CN102984636B - 听力仪器中的输出调制的控制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了听力仪器中的输出调制的控制。本发明涉及用于听力受损人员的听音装置(100)，包括：配置成提供表示音频信号(10)的电输入信号(122)的输入变换器(110,120)；配置成处理电输入信号并输出处理后的电输出信号(132)的信号处理单元(130)；配置成确定电输入信号(122)的调制参数的输入值(162)的输入测量单元(160)；配置成确定处理后的电输出信号(132)的同一调制参数的输出值(182)的输出测量单元(180)；及连接到信号处理单元(130)的控制器(190)，配置成根据所确定的输入值(162)和所确定的输出值(182)通过信号处理单元(130)控制电输入信号(122)的处理。通过信号处理单元由配置成实施组合的前馈和反馈控制的控制器控制以确保处理后的电输出信号的调制至少根据输入信号的调制进行调整，语音可懂度增加。

Description

听力仪器中的输出调制的控制
技术领域
本申请涉及听音装置如用于听力受损人员的听音装置。本申请还涉及使听音装置运行的相应运行方法和涉及对应的计算机程序。在本发明的所有方面中，实施组合的前馈和反馈控制以确保听音装置的声输出信号的最佳调制。
背景技术
美国专利US 7,457,757B1描述了一种增加助听器记录的声音的语音可懂度的方法，其中输入信号根据自适应算法进行处理。输入信号馈给包括低通滤波器、高通滤波器、扩展器、压缩器和通带回路的信号处理级，其中这些元件可通过自适应算法进行自适应控制，具体地，打开或关闭。其描述了输入信号的调制深度使用可懂度测量进行确定以获得输入信号的信噪比的估计量。自适应算法用于计算和/或选择最佳配置参数使得输入信号得以最佳地处理。
即使输入信号根据输入信号的调制深度进行处理，但语音可懂度仍可能不令人满意，尤其对于仅能感知处于实质上减小的动态范围的声压级的听力受损人员。
WO 2006/133431 A2描述了一种通过使承载信息的谱包络与承载话音-质量的谱精细结构分离而提高所处理声音的逼真度的方法。谱包络（共振峰）进行实时估计并转变到更高的频率范围，而精细结构保持原样。
发明内容
本发明的技术目标在于提供提高助听器处理的声音的语音可懂度的技术手段，尤其是调制的保持和增强。调制对于听力受损人员获得语音可懂度特别重要。然而，作为备选或另外，可考虑与语音可懂度有关的、不同于调制的其它参数（如输入信号的频率含量、不同频率下的输入水平等，或其组合）。根据本发明的第一方面，前述技术目标由用于听力受损人员的听音装置实现，其包括下述元件：
-配置成提供表示音频信号的电输入信号的输入变换器；
-配置成处理电输入信号并输出处理后的电输出信号的信号处理单元；
-配置成确定电输入信号的调制参数（和/或与语音可懂度有关的另一参数）的输入值的输入测量单元；
-配置成确定处理后的电输出信号的同一调制参数（和/或与语音可懂度有关的另一参数）的输出值的输出测量单元；及
-连接到信号处理单元的控制器，配置成根据所确定的输入值和所确定的输出值通过信号处理单元控制电输入信号的处理。
本发明包括认识，即现有技术助听器仅能根据输入信号的调制深度处理输入信号。因此，现有技术助听器仅实现前馈控制。然而，表示语音的信号的调制是语音可懂度的决定性参数。因而，应确保对输入信号的调制（和/或与语音可懂度有关的另一参数）进行处理以使语音可懂度最大化，从而向助听器佩戴者提供原始状态的音频信号。本发明还包括认识，即为了确保处理后的输出信号的调制相较于输入信号的调制得以最佳处理，监视处理后的输出信号的调制及根据两调制控制输入信号的处理是有利的。
本发明第一方面的听音装置实现了组合的前馈和反馈控制，其中两个测量单元中的每一个确定电输入信号和处理后的电输出信号的同一调制参数的值。控制器根据两个所确定的值控制信号处理单元。结果，信号处理单元的组合的前馈和反馈控制使能提高语音可懂度，尤其对于具有明显听力损失的助听器用户。明显听力损失例如可以是中度到严重程度的听力损失，如在人听得见的频率范围的一个或多个特定频率下或特定频率范围中具有40-90dB范围的听力损失。
在实施例中，听音装置适于提供随频率而变的增益以补偿用户的听力损失。在实施例中，听音装置包括用于增强输入信号并提供处理后的输出信号的信号处理单元。数字助听器的各个方面在[Schaub;2008](Arthur Schaub,Digital hearing Aids,ThiemeMedical.Pub.,2008)中描述。
在实施例中，听音装置包括连接在信号处理单元下游的输出变换器（如扬声器），配置成将处理后的电输出信号转换为声输出信号以呈现给听力受损人员。在实施例中，输出变换器包括多个耳蜗植入电极或骨导式听力装置的振动器。
在实施例中，听音装置包括用于将输入声音转换为电输入信号的输入变换器。在实施例中，输入变换器包括传声器，如两个以上传声器。在实施例中，听音装置包括定向传声器系统。在实施例中，定向传声器系统适于分离佩戴听音装置的用户的局部环境中的两个以上声源。在实施例中，定向系统适于检测（如自适应检测）传声器信号的特定部分源自哪一方向。
在实施例中，听音装置（如输入变换器）包括用于从另一装置如通信装置或另一听音装置无线接收直接电输入信号的天线和收发器电路。在实施例中，听音装置（如输入变换器）包括（可能标准化的）电接口（如连接器的形式），用于从另一装置如通信装置或另一听音装置接收有线直接电输入信号。在实施例中，听音装置适于实现：由输入变换器提供的电输入信号包括或等于所述直接电输入信号。在实施例中，听音装置包括使能从传声器输入和直接电输入之一选择电输入信号（或提供二者的混合信号）的选择器或混频器。在实施例中，听音装置包括解调电路，用于解调所接收的直接电输入以提供表示音频信号和/或控制信号的直接电输入信号，控制信号例如用于设置听音装置的运行参数（如音量）和/或处理参数。
