CN103312296A - 一种听力保护用数字听感知滤波器组及其建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种听力保护用数字听感知滤波器组及其建立方法，其特征在于：所述数字听感知滤波器组包括若干个数字听感知滤波器通道，每一所述数字听感知滤波器通道由四个二阶滤波器级联组成。所述数字听感知滤波器组的建立方法包括：确定待处理的音频信号在频域和Bark域的频率范围；计算各数字听感知滤波器通道在Bark域、频域上的中心频率和频域上的带宽；确定所述数字听感知滤波器组的时域表达式；对所述时域表达式进行拉普拉斯变换，得到传递函数G(s)；对传递函数G(s)进行因式分解；对每一级二阶传递函数进行Z变换；建立非均匀的多通道数字听感知滤波器组。本发明可以广泛应用于各种盔载、耳机耳罩型的嵌入式听力保护装置和音频处理设备。

Description

一种听力保护用数字听感知滤波器组及其建立方法

技术领域

本发明涉及一种音频滤波器组及其建立方法，特别是关于一种听力保护用数字听感知滤波器组及其建立方法。

背景技术

目前，数字音频处理中的滤波分解算法如助听器、降噪耳塞、主动式听力保护设备中的时频分解算法，通常采用短时傅里叶变换、WOLA（加权叠加）滤波器组等均匀多通道算法，将时域中的声音信号转换到频域，在不同的频段对其进行处理。这些方法的技术成熟度高，算法简单，处理速度快，而且多有成熟的算法库，使用很广泛。但是，这些方法是信息领域中通用的一种数字信号处理方法，其没有针对音频处理的实际应用背景，特别是没有考虑人耳感知声音时在频带上的非均匀性，即人耳对低频声音的分辨能力强，对高频声音的分辨能力弱的特点。随着技术的进步，那些均匀多通道处理方法及滤波器组已经无法满足人们对音频处理的实际需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种听力保护用数字听感知滤波器组及其建立方法，其基于人耳听感知特性，能够快速对噪声进行非均匀多通道滤波。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种听力保护用数字听感知滤波器组，其特征在于：其包括若干个数字听感知滤波器通道，每一所述数字听感知滤波器通道由一个八阶的数字听感知滤波器构成，所述八阶的数字听感知滤波器由四个二阶滤波器级联组成。

所述数字听感知滤波器组的通道数设定为8、16、24、32、64、128和256中的任一个。

所述一种听力保护用数字听感知滤波器组的建立方法，其包括以下步骤：1）针对听力保护的应用需求，根据人耳的听感知特性，确定待处理的音频信号在频域的频率范围为50Hz～8000Hz，并计算得到该待处理的音频信号在Bark域上对应的频率范围为1.84Bark～33.29Bark；2）根据设定的数字听感知滤波器组的通道数以及待处理的音频信号在Bark域上的频率值F_Bark与在频域上的频率值F_Hz之间的对应关系，计算得到每一个数字听感知滤波器通道在Bark域上的中心频率和在频域上的中心频率f_c，根据频域上的中心频率f_c计算出频域上的带宽b(f_c)；3）将用来描述猫的听神经的生理学冲激响应数据特性的滤波器冲激响应函数g(t)作为数字听感知滤波器组的时域表达式；4）对数字听感知滤波器组的时域表达式g(t)进行拉普拉斯变换，得到其在S域的传递函数G(s)；5）将传递函数G(s)因式分解为四级二阶传递函数乘积的形式，得到每个数字听感知滤波器通道由四个二阶滤波器级联组成，并且得到每个二阶滤波器的幅度增益调节参数A_i；6）对传递函数G(s)在S域的每一级二阶传递函数进行Z变换，得到每一级二阶传递函数所对应的二阶滤波器的参数a_i、b₁和b₂；7）根据得到的每一级二阶传递函数所对应的二阶滤波器的参数A_i、a_i、b₁和b₂建立非均匀的多通道数字听感知滤波器组。

所述步骤1）中，待处理的音频信号频域上的频率范围在Bark域上对应的频率范围通过下式计算：

$F_{\mathrm{Bark}}=21.4\×{\log }_{10}(1+\frac{4.37\×F_{\mathrm{Hz}}}{1000}),$

其中，F_Bark为Bark域上的频率值，F_Hz为频域上的频率值。

所述步骤2）中，所述每一个数字听感知滤波器通道在频域上的中心频率f_c及其在频域上的带宽b(f_c)的计算步骤包括：①以近似1为间隔，根据设定的数字听感知滤波器组的通道数对待处理的音频信号在Bark域上的频率范围1.84Bark～33.29Bark进行划分，得到每一个数字听感知滤波器通道在Bark域上的中心频率；②根据Bark域上的频率值F_Bark与频域上的频率值F_Hz之间的对应关系得到每一个数字听感知滤波器通道在频域上所对应的中心频率f_c为：

