CN103250209A - 改善音频重现的助听器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包含移频器（20）的助听器，该移频器具有用于检测输入信号中的第一频率和第二频率的装置（22）。移频器（20）基于第一和第二被检测频率之间的固定关系的存在而将输入信号的第一频率范围转移到输入信号的第二频率范围。用于检测第一和第二频率之间的固定关系的装置（34，35，36）被用于控制频率转移器（20）。经配置用于检测浊音语音和清音语音的存在的语音检测器（26）被提供用于抑制浊音语音信号的转移以保留语音共振峰。在助听器中以此方式转移频带的目的是使助听器的用户可以听到不可听见的频率，同时维持信号的原始包络、谐波相干性和语音可理解度。本发明进一步提供用于在助听器中对输入信号的频率范围进行移位的方法。

Description

改善音频重现的助听器和方法

技术领域

本申请涉及助听器。本发明更具体地涉及具有用于重现在超过听力损伤用户的感知极限的频率下的声音的助听器。本发明进一步涉及在助听器中处理信号的方法。

背景技术

具有退化的听觉感知的个体在生活中在很多方面表现出不方便或不利。然而，假设存在感知的剩余部分，则他们可以受益于使用助听器，即适用于将环境声音合适地放大以弥补听力缺陷的电子设备。通常，听力缺陷将在各种频率下建立，并且助听器将被调节以提供作为频率的函数的选择性放大，从而根据这些频率补偿听力损失。

助听器被定义为小型的由电池供电的设备，其包含话筒、音频处理器和声学输出换能器，并且被配置为由听力受损的人佩戴在耳中或耳后。通过根据从用户的听力损失的测量值计算的处方适配助听器，助听器可以放大某些频带以便补偿在这些频带中的听力损失。为了提供准确且灵活的放大，大多数现代助听器具有数字种类。数字助听器包含用于根据处方将来自话筒的音频信号处理成适合驱动声学输出换能器的电信号的数字信号处理器。

然而，存在在高频下具有非常严重的听力损失的个体，他们不能通过这些频率的放大获得语音感知方面的任何改善。听力可能在低频下接近正常，而在高频下显著下降。由于用于在听力图中代表这种损失的非常有特性的曲线，因此这些陡峭倾斜的听力损失也被称为滑坡式（ski-slope）听力损失。滑坡式听力损失具有感觉神经类型，其是耳蜗中受损毛细胞所导致的。

在较高频率（通常在2-8kHz之间或以上）下不具有听觉感知的人们具有不仅关于他们的语音感知而且关于他们对在现代社会中发生的其他有用声音的感知的困难。这种声音可以是警报声、门铃、响铃电话或鸟叫，或它们可以是某些交通声音或来自要求立即注意的机器设备的声音变化。例如，来自洗衣机中的轴承的异常吱吱声可能吸引有正常听力的人的注意力，从而可以采取措施以便在损坏或危险状况发生之前修理或更换轴承。具有超过最近现有技术水平的助听器的性能的深高频听力损失的人可能继续完全注意不到该声音，因为即使在助听的情况下该声音中的主频分量仍在该人的有效听觉范围之外。

然而，高频信息可以用可替换方式传达到不能感知较高频率中的声能的人。该可替换方法涉及将来自具有听力损失的人不可感知的一部分频谱的所选范围或频带的频率转移成另一部分频谱，在该部分频谱中同一个人仍具有至少一些剩余的听力。

WO-A1-2007/000161提供一种助听器，该助听器具有用于重现源于助听器用户的可感知音频范围之外的频率的装置。不可感知的频率范围（表示为源频带）被选择并且在合适的频带限制之后在频率上被转移成助听器用户的可感知音频范围（表示为目标频带），并在那里与信号的非转移部分混合。为了选择频移，该设备适用于检测并跟踪源频带中的主频和目标频带中的主频，并使用这些频率以更大准确度确定应将源频带转移多远，以便使得源频带中的经转移主频与目标频带中的主频一致。该跟踪优选由可调适陷波滤波器实施，其中该调适能够将陷波滤波器的中心频率朝向源频带中的主频移动，以使得来自陷波滤波器的输出被最小化。这在陷波滤波器的中心频率与主频一致时将是事实。

目标频带通常包含低于源频带的较低频率，尽管这不必需是事实。源频带中的主频和目标频带中的主频都被假定为相同基波的谐波。转移基于以下假设，即源频带中的主频与目标频带中的主频总是具有相互固定的整数关系，例如，如果源频带中的主频比目标频带中的对应主频高倍频程，则该固定整数关系是2。因此，如果在频率上将源频带向下转移适当距离，则经转移的主源频率将与在低一个倍频程的频率处的目标频带中对应的频率一致。本发明人已发现在一些情况下该假设可能是不完备的。这将在以下进一步详细描述。

考虑由基频和多个谐频构成的自然发生的声音。该声音可以例如源于乐器或一些自然现象例如鸟叫或某人说话的嗓音。在第一种情况下，源频带中的主频可以是基频的偶谐波，即可以通过将基频乘以偶数来获得谐波的频率。在第二种情况下，主谐频可以是基频的奇谐波，即可以通过将基频乘以奇数来获得谐波的频率。

如果源频带中的主谐频是目标频带中的基频的偶谐波，则上述现有技术的转移器算法总是能够转移源频带以使得经转移的主谐频与目标频带中的另一谐频一致。然而，如果源频带中的主谐频是基频的奇谐波，则主源频不再与目标频带中存在的任何频率共享相互固定的整数关系，并且经转移的源频带将因此不与目标频带中的对应谐频一致。

经组合的目标频带和经转移的源频带的合成声音可能因此对收听者来说表现得混乱和不愉快，这是由于目标频带和经转移的源频带的声音之间的可识别关系在组合声音中不再存在。

现有技术的转移器算法的另一固有问题是当转移信号时其不考虑语音的存在。如果根据现有技术算法转移浊音语音信号，则语音信号中存在的共振峰将与信号的剩余部分一起被转移。这可能导致可理解度的严重损失，因为共振峰频率对人脑中的语音理解过程来说是重要的关键特征。然而，清音语音信号如爆破音或摩擦音实际上可以受益于转移，尤其是在清音语音信号的频率落在听力损伤用户的可感知频率范围之外时。

