CN101789239B - 便携式听音设备中的音频处理 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了在便携式听音设备中处理音频信号的方法，音频信号包括具有LF带宽ΔfLF的低频部分和具有HF带宽ΔfHF的高频部分。本发明方法包括：a)提供由具有LF带宽ΔfLF的所述低频部分组成的音频输入信号；b)对音频信号的低频部分执行至少一信号处理步骤；及c)对音频信号的所述低频部分执行带宽扩展处理以产生音频信号的所述高频部分，从而产生或再生具有全带宽Δffull即包括所述LF带宽ΔfLF和所述HF带宽ΔfHF的音频输出信号。本发明提高了便携式听音设备的性能或使其功耗降低。本发明可用于便携式通信设备、移动电话或听音设备如助听器等。

Description

便携式听音设备中的音频处理
技术领域
本发明涉及便携式设备中着眼于保持功耗相对低的音频处理。本发明具体涉及在便携式听音设备中处理音频信号的方法，音频信号包括具有LF带宽ΔfLF的低频部分和具有HF带宽ΔfHF的高频部分。
本发明还涉及便携式听音设备、听音系统及运行听音设备的方法。
例如，本发明可用在如便携式通信设备、移动电话或听音设备的应用中，如助听器、耳朵保护设备、头戴式耳机、头挂听筒等。
背景技术
人类听觉系统的频率分辨率由于人类频率分辨率的对数性质在高频时远低于在低频时的分辨率。该事实与大多数音频信号跨频率包含许多信息冗余的事实结合已导致称为带宽扩展的技术。使用该技术，缺少一些频率范围的信号可被重构。该技术的一个例子称为频带复制(SBR)(例如参见EP 1367566 B1或WO 2007/006658 A1)。由于人类频率分辨率的对数性质，从较低频率重构较高频率不太复杂，而没有听得见的假象，反之亦然。
带宽扩展是众所周知的如音频编码和电信系统的应用中使用的技术。在音频编码时，带宽扩展的目的是提高编码效率。在电信系统中，带宽扩展的目的是人为增加有限的信号带宽。
[Murakami等，2002]描述了降噪方法，其中对下采样的输入信号进行降噪，及随后使用“径向基函数”(RBF)网络将带宽扩展(BWX)技术应用于降噪后的信号。
US2007/0124140 A1描述了BWX在电信系统中的使用，其中所传送的信号表示电话会话，其在传送通道中限于低频率，在接收器侧使用BWX增强。
发明内容
本发明在音频信号的信号处理中利用带宽扩展技术以在便携式听音设备中提高性能或节约电池功率，便携式听音设备如助听器、耳朵保护设备、头戴式耳机或一对头挂听筒。
本发明涉及便携式听音设备中具有全带宽Δffull的音频信号的处理和产生，音频信号包括具有LF带宽ΔfLF的低频(LF)部分和具有HF带宽ΔfHF的高频(HF)部分，f表示频率。
通常，听音设备中的信号处理对全带宽信号执行。在该发明的一方面，大量信号处理(如模数(A/D)转换、时频变换、压缩、降噪、反馈抑制、定向性等)对具有低频带宽(BW，如BW＝5kHz)的信号执行。根据Nyquist准则，需要两倍于带宽的采样率频率(Fs)(如Fs＝10kHz)。在较高频率(如5-10kHz)的信号分量使用带宽扩展从较低频率进行估计，如正好在信号馈给输出变换器(如接收器(扬声器)单元)以呈现给用户之前，藉此降低功耗。
在该发明的一方面，目标是降低用于将音频流到听音设备的无线链路的负载，藉此降低功耗或增大传输范围。
本发明的目标是在便携式听音设备中提高性能或节约功率。
本发明的目标由附图所述的及下面所述的本发明的实施方式实现。
处理音频信号的方法：
在发明的一方面，提供了在便携式听音设备中处理音频信号的方法，音频信号包括具有LF带宽ΔfLF的低频部分和具有HF带宽ΔfHF的高频部分。该方法包括：a)提供由具有LF带宽ΔfLF的所述低频部分组成的音频输入信号；b)对该音频信号的低频部分执行至少一信号处理步骤；及c)对该音频信号的所述低频部分执行带宽扩展处理以产生该音频信号的所述高频部分，从而产生或再生具有全带宽Δffull即包括所述LF带宽ΔfLF和所述HF带宽ΔfHF的音频输出信号。
这样做的优点在于功耗降低。
频带有限的音频信号的带宽扩展例如在EP 1 638 083 A1中论述。在实施例中，所使用的带宽扩展方法适应听音设备预期暴露给其的信号(音乐、言语、言语和噪声、信号水平、信号能量等)的特性。在实施例中，根据声输入信号的特性，听音设备适于使用不同的带宽扩展方法。
在实施例中，听音设备所考虑的(因而与包括带宽的LF部分ΔfLF和带宽的HF部分ΔfHF的音频信号有关的)频率范围Δf＝[fmin；fmax](其中fmin为最小频率及fmax为最大频率)限于典型的人类听得见的频率范围的一部分(20Hz≤f≤20kHz)并分为K个频带(FB)(FB1，FB2，....，FBK)。在实施例中，频带数量K大于或等于2，如K＝8或16或32或64或更大。
在实施例中，音频信号适于安排成时间帧，每一时间帧包括预定数量N的数字时间样本xn(n＝1，2，...，N)，每一时间样本xn构成具体时间tn的信号值(如其幅值)，对应于帧时长L＝N/fs，其中fs为模数转换单元的采样频率。在实施例中，时间帧具有至少8ms的时长，如至少24ms，如至少50ms，如至少80ms。在实施例中，模数转换单元的采样频率fs大于1kHz，如大于4kHz，如大于8kHz，如大于16kHz。在实施例中，采样频率在1kHz和40kHz之间的范围中，如10kHz或20kHz。在实施例中，在便携式听音设备的不同部分的采样频率不同。在实施例中，输入信号的帧通过逐帧变换时间帧而处理成时频表示以提供频率样本的相应频谱，时频表示由TF单元构成，每一TF单元包括输入信号在特定时间和频率单元的复值(幅值和相位)。给定时间单元中的频率样本可安排成频带FBk(k＝1，2，...，K)，每一频带包括一个或多个频率单元(样本)。
