CN104320750A - 一种测量助听器反馈路径的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种测量助听器反馈路径的方法，其包括如下测量步骤：步骤1：产生测试信号，该测试信号能被提取线性分量和非线性分量，以反馈路径的完整信息；步骤2：向受话器输出测试信号，该测试信号经由受话器和反馈路径到达麦克风；步骤3：获得麦克风输出的信号；对麦克风输出的信号分别进行非线性分量提取和线性分量提取；步骤4：判断麦克风输出的信号是否完整，如果信号不完整，则对该信号发生参数进行调整，然后请求再次产生测试信号，重复步骤1-步骤3，直到判断麦克风输出的信号是完整的；步骤5：计算反馈路径，并输出结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在助听器中测量反馈路径的方法。
背景技术
助听器是帮助听力有损人群恢复听力的一种电子医疗器件。助听器的基本功能是根据听力损失提高增益。然而由于从受话器到麦克风的反馈路径的存在，使得助听器提供的增益在超过一定的范围后出现啸叫等不稳定状态，从而导致验配范围缩小，无法使用。因此，助听器在机械和电声设计过程中需要测量反馈路径，检验机械和电声设计是否达到标准。此外，测量的反馈路径可以用来提取反馈路径模型和特征，在助听器反馈抑制和反馈消除算法中使用(参见文章Feedback cancellation improvements，US 6,498,858B2，Dec.24，2002.)，进一步提高助听器的可使用增益。
助听器的反馈路径包括以下几个部分：数模转换(DA)、受话器(receiver)、声学反馈路径、麦克风(microphone)、模数转换(AD)等部分。有的助听器中还有除AD以外的专门去除直流分量的算法，也包含在反馈路径中。反馈路径的测量，通常采用的办法是断开前向通路，如图1所示。
受话器发出一定的测试信号，通过麦克风接收反馈信号，然后估计出传输函数。理论上，任何宽带信号都可以完成反馈路径传输函数的估计。然而由于以下几个原因，我们需要对测量方法提出较高的要求：
1.外界环境干扰总是存在的，测量方法需要有一定抗干扰的能力；
2.我们经常需要测量实际生活环境下的反馈路径，这时候外界的干扰是随机、动态和复杂的。需要测量方法对非稳态噪声干扰稳健；
3.反馈路径的测量精度要求是很高的，不仅需要幅度信息，而且需要相位信息，对测量误差的控制要求也很高。
由于上述原因，反馈路径的测量方法在保证精度的情况下必须能够抵抗外界环境和突发非稳态噪声的影响。目前，通常采用的办法是发出具有干扰能力的一些信号，比如MLS(maximum-length-sequence)信号，通过持续较长时间并且维持在高输出声压级的方法来提高信噪比，从而达到需要的测量精度。在为佩戴者做测量的时候，这种方法会引起很大的不适。为了减小输出声压级、缩短持续时间，自动调节声压级的测量办法被开始使用(参见文章Hearinginstrument with improved initialization of parameters of digital feedback suppressioncircuitry，Us 8,243,939B2，Aug.14，2012.)。
目前反馈路径的测量都是基于反馈路径是线性的这一假设，主要专注于如何在满足信噪比的条件下缩短测量时间和减小声压级，却没有考虑到电声元器件(受话器、麦克风)在高声压级下必然会出现的非线性失真，从而给测量带来的如下问题：
1.奇次的非线性失真会引入系统误差，使得估计的反馈路径线性部分偏离实际反馈路径的线性部分；
2.无法判断非线性失真的程度，因此也无法知道是否需要在反馈抑制/消除算法中增加非线性滤波器以提高性能，也不知道该如何设计非线性滤波器。这在大功率助听器中是一个比较严重的问题。
常用的MLS信号尽管对外界噪声非常稳健，却对非线性失真异常敏感。在其他声学测量系统中常用的扫频信号(sweep sine，也叫chirp)，虽然可以区分非线性失真，但是对外界噪声非常敏感，所以在实际生活环境中无法用于测量反馈路径。
发明内容
因此，针对上述的问题，本发明提出一种测量助听器反馈路径的方法，采用周期性随机相位多重正弦波PRPM(Periodic Random-Phase Multisine，周期性随机相位多重正弦波)信号测量反馈路径。通过对PRPM信号发生的控制，不但具有MLS对外界噪声稳健的优点，而且能够无偏的估计线性部分，并且能够分析各种非线性失真的大小，从而解决现有技术之不足。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种测量助听器反馈路径的方法，包括如下测量步骤：
步骤1：产生测试信号，该测试信号能被提取线性分量和非线性分量，以反馈路径的完整信息；