发明内容

根据本发明，设计一种助听器，所述助听器具有信号处理器，该信号处理器包含用于将输入信号分成第一频带和第二频带的装置、能够检测第一频带中的第一特征频率的第一频率检测器、能够检测第二频带中的第二特征频率的第二频率检测器、用于将第一频带的信号在频率上移位一段距离以便形成落入第二频带的频率范围内的信号的装置、由第一和第二频率检测器控制的至少一个振荡器、用于将来自第一频带的信号与来自振荡器的输出信号相乘以生成落入第二频带内的频移信号的装置、用于将频移信号叠加到第二频带上的装置以及用于将频移信号和第二频带的组合信号展示给输出换能器的装置，用于将第一频带的信号移位的装置由用于确定第一频率与第二频率之间的固定关系的装置控制。

通过在转移音频信号时考虑第一频率与第二频率之间的关系，实现了所处理信号的高保真度。

本发明也涉及在助听器中转移音频频率的方法。该方法包括以下步骤：获得输入信号，检测输入信号中的第一主频，检测输入信号中的第二主频，将输入信号的第一频率范围移位到输入信号的第二频率范围，根据来自输入信号的一组参数将输入信号的经频移的第一频率范围叠加到输入信号的第二频率范围，其中检测第一主频和第二主频的步骤包含确定第一主频与第二主频之间的固定关系的存在的步骤，将第一频率范围移位的步骤由第一主频与第二主频之间的固定关系控制。

通过利用第一和第二检测频率之间的固定关系来控制助听器信号的转移，获得了经转移信号的更可理解的重现。

进一步的特征和实施例在从属权利要求中公开。

附图说明

现在参考附图更详细地解释本发明，其中：

图1是用于助听器的现有技术频率转移器的示意框图，

图2是图示说明现有技术频率转移器的操作的频率图，

图3是图示说明根据现有技术转移信号的问题的频率图，

图4是根据本发明的实施例的包含谐频跟踪器的频率转移器的示意框图，

图5是结合本发明一起使用的语音检测器的示意框图，

图6是在本发明中使用的复杂调制混频器的示意框图，

图7是根据本发明的实施例的谐频跟踪器的示意框图，

图8是图示说明用谐频跟踪来转移信号的频率图，以及

图9是根据本发明的实施例的包含频率转移器的助听器的示意框图。

具体实施方式

图1示出用于助听器的现有技术频率转移器1的示意框图。频率转移器包含陷波分析块2、振荡器块3、混频器4和带通滤波器块5。输入信号被提供给陷波分析块2的输入端。该输入信号是包含将被不更改地重现的低频部分和将被转移的高频部分的输入信号。

在陷波分析块2中，输入信号中存在的主频被检测和分析，并且分析的结果是适用于控制振荡器块3的频率值。振荡器块3生成具有由陷波分析块2确定的频率的连续正弦波，并且该正弦波被用作混频器4的调制信号。当输入信号呈现为到混频器4的输入端的载波信号时，通过在混频器4中用来自振荡器块3的输出信号进行调制，从输入信号生成上边带和下边带。

上边带被带通滤波器块5滤除。包含准备好添加到目标频带的输入信号的频率转移版本的下边带经过滤波器5到达频率转移器1的输出端。来自频率转移器1的频率转移输出信号被适当放大（放大装置未示出）以便谨慎地平衡其总水平和输入信号的低频部分的水平，并且因此使得助听器用户可以听到输入信号的已转移高频部分和输入信号的低频部分。

在图2中示出包含一系列谐频如第1、第2、第3等直到第22谐波的输入信号的频谱，以便图示说明频率转移如何操作。为了清晰起见，在图2中未示出与谐波序列对应的信号的基频。考虑具有使得高于2kHz的全部频率不可感知的听力损失的潜在助听器用户。这样的人将受益于使得部分信号例如在2kHz和4kHz之间的所选频带在频率上向下转移以落入由频率1kHz和2kHz分别定界的频带内，以便能够感知初始超过助听器用户能够听到的最高频率的信号。这在图2中由定义转移器的源频带的第一方框SB以及定义转移器的目标频带的第二方框TB来图示说明。在图2中，源频带SB是2kHz宽，并且目标频带TB是1kHz宽。为了使转移器算法能够正确地映射经转移频带，其在被叠加到目标频带上之前被限频到1kHz的宽度。这可以被视为“频率窗口”，其在来自用于转移的源频带的主频周围创设1kHz的频带。

图2中的第11和第12谐频高于示例中的人的频率上限，但在源频带频率限值内。因此这些谐频是用于控制有待在频率上向下转移到源频带以便使得示例中的助听器用户可感知的频带的主频候选项。

现有技术的转移器通过适当的带通滤波将源频带SB限频到1kHz，并且通过计算源频带中的信号通过转移过程映射到的目标频带中的目标频率来将输入信号的限频部分向下转移到目标频带上。通过跟踪源频带中的主频并将该主频周围的1kHz频带相对于该主频向下转移固定的因数，由此计算目标频率。即，如果固定因数是2并且在源频带中被跟踪的主频是例如3200Hz，则所转移的信号将被映射到1600Hz的频率周围。然后所转移的信号被叠加到已经存在于目标频带中的信号上，并且合成的信号被调节并展示给助听器用户。

输入信号的源频带SB的转移是通过将源频带信号乘以预先计算的正弦波函数来执行的，该正弦波函数的频率以上述方式来计算。在自然声音的大多数情况下，在源频带中被跟踪的频率将是属于在频谱中较低的同时发生的基频的谐频。因此将源频带信号相对于所检测的频率向下转移一或两个倍频程将理想地使其与低于所述听力损失频率限值的对应谐频一致，从而使得其以令人愉快且可理解的方式与信号的非转移部分融合。

