,
wenn das Einstellsignal eine Schwellenamplitude A auf 0 setzt. Bei dieser
Einstellung erfolgt keine nichtlineare Verstärkung. Bei einer ersten
Kompressionskurve 11 hat das Einstellsignal einen niedrigen Wert und stellt eine niedrige Schwellenamplitude A1 ein. Eine Kompression des Signals erfolgt nur bei sehr geringen Amplituden. Amplituden oberhalb der niedrigen Schwellenamplitude A1 werden mit einer linearen Verstärkung verstärkt, aber Amplituden unterhalb der niedrigen Schwellenamplitude A1 werden mit einer höheren Verstärkung als die lineare Verstärkung verstärkt und können daher besser gehört werden. Diese
Einstellung wird für Personen mit einem erst beginnenden Hörverlust bevorzugt.
Eine zweite Kompressionskurve 12 und eine dritte Kompressionskurve 13 zeigen die Kurve, wenn ein höherer Wert oder ein sehr hoher Wert des Einstellsignals 5 eingestellt ist und damit eine höhere Schwellenamplitude A2 oder eine sehr hohe Schwellenamplitude A3 eingestellt ist. Diese Einstellungen sind vorteilhaft für einen fortgeschrittenen Hörverlust.

Claims (10)

  1. P A T E N T A N S P R Ü C H E
    1. Verfahren zum Modifizieren eines Eingangssignals, vorzugsweise eines Audiosignals, umfassend das Teilen des Eingangssignals in wenigstens einen ersten Eingangsteil und einen zweiten Eingangsteil, die Verstärkung wenigstens des ersten Eingangsteils mit einer linearen Verstärkung zum Erzeugen eines ersten Ausgangsteils und die nichtlineare Verstärkung wenigstens des zweiten Eingangsteils des Eingangssignals zum Erzeugen eines zweiten Ausgangsteils und das Summieren des ersten Ausgangsteils und des zweiten Ausgangsteils zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, dass für die nichtlineare Verstärkung ein mit dem zweiten Eingangsteil korreliertes momentanes Amplitudensignal erzeugt und zum Steuern der nichtlinearen Verstärkung verwendet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingangsteil das gesamte Eingangssignal ist und der zweite Eingangsteil ebenfalls das gesamte Eingangssignal ist.
  3. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungscharakteristik des Ausgangssignals im Verhältnis zum Eingangssignal einen ersten Amplitudenbereich mit einer im Wesentlichen linearen ersten Verstärkung und einen zweiten Amplitudenbereich mit einer nichtlinearen Verstärkung, der niedrigere Amplituden als der erste Amplitudenbereich abdeckt, umfasst, wobei die Verstärkung des zweiten Amplitudenbereichs immer höher als oder so hoch wie die erste Verstärkung ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Amplitudenbereich bei einer Schwellenamplitude A beginnt und der zweite Amplitudenbereich bei der Schwellenamplitude A endet und die Schwellenamplitude A durch ein Einstellsignal (5) bestimmt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des zweiten Eingangsteils die Verstärkung mit einer linearen Verstärkung umfasst.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die nichtlineare Verstärkung der zweite Eingangsteil durch die Summe aus dem momentanen Amplitudensignal und einem absoluten Term K dividiert wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das momentane Amplitudensignal verwendet wird, um die Verstärkung der nichtlinearen Verstärkung zu steuern.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das momentane Amplitudensignal erzeugt wird, indem ein analytisches Signal, das aus zwei Hilbert-Signalen mit dem gleichen Energiespektrum wie der zweite Eingangsteil besteht, erzeugt wird und die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Hilbert-Signale berechnet wird.
  9. 9. Hörgerätesystem, das wenigstens eine Empfangseinheit (2) zum Empfangen eines Eingangssignals, vorzugsweise eines Audiosignals, einen linearen Verstärker (3) und wenigstens einen nichtlinearen Verstärker (4) umfasst, die jeweils mit der Empfangseinheit (2) verbunden sind, um wenigstens Teile des elektrischen Eingangssignals zu empfangen und zu verstärken oder zu modifizieren, und außerdem jeweils mit einer Summiereinheit (6) verbunden sind, um die verstärkten Signale zu summieren, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker (4) eine Amplitudensignaleinheit zum Erzeugen eines momentanen Amplitudensignals und eine Kombinationseinheit zum Kombinieren des momentanen Amplitudensignals mit dem Teil des an den nichtlinearen Verstärker (4) gelieferten Eingangssignals umfasst.
  10. 10. Hörgerätesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker (4) eine Hilbertschaltung mit zwei Ausgängen zum Bereitstellen von zwei Hilbert-Signalen, die auf der Basis des an die Hilbertschaltung gelieferten Teils des Eingangssignals erzeugt werden, und eine mit der Hilbertschaltung verbundene Fusionseinheit zum Berechnen eines Ausgangssignals auf der Basis der Hilbertsignale unter Verwendung des folgenden Algorithmus umfasst:
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