CN102638755A - 基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，属于语音信号处理技术领域，包含以下步骤：滤波，提取信号的低频部分和高频部分；语音高频部分按比例压缩搬移；模拟患者听到的语音信号；四通道FIR-QMFB设计；频段分割；响度补偿和增益控制；合成语音。本发明将原语音信号先进行低频和高频的划分，然后将高频部分按比例压缩搬移到中低频频段上，按照听障患者的听力测试曲线对叠加后的语音信号进行频带划分和响度补偿。这样以来，既可以有效避免传统上的在高频段进行高增益响度补偿带来的负面影响，又可以有效的改善患者的听力水平和言语辨识率。
Description
技术领域
本发明涉及响度补偿技术，特别涉及基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，属于语音信号处理技术领域。
背景技术
数字助听器在近十年来取得了不断的发展，尤其是现代数字信号处理技术的应用，为助听器的飞速发展提供了强大的技术支持。在方向性技术、语音增强、响度补偿、反馈抑制等方面都取得了巨大的进步，为很多的听障人士的听力康复做出了很大的贡献。
虽然数字助听器在过去的十年里取得了巨大的进步，但调查发现，只有30%的助听器使用者对所配戴的助听器表示满意，许多的配戴者表示有不舒适的感觉。其中响度补偿技术就是影响该问题的关键性因素之一。
响度补偿技术是数字助听器中的关键技术之一。对语音信号进行响度补偿也是数字助听器的首要任务之一。响度补偿就是将说话者的语音在进入听障人士耳朵之前进行增益放大，使得说话者的声音强度能够达到听障人士的听阈，让他们听到说话者发出的声音。
响度补偿的目标是在保证听障人士能听到说话者的声音的前提下，尽可能使增益后的语音保持其个性特征，提高对语音信号的听辨率并使听障人士感到舒适。
响度补偿的实现与其他的技术最大不同之处在于，响度补偿具有个性化特征。这是因为每个患者的情况是不同的，每个人在各个频段上的衰减也是不同的。所以，要根据患者的具体情况进行具体分析，然后才能确定增益系数。最后根据获得的增益系数对每个频段进行声强的增益，产生补偿后的语音。
响度补偿的核心任务就是对说话者的声音进行增益，经过近十几年的研究，取得了许多的研究成果。目前，对响度补偿的研究大多集中在对频带划分的研究上，主要有等频带划分的方法（1、Lars S N, Jens S. Designing asynchronous circuits for low power: An IFIR filter bank for a digital hearing aid[J]. Proceedings of the IEEE,1999,87( 2) : 268- 281.），非等宽多通道频带划分的方法（1、Wang Qingyun, Zhao li, Qiao jie, Zou Cairong. Sub-band Loudness Compensation for Hearing Aid Based on Human Auditory[J]. Journal of applied sciences-electronics and Information Engineering.2008,26(6):580-584.）以及在Bark域的分割子带频率间隔非等宽多通道划分的方法（1、Wang Qingyun，Zhao Li，Zhao Liye，etal. A multichannel loudness compensation method for digital hearing aids[J]. Journal of Electronics &Information Technology,2009,31(4):832- 835.）。这些方法虽然在频带划分上有了一定程度的改进，但是对于核心的增益算法无一不是采用“小衰减，小增益；大衰减，大增益”的方式。虽然每个听障患者在每个频段内的衰减各不相同，但几乎所有的听障人士在4000Hz以上的频段听力损失会急剧增加，甚至超过60dB。有研究表明，当听力损失超过60dB时，高的增益不但对听障人士的言语辨别力没有作用，反而有负面作用（1、 Miller-Hansen, Denise R. Evaluating the Benefit of Speech Recoding Hearing Aids in Children. [J]. American Journal of Audiology, 2003, Dec, 39-44. 2、Hogan CA & Turner CW. High-frequency audibility: Benefits for hearing-impaired listeners. [J]. JASA , 1998, 104: 432~441）。