$f_c=F_{\mathrm{Hz}}=\frac{{10}^{\frac{F_{\mathrm{Bark}}}{21.4}}-1}{4.37}\×1000;$

③根据步骤②得到的每一个数字听感知滤波器通道在频域上的中心频率f_c及其与频域上的带宽b(f_c)之间的关系式：

b(f_c)＝1.019×24.7×(4.37×f_c/1000+1)

计算出频域上该中心频率f_c所对应的带宽b(f_c)。

所述步骤5）～6）中，所述每一级二阶传递函数对应的二阶滤波器的幅度增益调节参数A_i为：

$A_i=\frac{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}^2-{\mathrm{\ω}}_c^2)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}}{Q_c}\right)}^2}}{\sqrt{z_i^2+{\mathrm{\ω}}_c^2}},$

式中，ω_cp和Q_c分别为：

i为每一个数字听感知滤波器通道中每一级二阶滤波器的编号，其值为：i=1,2,3,4；对应于不同的i值，z_i分别为：

$z_1=-({\mathrm{\ω}}_c-B_c+\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c),z_2=-({\mathrm{\ω}}_c-B_c-\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c),z_3=-({-\mathrm{\ω}}_c-B_c+\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c),z_4=-({-\mathrm{\ω}}_c-B_c-\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c),$

其中，B_c＝2πb(f_c)，ω_c＝2πf_c，f_c为每个数字听感知滤波器通道在频域上的中心频率，b(f_c)为每个数字听感知滤波器通道对应频域上的中心频率f_c的带宽；每一级二阶滤波器独有参数a_i为：

$a_i=\frac{(z_i-B_c)e^{-B_{c}T}\sin (-{\mathrm{\ω}}_{c}T)}{-{\mathrm{\ω}}_c}-e^{-B_{c}T}\cos (-{\mathrm{\ω}}_{c}T),i=\mathrm{1,2},\mathrm{3,4};$

每一级二阶滤波器共有的参数b₁及b₂为：

$b_1=-2e^{-B_{c}T}\cos (-{\mathrm{\ω}}_{c}T),b_2=e^{-2B_{c}T}.$

所述每一个数字听感知滤波器通道的中心频率在Bark域上均匀分布，在频域上非均匀分布。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于数字听感知滤波器组包括若干个数字听感知滤波器通道，每一所述数字听感知滤波器通道由一个八阶的数字听感知滤波器构成，所述八阶的数字听感知滤波器由四个二阶滤波器级联组成，因此本发明的数字听感知滤波器组结构简单，实时性好，便于用芯片进行设计。2、本发明由于数字听感知滤波器组是基于人耳听感知特性建立的，因此能够模拟人耳耳蜗基底膜对声音频率的非均匀性听感知效果，能够满足人们对音频处理的实际需求。3、本发明由于采用若干通道数字听感知滤波器组将时域的音频信号分解为若干个子带音频信号，根据子带音频信号中能量、声调、时差、起止时刻等信号特征对子带音频信号进行处理，并去除对听力有危害的信号，保留有用信息，因此能够达到依据人耳听感知特性进行针对性听力保护的目的。基于以上优点，本发明可以广泛应用于各种盔载、耳机耳罩型的嵌入式听力保护装置和音频处理设备中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明中单个数字听感知滤波器通道的内部结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的听力保护用数字听感知滤波器组是由若干个数字听感知滤波器通道C构成，时域数字音频信号分别输入至各数字听感知滤波器通道C内，被分解为若干个不同的子带音频信号输出，以便进行后续降噪、增强、分离等处理。其中，输出的子带音频信号个数与数字听感知滤波器组的通道数相同。

数字听感知滤波器通道C的数量可以根据实际需求设定为8、16、24、32、64、128或256等。

如图2所示，每一个数字听感知滤波器通道C由一个八阶的数字听感知滤波器构成，该八阶的数字听感知滤波器由第一个至第四个二阶滤波器1、2、3、4级联组成。

以建立三十二通道数字听感知滤波器组为例，本发明的听力保护用数字听感知滤波器组的建立方法包括以下步骤：

1）针对听力保护的应用需求，根据人耳的听感知特性，确定待处理的音频信号在频域的频率范围为50Hz～8000Hz，并计算得到该待处理的音频信号在Bark域（巴克域）上对应的频率范围为1.84Bark～33.29Bark；