在实施例中，来自低频部分的一个或多个频带用作施主频带，及这些施主频带的谱含量复制及可能缩放到高频部分的一个或多个目标频带。确定含频量从施主到目标频带的预定缩放比例以使信号中的假象最小化。这样的最小化可借助于人类听觉系统的模型实现。术语“频带的谱含量”在本说明书中意为由所涉及频带代表的信号的频率成分的(复)值。总的来说，给定频率的谱含量包括该频率的信号在给定时间的相应幅值和相位值(例如，由时变输入信号在给定时间的时频变换确定，或该给定时间的给定时间增量)。在实施例中，只考虑信号的幅值。
在特定实施例中，信号的高频部分通过频带复制重构。在实施例中，来自信号的低频部分的一个或多个频带用于重构信号的高频部分。频带复制的详细情况总体上在EP 1 367 566 B1中论述，及在WO2007/006658 A1中连同听音设备如助听器中的应用一起论述。
总的来说，可以预见，由Δffull构成的范围实质上等于ΔfLF和ΔfHF的和。然而，有意使ΔfLF和ΔfHF可构成听得见的频率范围(通常考虑为在20Hz和20kHz之间)的非相邻范围，ΔfLF定义最小LF频率fLF，min和最大LF频率fLF，max之间的频率范围，及ΔfHF定义最小HF频率fHF，min和最大HF频率fHF，max之间的频率范围，其中fLF，max≤fHF，min。
在实施例中，频率范围ΔfLF和ΔfHF由预定LF-HF分隔频率fLF-HF分开。术语“由预定LF-HF频率fLF-HF分开”可包括LF-HF频率位于ΔfLF和ΔfHF之间(fLF，max和fHF，min之间)的频率范围中且不是范围ΔfLF和ΔfHF的共同端点的情形(即，两个范围ΔfLF和ΔfHF由中间范围分开)。在实施例中，fLF-HF＝fLF，max＝fHF，min。在实施例中，LF带宽ΔfLF构成音频信号的全带宽Δffull的0.7倍或更少，如0.5倍或更少，如0.4倍或更少，如0.25倍或更少。在实施例中，LF带宽ΔfLF构成听音设备考虑的(如经输出变换器呈现给用户的)音频信号的全带宽Δffull的0.5倍或更多(如0.6倍或更多，如0.7倍或更多)。
在特定实施例中，预定分隔频率fLF-HF在2kHz和8kHz之间的范围中，如在3kHz和7kHz之间，如在4kHz和6kHz之间，例如约5kHz。
在特定实施例中，低频部分具有从3Hz到300Hz的范围中的最小频率fLF，min，如从5Hz到100Hz，如20Hz。
在特定实施例中，高频部分具有从4kHz到20kHz的范围中的最大频率fHF，max，如从7kHz到12kHz，如10kHz。
优选地，对信号的低频部分执行的至少一信号处理步骤包括更多功耗步骤，如无线传输/接收、A/D转换、时频转换、信号处理如提取定向信息中的一个或多个(如大部分或全部)，提供适当的随频率变化的增益轮廓、压缩、降噪、声反馈抑制等。
在特定实施例中，音频信号的低频部分由便携式听音设备的输入变换器如传声器拾取。在实施例中，音频信号通过模数(AD)转换器转换为数字信号。在实施例中，模数转换器以适于提供具有LF带宽ΔfLF的所述低频部分的第一采样率Fs1进行采样(藉此相较于使用较高的采样率提供全带宽信号节约功率)。在实施例中，对音频信号滤波以提供具有LF带宽ΔfLF的所述低频部分。
在特定实施例中，音频信号(或其部分)的低频部分由便携式听音设备从另一设备如从音频网关或娱乐设备如音乐播放器或移动电话经有线或无线连接接收。在特定实施例中，音频信号的低频部分无线传输到便携式听音设备。
在特定实施例中，全带宽音频输出信号馈给数模(DA)转换器。在实施例中，数模转换器以第二采样率Fs2进行采样(适于对应于通过带宽扩展重构的全带宽信号)。在特定实施例中，全带宽音频输出信号或DA转换后的全带宽音频输出信号馈给输出变换器如接收器(扬声器)以呈现给便携式听音设备的佩戴者。作为备选，输出变换器可以是耳蜗植入的电极或骨导设备的机电变换器。
在实施例中，第一采样率Fs1小于第二采样率Fs2。在特定实施例中，第一采样率Fs1和第二采样率Fs2的比等于低频部分的带宽ΔfLF与音频信号的全带宽Δffull的比，如0.7或更小、0.5或更小、0.4或更小、0.25或更小。
在特定实施例中，听音设备包括助听器、耳朵保护设备、头戴式耳机、头挂听筒或其组合。
此外，本发明提供储存计算机程序的有形计算机可读介质，计算机程序包括程序代码，当所述计算机程序在数据处理系统上运行时，其使数据处理系统执行上面所述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的至少部分步骤(如至少步骤b)和c)，如全部)。除了保存在有形介质如软盘、CD-ROM、DVD或硬盘介质或任何其它机器可读介质上之外，计算机程序也可经传输介质如有线或无线链路或网络如因特网进行传送并装入数据处理系统以在不同于有形介质的位置处运行。