在实施例中，听音装置包括输入变换器（传声器系统和/或直接电输入（如无线接收器））和输出变换器之间的正向或信号通路。在实施例中，信号处理单元位于正向通路中。在实施例中，信号处理单元适于根据用户的特定需要如在特定声环境中提供随频率而变的增益。在实施例中，听音装置包括具有用于分析输入信号（如确定电平、调制、信号类型、声反馈估计量等）的功能件的分析通路。在实施例中，分析通路和/或信号通路的部分或所有信号处理在频域进行。在实施例中，分析通路和/或信号通路的部分或所有信号处理在时域进行。
在实施例中，听音装置如输入变换器（如传声器或收发器单元）包括用于提供输入信号的时频表示的TF转换单元。在实施例中，时频表示包括所涉及信号在特定时间和频率范围的相应复值或实值的阵列或映射。在实施例中，TF转换单元包括用于对（时变）输入信号进行滤波并提供多个（时变）输出信号的滤波器组，每一输出信号包括截然不同的输入信号频率范围。在实施例中，TF转换单元包括用于将时变输入信号转换为频域中的（时变）信号的傅里叶变换单元。
在实施例中，听音装置考虑的、从最小频率fmin到最大频率fmax的频率范围包括典型的、人听得见的、从20Hz到20kHz的频率范围的一部分，例如从20Hz到10kHz的范围的一部分。在实施例中，听音装置考虑的频率范围[fmin,fmax]拆分为P个频带，其中P如大于5，如大于10，如大于50，如大于100，其中至少部分个别进行处理和/或分析。
在实施例中，为了电输入和输出信号的调制值在有限的频率范围[flow,fhigh]中，例如在主要影响语音可懂度的频率范围中，控制器适于限制电输入信号的处理的控制。在实施例中，频率范围[flow,fhigh]包括从250Hz到6kHz的范围，例如从300Hz到4kHz的范围。
在特定实施例中，听音装置包括话音检测器，用于确定输入信号是否包括话音信号（在特定时间点）。在本说明书中，话音信号包括来自人类的语音信号。其还可包括由人类语音系统产生的其它形式的发声（如唱歌）。在优选实施例或实施方式中，话音检测器特别适于确定输入信号中是否存在语音。在实施例中，话音检测器单元适于将用户当前的声环境分类为话音或无话音环境。这具有下述优点：包括用户环境中的人类发声（如语音）的电传声器信号的时间段可被识别，因而与仅包括其它声源（如噪声）的时间段分离。从而可确定平均噪声电平和平均目标信号电平。在实施例中，话音检测器适于将用户自己的话音也检测为话音。作为备选，话音检测器适于在检测话音时排除用户自己的话音。语音检测器例如在WO 91/03042 A1中描述。
在实施例中，如本申请中提出的，输出调制（和/或与语音可懂度有关的其它参数）的调整仅在特定运行模式下（如在听音装置的特定程序中）启动。在实施例中，如本申请中提出的，输出调制的调整仅在电输入信号中的语音被识别的时间段期间启动。例如，这可基于来自监视电输入信号的话音或语音检测器的控制信号。
调制参数例如可以是调制指数（也称为调制深度），即调幅指数。调制指数描述在电输入信号中或分别地在处理后的电输出信号中调制的变量有多少在其未调制的水平附近变化。如果未另外特别指出，术语调制或调制指数应理解为遵循声信号处理中的标准定义。
在实施例中，输入测量单元和输出测量单元中的每一个配置成计算电输入信号或分别地，计算处理后的电输出信号的相应包络信号。在该实施例中，调制参数为相应计算的包络信号中的最大值和最小值之间的差。为计算相应的包络信号，输入测量单元和/或输出测量单元可应用希尔伯特（Hilbert）变换算法。作为备选，可使用调制深度的简化计算，例如通过整流和低通滤波。
在实施例中，听音装置适于在输出信号中维持输入信号中存在的调制。这在某些情形下有利，但并非总是如此。例如，调制中的下降可能具有低于听力受损人员的听觉阈值的水平。在该情形下（除了别的以外），在输出上简单地维持输入调制深度是不利的。在前述情形下，优选针对用户的听力损失确定输出信号中所得的调制。在其它情形下，增加调制可能是优点。
在所有情形下，目标均在于增强语音可懂度。
然而，一般而言，使信号处理与用户的听力损失（及优选与用户的舒适水平，例如参见图5a）、输入调制和输出调制有关是有利的。这可以多种方式实现。
本发明还可有利地用在针对正常听力的耳机和其它产品中（除了用于补偿用户的听力受损的助听器之外）。在实施例中，听音装置包括耳机、有源耳朵保护装置、耳麦或其组合。声音中的提示例如与语音调制有关的提示可通过信号处理算法改变。该想法的核心不仅在于使信号处理策略与声环境的调制有关，而且在于分析信号处理策略的总效果，尤其是所有处理算法（如降噪、方向性、抗反馈、压缩等）已处理声音并潜在地改变调制深度之后得到的调制深度。
也可使用控制器的其它输入。实质在于监视信号处理算法对输出调制的影响并使用该结果影响或控制信号处理（即反馈机制）。
在实施例中，听音装置包括适于补偿听力受损用户的听力损失的助听器。由于听力受损用户可接受的输入信号电平的典型减小的动态范围，即输入声音听得见且令人舒适的那些电平（该功能由听音装置的放大和压缩机制处理），如表示语音信号的特定输入调制将在输出处由听音装置降低（以符合用户的减小的动态范围）。在前述情形下，如果输入和输出调制相等（或如果输出调制大于输入调制），由于复聪，其最可能由听力受损用户感知为夸张的（及可能不舒适的）调制。
在实施例中，控制器配置成控制信号处理单元使得调制参数的输入值和调制参数的输出值之间的差随时间改变以获得预定的（听力学）目标调制。作为备选或另外，可实现不同于调制的其它目标。