然而，除非在转移频谱中的源频带信号之前务必确保源频带SB中的被跟踪谐频与目标频带TB中的对应谐频之间的正确谐波关系，否则已转移信号可能被意外地转移从而使得来自源频带的已转移主谐频不与目标频带中的对应谐频一致，而是在与其相距一定距离的频率处结束。这将导致用户的不和谐且不愉快的声音体验，因为来自源频带的已转移谐频与目标频带中已存在的相应未转移谐频之间的关系是不受控制的。这样的状况在图3中图示说明。

在图3中的频谱中示出根据现有技术的助听器的输入信号的一系列谐频，其类似于图2中示出的谐频系列。转移器算法被配置为将源频带SB向下转移一个倍频程以便与目标频带TB一致。在源频带SB中，第11和第12谐频具有相等的水平，并且因此可以同样可能作为将源频带信号部分向下转移到目标频带的基础而被转移算法检测并跟踪。如果允许现有技术的转移算法在第11谐频和第12谐频之间自由地挑选作为用于转移的源频率，则在一些情况下可能偶然挑选第11谐频而不是第12谐频。

在图3中第11谐波具有约2825Hz的频率，并且将其向下转移TD1的距离到该频率的一半可以将其映射到约1412.5Hz的频率处，使得合成的转移声音对收听者来说是不愉快的并且甚至可能是不可理解的。如果具有2980Hz频率的第12谐波已被算法挑选为转移的基础，则经转移的第12谐频将完美地与目标频带中低一个倍频程的1490Hz处的第6谐频一致，并且合成的声音对用户来说更愉快且更可接受。本发明减轻了当在助听器中转移声音时由该不确定性造成的不便。

根据本发明的用于助听器的频率转移器20的实施例在图4中示出。频率转移器20包含输入选择器21、频率跟踪器22、第一混频器23、第二混频器24和输出选择器25。图4中也示出了语音检测器块26和语音增强器块27。输入信号被提供给输入选择器21以便确定输入信号的哪部分频谱将被频率转移，并且被提供给输出选择器25以便将信号的非转移部分添加到信号的频率转移部分。频率转移器20能够独立地转移源信号的两个不同频带，并且将这些频带独立且同时映射到两个不同的目标频带。该特征允许在助听器的适配期间更灵活地设置转移器频率的频带限制，并且由于提供多于一个源频带而使得有可能执行更灵活的频率转移。输入选择器21也提供输入信号的不转移部分的合适滤波。

可以利用相同的原理实现适于将输入信号分成更高数目的源部分和目标部分的其他实施例。

浊音语音信号以与可以受益于转移的许多其他声音相同的方式包含基频和多个相应的谐频。然而，如果浊音语音信号由于在浊音语音中存在的共振峰频率而被转移，则该浊音语音信号可能遭受到可理解度的恶化。共振峰频率在与辨认和区分语音中的不同元音相关联的认知过程中起到非常重要的作用。如果共振峰频率从其在频谱中的自然位置移开，则分辨出一个元音和另一元音将变得更困难。另一方面，清音语音信号可能实际上受益于转移。语音检测器26执行检测语音信号的存在并且以转移清音语音信号而浊音语音信号保持不转移的方式分离浊音和清音语音信号的任务。为此目的，语音检测器26为输入选择器21生成三个控制信号：代表浊音语音在输入信号中存在的概率测度的浊音语音概率信号VS、表明语音在输入信号中存在的语音标记信号SF以及表明清音语音在输入信号中存在的清音语音标记USF。语音检测器也生成用于语音增强器27的输出信号。

根据输入信号和来自语音检测器26的控制信号，输入选择器21生成六个不同的信号：全部为频率跟踪器22准备的第一源频带控制信号SC1、第二源频带控制信号SC2、第一目标频带控制信号TC1和第二目标频带控制信号TC2，为第一混频器23准备的第一源频带直接信号SD1，以及为第二混频器24准备的第二源频带直接信号SD2。在内部，频率跟踪器22根据第一源频带控制信号SC1、第二源频带控制信号SC2、第一目标频带控制信号TC1和第二目标频带控制信号TC2分别确定第一源频带频率、第二源频带频率、第一目标频带频率和第二目标频带频率。当源频带频率和目标频带频率已知时，可以由频率跟踪器22计算源频率与目标频率之间的关系。

第一和第二源频带频率被用来分别生成第一和第二载波信号C1和C2，以便分别在第一混频器23中与第一源频带直接信号混频和在第二混频器24中与第二源频带直接信号混频，从而分别生成第一和第二频率转移信号FT1和FT2。第一和第二直接信号SD1和SD2是有待转移的信号的带限部分。

在输入信号中存在浊音语音信号的情况下，如由来自语音检测器26的浊音语音概率信号VS的水平所示，输入信号不应被转移。输入选择器21因此被配置为只要检测到浊音语音信号就将第一源频带直接信号SD1和第二源频带直接信号SD2的水平减小约12dB，并且一旦浊音语音概率信号VS降至低于预定水平或语音标记SF已变为逻辑低，则恢复第一源频带直接信号SD1和第二源频带直接信号SD2的水平。无论何时在输入信号中检测到浊音语音，这都将降低来自转移器20的输出信号水平。然而，应注意该机制旨在控制已转移信号和未转移信号的水平之间的平衡。施加到多个频带中的每个频带的适当放大是在信号处理链中的稍后阶段中确定的。

为了以上述方式利用由语音检测器26生成的控制信号VS、USF和SF，输入选择器21按以下方式操作：每当语音标记SF是逻辑高时，其向输入选择器21表示浊音的或清音的语音信号存在于有待转移的输入信号中。然后输入选择器使用浊音语音概率水平信号VS确定在输入信号中存在的浊音语音的量。

每当浊音语音概率水平VS超过预定限值时，第一源频带直接信号SD1和第二源频带直接信号SD2的幅值相应减小，因此相应地降低提供给输出选择器25的来自第一混频器23的调制信号FT1和来自第二混频器24的调制信号FT2的信号水平。净结果是每当浊音语音信号存在于输入信号中时信号的转移部分被抑制，由此有效地排除浊音语音信号被频率转移器20转移。