此外，本发明提供数据处理系统，该数据处理系统包括处理器及使处理器执行如上所述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的至少部分步骤(如至少步骤b)和c)，如全部)的程序代码。
便携式听音设备：
另一方面，提供便携式听音设备，包括信号处理器和带宽扩展单元，信号处理器适于处理低频带宽输入音频信号并提供处理后的低带宽信号，带宽扩展单元适于基于处理后的低带宽信号提供全带宽输出信号。
可以预计，当由相应的结构特征适当代替时，上面所述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的过程特征可与(便携式听音)设备结合，反之亦然。设备的实施例具有与相应方法一样的优点。
在特定实施例中，便携式听音设备还包括用于产生低频带宽输入音频信号或其部分的传声器和A/D转换器(可能使用滤波器，如低通滤波器，如数字滤波器)。在实施例中，模数(A/D)转换器以第一采样率Fs1进行采样。通过在A/D转换器中使用对应于低频带宽信号的LF带宽的相对低的采样率Fs1，(相比于转换全带宽信号)节约功率并省略滤波器。
在特定实施例中，信号处理器为数字信号处理器。
在特定实施例中，便携式听音设备包括时间到时频转换单元(及相应的时频到时间转换单元)以在多个频带或范围提供时变输入信号(及合成来自多个处理后频带具体信号的时变输出信号)。在特定实施例中，信号处理器适于在多个分开的频带或范围处理低频带宽输入信号。在实施例中，带宽扩展单元适于对每一分开的频带或范围起作用(例如参见WO 2007/006658 A1中的图1和6及相应描述)。
在特定实施例中，带宽扩展单元实现：全带宽(Δffull)输出信号以第二采样率Fs2进行采样。在特定实施例中，第一采样率Fs1和第二采样率Fs2的比等于低频部分的带宽ΔfLF与音频信号的全带宽Δffull的比，如0.7或更小、0.5或更小、0.4或更小、0.25或更小。
在特定实施例中，全带宽音频输出信号馈给数模(DA)转换器以将数字全带宽输出信号转换为模拟全带宽输出信号。在实施例中，数模转换器以第二采样率Fs2进行采样。在特定实施例中，便携式听音设备还包括输出变换器如接收器(扬声器)以将全带宽输出信号呈现给听音设备的佩戴者。作为备选，输出变换器可以是耳蜗植入的电极或骨导设备的机电变换器。
在特定实施例中，便携式听音设备还包括适于经无线链路从另一设备接收所述低频带宽输入音频信号(或其部分)的无线接口。在实施例中，无线接口包括天线和接收器或收发器电路，接收器或收发器电路例如包括适当的解调单元以从所接收的无线信号提取音频信号(如包括带宽ΔfLF的低频部分或由其构成)。在实施例中，天线和接收器或收发器电路包括感应线圈及相应的电路，用于经到另一设备中的相应感应线圈的感应耦合从另一设备接收信号(及可能将信号传送给另一设备)。作为备选，天线和接收器或收发器电路适于远场(辐射场)通信。在实施例中，听音设备包括从传声器和无线接口接收输入的选择器或混合单元，选择器或混合单元适于将输入之一或输入的加权混合提供为输出。在实施例中，音频信号的低频部分的第一子部分(包括LF带宽ΔfLF的第一部分ΔfLF-1)由传声器拾取并作为第一输入馈给选择器或混合单元，及音频信号的低频部分的第二子部分(包括LF带宽ΔfLF的第二部分ΔfLF-2)经无线接口进行接收并作为第二输入馈给选择器或混合单元。在实施例中，选择器或混合单元适于组合第一和第二输入以将组合的音频信号低频部分提供给信号处理单元，组合信号具有LF带宽ΔfLF。这具有需要甚至更少的链路带宽的优点(从而节约功率或使传输范围增大)。
在特定实施例中，便携式听音设备包括分析单元，用于确定输入信号的类型并提供指示类型的控制信号。在特定实施例中，带宽扩展单元包括几种不同的用于根据控制信号实现带宽扩展的方案。
在特定实施例中，听音设备包括助听器或头戴式耳机或有源耳塞或头挂听筒或其组合。
在特定实施例中，便携式听音设备适于根据上面、“具体实施方式”部分中、附图中或权利要求中描述的方法提供全带宽输出信号。
听音系统：
另一方面，提供包括第一和第二设备的听音系统，第一设备为适于将电输出音频信号呈现给第一听音设备的佩戴者的便携式听音设备，电输出音频信号具有包括低频部分和高频部分的全带宽Δffull，其中第二设备包括用于无线发射低频信号的无线发射器，及第一设备包括a)用于接收所述低频信号的无线接收器，和b)用于构建或产生(再生)电输出音频信号的高频部分的带宽扩展单元，高频部分具有HF带宽ΔfHF，带宽扩展单元还用于基于具有LF带宽ΔfLF的所述低频信号和具有HF带宽ΔfHF的所述高频信号或包括二者而形成具有全带宽Δffull的电输出音频信号。
可以预计，当由相应的结构特征适当代替时，上面所述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的过程特征可与系统结合，反之亦然。系统的实施例具有与相应方法一样的优点。
在特定实施例中，第一设备包括适于处理低频输入信号及将处理后低频输出信号提供给带宽扩展单元的信号处理器。
在实施例中，第二设备包括用于将输入声音转换为电输入信号的输入变换器，及包括频率限制单元如低通滤波器和/或A/D转换单元，用于产生具有LF带宽ΔfLF的信号(或至少其部分)的所述低频部分以无线传送给第一设备。在特定实施例中，第二设备为便携式设备。在特定实施例中，(第一)便携式听音设备包括用于将输入声音转换为电输入信号的输入变换器及用于产生以第一采样率Fs1采样的低频带宽输入音频信号的A/D转换器。通过在A/D转换器中使用对应于低频带宽信号的LF带宽的相对低的采样率Fs1，得以节约功率(相比于转换全带宽信号)。