待处理的音频信号频域上的频率范围在Bark域上对应的频率范围通过下式计算：

$F_{\mathrm{Bark}}=21.4\×{\log }_{10}(1+\frac{4.37\×F_{\mathrm{Hz}}}{1000})---\left(1\right)$

其中，F_Bark为Bark域上的频率值，F_Hz为频域上的频率值。

2）根据设定的三十二通道数字听感知滤波器组的通道数以及待处理的音频信号在Bark域上的频率值F_Bark与频域上的频率值F_Hz之间的对应关系，计算得到每一个数字听感知滤波器通道C在Bark域和频域上的中心频率f_c，根据频域上的中心频率f_c计算出频域上的带宽b(f_c)，其计算步骤如下：

①以近似1为间隔，根据设定的三十二通道数字听感知滤波器组的通道数对待处理的音频信号在Bark域上的频率范围1.84Bark～33.29Bark进行划分，可以得出每一个数字听感知滤波器通道C在Bark域上的中心频率。

②根据公式(1)可以得到每一个数字听感知滤波器通道C在频域上所对应的中心频率f_c，

$f_c=F_{\mathrm{Hz}}=\frac{{10}^{\frac{F_{\mathrm{Bark}}}{21.4}}-1}{4.37}\×1000.$

③根据步骤②得到的每一个数字听感知滤波器通道C在频域上的中心频率f_c及其与频域上的带宽b(f_c)之间的关系式：

b(f_c)＝1.019×24.7×(4.37×f_c/1000+1)

可以计算出频域上该中心频率f_c所对应的带宽b(f_c)。

根据上述步骤，得到每一个数字听感知滤波器通道C在Bark域上的中心频率、频域上的中心频率f_c和频域上的带宽b(f_c)，如表1所示。

表1三十二个数字听感知滤波器通道划分表

由表1可知，每一个数字听感知滤波器通道C在Bark域上的中心频率值之间相差1.01或1.02，这样可以认为数字听感知滤波器组在Bark域上的中心频率均匀分布；由计算得到的每一个数字听感知滤波器通道C在频域上的中心频率值f_c之间的差值非固定值，这样可以认为数字听感知滤波器组在频域上的中心频率f_c非均匀分布。因此，对三十二通道数字听感知滤波器组频域上中心频率f_c的划分考虑了人耳感知声音时在频带上的非均匀性，满足人们对音频处理的实际需求。

3）将已有用来描述猫的听神经的生理学冲激响应数据特性的滤波器冲激响应函数g(t)作为三十二通道数字听感知滤波器组的时域表达式；

最早通过生物实验获得、用来描述猫的听神经的生理学冲激响应数据特性的滤波器冲激响应函数g(t)为：

$g\left(t\right)=t^3{e}^{-2\mathrm{\πb}\left(f_c\right)t}\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right),(t>0)---\left(2\right)$

本发明中三十二通道数字听感知滤波器组的时域表达式可以采用式(2)表示。其中，参数t为时间，c为数字听感知滤波器组的通道数编号（c=1,2,3…32），f_c为每个数字听感知滤波器通道C在频域上的中心频率，b(f_c)为每个数字听感知滤波器通道C对应频域上的中心频率f_c的带宽，e=2.71828…为自然对数的底数。

4）对三十二通道数字听感知滤波器组的时域表达式g(t)进行拉普拉斯变换，得到其在S域（复频域）的传递函数G(s)；

为便于对三十二通道数字听感知滤波器组的结构进行设计，需要对连续的冲击响应函数进行离散化处理。对三十二通道数字听感知滤波器组的时域表达式g(t)进行Laplace变换（拉普拉斯变换），令B_c＝2πb(f_c)，ω_c＝2πf_c，可以得到：

$L\left(g\left(t\right)\right)=L\left(t^3\frac{\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)}{e^{B_{c}t}}\right)={(-1)}^3\frac{d^3\left(\frac{s+B_c}{{(s+B_c)}^2+{\mathrm{\ω}}_c^2}\right)}{d{s}^3}---\left(3\right)$

式中，s为复频率；对式(3)进行计算，得到式(2)在S域（复频域）的传递函数G(s)的表达式：

$G\left(s\right)=\frac{6[{(s+B_c)}^4-6{(s+B_c)}^2{\mathrm{\ω}}_c^2+{\mathrm{\ω}}_c^4]}{{\[{(s+B_c)}^2+{\mathrm{\ω}}_c^2\]}^4}---\left(4\right)$