在实施例中，控制器配置成根据预定压缩方案通过信号处理单元控制电输入信号的放大，如果电输入信号的振幅水平大于第一阈值（听力受损用户情形的典型阈值，或作为耳朵保护的手段，大输入电平下正常听力用户的阈值），处理后的电输出信号的输出振幅水平根据前述方案相对于电输入信号的输入振幅水平降低。压缩程度优选可根据具体用户的需要而个别化。在实施例中，如果唯一的增益减小活动为预定的压缩方案，基准输出调制（及对应的基准输出值）由将得到的输出调制定义（对于特定输入信号和放大）。在实践中，输出增益（及输出调制）可在听音装置的一个或多个另外的算法或功能的“请求”下减小，如最大输出功率限制（由用户的不适水平或听音装置的性能定义）、输出AGC（自动增益控制）、降噪、反馈抵消等。在实施例中，所请求的输出调制（及对应的、所请求的输出值）定义为由所述压缩方案及在特定时间点活动的所有其它算法和功能引起的输出调制（以修改输入信号并提供所得的输出信号），根据本发明的控制器不活动。在实施例中，增强的输出调制（及对应的、增强的输出值）定义为由根据本发明的控制器提供的输出调制。在实施例中，控制器配置成控制信号处理单元以提供大于所请求的输出调制的、增强的输出调制（至少在特定运行模式下，如根据输入信号和/或处理后的输入信号的分类，例如基于输入和/或输出调制）。
在实施例中，控制器配置成控制信号处理单元使得调制参数的输入值和调制参数的输出值之间的差随时间减小，优选朝向预定的（如用户特异性）阈值减小（如使得输出值朝向基准输出值收敛），或最小化。根据前面的描述，如果调制参数的输出值相较于调制参数的输入值的偏差最小化（如（增强的）输出值在所请求的输出值和基准值之间的范围中，或者（如在特定“语音可懂度”模式下，甚至大于基准值）），对于听音装置的指定佩戴者，语音可懂度将得以特别提高。因此，组合的前馈和反馈控制实质上在处理后的电输出信号中维持电输入信号的调制（（在将相应算法和其它功能件应用于输入信号之后），特定输入信号的（增强的）输出值得以维持甚或相较于基准输出值增大）。
应当理解，在处理后的电输出信号中维持电输入信号的调制并不必然意味着处理后的电输出信号的振幅相较于电输入信号一样。而是，在优选实施例中，信号处理单元配置成通过根据电输入信号的频率放大电输入信号而处理电输入信号（如在多个频带中个别地）。因此，信号处理单元以这样的方式放大/压缩电输入信号，例如使得调频指数的值对于电输入信号和处理后的电输出信号实质上一样（或使得在处理后的电输出信号中提供预定的（听力学）目标调制指数）。
在例子中，控制器通过设置信号处理单元中的处理参数而控制信号处理单元。例如，控制器根据所确定的输入值和所确定的输出值确定控制信号并将该控制信号转发给信号处理单元。在实施例中，信号处理单元运行的、增强正向通路的信号的一个或多个算法基于控制信号进行修改。在实施例中，信号处理单元配置成根据所转发的控制信号而对其自身进行调整及处理电输入信号以控制处理后的电输出信号的调制。具体地，处理可包括电输入信号的放大，优选使得电输出信号的调制针对语音可懂度优化。
在另一优选实施例中，控制器配置成根据预定压缩方案通过信号处理单元控制电输入信号的放大，根据该预定压缩方案：
-如果电输入信号的振幅水平大于第一阈值，处理后的电输出信号输出振幅水平相对于电输入信号的输入振幅水平降低；
-如果电输入信号的振幅水平大于第二阈值，处理后的电输出信号的振幅水平在最大功率输出水平下保持恒定，其中第二阈值大于第一阈值。
压缩方案（参见图4）优选适应指定使用听音装置的听力受损人员的个体损伤。例如，压缩方案已在验配程序中进行计算（藉此可确定如上定义的预定基准输出值）。在实施例中，控制信号处理单元使得处理后的电输出信号中的调制实质上等于（甚或大于）电输入信号的调制。在实施例中，控制信号处理单元使得处理后的电输出信号中的调制实质上等于（甚或大于）基准调制。
在又一优选实施例中，控制器配置成根据调制参数的输入和输出值及输入振幅水平动态调整最大功率输出水平。
在另一优选实施例中，听音装置另外包括配置成将电输入信号分为多个频带的滤波器装置。在该实施例中，信号处理单元、输入测量单元、输出测量单元和控制器配置成在多个频带的每一频带中工作。因此，电输入信号在多个频带中进行分析及调制参数的多个相应的输入值由输入测量单元确定，例如每一频带一个输入值。此外，信号处理单元分开地处理每一频带。同样，输出测量单元确定调制参数对于每一所处理频带的输出值。控制器控制信号处理单元使得处理后的电输出信号的每一频带中的调制参数实质上优化（如等于电输入信号的相应频带的所确定的值或等于预定的目标值）。
在实施例中，控制器配置成根据用户的听觉能力如用户的随频率而变的听觉阈值和舒适水平曲线（参见图4、5）而调整压缩比（即输出电平-输入电平曲线的斜率）。在实施例中，控制器配置成在不同频率下个别地调整压缩比。在实施例中，控制器配置成根据用户的听觉能力如用户的随频率而变的听觉阈值和舒适水平曲线（参见图4、5）而调整特定频率下的平均输出电平。在实施例中，控制器配置成将特定频率下的平均输出电平调整为用户听觉阈值和舒适水平之间的中间（或平均）电平（例如参见图5a中的细虚线MED）。这具有为输出调制提供最佳空间的优点。
在实施例中，控制器配置成基于调制的当前输入和输出值（及可能基于其它参数如输入电平）降低特定频率下的压缩比（相较于预定方案，如验配程序中确定的方案）以增强语音可懂度（及藉此可避免可能的顺序压缩-扩展程序）。
在听音装置的另一优选实施例中，输入变换器配置成检测声目标源并根据检测到的声目标源将电输入信号提供为定向电输入信号。在实施例中，听音装置适于分离目标信号中的输入信号（如表示话音）和噪声信号（如表示除目标信号之外的所有其它声音信号）。在实施例中，听音装置适于确定（随时间而变的）信噪比。在实施例中，听音装置适应向佩戴听音装置的听力受损人员讲话的讲话者的话音。从而，对于听音装置的指定佩戴者，语音可懂度进一步增加。在此的想法在于，在分析输入和输出调制以获得最佳信号处理进而导致提供最佳语音可懂度的输出调制的过程中，当分析声环境时区分控制器输入上的目标和噪声可能有用。类似地，输入及输出信号的其它分析方法也可能有利。
在实施例中，信号处理单元适于运行在遭受噪声时提供目标语音的可懂度度量和/或提供处理后的或修改的目标信号的度量的算法。在实施例中，控制器适于根据所确定的输入值、所确定的输出值和可懂度度量通过信号处理单元控制电输入信号的处理。用于提供包括目标语音的信号的可懂度的度量的算法例如在[Taal et al.;2010]中描述。