在特定实施例中，无线发射器和接收器适于提供近场通信系统，例如基于(分别位于)第一和第二设备(中的天线线圈)之间的感应耦合，当所述第一和第二设备彼此位于运行距离中时，所述低频信号的所述传输可基于该感应耦合。这样的系统例如在US 2005/0255843A1中描述。作为备选，由无线发射器和接收器建立的无线传输链路可基于辐射场。无线链路可适于使用模拟(如FM或AM)或数字调制，如根据蓝牙或DECT标准。
在实施例中，第二设备包括用于(例如从移动电话或娱乐设备)接收包括音频信号的信号并基于其提供电输入信号(例如包括音频信号或由音频信号组成)的电接口；及包括频率限制单元如低通滤波器和/或A/D转换单元，用于产生具有LF带宽ΔfLF的信号(或其部分)的所述低频部分以从所述电输入信号无线传送给第一设备。
在特定实施例中，第一(便携式听音)设备包括上面、“具体实施方式”部分、附图或权利要求描述的便携式听音设备。
在特定实施例中，第二设备选自下组：听音设备(如双耳系统的助听器)、移动电话、音频选择设备(如适于接收多个音频信号及适于将所选择音频信号传送给第一设备的音频网关)、电视机、PC、音频播放器(如便携式音乐播放器)及其组合。
在特定实施例中，第二设备包括音频网关，该音频网关包括适于接收多个音频信号及将所选择音频信号传送给第一设备的多个接口。在实施例中，音频网关包括到移动电话的接口(如无线接口，如蓝牙或DECT接口)。在实施例中，音频网关包括到音频娱乐设备如音乐例如记录的或成流的音乐的播放器的接口。在实施例中，音频网关包括用户可操作的启动元件，适于选择音频网关接收的音频信号之一以传送给第一听音设备(如助听器)。
通常，第一和/或第二设备包括局部能源如电池，例如可再充电电池。
运行听音系统的方法，包括无线传输音频信号：
另一方面，提供了运行听音系统的方法，包括在发射设备和接收设备之间无线传输第一音频信号，发射和接收设备中的至少一个形成听音设备的一部分，第一音频信号包括具有LF带宽ΔfLF的低频部分及具有HF带宽ΔfHF的高频部分，第一音频信号具有输入带宽Δfi及以输入采样频率fs，i进行采样。该方法包括：
a)在发射设备中进行下述行动
-除去第一音频信号的高频部分，从而产生带宽降低的信号，该信号包括第一音频信号的低频部分ΔfLF；
-相比于第一音频信号的输入采样频率fs，i，将采样频率降低到降低的采样频率fs，red；
-将带宽降低的信号ΔfLF传给接收设备；及
b)在接收设备中进行下述行动：
-接收带宽降低的信号ΔfLF；
-以相比于降低的采样频率fs，red增大的采样频率fs，inc对所接收的带宽降低的信号再采样；及
-使用带宽扩展技术重构信号的高频部分ΔfHF。
在特定实施例中，基于低频部分和(重构的)信号高频部分产生或重构全带宽信号。
在特定实施例中，信号的高频部分通过频带复制进行重构。
在特定实施例中，第一音频信号的低频部分具有在3kHz和7kHz之间的范围中的最大频率fLF，max，如在4kHz和6kHz之间，例如5kHz。
在特定实施例中，第一音频信号的低频部分具有在5Hz到100Hz的范围中的最小频率fLF，min，如20Hz。
在特定实施例中，第一音频信号的高频部分具有在7kHz到20kHz的范围中的最大频率，如从8kHz到12kHz，如10kHz。
在特定实施例中，输入采样频率fs，i以预定降低因子Kred降低到降低的采样频率fs，red。在特定实施例中，预定降低因子Kred在从0.3到0.7的范围中，如0.5。
在特定实施例中，降低的采样频率fs，red以预定增加因子Kinc增加到fs，inc。在特定实施例中，预定增加因子Kinc在从1.5到2.5的范围中，如2。
在特定实施例中，第一音频信号的低频部分的信号处理在重构高频部分之前在接收设备中进行。
在特定实施例中，听音设备包括助听器、耳朵保护设备、头戴式耳机或一对头挂听筒或其组合。
在特定实施例中，接收设备形成听音设备的一部分，例如包括助听器。
在特定实施例中，发射设备形成通信设备的一部分，如移动电话、便携式娱乐设备如音乐播放器，或用于将音频信号转发给接收设备的音频网关。在特定实施例中，音频信号在多个音频信号之中选择。
本发明的进一步的目标通过从属权利要求和本发明的详细描述中限定的实施方式实现。
除非明确指出，在此所用的单数形式的含义均包括复数形式(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，在说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。应当理解，除非明确指出，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，可以是直接连接或耦合到其他元件，也可以存在介于中间的元件。此外，如在此使用的“连接”或“耦合”可包括无线连接或耦合。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。
附图说明
下面将结合优选实施例和参考附图对本发明进行更充分地说明，其中：
图1示出了根据本发明实施例的听音设备的一部分的框图，包括从传声器到接收器的信号通路。