所以这种“小衰减，小增益；大衰减，大增益”增益方式以及全频段划分是不符合实际听障患者的情况的。因此传统的响度补偿做法必然会导致助听器配戴者产生不舒适的感觉，也会导致言语听辨率的降低。同时这也是引起助听器配戴者感到不舒适的一个重要原因。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结合临床实际情况的基于高频压缩搬移的响度补偿方法，得到一种更有效的声音响度补偿做法，将听障人士无法听到的高频部分搬移到患者有听力残留的中低频再进行响度补偿，使患者听起来更加舒适，在提高患者听力水平的同时增强其言语辨别力。
为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，具体步骤如下：
第一步，滤波，即将采样的信号分别通过低通滤波器和高通滤波器，得到语音信号的低频部分和高频部分。
第二步，语音高频部分按比例压缩移频，即对语音信号的高频信号和低频信号分别进行快速傅里叶变换，并将高频信号的频谱进行按比例压缩处理，然后再将该频谱搬移到目标低频区。最后进行傅里叶反变换得到高频压缩搬移后的语音信号；
第三步，模拟患者听到的语音信号，即模拟产生听障患者裸耳时获取的说话人语音信号。不同的病人在不同频带上声强的衰减情况不同，因此要根据病人各自的听力测试曲线来模拟得到衰减曲线，从而得到衰减信号；
第四步，四通道FIR-QMFB设计，即根据病人的听力检查曲线设计一个FIR-QMFB，用来对说话者的语音进行频带分割和对处理后的子带语音信号进行完美重构；
第五步，频带分割，即将第三步获得的模拟信号通过第四步设计的FIR-QMFB，对信号进行频带划分；
第六步，响度补偿和增益控制，即对第五步获取的各频带信号根据病人的听力测试曲线分别对每个子带进行响度补偿，得到补偿后的子带语音信号，并对信号进行增益控制使声音强度始终处于患者的最适域；
第七步，合成语音，即利用第四步设计的FIR-QMFB的综合滤波器组对第六步响度补偿和增益控制后的各子带信号逐步合成，最终得到移频补偿后的语音信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
（1）结合实际的需求，首先将信号分为低通信号（0～4000Hz）和高通信号（4000～8000Hz），将患者听力严重损失的高频部分压缩搬移到患者受损较轻的听力残留区。这样可以有效避免了传统的响度补偿对严重衰减的高频进行高增益带来的负面影响，又有效保留了说话者的个性特征，可以有效的改善患者的听力水平和言语辨识率。
（2）设计正交镜像滤波器组既符合实际情况又可以对信号进行完美重构，使合成的语音信号失真度非常小。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿示意图；
图2是某一听力患者的听力测试图；
图3是四通道正交镜像滤波器组的结构图；
图4是正常人与听力患者在某一频段的听力映射图。
具体实施方式
结合图1，本发明基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，步骤如下：
第一步，滤波，对语音以 
Hz的频率进行采样，对采样的信号进行滤波，将信号分为低通部分和高通部分，具体过程如下：
（1）设计一个FIR（Finite Impulse Response，有限长冲击响应）低通滤波器和一个FIR高通滤波器，设计的滤波器为Butterworth（巴特沃斯）滤波器。滤波器的阶数，低通滤波器归一化截止频率
，高通滤波器归一化截止频率
；
（2）将采样的语音信号分别通过Butterworth低通滤波器和高通滤波器，得到语音信号的低频部分（0～4000Hz）和高频部分（4000~8000Hz）。
第二步， 语音信号高频部分按比例压缩移频，即对语音信号的高频信号和低频信号分别进行快速傅里叶变换，并将高频信号的频谱进行按比例压缩处理，然后再将该频谱搬移到目标低频区。最后进行傅里叶反变换得到高频压缩搬移后的语音信号，具体过程如下：
（1）从图2的病人听力测试图上发现，该病人在2000~4000Hz上的听力衰减还不是很大，因此选定该频段作为高频段压缩移频的目标频段，并计算高频信号的压缩比
。其中，
和
分别为原高频段的最高频率（8000Hz）和最低频率（4000Hz），
和
分别为根据图2选取的目标频段的最高频率（4000Hz）和最低频率（2000Hz）；
（2）对第一步获得的低通信号和高通信号分别进行2N点的FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换），其中N为高通信号或低通信号的序列长度。然后对变换后的高频谱按照压缩比例