输入变换器可包括传声器和模数转换器。类似地，输出变换器可包括用于将处理后的电输出信号转换为模拟输出信号的数模转换器及用于将模拟信号转换为声输出信号以呈现给听力受损人员的扬声器。
听音装置可以是任何类型的助听器、听力仪器、耳内式（ITE）助听器、深耳道式（CIC）助听器、耳后式（BTE）助听器、耳内接收器式（RITE）助听器、或其任何组合。听音装置也可以是耳机或耳朵保护装置或针对正常听力人群构造的其它装置，但适于在困难听音情形下使用，在前述情形下需要语音增强技术。
根据本发明的第二方面，上面指出的技术目标由用于如听力受损人员的听音装置的运行方法实现，该方法包括下述步骤：
-接收音频信号并将该音频信号转换为电输入信号；
-处理电输入信号并输出处理后的电输出信号；
-确定电输入信号的调制参数（和/或与语音可懂度有关的另一参数）的输入值及处理后的电输出信号的同一调制参数（和/或与语音可懂度有关的另一参数）的输出值；及
-根据所确定的输入值和所确定的输出值控制电输入信号的处理。
本发明第二方面的运行方法具有与本发明第一方面的听音装置一样的优点。具体地，该运行方法具有对应于如上所述的本发明第一方面的听音装置的另外的可选特征的优选实施例。例如，在优选实施例中，本发明方法包括另外的步骤：控制电输入信号的处理使得输入值和输出值之间的差根据听音装置收集和分析的数据随时间改变，及非必须地，通过用户直接交互作用或例如在用户或听觉病矫治专家操作的程序中。在实施例中，输入值和输出值之间的差随时间改变以获得预定的（听力学）目标调制。作为备选或另外，可实现不同于调制的其它目标。在本发明方法与听力受损人员有关的情形下，进一步优选处理步骤包括放大电输入信号的步骤，优选根据适应听音装置的指定佩戴者的听力受损的压缩方案。
根据本发明的第三方面，上面指出的技术目标由运行听音装置的计算机程序实现，该计算机程序包括当计算机程序在控制听音装置的计算机上运行时使听音装置执行本发明第二方面的方法的步骤的程序代码。
本发明第三方面的计算机程序可保存/分布在适当的介质上，如光存储介质或连同其他硬件一起提供或作为其一部分的固态介质，但也可以其他形式分布，如经因特网或其他有线或无线远程通信系统。
应当理解，本发明第一方面的听音装置、本发明第二方面的运行方法和本发明第三方面的计算机程序具有类似和/或一样的优选实施例，尤其是从属权利要求限定的实施例。
应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任意组合。
本发明的这些及其它方面将从下面描述的实施例明显看出并参考其进行阐述。
附图说明
在附图中：
图1示出了根据本申请第一方面的听音装置的示意性和示例性框图表示。
图2示出了根据本申请第二方面的运行方法的流程图。
图3示出了电输入信号的功率谱密度随时间变化的示例性过程。
图4示出了根据预定压缩方案的示例性输出振幅水平对输入振幅水平的曲线。
图5示意性地示出了用户对频率的听觉阈值曲线（实线）和舒适水平曲线（图5a）和在所选频率下的示例性压缩曲线（图5b）。
图6示出了根据本申请的听音装置的示例性实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明第一方面的听音装置100的示意性和示例性框图表示。听音装置100用于提高将呈现给听力受损人员的或将呈现给处于语音可懂度降低的声环境（如嘈杂环境）中的人的、所记录声音的语音可懂度，其中听力受损人员仅可感知减小的声压级动态范围中的声音。
听音装置100用输入变换器接收音频信号（输入声音）10，输入变换器包括用于将音频信号10转换为电输入信号122的传声器110和模数转换器（AD）120。电输入信号122由信号处理单元（SPU）（在主要或正向信号通路中）处理为处理后的电输出信号132。包括数模转换器（DA）140和扬声器150的输出变换器将处理后的电输出信号132转换为呈现给听力受损人员的声输出信号（输出声音）20。该主要信号通路中的元件以常规方式进行安排，其中信号处理单元连接在输入变换器110、120的下游及输出变换器140、150的上游。作为备选（或另外），输入变换器可包括用于直接接收和提取音频信号的接收器（如有线或无线接收器），从而提供电输入信号122。优选地，输入变换器（如包括传声器和/或收发器单元）包括用于提供输入信号的时频表示的TF转换单元（如分析滤波器组）。优选地，电输入信号在多个频带中进行分析和处理。优选地，输出变换器包括时频到时间转换单元（如合成滤波器组）以提供时域输出信号从而呈现给用户并由用户感知为声信号。
控制器（CTR）190连接到信号处理单元130并通过提供控制信号192而控制信号处理单元。控制器190实施组合的前馈和反馈控制，其中输入测量单元（Mi）160确定电输入信号122的调制参数的输入值，及输出测量单元（Mo）180确定处理后的电输出信号132的同一调制参数的输出值，及控制器根据所确定的输入值和输出值162、182确定控制信号192。控制器190控制信号处理单元130使得调制参数的输入值162和调制参数的输出值182（或调制参数本身的输出值）之间的差优化，例如以获得预定的听力学目标调制。从而，声输出信号20可提供给听力受损人员，因为电输入信号122的调制在处理后的电输出信号132中优化（如实质上维持）。优选地，在控制器中考虑用户的听觉能力（如由输入191表示，如来自存储器或其他单元），如用户的听觉阈值水平和/或用户的舒适水平的形式，例如参见图5。从而，输出调制可针对用户的听觉能力进行优化（及进行调整以不超过用户听觉阈值和舒适水平提供的极限）。其他参数可进一步用于影响为优化语音可懂度进行的处理。在实施例中，语音可懂度度量用于评估输出信号在语音可懂度方面的质量。