图2示意性地示出了根据本发明的方法实施例的步骤，各图指示了该方法各个步骤时音频信号的频谱带宽，fs表示采样频率，SBR为频带复制的缩写，及DSP为数字信号处理的缩写。
图3示出了根据本发明的听音设备的第一实施例。
图4示出了根据本发明的听音设备的第二实施例。
图5示出了根据本发明的听音系统的实施例。
图6示出了根据本发明的听音系统的另一实施例，该系统包括无线耦合到(第二)音频网关设备的(第一)听音设备，图6a示出了系统的可能配置，图6b示出了音频网关设备的(部分)框图，及图6c示出了系统的特殊使用。
为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明所必要的细节，而省略其他细节。
通过下面给出的详细描述，本发明进一步的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本发明优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出，因为，对于本领域的技术人员来说，通过这些详细说明在本发明精神和范围内做出各种变化和修改是显而易见的。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施例的包括听音设备的听音系统的一部分的框图，包括从传声器到接收器(扬声器)的信号通路。听音设备(如助听器)包括一组定向传声器，用于从环境拾取声音并将它们转换为模拟电信号，该信号馈给相应的模数转换器(A/D)。A/D转换器的采样频率Fs1(在此选择为)10kHz。来自A/D转换器的数字化输出信号具有5kHz的带宽(ΔfLF)，其馈给数字信号处理器(DSP)，在那里进行处理以执行正常DSP功能如定向信息提取、提供适当的增益轮廓、压缩、反馈抵消、降噪等中的一个或多个，及提供处理后信号。信号处理通常在多个子带中独立执行。包括10ksamples/s的处理后信号馈给带宽扩展单元，在此实施为适于执行谱带宽复制(图1中的SBR)的单元。来自SBR单元的输出信号的带宽从5kHz(ΔfLF)扩展到10kHz(ΔfFull)(输出信号包括20ksamples/s，采样频率Fs2＝20kHz)并转发给接收器(扬声器)以作为声信号呈现给听音设备的佩戴者(可能经在前的数模转换器)。这具有节约功率的优点，因为对“低带宽”信号执行DSP功能。
图1的听音设备可包括听力仪器、头戴式耳机、有源耳朵保护设备、头挂听筒等。
代替经一个或多个传声器拾取声信号(如图1中所示)，低带宽信号可无线传输给听音设备及由无线接收器(包括天线和接收器及解调电路)接收并转发给DSP(参见图4、5)。
图2示出了根据本发明的方法实施例的步骤，各图指示了该方法各个步骤时音频信号的频谱带宽，fs表示采样频率，SBR为频带复制的缩写，及DSP为数字信号处理的缩写。
通过降低所传输音频信号的带宽，可增加发射器的范围或可节约发射器和接收器中的功率。
根据本发明实施例的方法的例子包括下述步骤1-6。步骤1-2由图2的上面部分表示(关于音频源，如(第二)通信设备)，步骤3由连接图2的上面部分和下面部分的箭头表示(被虚线分开)，及步骤4-6由图2的下面部分表示(关于音频处理(和/或呈现)设备，如(第一)听音设备)：
不是以20kHz采样频率传输全带宽音频(带宽ΔfFull＝10kHz)，而是进行下述步骤：
1、通过对信号低通滤波将音频信号的带宽降低到具有如5kHz的LF带宽的低频部分(音频信号由(无线)传声器拾取或基于现有的如所保存的音频信号)；
2、将采样频率fs＝Fs1降低或设定为10kHz；
3、将具有5kHz的LF带宽的低频部分传给音频处理设备(传输率为全带音频信号的一半)，如经无线链路，例如感应链路，音频处理设备为助听器的一部分；
4、以传统方式通过数字信号处理器(DSP)处理信号的低频部分；
5、将所接收的信号再采样为(全带宽)20ksample/s信号(ΔfFull＝10kHz，fs＝Fs2＝20kHz)；
6、使用带宽扩展技术(在此指示为SBR)重构5-10kHz(ΔfHF)的频率。
作为备选，步骤4和5可颠倒，使得信号的高频部分在信号处理之前重构，及组合的全带宽信号以传统方式由数字信号处理器(DSP)处理。或者，如果不需要处理(超出信号的高频部分的重构)，步骤4可完全省略。
由频带复制(SBR)表示的带宽扩展技术可有利地使用，如在EP 1 367 566中描述的，具体参见部分[0007]和图1-2，及EP 1 367 566中优选实施例的描述的相应部分。
图3示出了根据本发明的听音设备的第一实施例。听音设备如听力仪器包括用于将声输入信号转换为电音频输入信号的传声器，电音频输入信号通过模数转换器(AD)以第一采样频率Fs1进行采样而数字化。数字化信号I(ΔfLF)的带宽ΔfLF对应于全带宽音频信号的低频部分(在此～Fs1/2)。数字化信号I(ΔfLF)馈给信号处理单元(DSP)，在那里根据用户需要对信号进行处理(如包括对信号应用随频率变化的增益)。处理后信号P(ΔfLF)馈给带宽扩展单元(BWX)，在那里基于处理后低频部分合成信号的高频部分及与处理后低频部分组合以形成全带宽输出信号Bx(ΔfLF+HF)。全带宽输出信号Bx(ΔfLF+HF)馈给数模转换器(DA)，其以第二采样频率Fs2进行时钟控制，将数字信号转换为模拟全带宽输出信号，该模拟全带宽输出信号馈给接收器(扬声器)以呈现给用户。优选地，Fs2≥2·Fs1。