在输入信号中存在清音语音信号的情况下，如由来自语音检测器26的清音语音标记USF所示，输入信号应该被转移。因此输入选择器21被配置为将转移信号的水平提高预定量，以便在清音语音信号的持续时间内增强清音语音信号。输入信号的预定量水平增加量达到可以取决于听力损失的某种程度，并因此可以在助听器的适配期间被调整到合适水平。以此方式，转移器20可以在感知清音语音信号方面向助听器用户提供益处。

为了在执行转移时避免残余信号，图4示出的转移器中的混频器23和24优选体现为复合混频器。复合混频器利用具有如下通用公式的复载波函数y：

其中x_re是复载波函数的实部，并且x_im是复载波函数的虚部，并且

是来自频率跟踪器的信号WM的相位角（以弧度为单位）。通过使用用于混频的复函数，转移信号的上边带在该过程中被消除，因此消除残余信号的随后滤波或移除的需要。

在另一实施例中，实际混频器或调制器被用在转移器中。用实际混频器调制的信号导致生成上边带和下边带。在该实施例中，上边带在将转移信号添加到基带信号之前被滤波器移除。除了使额外滤波器存在所添加的复杂性之外，该方法必然在信号的转移部分内留下混叠剩余。该实施例因此在目前是较不优选的。

第一频率转移信号FT1是第一源频带中被向下转移一个倍频程即降低1/2的信号，以便使得第一频率转移信号FT1与第一目标频带中的相应信号一致，并且第二频率转移信号FT2是第二源频带中被向下转移1/3的信号，以便使得第二频率转移信号FT2与第二目标频带中的相应信号一致。该特征使得两个不同的源频带能够同时被转移，并且意味着第一和第二目标频带可以相互不同。

通过将第一源频带直接信号SD1与来自频率跟踪器22的第一输出信号C1在第一混频器23中混频，为输出选择器25生成第一频率转移目标频带信号FT1，并且通过将第二源频带直接信号SD2与来自频率跟踪器22的第二输出信号C2在第二混频器24中混频，为输出选择器25生成第二频率转移目标频带信号FT2。在输出选择器25中，两个频率转移信号FT1和FT2分别在适合在非转移信号部分的水平和转移信号部分的水平之间建立适当平衡的水平下与输入信号的非转移部分融合。

在图5中示出的是与本发明一起使用的语音检测器26的示意框图。语音检测器26能够从输入信号中检测并鉴别浊音和清音语音信号，并且其包含浊音语音检测器81、清音语音检测器82、清音语音鉴别器96、浊音语音鉴别器97以及OR门/或门98。浊音语音检测器81包含语音包络滤波器块83、包络带通滤波器块84、频率相关性计算块85、特征频率查询表86、语音频率计数块87、浊音语音频率检测块88以及浊音语音概率块89。清音语音检测器82包含低水平噪声鉴别器91、零交叉检测器92、零交叉计数器93、零交叉平均计数器94以及比较器95。

语音检测器26用来确定浊音和清音语音在输入信号中的存在和特征。该信息可以被用来执行语音增强，或在此情况下检测浊音语音在输入信号中的存在。馈送到语音检测器26的信号是来自多个频带的带分信号。语音检测器26依次在每个频带上操作以用于分别检测浊音语音和清音语音的目的。

浊音语音信号具有范围从约75Hz到约285Hz的特征包络频率。因此检测浊音语音信号在频带分割输入信号中的存在的可靠方式是分析各个频带中的输入信号以确定相同包络频率在全部相关频带中的存在或该包络频率的双倍在全部相关频带中的存在。这通过以下操作来完成：将包络频率信号从输入信号中隔离出来，对包络信号进行带通滤波以将语音频率与其他声音隔离开来，检测特征包络频率在带通滤波信号中的存在（例如通过执行带通滤波包络信号的相关性分析），累积由相关性分析导出的被检测特征包络频率，以及根据因此从输入信号导出的这些因数计算浊音语音在所分析信号中存在的概率的度量。

为了检测特征包络频率而由频率相关性计算块85执行的相关性分析是自相关分析，并且由以下方程近似：

$R_{\mathrm{xx}}\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\·x(n-k)$

其中k是有待检测的特征频率，n是样本，并且N是由相关性窗口使用的样本数目。由系统的采样频率f_s来定义由相关性分析可检测的最高频率，并且最低可检测频率取决于相关性窗口中的样本数目N，即：

$f_{\max }=\frac{f_s}{k},f_{\min }\≈f_s\·\frac{2}{N}$

相关性分析是延迟分析，其中每当延迟时间与特征频率匹配时相关性是最大的。输入信号被馈送到浊音语音检测器81的输入端，其中输入信号的语音包络被语音包络滤波器块83提取并且被馈送到包络带通滤波器块84的输入端，在此语音包络信号中高于和低于特征语音频率的频率被滤除，即低于约50Hz和高于1kHz的频率被滤除。然后频率相关性计算块85通过将所检测的包络频率与存储在特征频率查询表86中的一组预定包络频率进行比较来执行来自带通滤波器块84的输出信号的相关性分析，从而产生相关性度量作为其输出。

特征频率查询表86包含与在表1中示出的频率组类似的一组配对的特征语音包络频率（以Hz为单位）：

333	286	250	200	167	142	125	100	77	50
										-	142	125	100	77	286	250	200	167	-

表1.配对的特征语音包络频率

表1的上一行代表相关性语音包络频率，并且表1的下一行代表对应的加倍或减半相关性语音包络频率。在相关性分析中使用相对少的离散频率的表格的原因是在表格大小、检测速度、操作稳健性和足够精度之间达到平衡的意图。由于执行相关性分析的目的是检测最重要的说话者信号的存在，不需要精确的频率，因此相关性分析的结果是一组检测频率。