在实施例中，由信号处理单元130进行的信号处理（包括输出调制的控制）由控制器190通过控制信号192控制以优化语音可懂度度量。语音可懂度度量例如可以是语音可懂度指数（SII），按ANSI S3.5-1997标准化或如[Taal et al.,2010](C.H.Taal,R.C.Hendriks,R.Heusdens,and J.Jensen,“AShort-Time Objective Intelligibility Measure for Time-Frequency WeightedNoisy Speech,”IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and SignalProcessing(ICASSP),14-19March 2010,pp.4214-4217)或[Elberling et al.,1989](C.Elberling,C.Ludvigsen,P.E.Lyregaard,“DANTALE:a new Danish speechmaterial”,Scandinavian Audiology,Vol.18(3),pp.169-75,1989)中所述。
在例子中，调制参数为包络信号的最大值和包络信号的最小值之间的差。在该例子中，输入测量单元160计算与电输入信号122相关联的输入包络信号，例如通过应用希尔伯特变换算法（或其他包络提取手段）。类似地，输出测量单元180计算与处理后的电输出信号132相关联的输出包络信号，例如通过应用希尔伯特变换算法。前述包络信号的例子如图3中所示，其中实线表示电信号（电输入信号122或处理后的电输出信号132）的功率谱密度（psd）的过程，及虚线表示与功率谱密度过程相关联的包络信号。调制参数（调制）值取为信号的（顶部）包络的正和负峰值之间的差（虚线曲线），在适当的时间段取，如与输入信号的变化有关，或AD转换器的采样率（如10ms或100ms级）。在该例子中，信号处理单元130由控制器190控制，使得峰值之间的差对于与电输入信号122相关联的包络信号和与电输出信号132相关联的包络信号均一样（或适于获得预定的（听力学）输出目标调制）。作为备选或另外，信号处理单元130由控制器190控制，使得输出调制位于用户的听觉阈值和舒适水平定义的“窗口”内（例如参见图5）。在另一例子中，调制参数为调幅的另一表达。在实施例中，调制参数为由输入信号的功率密度曲线的顶部和底部包络（顶部和底部跟踪器）之间的差定义的调制指数，例如参见WO2005/086536 A1。具体地，通过信号处理单元130的电输入信号122的处理可包括放大电输入信号122。例如，控制器190（在存储器中）保存预定的、适应听音装置100的指定用户的听力受损的压缩方案（例如参见图4）。前述压缩方案可在验配程序中确定。控制器190根据所保存的压缩方案（及调制参数的输入和输出值）控制信号处理单元。
由于听音装置100特别适合对声压级动态范围具有实质上降低的感觉能力的听力受损人员（或特别适于在包括大量噪声的困难听音情形下增强语音），信号处理单元130适于按电输入信号的电平的函数修改处理后的电输出信号132的电平，如图4中所示。在实施例中，如图4a所示，压缩方案直接遵循分段线性的曲线。因此，根据所保存的压缩方案，如果电输入信号122的振幅水平小于第一阈值IN1，处理后的电输出信号132的输出振幅水平（输出电平）相较于电输入信号122的振幅水平（输入电平）保持不变（区域I）。如果输入信号的振幅水平超过第一阈值IN1，处理后的电输出信号132的输出振幅水平相对于电输入信号122的输入振幅水平降低（压缩）（区域II）。如果电输入信号122的振幅水平大于第二阈值IN2，IN2大于第一阈值IN1，处理后的电输出信号132的振幅水平在最大功率输出水平MPO下保持恒定（区域III）。示出了源自区域II（IN1和IN2之间）中输入电平附近的输入调制（MODi）的输出调制（MODo）的例子。提供输入调制的实质压缩。
应当理解，在每一压缩区域I、II和III中，优选控制信号处理单元130使得调制参数的输出值根据调制参数的输入值（如等于）及根据用户的听力受损和/或当前声环境（和/或语音可懂度度量）进行确定。
在实施例中，如图4b所示，压缩方案在特定调制在其附近改变的电平方面遵循分段线性的曲线，但压缩比（线性曲线的斜率）适应用户的听觉能力和/或当前声环境和/或语音可懂度度量，及优选随频率而变（参见图5）。修改的压缩比（粗线段LC）在例子中示出，其图示源自压缩曲线的区域II中的输入电平附近的输入调制(MODi)的、修改后的输出调制(MODo’)。从而可提供对该用户最佳的输出调制。根据输入电平和频率（参见图5），压缩曲线的斜率（LC）可在使用听音装置之前确定，优选根据用户的听觉能力，例如在验配期间，并保存在听音装置中。在所示例子中，修改后的输出调制MODo’实质上等于输入调制MODi（在所涉及输入电平下）。
在实施例中，如图4c所示，修改特定输出调制在其附近改变的电平以符合用户的听觉能力，例如以确保输出调制不超过由特定频率下用户的听觉阈值和舒适水平曲线定义的极限（参见图5）。优选地，控制输出调制以利用由特定频率下用户的听觉阈值和舒适水平曲线定义的极限之间的可用净空（参见图5b），从而至少确保（如果可能）输出调制不小于对应的输入调制（或如果不可能，确保其尽可能大）。调制曲线的斜率（LC）可进一步适应用户的听觉能力（如粗实线段LC所示）。作为备选，可维持初始曲线的压缩比（斜率）（如粗虚线段所示）。
图2示出了根据本发明第二方面的运行方法200的流程图。运行方法200主要对应于图1中所示的听音装置100。例如，听音装置100可用运行方法200运行，或分别地，听音装置100可实施运行方法200。