步骤2：向受话器输出测试信号，该测试信号经由受话器和反馈路径到达麦克风；
步骤3：获得麦克风输出的信号；对麦克风输出的信号分别进行非线性分量提取和线性分量提取；
步骤4：判断麦克风输出的信号是否完整，如果信号不完整，则对该信号发生参数进行调整，然后请求再次产生测试信号，重复步骤1-步骤3，直到判断麦克风输出的信号是完整的；
步骤5：计算反馈路径，并输出结果。其中，反馈路径计算是现有技术，不是本发明的重点，因此这里不再赘述，本领域的技术人员可参阅相关资料来获得相应计算方法。
进一步的，作为一种可行的方案，该测试信号可以是PRPM(PeriodicRandom-Phase Multisine，周期性随机相位多重正弦波)信号，也可以是重复多次的chirp信号(线性调频信号)。
具体的，步骤1产生测试信号的过程如下：PRPM信号是通过重复发送产生的RPM信号u(t)得到的，一共发送P个周期；其中，RPM(Random-Phase Multisine，随机相位多重正弦波)信号表示为：
其中f0为第一谐波，由离散傅立叶变换DFT的分辨率决定，F是谐波数，Uk是事先确定的谐波幅度，是在[0，2π)内均匀分布的随机相位。
步骤5计算反馈路径中，具体包括如下过程：对于每个u(t)，麦克风接收到信号y(t)，反馈路径的频响函数由以下公式计算出来：
其中ωk＝2πkf0；G(jωk)中包含了反馈路径的3个分量：线性分量、随机非线性和外界噪声分量、以及系统性的非线性分量；上述分量的计算方法如下：
线性分量通过对全部信号周期的G(jωk)做平均得出；
随机非线性和外界噪声分量通过计算P个周期内G(jωk)的方差得出；
系统性的非线性分量的测量通过只发送u(t)中奇次谐波分量(k为奇数)的方法得出。
步骤4中，对信号发生参数进行调整，具体包括如下过程：
步骤41：首先选取一个较大的信号幅度Uk，例如可以对应助听器最大输出声压级，然后分析反馈路径的3个分量：线性分量、随机非线性和外界噪声分量、以及系统性的非线性分量；
步骤42：减小信号幅度Uk，重复步骤41，直至非线性失真于一定的阈值或者不再减小，此时采集的信息已经包含了所需的线性和非线性信息，表示该信号已经完整。
通过上述过程测量结束后，可以得到反馈路径的线性部分，在不同声压级下的随机和系统性非线性失真。由于反馈路径包含了助听器中除信号处理外的所有链路，所以可用来：判断非线性失真是否在设计指标范围内；判断是否需要采用非线性自适应滤波器增强反馈抑制/消除的性能；设计非线性自适应滤波器的结构和确定初始系数。
本发明采用能被提取线性分量和非线性分量的测试信号，传统信号MLS无法区分，本发明采用PRPM信号，可区分线性和非线性，并且分别提取出来，以反馈路径的完整信息。获得完整信息有两个好处：首先可以诊断助听器电声设计是否达到要求；其次可以提高反馈抑制处理的性能。
附图说明
图1为现有技术的助听器的反馈路径的模块框图；
图2为本发明的测量助听器反馈路径的流程图；
图3为采用现有技术的MLS算法和本发明的PRPM算法的估计比较图；
图4为图3的局部放大示意图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
参见图2，本发明的一种测量助听器反馈路径的方法，包括如下测量步骤：
步骤1：产生测试信号，该测试信号能被提取线性分量和非线性分量，以反馈路径的完整信息；
步骤2：向受话器输出测试信号，该测试信号经由受话器和反馈路径到达麦克风；
步骤3：获得麦克风输出的信号；对麦克风输出的信号分别进行非线性分量提取和线性分量提取；
步骤4：判断麦克风输出的信号是否完整，如果信号不完整，则对该信号发生参数进行调整，然后请求再次产生测试信号，重复步骤1-步骤3，直到判断麦克风输出的信号是完整的；
步骤5：计算反馈路径，并输出结果。其中，反馈路径计算是现有技术，不是本发明的重点，因此这里不再赘述，本领域的技术人员可参阅相关资料来获得相应计算方法。
作为一个具体的实施例，本发明的测试信号采用PRPM信号实现，那么测试信号的产生，也就是PRPM信号的产生，PRPM信号是通过重复发送的产生RPM信号来实现的，其中，RPM(Random-Phase Multisine)信号可以表示为：
其中f0为第一谐波，由离散傅立叶变换DFT的分辨率决定，F是谐波数，Uk是事先确定的谐波幅度，是在[0，2π)内均匀分布的随机相位。如果在反馈路径测量中采用16 kHz的采样，F通常取256。
PRPM信号是重复发送产生RPM信号u(t)，一共发送P个周期，P一般可以取10-12。根据图2的流程图示，当信号尚未完整时，会要求再次产生新的RPM信号，仍然重复P次。假设一共产生了M个RPM信号，总共的信号周期数为M×P。