本发明实施例的特征在于听音设备只拾取(或对输入信号进行滤波以提供)声输入信号的LF部分(从而在A/D转换等时节约功率)，仅处理信号的该LF部分(从而相比于全带宽信号的处理节约功率)，通过适当的带宽扩展方法(可能可根据输入信号的类型进行选择)产生全带宽信号，将全带宽信号作为声输出信号呈现给用户。在实施例中，带宽扩展单元包括几种不同的方案，用于根据来自输入信号分析单元的控制输入进行带宽扩展。
图4示出了根据本发明的听音设备的第二实施例。图4实施例包括与图3中所示及上面所述实施例一样的元件。另外，该听音设备包括(至少)用于经无线链路从另一设备接收音频信号的无线接口。收发器(图4中的Rx电路)包括天线(适合所传输信号W(ΔfLF)的频率、带宽和调制以接收包括音频信号的低频部分(具有LF带宽ΔfLF)的信号W(ΔfLF))，及包括接收器和解调电路(图4中的RF和AD单元)以提取音频信号的低频部分I’(ΔfLF)。音频信号的低频部分I’(ΔfLF)连同基于听音设备的传声器拾取的声输入信号的数字化信号I(ΔfLF)一起馈给选择器单元(SEL)。选择器单元(SEL)基于选择输入信号(SL)选择两个输入之一或将其混合提供为输出。作为备选，音频信号的低频部分的第一子部分(包括LF带宽ΔfLF的第一部分ΔfLF-1)由传声器拾取并作为第一输入馈给选择器单元，及音频信号的低频部分的第二子部分(包括LF带宽ΔfLF的第二部分ΔfLF-2)经无线链路接收并作为第二输入馈给选择器单元。在该情形下，选择器单元(SEL)适于组合第一和第二输入以将音频信号的组合低频部分提供给信号处理单元(DSP)，组合信号具有LF带宽ΔfLF。后者具有需要甚至更少的链路带宽的优点(从而节约功率或使传输范围增大)。
在实施例中，从无线链路接收的信号W(ΔfLF)基于来自通信设备的信号，通信设备如娱乐设备、移动电话或用于在多个音频信号之中选择音频信号并将所选音频信号传给听音设备的音频选择设备。在实施例中，通信设备将音频信号的LF信号部分流给听音设备(如助听器)，在那里进行处理及随后产生全带宽信号，藉此节约功率或带宽(或可增大传输范围)。在实施例中，电输入信号I(ΔfLF)(I’(ΔfLF))(在分开的时频(t-＞f)转换单元中或在信号处理单元(DSP)中)拆分为多个频带，这些频带一起构成音频信号的低频部分，及这些频带在DSP中个别处理然后进行带宽扩展。
图5示出了根据本发明的听音系统的实施例。图5的听音系统包括与图4中所示及上面所述的听音设备实施例一样的元件。然而，图5的系统包括物理上分开的第一设备51和第二设备52。第一设备51为适于将电输出音频信号呈现给第一听音设备51的佩戴者的便携式听音设备如包括听力仪器的一部分，电输出音频信号具有包括低频部分和高频部分的全带宽Δffull。第二设备52包括收发器，该收发器包括用于将低频信号W(ΔfLF)经无线链路无线传输给第一设备51的发射器。第一设备51包括收发器，该收发器包括用于接收接收和解调所接收的信号并提供数字化低频信号I(ΔfLF)的天线和接收器(Rx)，数字化低频信号馈给信号处理单元(DSP)，可能包括t-＞f转换能力(例如使能在(时)频域进行信号处理)。图5中所示的系统可包括如图3或4中所示的听音设备或由其组成，其中传声器位于第一物理设备中而听音设备的其它功能模块(如处理和带宽扩展)位于第二物理设备中，及其中两个设备经无线链路连接。在实施例中，第一设备51可以是如图4中所示的听音设备，第二设备52的传声器为(第一)听音设备51中存在的传声器之外的传声器，及用于在数字信号处理单元(DSP)中进行处理的信号可经控制信号SL进行选择。作为备选，用于在数字信号处理单元(DSP)中进行处理的信号为两个输入信号(I，I’)的组合(如和，如加权和)。
图6示出了根据本发明的听音系统的另一实施例，该系统包括用户U(如在耳朵处或耳中)佩戴且无线耦合到(第二)音频网关设备(图6中的第二设备)的(第一)听音设备(图6中的LD或第一设备)。
图6a示出了用户U佩戴听音设备LD(听音设备LD例如实施助听器，包括位于用户U耳朵后面的耳后(BTE)部分)。听音设备LD适于将来自音频网关(第二设备)的音频信号接收为直接电输入，在此为经无线链路WLS2接收的无线输入。音频网关适于从多个音频源接收多个音频信号，在此为(1)经无线链路WLS1从移动电话MT(如蜂窝电话)接收，及(2)经有线连接WIS1从音频娱乐设备MP(如音乐播放器)接收，音频网关还适于将所选音频信号经无线链路WLS2传给听音设备LD。音频网关包括用于在其环境中拾取声音的传声器M，声音如用户U自己的话音OV及电话会话。音频网关还包括用户接口UI(包括启动元件或区域，如触敏显示器和/或多个按钮或选择轮的形式)，用于使用户U能够影响系统的功能如音量设置、程序选择、将要传给听音设备的输入的选择等。例如，除了直接电输入之外，听音设备LD还可包括用于从用户环境拾取声音并将输入声音信号转换为电传声器信号的输入变换器(如传声器系统)(参见图4)。用户U周围的(时变)局部声环境包括用户自己的话音OV及其它声音。音频网关设备(第二设备)的细节在图6b中示出。