因而，在第一步骤210中，接收音频信号并将其转换为电输入信号。在第二步骤220中，处理电输入信号并输出处理后的电输出信号。在第三步骤230中，确定电输入信号的调制参数的输入值及处理后的电输出信号的同一调制参数的输出值。在第四步骤240中，根据所确定的输入值和所确定的输出值控制电输入信号的处理以针对语音可懂度优化处理后的电输出信号的调制，例如使得所确定的输入值和所确定的输出值之间的差随时间减小，优选最小化（或适于获得预定的（听力学）输出目标调制）。
图5a示意性地示出了用户对频率f的听觉阈值曲线（实线）（HTL）和舒适水平曲线（虚线）（UCL）。曲线HTL和UCL例如按声压级SPL（dB）对频率f（kHz）表达。在特定频率下，曲线表示对用户足够高以至于能听见的信号电平（由底部实HTL曲线定义）及对用户不太高以至于不能无痛苦地听见的信号电平（由顶部虚UCL曲线定义）的范围。（随频率而变的）定制听觉范围（CHR）为当呈现给用户时声信号（理想地）位于其内的电平范围。图5a中示出了在频率f1-f5下的多个不同的定制听觉范围（CHR）（虚箭头，CHR(fn),n=1,2,3,4,5）。细虚线MED表示听觉阈值曲线HTL和舒适水平曲线UCL之间的中间（或平均）电平。在听音装置的特定运行模式下，中间电平可用于调节输出电平以提供最大输出调制（参见图4c）。
图5b示意性地示出了在对应于图5a的定制听觉范围（CHR）的所选频率下的示例性压缩曲线LC(fn),n=1,2,3,4,5。随频率而变的斜率（或压缩比）LC(fn)适应对应的定制听觉范围CHR(fn)。输出电平和输出调制优选适于位于图5a的听觉阈值(HTL)和舒适水平(UCL)曲线的边界内。
图6a示出了根据本发明的听音装置的备选实施例。图6a的听音装置100包括与图1中所示实施例一样的基本元件，包括传声器110、信号处理单元130、扬声器150、输入测量单元Mi、输出测量单元Mo、和控制器CTR。图6a的具有与图1中一样的附图标记的信号和模块具有结合图1所述一样的意思（执行同样的功能）。在图6a的实施例中，输入测量单元Mi、输出测量单元Mo和控制器CTR一起放在控制单元300（CNT）中。信号处理单元130包括具有正常处理活动（如随频率而变的放大、压缩、降噪等）的算法部分135（ALG）和输出调制调节单元136（OM），在某些条件下用于控制处理后的电输出信号132的输出调制。图6a的听音装置还包括话音检测器VD，用于确定输入信号是否包括话音（如语音）信号。话音检测器VD向控制单元CNT提供指示当前输入信号是否包括话音的输入信号301。图6a的听音装置还包括存储器320（MEM），关于用户听觉能力等的有关数据保存或可保存在其中。数据可经信号305从存储器320读取或写到存储器320。关于用户听觉能力的数据例如可包括与用户听力图、舒适水平、压缩有关的随频率而变的数据（如基准输出值）。与当前输入信号的分类有关的数据（如标准）及其分别基于输入信号和处理后的输出信号的调制参数及可能根据“话音”或“无话音”的同时检测（和/或语音可懂度度量的值）的、所请求的处理也可保存在存储器320中。控制单元300（CNT）在算法部分135（ALG）之前及之后和输出调制调节单元136（OM）之后分接正向通路（传声器110和扬声器150之间）的信号。从而，输入信号122的调制、处理后的输入信号137（在正常处理算法已应用于输入信号之后）和处理后的输出信号132（在处理后的输入信号137的调制的非必须调节已应用之后）可由控制单元300（CNT）监视。当前声情形基于测得的（输入）调制参数值的分类在控制单元300（CNT）中进行（在分类过程中可能使用存储器320中保存的数据）。基于分类的相应行动由控制单元300（CNT）执行。前述行动使用给信号处理单元的算法部分（ALG）的控制信号302执行以修改处理算法从而间接影响处理后的输入信号137的调制（和/或与语音可懂度有关的其它性质），和/或使用给输出调制调节单元136（OM）的控制信号303执行以直接修改处理后的输出信号132的调制。输入信号122（调制参数Mi）、处理后的输入信号137（调制参数Mp）和处理后的输出信号132（调制参数Mo）的可能调制参数值的示意性例子在图6a的上部示出。该例子用于说明输入信号的调制（Mi）可通过压缩方案和多种算法减小（导致调制Mp），之后在输出处稍微增加，导致输出调制Mo（在此示为大于Mp但小于Mi）。
图6b示出了根据本发明的听音装置的又一备选实施例。图6b的听音装置100包括与图1和6a所示实施例一样的基本元件。在图6b的实施例中，信号处理单元包括用于将随用户而变的压缩方案应用于输入信号的压缩单元1351（CP）及包括用于增强正向通路信号的其它算法的单元1352（OALG）（尤其为了增强的语音可懂度）。在图6a的实施例中，包括正常处理活动（如随频率而变的放大、压缩、降噪等）的算法部分135（ALG）包括图6b的单元CP和OALG。从而，示出了控制单元300（CNT）进行的、压缩算法（CP）和其它处理算法（OALG）的非必须的分开控制（分别经控制信号304和302）（例如按结合图4和5所示和所述实施压缩的随动态频率而变的调整）。同样，示出了在压缩算法已对输入信号起作用之后控制单元300（CNT）接收正向通路的信号138。该信号138（及在应用其它处理算法之后来自正向通路的另外的信号馈给控制单元的情形下）可用在输入信号的调制性质的最后评估中及用于表明多种处理算法在其上的影响。从而提供在特定情形下哪一处理算法对输出调制的增加或减小有作用的指示，因此通过修改所涉及算法提供适当校正行动的输入。在图6b中，表示压缩算法（CP）和其它处理算法（OALG）的模块以该顺序示出。然而，它们可以相反的顺序置放（OALG在CP之前应用），或者“其它处理算法”的部分可在压缩算法之前应用，而其余算法在压缩算法之后应用。