如果源于单个说话者的纯浊音语音信号作为输入信号存在，则仅少量特征包络频率在给定的时刻在输入信号中占优势。如果浊音语音信号被噪声局部遮蔽，则这不再是事实。然而，如果在三个或更多个频带中发现相同的特征包络频率，则仍可以通过频率相关性计算块85以充足的准确度确定浊音语音。

频率相关性计算块85生成馈送到语音频率计数块87的输入端的输出信号。该输入信号由相关性分析发现的一个或更多个频率构成。语音频率计数块87对输入信号中的特征语音包络频率的出现次数进行计数。如果没有发现特征语音包络频率，则输入信号被视为噪声。如果一个特征语音包络频率如100Hz或其谐波对应部分如200Hz在三个或更多个频带中被检测到，则该信号被视为源于一个说话者的浊音语音。然而，如果检测到两个或更多个不同的基频如100Hz和167Hz，则浊音语音可能源于两个或更多个说话者。该状况也被视为是由过程引起的噪声。

由语音频率计数块87发现的相关特征包络频率的数目被用作浊音语音频率检测块88的输入，其中通过相互比较不同包络频率对的计数来确定单个浊音语音信号的主导程度。如果检测到至少一个语音频率，并且其水平显著大于输入信号的包络水平，则由该系统检测到浊音语音，并且浊音语音频率检测块88输出浊音语音检测值作为浊音语音概率块89的输入信号。在浊音语音概率块89中，从由浊音语音频率检测块88确定的浊音语音检测值推导出浊音语音概率值。浊音语音概率值被用作来自浊音语音检测器81的浊音语音概率水平输出信号。

清音语音信号如摩擦音、齿擦音和爆破音可以被视为是没有任何良好定义的频率但具有大量高频成分的非常短的声音爆发。在数字域中检测清音语音信号的存在的成本有效且可靠的方式是采用与计数器结合的零交叉检测器，该零交叉检测器每当信号值的符号改变时给出一个短脉冲，该计数器用于对脉冲数目进行计数并因此对预定时段例如十分之一秒内输入信号中的零交叉事件的数目进行计数，并且将信号穿过零线的次数与在一段时段例如五秒内累积的零交叉的平均计数进行比较。如果浊音语音近来已发生，例如在最近的三秒内发生，并且零交叉的数目大于平均零交叉计数，则在输入信号中存在清音语音。

该输入信号也被馈送到语音检测器26的清音语音检测器82的输入端和低水平噪声鉴别器91的输入端。低水平噪声鉴别器91拒绝低于某个音量阈值的信号，以便清音语音检测器82能够排除背景噪声被检测为清音语音信号。每当输入信号被视为高于低水平噪声鉴别器91的阈值时，其进入零交叉检测器92的输入端。

每当输入信号的信号水平（定义为1/2FSD（满刻度偏转）或可处理的最大信号值的一半）穿过零时，零交叉检测器92进行检测，并且在每次输入信号因此改变符号时向零交叉计数器93输出脉冲信号。零交叉计数器93在有限持续时间的时间帧中操作，累积在每个时间帧内信号已穿过零阈值的次数。每个时间帧的零交叉数目被馈送到零交叉平均计数器94以便计算若干连续时间帧的零交叉的数目的慢速平均值，提供该平均值作为其输出信号。比较器95取得来自零交叉计数器93的输出信号和来自零交叉平均计数器94的输出信号作为其两个输入信号，并使用这两个输入信号生成用于清音语音检测器82的输出信号，如果来自零交叉计数器93的输出信号大于来自零交叉平均计数器94的输出信号，则用于清音语音检测器82的输出信号等于来自零交叉计数器93的输出信号，并且如果来自零交叉计数器93的输出信号小于来自零交叉平均计数器94的输出信号，则用于清音语音检测器82的输出信号等于来自零交叉平均计数器94的输出信号。

来自浊音语音检测器81的输出信号被分支到承载浊音语音概率水平的直接输出端，并被分支到浊音语音鉴别器97的输入端。每当来自浊音语音检测器81的浊音语音概率水平升高到高于第一预定水平时，浊音语音鉴别器97生成高逻辑信号，并且每当来自浊音语音检测器81的浊音语音概率水平降低到低于第一预定水平时，浊音语音鉴别器97生成低逻辑信号。

来自清音语音检测器82的输出信号被分支到承载清音语音水平的直接输出端，并被分支到清音语音鉴别器96的第一输入端。来自浊音语音检测器81的独立信号被馈送到清音语音鉴别器96的第二输入端。每当在预定时段例如0.5秒内检测到浊音语音时，该信号被使能。每当来自清音语音检测器82的清音语音水平升高到高于第二预定水平并且在预定时段内已检测到浊音语音时，清音语音鉴别器96生成高逻辑信号，并且每当来自清音语音检测器82的语音水平降低到低于第二预定水平时，清音语音鉴别器96生成低逻辑信号。

OR门/或门98取得分别来自清音语音鉴别器96和浊音语音鉴别器97的逻辑输出信号作为其两个输入信号，并生成逻辑语音标记以便被助听器电路的其他部分利用。如果浊音语音概率水平或清音语音水平高于其各自的预定水平，则由OR门98生成的语音标记是逻辑高，并且如果浊音语音概率水平和清音语音水平都低于其各自的预定水平，则由OR门98生成的语音标记是逻辑低。因此，由OR门98生成的语音标记指示输入信号中是否存在语音。

图6中示出与本发明一起使用以便实施图4中的每个混频器23和24的复合混频器70的实施例的示意框图。复合混频器的目的是生成在期望频率范围内的输入信号的下边带频移版本，同时不生成不需要的上边带，因此消除对用来消除不需要的上边带的附加低通滤波器的需要。复合混频器70包含希尔伯特（Hilbert）变换器71、相位累加器72、余弦函数块73、正弦函数块74、第一乘法器节点75、第二乘法器节点76以及加法器77。复合混频器70的目的是通过源信号与转移频率W的复合乘法（其结果是频率转移信号y）来执行源信号X从源频带到目标频带的实际转移。