5）将传递函数G(s)因式分解为四级二阶传递函数乘积的形式，得到每个数字听感知滤波器通道C由四个二阶滤波器级联组成,并且得到每个二阶滤波器的幅度增益调节参数A_i：

$G\left(s\right)=\frac{A_1(s+z_1)}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}}{Q_c}s+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}}^2}\×\frac{A_2(s+z_2)}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}}{Q_c}s+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}}^2}\×\frac{A_3(s+z_3)}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}}{Q_c}s+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}}^2}\×\frac{A_4(s+z_4)}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}}{Q_c}s+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}}^2}---\left(5\right)$

式中，

A₁、A₂、A₃、A₄分别是第一级至第四级二阶滤波器1、2、3、4的幅度增益调节参数，A₁、A₂、A₃、A₄用A_i（i为每个数字听感知滤波器通道C中每一级二阶滤波器的编号，其值为i=1,2,3,4）表示。

每一个二阶滤波器的幅度增益调节参数A_i为：

$A_i=\frac{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}^2-{\mathrm{\ω}}_c^2)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}}{Q_c}\right)}^2}}{\sqrt{z_i^2+{\mathrm{\ω}}_c^2}}$

式中，z_i为表达式(5)的四个零点值，其分别为：

$z_1=-({\mathrm{\ω}}_c-B_c+\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c),z_2=-({\mathrm{\ω}}_c-B_c-\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c),z_3=-({-\mathrm{\ω}}_c-B_c+\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c),z_4=-({-\mathrm{\ω}}_c-B_c-\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c).$

由表达式(5)可以看出，三十二通道数字听感知滤波器组的每个数字听感知滤波器通道C可以由第一个至第四个二阶滤波器1、2、3、4级联组成。

6）对传递函数G(s)在S域的每一级二阶传递函数进行Z变换，得到每一级二阶传递函数所对应的二阶滤波器的参数a_i、b₁和b₂；

以表达式(5)中的一个二阶传递函数表达式

为例（其中，幅度增益调节参数A₁为该表达式的常数系数，可以不参与Z变换），采用冲击响应不变法，对其进行Z变换，得到式(6),

式中，T为数字音频信号的采样周期。

令 $a_1=\frac{(z_1-B_c)e^{-B_{c}T}\sin (-{\mathrm{\ω}}_{c}T)}{-{\mathrm{\ω}}_c}-e^{-B_{c}T}\cos (-{\mathrm{\ω}}_{c}T),$

由表达式(5)和(6)可以看出，参数b₁及b₂为每一级二阶滤波器共有的参数。

由类比法可以得到，每一级二阶滤波器独有参数a_i为：

$a_i=\frac{(z_i-B_c)e^{-B_{c}T}\sin (-{\mathrm{\ω}}_{c}T)}{-{\mathrm{\ω}}_c}-e^{-B_{c}T}\cos (-{\mathrm{\ω}}_{c}T).$

7）根据步骤5）和步骤6）得到的每一级二阶传递函数所对应的二阶滤波器的参数A_i、a_i、b₁和b₂建立非均匀的多通道数字听感知滤波器组；

根据步骤5）和步骤6）得到的每一级二阶传递函数所对应的二阶滤波器的参数A_i、a_i、b₁和b₂建立一个四级二阶滤波器，多通道四级二阶滤波器构成一个非均匀的多通道数字听感知滤波器组。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种听力保护用数字听感知滤波器组，其特征在于：其包括若干个数字听感知滤波器通道，每一所述数字听感知滤波器通道由一个八阶的数字听感知滤波器构成，所述八阶的数字听感知滤波器由四个二阶滤波器级联组成。

2.如权利要求1所述的一种听力保护用数字听感知滤波器组，其特征在于：所述数字听感知滤波器组的通道数设定为8、16、24、32、64、128和256中的任一个。

3.一种如权利要求1或2所述听力保护用数字听感知滤波器组的建立方法，其包括以下步骤：

1）针对听力保护的应用需求，根据人耳的听感知特性，确定待处理的音频信号在频域的频率范围为50Hz～8000Hz，并计算得到该待处理的音频信号在Bark域上对应的频率范围为1.84Bark～33.29Bark；

2）根据设定的数字听感知滤波器组的通道数以及待处理的音频信号在Bark域上的频率值F_Bark与在频域上的频率值F_Hz之间的对应关系，计算得到每一个数字听感知滤波器通道在Bark域上的中心频率和在频域上的中心频率f_c，根据频域上的中心频率f_c计算出频域上的带宽b(f_c)；