图6b示出了音频网关设备(第二设备)的(部分)框图。音频网关包括用于将局部环境中的声音(如包括用户自己的话音，参见图6a、6c中的OV)转换为电传声器信号MI的输入变换器M(在此为传声器)。电传声器信号MI连接到信号处理单元SP及控制单元“控制”。音频网关还包括用于从音频源(如电话(参见图6a、6c中的MT)，如蜂窝电话)接收音频信号的无线接口，在此指示了双向无线链路WLS1和天线及收发器电路Tx-Rx(例如基于蓝牙或DECT或ZigBee或任何其它标准化或专用方案)。所接收(及解调)的音频信号WLI连接到信号处理单元SP和控制单元“控制”。信号处理单元将要在无线链路WLS1上传输的信号(如基于输入变换器M拾取的信号，例如用户的话音OV连同经无线链路WLS1建立的电话会话)馈给天线及收发器电路Tx-Rx。音频网关还包括直接电有线输入，在此示为适于从音频传送设备如音乐播放器(参见图6a、6c中的MP)接收有线输入信号WIS1的插口连接器输入。来自直接电输入的输入信号WI连接到信号处理单元SP和控制单元“控制”。信号处理单元SP适于处理输入信号MI、WLI和WI，包括将信号的带宽限制到预定低频范围ΔfLF。信号处理单元SP(或音频网关设备中的任何其它单元)可包括A/D和D/A转换单元，和/或时间到时频转换及时频到时间转换模块以使信号处理能在频域进行，通常在数字框架下进行。信号处理单元(分别为处理后信号PMI、PWLI和PWI的形式)连接到选择器和/或混合单元SEL/MIX。在系统的一(电话)运行模式中，电传声器信号MI的处理后(限频)版本P’MI从信号处理单元SP馈给天线及收发器电路Tx-Rx并传给附近的电话装置。例如，P’MI信号是处理后电传声器信号PMI的拷贝(或特别处理以经电话信道传输)。选择器和/或混合单元SEL/MIX适于选择输入信号PMI、PWLI和PWI之一或提供输入信号PMI、PWLI和PWI的加权混合，并将所得信号提供为输出信号WS，该输出信号连接到天线及收发器电路I-Tx。选择器和/或混合单元SEL/MIX经来自控制单元的输入控制信号CT2控制输出信号WS。在实施例中，选择器和/或混合单元SEL/MIX基于用户输入UIS将输入信号PMI、PWLI和PWI之一选择为输出信号WS。基于经用户接口UI来自用户U的输入，这产生一个或多个用户输入信号UIS，控制单元分别向信号处理单元SP和选择器/混合单元SEL/MIX提供控制输入CT1和CT2。给信号处理单元SP的控制输入CT1可包括用于基于用户经用户接口UI接受或开始电话呼叫(电话模式)而将处理后电传声器信号P’MI发送给天线及收发器电路Tx-Rx的控制信号。在实施例中，控制信号CT1和/或CT2受控制单元提取的输入信号MI、WLI和WI的特征影响或基于其产生。所选的限频输出信号WS通过天线及收发器电路I-Tx经(在此为感应)无线链路WLS2传给听音设备LD的相应天线及收发器电路I-Rx(参见图6c)。链路可基于数字协议，如US 2005/0255843 A1中描述的协议。这具有避免在传给听音设备之前对输出信号WS应用数模转换的优点(在听音设备LD中反之亦然)。输出信号WS可以是信号处理单元SP提供的处理后输出信号PMI、PWLI和PWI形式的时变数字信号(或者，由选择器/混合单元SEL/MIX提供，因为时频到时间转换功能包括在SEL/MIX模块中而不是包括在SP模块中)。应当理解，信号处理单元及听音系统的其它功能模块(包括音频网关和听音设备)的功能的主要部分可以软件或硬件实施，因为这在即将发生的应用中最实用。
图6c示出了图6a中所示听音系统的特殊使用或设立模式，即电话模式，其中听音设备LD与音频网关(第二设备)无线连接从而在用户U和移动电话MT之间建立双向连接(从音频网关到听音设备的单向或双向连接(在此假设为单向连接)和从音频网关到移动电话的双向连接有效)。音频网关适于成颈带(颈环)佩戴在用户U的颈部周围。音频网关包括信号处理单元SP、传声器M和音频信号的至少一接收器，如从如图所示的蜂窝电话MT接收(例如，用于接收及可能解调无线传输的信号的天线及接收器电路，参见图6b、6c中的链路WLS1和Rx-Tx单元)。听音设备LD和音频网关经无线链路WLS2如感应链路如单向链路连接，其中音频信号经音频网关的感应发射器I-Tx发射给听音设备LD的感应接收器I-Rx。在本实施例中，无线传输基于两个设备中的线圈之间或分布从音频网关中的线圈(或构成音频网关的天线线圈)到听音设备LD(如助听器)的线圈的场的颈环天线(如体现为颈带颈环)之间的感应耦合。音频网关可形成另一设备的一部分，如移动电话或听音设备LD的远程控制。听音设备LD适于佩戴在用户U的头部上，如佩戴在用户U的耳朵处或耳中(如BTE或ITE型助听器)。音频网关设备的传声器M例如可适于拾取电话会话期间用户的话音OV(及将所拾取的信号经无线链路WLS1传给移动电话MT)和/或用户环境中的其它声音。传声器M例如可由用户U(如经用户接口UI)手动关闭。音频网关设备的信号处理单元SP适于在将所选音频信号(在此来自移动电话MT)经感应链路WLS2传给听音设备之前将其限制为低频带宽信号(如限制到低于最大低频率fLF，max的频率，如≤3400Hz)。音频网关的实施例在上面结合图6b进行描述。当将音频传送设备如音乐播放器(图6a中的MP)的输入信号从音频网关传给听音设备时可使用其它(或更高的)最大低频极限fLF，max。
可根据本发明修改和使用的音频选择设备(音频网关设备)在EP 1 460 769 A1和EP 1 981 253 A1中描述。
本发明由独立权利要求的特征限定。从属权利要求限定优选实施例。权利要求中的任何附图标记并非意于限定其范围。