有待转移的信号作为输入信号X进入复合混频器70的希尔伯特变换器71，该输入信号X代表有待频率转移的频率的源频带。希尔伯特变换器71输出实信号部分x_re和相对于实信号部分x_re相移-90°的虚信号部分x_im。实信号部分x_re被馈送到第一乘法器节点75，并且虚信号部分x_im被馈送到第二乘法器节点76。

转移频率W被馈送到相位累加器72以便生成相位信号

相位信号

被分成两个分支并被分别馈送到余弦函数块73和正弦函数块74，以便分别生成相位信号

的余弦和正弦。在第一乘法器节点75中实信号部分x_re与相位信号的余弦相乘，并且在第二乘法器节点76中虚信号部分x_im与相位信号

的正弦相乘。

在复合混频器77的加法器77中，承载虚信号部分x_im与相位信号

的正弦的乘积的来自第二乘法器节点76的输出信号被添加到承载实信号部分x_re与相位信号

的余弦的乘积的来自第一乘法器节点75的输出信号，产生频率转移输出信号y。然后来自复合混频器70的输出信号y是与目标频带一致的频率转移源频带的下边带。

为了确保转移信号中的第一谐频总是对应于非转移信号中的第二谐频，第一谐频和第二谐频都应由图4中的频率转移器20的频率跟踪器22检测。应该在基于第一谐频执行任何转移之前核实第一谐频与第二谐频之间的相互频率关系。由于偶次谐波的频率总是低N个倍频程的对应谐波的频率的N倍，因此确定两个谐频是否应被放在一起的关键是利用两个陷波滤波器，一个用于检测源频带中的谐波，另一个用于检测目标频带中的对应谐波，同时保持所检测谐频之间的关系恒定。这优选通过由现有技术水平的数字助听器中的数字信号处理器执行的合适算法来实施。这样的算法在下面更详细解释。

陷波滤波器优选在数字域中实施为具有以下一般传递函数的二阶IIR滤波器：

$H\left(Z\right)=\frac{D\left(z\right)}{N\left(z\right)}=\frac{1+c\·z^{-1}+z^{-2}}{1+r\·c\·z^{-1}+r^2\·z^{-2}}$

其中c是陷波系数，并且r是滤波器的极半径（0<r<1）。陷波系数c可以用弧度表达为频率w的函数，因此：

c=-2cos（w）

为了使得陷波滤波器的频率自由可变，在现有技术中各种方案是已知的。被视为对本发明的意图足够准确的简单但有效的方法是被称为简化梯度下降法的近似方法。这种方法需要陷波滤波器传递函数的梯度的近似，该近似可以通过将传递函数H(z)的分子D(z)关于c微分以获得滤波器传递函数的梯度来找到，因此：

$\frac{\&PartialD;H\left(z\right)}{\&PartialD;c}=\frac{\&PartialD;D\left(z\right)}{N\left(z\right)}=\frac{z^{-1}}{1+r\&CenterDot;c\&CenterDot;z^{-1}+r^2\&CenterDot;z^{-2}}$

然后可以通过将近似梯度作为转换系数c应用到陷波滤波器而直接确定陷波滤波器的陷波频率。

为了验证所检测的源频率是基频的偶次谐波，假定所检测的源频率与所检测的目标频率之间的比率是正整数常数N，即所检测的源频率是所检测的目标频率的N倍。基于该假设，源陷波滤波器的陷波系数可以表达为：

c_s=-2cos（N·w）

并且目标陷波滤波器的陷波系数因此变为：

c_t=-2cos（w）

对于在源频率与目标频率之间的1倍频程谐波关系，即N=2，通过使用三角恒等式找到c_s与c_t之间的关系：

cs=1-ct2

然后可以通过代入c_s并以上述方式关于c_t求微分来得到源陷波滤波器梯度：

$\frac{\&PartialD;H_s\left(z\right)}{\&PartialD;c_t}=\frac{\&PartialD;H_s\left(z\right)}{1+r\&CenterDot;c_s\&CenterDot;z^{-1}+r^2\&CenterDot;z^{-2}}$

$\mathrm{Hs}\left(z\right)=1+(1-\mathrm{ct}2)\&CenterDot;z-1+z-2\&DoubleRightArrow;$

$\frac{\&PartialD;H_s\left(z\right)}{\&PartialD;c_t}=\frac{-2\&CenterDot;c_t\&CenterDot;z^{-1}}{1+r+c_s\&CenterDot;z^{-1}+r^2\&CenterDot;z^{-2}}$

因此两个陷波滤波器的组合简化梯度G(z)是其各自简化梯度的加权和，并且可以表达为：

$G\left(z\right)=\frac{z^{-1}}{1+r\&CenterDot;{c\&CenterDot;}_t\&CenterDot;z^{-1}+r^2\&CenterDot;z^{-2}}+\frac{-2\&CenterDot;c_t\&CenterDot;z^{-1}}{1+r\&CenterDot;c_s\&CenterDot;z^{-1}+r^2\&CenterDot;z^{-2}}$

通过使用两个陷波滤波器的梯度的加权和作为组合的简化梯度G(z)，因此确保为源频带的转移生成的频率总是使得被转移源频带中的主频与目标频带中的正确主频一致。

组合的简化梯度G(z)被转移器用来分别在源频带和目标频带中寻找输入信号的局部最小量。如果主频在源频带中存在，则G(z)的第一独特梯度表达式在源主频处具有局部最小值，并且如果相应的主频在目标频带中存在，则G(z)的第二独特梯度表达式也在目标主频处具有局部最小值。因此，如果源频率和目标频率都给出局部最小值，则源频带被转移。

在本发明的实施例中，执行转移算法的信号处理器在32kHz的采样率下操作。通过使用前述的基于梯度下降的算法，转移器20的频率跟踪器22能够以高达60Hz/样本的速度（其中典型的跟踪速度为2-10Hz/样本）跟踪输入信号中的主频，同时保持足够的准确度。