3）将用来描述猫的听神经的生理学冲激响应数据特性的滤波器冲激响应函数g(t)作为数字听感知滤波器组的时域表达式；

4）对数字听感知滤波器组的时域表达式g(t)进行拉普拉斯变换，得到其在S域的传递函数G(s)；

5）将传递函数G(s)因式分解为四级二阶传递函数乘积的形式，得到每个数字听感知滤波器通道由四个二阶滤波器级联组成，并且得到每个二阶滤波器的幅度增益调节参数A_i；

6）对传递函数G(s)在S域的每一级二阶传递函数进行Z变换，得到每一级二阶传递函数所对应的二阶滤波器的参数a_i、b₁和b₂；

7）根据得到的每一级二阶传递函数所对应的二阶滤波器的参数A_i、a_i、b₁和b₂建立非均匀的多通道数字听感知滤波器组。

4.如权力要求3所述的一种听力保护用数字听感知滤波器组的建立方法，其特征在于：所述步骤1）中，待处理的音频信号频域上的频率范围在Bark域上对应的频率范围通过下式计算：

$F_{\mathrm{Bark}}=21.4\×{\log }_{10}(1+\frac{4.37\×F_{\mathrm{Hz}}}{1000}),$

其中，F_Bark为Bark域上的频率值，F_Hz为频域上的频率值。

5.如权力要求3或4所述的一种听力保护用数字听感知滤波器组的建立方法，其特征在于：所述步骤2）中，所述每一个数字听感知滤波器通道在频域上的中心频率f_c及其在频域上的带宽b(f_c)的计算步骤包括：

①以近似1为间隔，根据设定的数字听感知滤波器组的通道数对待处理的音频信号在Bark域上的频率范围1.84Bark～33.29Bark进行划分，得到每一个数字听感知滤波器通道在Bark域上的中心频率；

②根据Bark域上的频率值F_Bark与频域上的频率值F_Hz之间的对应关系得到每一个数字听感知滤波器通道在频域上所对应的中心频率f_c为：

$f_c=F_{\mathrm{Hz}}=\frac{{10}^{\frac{F_{\mathrm{Bark}}}{21.4}}-1}{4.37}\×1000;$

③根据步骤②得到的每一个数字听感知滤波器通道在频域上的中心频率f_c及其与频域上的带宽b(f_c)之间的关系式：

b(f_c)＝1.019×24.7×(4.37×f_c/1000+1)

计算出频域上该中心频率f_c所对应的带宽b(f_c)。

6.如权力要求3～5任一项所述的一种听力保护用数字听感知滤波器组的建立方法，其特征在于：所述步骤5）～6）中，所述每一级二阶传递函数对应的二阶滤波器的幅度增益调节参数A_i为：

$A_i=\frac{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}^2-{\mathrm{\ω}}_c^2)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cp}}}{Q_c}\right)}^2}}{\sqrt{z_i^2+{\mathrm{\ω}}_c^2}},$

式中，ω_cp和Q_c分别为：

i为每一个数字听感知滤波器通道中每一级二阶滤波器的编号，其值为：i=1,2,3,4；对应于不同的i值，z_i分别为：

$z_1=-({\mathrm{\ω}}_c-B_c+\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c),z_2=-({\mathrm{\ω}}_c-B_c-\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c),z_3=-({-\mathrm{\ω}}_c-B_c+\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c),z_4=-({-\mathrm{\ω}}_c-B_c-\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_c),$

其中，B_c＝2πb(f_c)，ω_c＝2πf_c，f_c为每个数字听感知滤波器通道在频域上的中心频率，b(f_c)为每个数字听感知滤波器通道对应频域上的中心频率f_c的带宽；

每一级二阶滤波器独有参数a_i为：

$a_i=\frac{(z_i-B_c)e^{-B_{c}T}\sin (-{\mathrm{\ω}}_{c}T)}{-{\mathrm{\ω}}_c}-e^{-B_{c}T}\cos (-{\mathrm{\ω}}_{c}T),i=\mathrm{1,2},\mathrm{3,4};$

每一级二阶滤波器共有的参数b₁及b₂为：

$b_1=-2e^{-B_{c}T}\cos (-{\mathrm{\ω}}_{c}T),b_2=e^{-2B_{c}T}.$

7.如权力要求3～6任一项所述的一种听力保护用数字听感知滤波器组的建立方法，其特征在于：所述数字听感知滤波器组的通道数设定为8、16、24、32、64、128和256中的任一个。

8.如权力要求3～7任一项所述的一种听力保护用数字听感知滤波器组的建立方法，其特征在于：所述每一个数字听感知滤波器通道的中心频率在Bark域上均匀分布，在频域上非均匀分布。

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