一些优选实施例已经在上述内容中进行了说明，但应当强调的是本发明不受这些实施例的限制，而是可以权利要求限定的主题内的其它方式实现。
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Claims (20)

1.在便携式听音设备中处理音频信号的方法，所述便携式听音设备包括助听器、耳朵保护设备、头戴式耳机、头挂听筒或其组合，音频信号包括具有LF带宽ΔfLF的低频部分和具有HF带宽ΔfHF的高频部分，所述方法包括：a）提供由具有LF带宽ΔfLF的所述低频部分组成的音频输入信号；b）对音频信号的低频部分执行至少一信号处理步骤；及c）对处理后的音频信号的所述低频部分执行带宽扩展处理以产生音频信号的所述高频部分，从而产生或再生具有全带宽Δffull即包括所述LF带宽ΔfLF和所述HF带宽ΔfHF的音频输出信号，所述LF带宽ΔfLF构成音频信号的全带宽Δffull的0.7倍或更少，其中步骤b）包括下列信号处理步骤中的全部或多个：（a）引入随频率变化的增益；（b）压缩；（c）降噪；（d）反馈抑制；或（e）提取音频信号低频部分的定向信息。
2.根据权利要求1的方法，其中信号的高频部分通过频带复制产生。
3.根据权利要求1或2的方法，其中LF带宽和HF带宽一起构成全带宽。
4.根据权利要求1的方法，其中音频信号的低频部分或其部分由便携式听音设备的传声器拾取，及可能由低通滤波器进行滤波和/或以适当的采样频率数字化。
5.根据权利要求1的方法，其中音频信号的低频部分或其部分由便携式听音设备从另一设备接收。
6.根据权利要求1的方法，音频信号的低频部分或其部分由便携式听音设备经无线接口接收。
7.根据权利要求1的方法，其中全带宽音频信号馈给输出变换器以呈现给便携式听音设备的佩戴者。
8.根据权利要求1的方法，其中所述听音设备为助听器。
9.便携式听音设备，该便携式听音设备包括助听器、耳朵保护设备、头戴式耳机、头挂听筒或其组合，该便携式听音设备包括信号处理器和带宽扩展单元，信号处理器适于处理低频带宽ΔfLF输入音频信号并提供处理后的低带宽信号，带宽扩展单元适于基于处理后的低带宽信号提供全带宽Δffull输出信号，所述LF带宽ΔfLF构成音频信号的全带宽Δffull的0.7倍或更少，其中所述处理包括下列信号处理步骤中的全部或多个：（a）引入随频率变化的增益；（b）压缩；（c）降噪；（d）反馈抑制；或（e）提取音频信号低频部分的定向信息。
10.根据权利要求9的便携式听音设备，还包括用于将输入声音转换为电输入信号的传声器，及包括低通滤波器和/或用于将电输入信号转换为数字输入信号的A/D转换器以从电输入信号产生低频带宽输入音频信号或其部分。
11.根据权利要求9或10的便携式听音设备，还包括输出变换器以将全带宽输出信号呈现给听音设备的佩戴者。
12.根据权利要求9的便携式听音设备，包括适于经无线链路从另一设备接收所述低频带宽输入音频信号或其部分的无线接口。
13.根据权利要求9的便携式听音设备，适于根据权利要求1-8任一所述的方法提供全带宽输出信号。
14.根据权利要求9的便携式听音设备，还包括分析单元，用于确定输入信号的类型并提供指示所述类型的控制信号；及其中带宽扩展单元包括几种不同的用于根据所述控制信号进行带宽扩展的方案。
15.根据权利要求12的便携式听音设备，还包括从传声器和无线接口接收输入的选择器或混合单元，选择器或混合单元适于将输入之一或输入的加权混合提供为输出。
16.包括第一和第二设备的听音系统，第一设备为适于将电输出音频信号呈现给第一听音设备的佩戴者的便携式听音设备，该便携式听音设备包括助听器、耳朵保护设备、头戴式耳机、头挂听筒或其组合，所述电输出音频信号具有包括低频部分和高频部分的全带宽Δffull，其中第二设备包括用于无线发射低频信号的无线发射器，及第一设备包括a）用于接收所述低频信号的无线接收器，b）适于处理低频输入信号及提供处理后低频输出信号的信号处理器，和c）用于构建或再生电输出音频信号的高频部分的带宽扩展单元，高频部分具有HF带宽ΔfHF，带宽扩展单元还用于基于或包括具有LF带宽ΔfLF的所述处理后低频信号和具有HF带宽ΔfHF的所述高频信号而形成具有全带宽Δffull的电输出音频信号，所述LF带宽ΔfLF构成音频信号的全带宽Δffull的0.7倍或更少，其中所述信号处理器适于执行下列信号处理步骤中的多个：（a）引入随频率变化的增益；（b）压缩；（c）降噪；（d）反馈抑制；或（e）提取音频信号低频部分的定向信息。
17.根据权利要求16的听音系统，其中第二设备包括用于将输入声音转换为电输入信号的输入变换器；及包括频率限制单元，用于产生信号的具有LF带宽ΔfLF的所述低频部分以无线传送给第一设备。
18.根据权利要求16或17的听音系统，其中第二设备包括用于接收包括音频信号的信号并提供电输入信号的电接口；及包括频率限制单元，用于产生信号的具有LF带宽ΔfLF的所述低频部分以从所述电输入信号无线传送给第一设备。
19.根据权利要求16的听音系统，其中所述无线发射器和接收器适于在第一和第二设备之间提供感应耦合，当所述第一和第二设备彼此位于运行距离中时，所述低频信号的传输基于所述感应耦合。
20.根据权利要求16的听音系统，其中第一便携式听音设备包括根据权利要求9-15任一所述的便携式听音设备。
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