为了转移比一个转移器可能转移的谐波频带更高的谐波频带，利用比谐波源频率低两个倍频程（即N=3）的谐波目标频率的第二转移器也可以通过应用相同的原理来容易地采用。具有第二源陷波滤波器和第二目标陷波滤波器的这种第二转移器对频谱中对应于转移四倍即两个倍频程的较高源频带进行独立操作。在此情况下，对于N=3的源陷波滤波器梯度就变为：

$\frac{\&PartialD;H_s\left(z\right)}{\&PartialD;c_t}=\frac{-3(1-c_t^2)\&CenterDot;z^{-1}}{1+r\&CenterDot;c_s\&CenterDot;z^{-1}+r^2\&CenterDot;z^{-2}}$

以此方式，两个或更多个陷波滤波器的输出可以被组合以形成单个陷波输出和有待调适的单个梯度。类似地，用于转移较高频带（即较高数目的N）的源陷波滤波器梯度可以被本发明用于处理涉及目标频率的较高谐波。

在图7中示出的是根据本发明的频率跟踪器22的实施例。频率跟踪器22包含源陷波滤波器块31、目标陷波滤波器块32、加法器33、梯度权重生成器块34、陷波调适块35、系数转换器块36和输出相位转换器块37。频率跟踪器22的目的是为了控制转移过程而分别检测源频带和目标频带中的相应主频。

源陷波滤波器31取得源频带信号SRC和源系数信号CS作为其输入信号，并生成源陷波信号NS和源陷波梯度信号GS。源陷波信号NS在加法器33中被添加到目标陷波频率信号NT，生成陷波信号N。源陷波梯度信号GS被用作梯度权重生成器块34的第一输入信号。目标陷波滤波器块32取得目标频带信号TGT和目标系数信号CT作为其输入信号，并生成目标陷波信号NT和目标陷波梯度信号GT。如上所述，目标陷波信号NT在加法器33中被添加到源陷波信号NS，生成陷波信号N。目标陷波梯度信号GT被用作梯度权重生成器块34的第二输入信号。

梯度权重生成器块34根据目标系数信号CT以及分别来自源陷波滤波器31和目标陷波滤波器32的陷波梯度信号GS和GT生成梯度信号G。来自加法器33的陷波信号N被用作陷波调适块35的第一输入，并且来自梯度权重生成器块34的梯度信号G被用作陷波调适块35的第二输入，以便生成目标权重信号WT。来自陷波调适块35的目标权重信号WT被用作系数转换器块36的输入信号以便分别生成系数信号CS和CT，并且被用作输出相位转换器块37的输入信号。

输出相位转换器块37为混频器（未示出）生成加权混频器控制频率信号WM，以便将源频带转移到目标频带。加权混频器控制频率信号WM对应于图6中的转移频率输入W，并且以在下面解释的方式直接确定有待转移的源频带离其原点多远。

频率跟踪器22通过针对主频分析源频带和目标频带并使用在源频带和目标频带中检测到的主频之间的关系计算要执行的频移的幅值，为有待转移的源频带确定最优频移。由本发明执行该分析的方式在下面进一步详细解释。

为了频率跟踪器22生成用于控制根据本发明的转移器的频率，假定由源陷波滤波器块31检测到的源陷波频率是基频的偶次谐波，并且假定由目标陷波滤波器块32检测到的目标陷波频率是与源频带的偶次谐波具有固定关系的谐频，因此源陷波滤波器块31和目标陷波滤波器块32必须利用由两个陷波滤波器检测到的两个陷波频率之间的固定关系的存在来并行工作。这意味着组合梯度必须可用于频率跟踪器22。组合梯度G（z）可以根据先前描述的算法被表达为源陷波滤波器31和目标陷波滤波器32的梯度之和，因此：

$G\left(z\right)=\frac{\&PartialD;H_s\left(z\right)}{\&PartialD;c}+\frac{\&PartialD;H_t\left(z\right)}{\&PartialD;c}$

其中H_s(z)是源陷波滤波器块31的传递函数，而H_t(z)是目标陷波滤波器块32的传递函数。

图8是图示说明如何通过根据本发明的频率转移器解决正确地跟踪目标频率的谐波的问题的频率图。在图8的频谱中以类似于图2中示出的谐频系列的方式示出根据本发明的助听器的输入信号的一系列谐频。如在图2和图3中，对应于该谐频系列的基频没有示出。不允许转移器算法在第11谐波和第12谐波之间自由选择，而是被强制选择源频带中的偶次谐频作为转移的基础。如先前示出，所有偶次谐频都在偶次谐频的半频率处具有对应的谐频。因此，在此情况下，第12谐频被频率转移器选择为转移的基础。当以距离TD2在频率上被向下转移1倍频程到目标频带TB时，第12谐频将与第6谐频一致。类似地，在图8示出的目标频带TB中，第13谐频将与第7谐频一致，第11谐频将与第5谐频一致，等等。

由本发明通过在转移之前分析源频带SB中的被检测的第12谐频和目标频带TB中的被检测的相应第6谐频以验证两个频率之间存在谐波关系来实现该结果。因此，确定更合适的转移频率距离TD2，并且当转移源频带信号被叠加到目标频带上时，在图8中以较细轮廓线示出的转移信号的经转移的第10、第11、第12、第13和第14谐频现在与目标频带TB中的各自对应的第4、第5、第6、第7和第8谐频一致，导致向用户提供更令人愉快和更可接受的声音。

如果例如源频带SB中的第14谐频而不是第12谐频被选择为转移的基础，则在被根据本发明的转移器转移时，其将与目标频带TB中的第7谐频TB一致，并且来自转移源频带SB的邻近谐频将以相似方式与目标频带TB中的其相应的谐频中的每个一致。只要由组合频率跟踪器发现源频带频率是基频的偶次谐频，则根据本发明的转移器就能够将检测到的偶次谐频周围的频带向下转移到较低频带，从而与在那里存在的被检测谐频一致。