在图6b所示的听音装置100的实施例中，控制单元300（CNT）包括存储器（MEM）和话音检测器（VD），其在图6a的实施例中示为分开的单元。另外，图6b的控制单元300（CNT）包括用于确定正向通路的一个或多个信号122、138、137、132的电平的电平检测器（LD）。另外，控制单元包括用于分析正向通路的一个或多个信号122、138、137、132的至少一部分频率范围（如包括语音的部分）的频谱的频率分析器（FA）。另外，控制单元包括用于确定正向通路的一个或多个信号122、138、137、132的语音可懂度度量的算法（SIM）。控制单元的分开的子单元可用于分类输入信号、识别调制变化的源和/或确定适当的校正行动（如修改哪一算法、怎样修改），以在特定声情形下建立为所涉及用户提供最大语音感知的输出信号（在某些情形下，可能以自然声音感知为代价）。
基于输入和输出调制的简单分类方案（及相应提出的控制单元的行动）在下表中示出。这些表的输出调制值（“低”和“高”）应当理解为指应用根据本发明的调制方案之前的调制（即等于如上确定的所请求的输出调制，即源自压缩方案和在特定时间点活动（以修改输入信号并提供所得的输出信号）的所有其它算法及功能的输出调制，而没有根据本发明的控制器的行动）。还应当理解，“低”和“高”（及随后的“中”）输入调制（如输入调制值，如输入调制深度）绝对值不必然分别等于“低”和“高”（及随后的“中”）输出调制。对于听力受损用户，输出调制通常将低于输入调制。
表1：无话音检测器的分类
上面的方案暗含的假设在于，如果输入调制分类为低，在输入信号中不存在话音；及如果输入调制分类为高，在输入信号中存在话音。因而上面的方案可实施在没有专用话音检测器的听音装置中（例如参见图1）。上表中的输入调制和输出调制的低和高值可指调制参数如调制指数。在实施例中，如果调制指数分别低于和高于预定阈值，则调制指数分类为低和高。输出调制的低和高值可相对于基准值确定（如在验配期间及（可能纯粹地）基于听音装置用户的压缩方案确定）。考虑输入和输出调制的下述四个组合：
-在低输入和低输出调制的情形下，推定（假设）当前输入信号对应于噪声或自然声音，及未引入输出调制的畸变。在该情形下，不必有来自控制单元的行动（控制器处于不活动状态）。
-在低输入和高输出调制的情形下，推定（假设）当前输入信号对应于噪声或自然声音，但由于一个或多个处理算法的不正确行动产生假象，输出调制已错误地增加。在该情形下，控制单元适于控制处理以减少假象（减小输出调制）。处理算法的前述修改的方案优选保存在存储器MEM中。然而，如果可推断引入增加的调制而增加语音可懂度，则不必行动。
-在高输入和低输出调制的情形下，推定（假设）当前输入信号包含话音信号及输出调制的畸变已由处理算法引入（包括与压缩和/或最大功率输出有关的设置）。在该情形下，控制单元适于控制处理以增强（如增加）输出调制。处理算法的前述修改的方案优选保存在存储器MEM中。
-在高输入和高输出调制的情形下，推定（假设）当前输入信号包含话音信号及输出调制的畸变未由处理算法引入。在该情形下，不必有来自控制单元的行动（控制器处于不活动状态）。
在特定实施例中，听音装置包括用于确定输入信号（参见图6中的122）是否包括话音信号（在特定时间点）的话音检测器（参见图6中的VD）。话音检测器适于将用户当前的声环境分类为话音或无话音环境并将该信息经控制信号（参见图6a中的301）转发给控制器（参见图6中的控制单元CNT）。
基于输入和输出调制及来自话音检测器VD的控制信号301的分类方案（及相应提出的控制单元的行动）在下面的例子中描述。输出调制值（“低”和“高”）应当理解为指应用根据本发明的调制方案之前的调制。
下表指无话音（如无语音）环境。
表2：用话音检测器分类：检测到无话音
当检测到无话音时，假定输入信号包括变化调制的噪声和/或自然声音。再次地，考虑输入和输出调制的下述四个组合：
-在低输入和低输出调制的情形下，推定（假设）未引入输出调制的畸变。在该情形下，不必有来自控制单元的行动（控制器处于不活动状态）。
-在低输入和高输出调制的情形下，推定（假设）由于一个或多个处理算法的不正确行动产生假象，输出调制已错误地增加。在该情形下，控制单元适于控制处理以减少假象（减小输出调制）。处理算法的前述修改的方案优选保存在存储器MEM中。
-在高输入和低输出调制的情形下，推定（假设）输出调制的减小已由处理算法（成功）引入以增加用户的舒适度。在该情形下，不必有来自控制单元的行动（控制器处于不活动状态）。
-在高输入和高输出调制的情形下，推定（假设）输出调制的减小未由处理算法引入。在该情形下，不必有来自控制单元的行动（控制器处于不活动状态），或者可实施减小输出调制的行动以增加用户的舒适度。
下表指话音（如语音）环境。
表3：用话音检测器分类：检测到话音
上表中的每一字段在下面简要评述，其中“IM”指输入调制及“OM”指输出调制。
IM-低、OM-低：输入和输出包括小调制。如果语音太低以至于不能增强为可理解的语音，无行动。如果语音可被使得能理解（如使用语音可懂度度量区分），修改算法。
IM-低、OM-中或IM-低、OM-高：输入未被与输出一样的调制。如果推定输出调制提供增加的语音可懂度（如从语音可懂度度量确定），无行动；或者，如果推定输出调制产生假象（由处理算法引入），采取消除人工产生的调制并重新建立自然声音的感知的步骤。
IM-中、OM-低：输入被调制，但输出未被同样地调制。存在噪声夹杂语音。增强输出调制和/或其它语音提示。
IM-中、OM-中：增强输出调制和/或其它语音提示，或者如果推定增强的输出调制不提供增加的语音可懂度，则不采取行动。
IM-中、OM-高：输入未被与输出一样的调制。采取与IM-低、OM-中或IM-低、OM-高一样的行动。
IM-高、OM-低或IM-高、OM-中：输入被调制，但输出未被同样地调制。存在占优势的语音。语音提示可能已被处理毁坏。采取步骤以通过修改处理算法而使算法误差最小化。
IM-高、OM-高：高输入调制和高输出调制。好，无行动。