进行谱压缩。将压缩后的高频谱搬移到低频信号的目标频域，最后将得到的新的频谱进行快速傅里叶反变换得到高频压缩搬移到2000～4000Hz后的语音信号。
第三步，模拟患者听到的语音信号，即模拟产生听障患者裸耳时获取的说话人语音信号。不同的病人在不同频带上声强的衰减情况不同，因此要根据病人各自的听力测试曲线来模拟得到衰减曲线，从而得到衰减信号。具体过程如下：
（1）将高频压缩搬移后的语音信号进行2M点的FFT，其中M为该语音信号的序列长度。
，其中
，
和分别为该语音信号的偶数和奇数序列
和
的
点DFT（Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换）。
（2）根据图2病人的听力测试曲线，写出在每一频段上衰减值（dB）随频率的变化曲线。计算公式为
，其中，
分别为该频段的最低频率和最高频率，
，
分别为最低频率和最高频率对应的听阈值，
为信号的采样频率，
为增益的分贝值。再根据公式
，计算出幅值随频率变化曲线。其中
的单位为dB，
表示信号的幅值；
（3）根据得到的幅值随频率变化曲线，在信号频域对信号进行衰减，然后进行傅里叶反变换得到衰减后的信号。
第四步，FIR-QMFB（Quadrature Mirror Filter Bank，正交镜像滤波器组）设计，即根据病人的听力检查曲线设计一个FIR-QMFB，用来对说话者的语音进行频带分割和对处理后的子带语音信号进行完美重构，具体过程如下：
（1）构造FIR分析滤波器组的低通滤波器，取滤波器的阶数
，归一化截止频率
，与之对应的高通滤波器归一化截止频率
；
（2）设低通滤波器频响
，与之对应的高通滤波器的频响
且满足
。综合滤波器组的低通滤波器和高通滤波器与分析滤波器组的低通滤波器和高通滤波器的关系分别为
与
，因此该FIR滤波器组的设计完全是基于分析滤波器组的低通滤波器的设计，设计的滤波器组结构如图3所示。
第五步，频带分割，即将第三步获得的模拟信号通过第四步设计的FIR-QMFB，对信号进行频带划分。首先将第三步获得的高频压缩搬移的语音信号通过第四步设计的分析滤波器组得到低通和高通信号，再将得到的低通信号再经过分析滤波器组的低通滤波器和高通滤波器，这样信号又一次被细分为低通信号和高通信号；依次类推，经过三次细分，该语音信号被细分成0~500Hz，500～1000Hz，1000～2000Hz，2000～4000Hz四个非等宽频段，原语音信号的4000～8000Hz频段叠加在2000～4000Hz频段上。
第六步，响度补偿和增益控制，即对第五步获取的各频带信号根据病人的听力测试曲线分别对每个子带进行响度补偿和增益控制，得到各子带语音信号，具体过程如下：
（1）将第五步得到的各非等宽子带信号进行2L点FFT，其中L为子带信号序列长度。
，其中，
和
分别为子带信号的偶数和奇数序列
和
的
点DFT变换。
（2）根据图2病人的听力测试曲线，重新计算出每一频段上增益（dB）随频率的变化曲线，计算公式为，其中
，
分别表示该频段的最低频率和最高频率对应的听阈值，
表示增益的大小，单位为dB。
（3）由上步得到的公式，得到各子带幅值随频率变化曲线，计算公式为
，其中
表示信号的幅值增益的倍数。然后根据正常人与听力患者在某一频段的听力映射图对该子带补偿后的信号强度进行调整。正常人与听力患者在某一频段的听力映射图如图4所示。
第七步，合成语音，即利用第四步设计的QMFB的综合滤波器组对第六步响度补偿后的各子带信号逐步合成，最终得到移频补偿后的语音信号。具体过程是：先将0～500Hz上的信号和500～1000Hz上信号分别进行插值因子为2的插值后，再分别通过综合滤波器组的低通滤波器和高通滤波器，最后将两信号进行叠加，得到一个0～1000Hz的信号。将得到的该信号再进行插值因子为2的插值后作为下一个综合滤波器组低通滤波器的输入信号，将第二组分析滤波器的高通信号作为该综合滤波器组的高通滤波器的输入信号，将该综合滤波器组的输出信号叠加得到上一层的信号。依次类推，最终得到经过响度补偿后的语音信号。
Claims (8)
1.基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，其特征在于包含以下步骤：
第一步，滤波，即将采样的信号分别通过低通滤波器和高通滤波器，得到语音信号的低频部分和高频部分；
第二步，语音高频部分按比例压缩搬移，即对语音信号的高频信号和低频信号分别进行快速傅里叶变换，并将高频信号的频谱进行按比例压缩处理，然后再将该频谱搬移到目标低频区，最后进行傅里叶反变换得到高频压缩搬移后的语音信号；