图9是示出根据本发明的包含频率转移器20的助听器50的示意框图。助听器50包含话筒51、带分滤波器52、输入节点53、语音检测器26、语音增强器27、频率转移器20、输出节点54、压缩器55以及输出换能器56。为了清晰起见，在图9中未示出助听器的放大器、程序存储装置、模数转换器、数模转换器和频率相关指示放大装置。

在使用期间，声信号由话筒51拾取并被转换成适于由助听器50放大的电信号。该电信号在带分滤波器52中被分离成多个频带，并且最终的带分信号经输入节点53进入频率转移器20。在频率转移器20中，以连同图4一起呈现的方式处理信号。

来自带分滤波器52的输出信号也被馈送到语音检测器26的输入端，以便生成为频率转移器块20准备的三个控制信号VS、USF和SF（在图4的背景下在上面解释）以及为语音增强器块27准备的第四控制信号。语音增强器块27通过控制压缩器55的增益值来执行在宽带噪声水平高于预定限值时在其中检测到语音的频段中提高信号水平的任务。如果检测到语音并且噪声不在特别频带中支配语音，则语音增强器块27使用来自语音检测器26的控制信号计算并应用语音增强增益值到应用于个别频带中的信号的增益。这使得包含语音信号的频带能够被放大到高于宽带噪声以便改善语音可理解度。

来自频率转移器20的输出信号经由输出节点54被馈送到压缩器55的输入端。压缩器55的目的是根据助听器处方减小组合输出信号的动态范围，以便减小超过助听器用户的所谓舒适上限（UCL）的响亮音频信号的风险，同时确保柔和音频信号被充分放大以超过助听器用户的听力阈限（HTL）。该压缩在频率转移之后执行以便确保信号的频率转移部分也根据助听器处方被压缩。

来自压缩器55的输出信号被放大并调节（用于放大和调节的装置未示出），以便驱动用于将来自助听器50的输出信号声学重现的输出换能器56。该信号包含输入信号的非转移部分和叠加于其上的输入信号的频率转移部分，以使得该频率转移部分对于否则不能感知这些部分的频率范围的听力受损用户来说是可感知的。此外，以与输入信号的非转移部分尽可能相干的方式使得输入信号的频率转移部分是可听到的。

Claims (14)

1.一种具有信号处理器的助听器，所述信号处理器包含用于将输入信号分成第一频带和第二频带的装置、能够检测所述第一频带中的第一特征频率的第一频率检测器、能够检测所述第二频带中的第二特征频率的第二频率检测器、用于将所述第一频带的信号在频率上移位一段距离以便形成落入所述第二频带的频率范围内的信号的装置、由所述第一和第二频率检测器控制的至少一个振荡器、用于将来自所述第一频带的信号与来自所述振荡器的输出信号相乘以便生成落入所述第二频带内的频移信号的装置、用于将所述频移信号叠加到所述第二频带上的装置以及用于将所述频移信号和所述第二频带的组合信号展示给输出换能器的装置，所述用于将所述第一频带的信号移位的装置由用于确定所述第一频率与所述第二频率之间的固定关系的装置控制。

2.根据权利要求1所述的助听器，其中所述用于检测所述输入信号中的第一频率的装置是具有第一陷波梯度的第一陷波滤波器，并且所述用于检测所述输入信号中的第二频率的装置是具有第二陷波梯度的第二陷波滤波器。

3.根据权利要求1所述的助听器，其中所述用于确定所述输入信号中的所述第一频率与所述第二频率之间的固定关系的存在的装置包含用于通过组合所述第一和第二陷波梯度生成组合梯度的装置。

4.根据权利要求3所述的助听器，其中所述用于将所述第一频带的信号移位到所述第二频带的装置由所述用于生成组合梯度的装置控制。

5.根据权利要求1所述的助听器，其包含用于检测浊音语音信号的存在的装置和用于检测所述输入信号中的清音语音信号的装置。

6.根据权利要求5所述的助听器，其中所述用于检测浊音语音信号的存在的装置包含用于禁能所述浊音语音信号的频移的装置。

7.根据权利要求5所述的助听器，其中所述用于检测清音语音信号的存在的装置包含用于使能所述清音语音信号的频移的装置。

8.根据权利要求5所述的助听器，其中所述用于检测浊音语音信号的装置包含用于从所述输入信号中提取包络信号的包络滤波器。

9.根据权利要求5所述的助听器，其中所述用于检测清音语音信号的装置包含用于检测所述包络信号中的清音语音水平的零交叉率计数器和平均零交叉率计数器。

10.一种在助听器中将音频频率移位的方法，所述方法包括以下步骤：获得输入信号、检测所述输入信号中的第一主频，检测所述输入信号中的第二主频、将所述输入信号的第一频率范围移位到所述输入信号的第二频率范围以及根据来自所述输入信号的一组参数将所述输入信号的经频移的所述第一频率范围叠加到所述输入信号的所述第二频率范围，其中检测所述第一主频和所述第二主频的步骤包含确定所述第一主频与所述第二主频之间的固定关系的存在的步骤，移位所述第一频率范围的步骤由所述第一主频与所述第二主频之间的所述固定关系控制。

11.根据权利要求10所述的方法，其中检测所述输入信号中的第一主频和第二主频的步骤包括从所述输入信号中导出第一陷波梯度和第二陷波梯度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中确定所述输入信号中的所述第一主频与所述第二主频之间的固定关系的存在的步骤包括将所述第一陷波梯度和所述第二陷波梯度组合成组合梯度并且使用所述组合梯度来将所述输入信号的所述第一频率范围移位到所述输入信号的所述第二频率范围。

13.根据权利要求10所述的方法，其中将经频移的所述第一频率范围叠加到所述第二频率范围上的步骤使用所述第一主频与所述第二主频之间的所述固定关系的存在作为用于确定经频移的所述第一频率范围的输出水平的参数。

14.根据权利要求11所述的方法，其中检测所述第一主频和所述第二主频的步骤包括分别检测浊音语音信号和清音语音信号在所述输入信号中的存在，增强所述清音语音信号的频移以及抑制所述浊音语音信号的频移。

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