听音装置的学习阶段可在正常使用该装置之前实施。听音装置可包括自学习元件或单元（如神经网络），适于学习在前述学习阶段期间经历的特定环境中优化用户的语音可懂度的优选方案。在实施例中，听音装置包括用户接口（如遥控单元）。学习阶段可包括来自用户的关于特定情形下的语音感知的输入（如经用户接口）。在实施例中，听音装置适于运行提供当前输入信号的语音可懂度度量的算法。作为备选或另外，听音装置可适于使用语音可懂度度量代替用户输入或作为用户输入的补充。
应当理解，相应图的元件安排主要用于明显描述的目的；其不涉及根据本发明制造的装置的各部分的任何实际几何安排。例如参考图1和6中所示的听音装置100，所述测量单元和所述控制器可安装在信号处理单元内及不必然按相应分开的功能模块安排或放在信号处理单元外面。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，及不定冠词“一”不排除多个。
单一单元或装置可实现权利要求中提及的几项功能。唯一的事实在于，在相互不同的从属权利要求中提及的某些测量不表明这些测量的组合不能有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应视为限制范围。
总的来说，本发明涉及用于听力受损人员或在困难听音情形下用于正常听力人员的听音装置。本发明还涉及使听音装置运行的相应运行方法和涉及对应的计算机程序。具体地，本发明涉及包括信号处理单元的听音装置，信号处理单元由配置成实施组合的前馈和反馈控制的控制器控制以确保处理后的电输出信号的调制至少根据输入信号的调制进行调整。从而增加语音可懂度，尤其对于仅能够感知减小的动态范围中的声压级的听力受损人员。

Claims (16)

1.用于听力受损人员的听音装置(100)，所述听音装置(100)包括：
-配置成提供表示音频信号(10)的电输入信号(122)的输入变换器(110,120)；
-配置成处理电输入信号并输出处理后的电输出信号(132)的信号处理单元(130)；
-配置成确定电输入信号(122)的调制参数的输入值(162)的输入测量单元(160)；
-配置成确定处理后的电输出信号(132)的同一调制参数的输出值(182)的输出测量单元(180)；及
-连接到信号处理单元(130)的控制器(190)，配置成根据所确定的输入值(162)和所确定的输出值(182)通过信号处理单元(130)控制电输入信号(122)的处理，其中输出调制的调整仅在在电输入信号中识别到语音的时间段期间启动。
2.根据权利要求1的听音装置(100)，包括用于确定输入信号是否包括话音信号的话音检测器。
3.根据权利要求1的听音装置(100)，其中控制器配置成控制信号处理单元使得调制参数的输入值和调制参数的输出值之间的差随时间改变以获得预定的目标输出调制。
4.根据权利要求1的听音装置(100)，其中所述控制器(190)配置成控制信号处理单元(130)使得输入值(162)和输出值(182)之间的差随时间减小。
5.根据权利要求1的听音装置(100)，其中所述信号处理单元(130)配置成根据所述电输入信号(122)的频率通过放大电输入信号(122)而处理电输入信号(122)。
6.根据权利要求5的听音装置(100)，其中所述控制器(190)配置成根据预定压缩方案通过信号处理单元(130)控制电输入信号(122)的放大，根据所述预定压缩方案：
-如果电输入信号(122)的振幅水平大于第一阈值(IN1)，处理后的电输出信号(132)的输出振幅水平相对于电输入信号(122)的输入振幅水平降低；及
-如果电输入信号(122)的振幅水平大于第二阈值(IN2)，处理后的电输出信号(132)的振幅水平在最大功率输出水平(MPO)下保持恒定，其中第二阈值大于第一阈值(IN1)。
7.根据权利要求6的听音装置(100)，其中所述控制器(190)配置成根据所述输入值和所述输入振幅水平动态调整最大功率输出水平(MPO)。
8.根据权利要求6的听音装置(100)，其中所述控制器配置成根据输入振幅水平、输入值、输出值和非必须地输入或输出信号的其它参数动态调整压缩比和/或最大功率输出水平。
9.根据权利要求1的听音装置(100)，另外包括配置成将电输入信号(122)分为多个频带的滤波器装置，其中信号处理单元(130)、输入测量单元(160)、输出测量单元(180)和控制器(190)配置成在多个频带的每一频带中工作。
10.根据权利要求9的听音装置(100)，其中所述控制器适于基于在主要影响语音可懂度的有限频率范围[flow；fhigh]中的电输入和输出信号的调制值限制电输入信号的处理的控制。
11.根据权利要求1的听音装置(100)，其中所述控制器配置成根据用户的听觉能力调整压缩比以符合用户的随频率而变的听觉阈值和舒适水平曲线。
12.根据权利要求1的听音装置(100)，其中输入测量单元(160)和输出测量单元(180)中的每一个配置成分别计算电输入信号(122)和处理后的电输出信号(132)的相应包络信号，及其中调制参数为相应计算的包络信号中的最大值和最小值之间的差。
13.根据权利要求9的听音装置(100)，其中所述控制器(190)配置成在不同频率下个别地调整压缩比。
14.根据权利要求9的听音装置(100)，其中所述控制器(190)配置成使特定频率下的平均输出电平适应用户的听觉阈值和舒适水平之间的中间水平。
15.根据权利要求1的听音装置(100)，适于提供语音可懂度度量以评估输出信号在语音可懂度方面的质量。
16.用于听力受损人员的听音装置的运行方法(200)，该方法(200)包括步骤：
-接收(210)音频信号并将所述音频信号转换为电输入信号；
-处理(220)电输入信号并输出(220)处理后的电输出信号；
-确定(230)电输入信号的调制参数的输入值及处理后的电输出信号的同一调制参数的输出值；及
-根据所确定的输入值和所确定的输出值控制(240)电输入信号的处理，其中输出调制的调整仅在在电输入信号中识别到语音的时间段期间启动。
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