第三步，模拟患者听到的语音信号，即模拟产生听障患者裸耳时获取的说话人语音信号，不同的病人的衰减情况不同，要根据病人的听力测试曲线来模拟产生该衰减信号；
第四步，四通道FIR-QMFB设计，即根据病人的听力检查曲线的实际情况设计一个FIR-QMFB，用来对说话者的语音进行频带分割和对处理后的子带语音信号进行完美重构；
第五步，频带分割，即将第三步获得的语音信号通过第四步设计的FIR-QMFB，对信号进行频带划分；
第六步，响度补偿和增益控制，即对第五步获取的各频带信号根据病人的听力测试曲线分别对每个子带进行响度补偿，得到补偿后的子带语音信号并对信号进行增益控制使声音强度始终处于患者的最适域；
第七步，合成语音，即利用第四步设计的FIR-QMFB的综合滤波器组对第六步响度补偿和增益控制后的各子带信号逐步合成，最终得到移频补偿后的语音信号。
2.根据权利要求1所述的基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，其特征在于滤波具体过程如下：
第一步，设计一个FIR低通滤波器和一个FIR高通滤波器，设计的滤波器为Butterworth滤波器，滤波器的阶数 
，低通滤波器归一化截止频率
，高通滤波器归一化截止频率
；
第二步，将采样的信号分别通过上一步设计的Butterworth低通滤波器和高通滤波器，得到语音信号的低频部分和高频部分。
3.根据权利要求1所述的基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，其特征在于语音高频部分按比例压缩搬移具体过程如下：
第一步，根据听障患者的实际情况计算高频信号的压缩比
，其中，和
分别为原高频段的最高频率和最低频率，
和分别为目标频段的最高频率和最低频率；
第二步，将获得的低通信号和高通信号分别进行傅里叶变换，然后将变换后的高频谱按上一步得到的压缩比
进行谱压缩并将压缩后的高频谱搬移到低频信号的目标频域，最后进行傅里叶反变换得到高频压缩搬移后的语音信号。
4.根据权利要求1所述的基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，其特征在于模拟患者听到的语音信号，为了验证响度补偿的效果，首先要模拟一个听障患者听到的语音，通过获取听障患者的听力测试图来确定该患者在每个频段上的衰减曲线，然后对信号进行FFT，并按照衰减曲线对信号进行衰减，最后进行傅里叶反变换得到衰减后的信号。
5.根据权利要求1所述的基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，其特征在于四通道FIR-QMFB设计具体过程如下：
第一步，构造FIR分析滤波器组的低通滤波器，取滤波器的阶数
，归一化截止频率
，与之对应的高通滤波器归一化截止频率
；
第二步，由分析滤波器组的低通滤波器产生综合滤波器组的低通滤波器和高通滤波器，因此该FIR滤波器组的设计完全是基于分析滤波器组的低通滤波器的设计。
6.根据权利要求1所述的基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，其特征在于频带分割具体过程如下：
第一步，将获得的高频压缩搬移的语音信号通过FIR-QMFB的分析滤波器组，得到低通和高通信号；
第二步，将上一步得到的低通信号再经过FIR-QMFB分析滤波器组，这样信号又一次被细分为低通信号和高通信号；依次类推，经过三次细分，该语音信号被细分成0~500Hz，500～1000Hz，1000～2000Hz，2000～4000Hz四个非等宽频段。
7.根据权利要求1所述的基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，其特征在于响度补偿和增益控制，具体过程是：首先根据听障患者的听力测试曲线重新计算每个非等宽子带的补偿曲线，然后每个子带根据该曲线进行响度补偿，使每个子带的信号强度基本达到衰减前的强度，然后再对补偿后的声强进行增益控制，使声强始终处于听障者听觉的最适域。
8.根据权利要求1所述的基于频率压缩搬移的数字助听器响度补偿方法，其特征在于合成语音，具体过程是：先将0～500Hz上的信号和500～1000Hz上信号分别进行插值因子为2的插值后，再分别通过综合滤波器组的低通滤波器和高通滤波器，最后将两信号进行叠加，得到一个0～1000Hz的信号，将得到的该信号再进行插值因子为2的插值后作为下一个综合滤波器组低通滤波器的输入信号，将第二组分析滤波器的高通信号作为该综合滤波器组的高通滤波器的输入信号，将该综合滤波器组的输出信号叠加得到上一层的信号，依次类推，最终得到经过响度补偿后的语音信号。
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