通常RPM信号具有较高的峰值因数(crest factor)，因此受话器利用率较低，信噪比不高。采用一定的迭代优化算法(可参阅文章Signal selection for the roomacoustics measurement,IvoMateljun,Proc.1999 IEEE Workshop on Applications ofSignal processing to Audio and Acoustics,New Paltz,New York,Oct.17-20,I999.)可以产生峰值因数很低的RPM信号。
对于PRPM信号，反馈路径的分析如下：
对于每个u(t)，麦克风接收到信号y(t)，反馈路径的频响函数可以由以下公式计算出来：
其中ωk＝2πkf0。由于每一个u(t)周期可以得到一个G(jωk)，所以总共会产生M×P个G(jωk)。
G(jωk)中包含了反馈路径的3个分量：线性分量、随机非线性和外界噪声分量，以及系统性的非线性分量。这些分量的计算方法如下(可参阅文章Study andcharacterization of odd and evennonlinearities inelectrodynamicloudspeaker, PepeGil-Cacho, Toon van Waterschoot, Marc Moonen, andHoldt Jensen, AudioEngineering Society, Convention Paper 7841, 2009.)：
线性分量通过对全部M×P个G(jωk)做平均得出；
随机非线性和外界噪声分量通过计算P个周期内G(jωk]的方差得出；
系统性的非线性分量的测量通过只发送u(t)中奇次谐波分量(k为奇数)的方法得出。
信号发生参数的调整是由信息是否完整模块来控制的，可以按照以下步骤进行：
步骤a：首先选取一个较大的信号幅度Uk，例如可以对应助听器最大输出声压级。然后分析上述3个分量。系统性非线性分量的估计需要再次发出信号的奇次谐波部分。
步骤b：减小信号幅度Uk，重复步骤a，直至非线性失真低于一定的阈值或者不再减小，此时采集的信息已经包含了所需的线性和非线性信息，已经完整，所以测量结束。
测量结束后，可以得到反馈路径的线性部分，在不同声压级下的随机和系统性非线性失真。由于反馈路径包含了助听器中除信号处理外的所有链路，所以可用来：判断非线性失真是否在设计指标范围内；判断是否需要采用非线性自适应滤波器增强反馈抑制/消除的性能；设计非线性自适应滤波器的结构和确定初始系数。
为了验证上述步骤的效果，本发明进行了采用PRPM信号的算法(简称PRPM算法)与采用MLS信号的算法(简称MLS算法)的比较，对于任意给定的一个线性系统，加上一定的非线性失真和外界噪音，使用同样持续时间和输出声压级的MLS信号和PRPM信号给出的估计结果如图3所示。图4是图3的局部放大示意图。由图3和图4可见，PRPM算法的估计结果更为准确。
本发明的测量反馈路径的方法，包括确定线性部分，在不同输出声压级下的非线性部分。同时在实施例中采用RPRM信号作为信号激励，并采用自动调整信号发生参数的办法确定反馈路径的线性分量和非线性分量，实现很好的反馈抑制处理的性能。
本发明上述实施例虽然以PRPM作为测试信号进行说明，但本领域技术人员可以根据实际情况选用重复多次的chirp信号(线性调频信号)，于此不再详细说明。
在确定了反馈路径中线性分量和非线性分量后，可根据反馈路径中非线性分量大小确定是否需要非线性滤波器用以增强反馈抑制/消除的效果，并可根据非线性分量设计非线性滤波器的结构，确定非线性滤波器的系数，因此本发明具有很好的实用性。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种测量助听器反馈路径的方法，包括如下测量步骤：
步骤1：产生测试信号，该测试信号能被提取线性分量和非线性分量，以反馈路径的完整信息；
步骤2：向受话器输出测试信号，该测试信号经由受话器和反馈路径到达麦克风；
步骤3：获得麦克风输出的信号；对麦克风输出的信号分别进行非线性分量提取和线性分量提取；
步骤4：判断麦克风输出的信号是否完整，如果信号不完整，则对该信号发生参数进行调整，然后请求再次产生测试信号，重复步骤1-步骤3，直到判断麦克风输出的信号是完整的；
步骤5：计算反馈路径，并输出结果。
2.根据权利要求1所述的测量助听器反馈路径的方法，其特征在于：所述测试信号是PRPM信号。
3.根据权利要求2所述的测量助听器反馈路径的方法，其特征在于：步骤1产生测试信号的过程如下：PRPM信号是通过重复发送产生的RPM信号u(t)得到的，一共发送P个周期；其中，RPM信号表示为：
其中f0为第一谐波，由离散傅立叶变换DFT的分辨率决定，F是谐波数，Uk是事先确定的谐波幅度，是在[0，2π)内均匀分布的随机相位。
4.根据权利要求3所述的测量助听器反馈路径的方法，其特征在于：步骤5计算反馈路径中，具体包括如下过程：对于每个u(t)，麦克风接收到信号y(t)，反馈路径的频响函数由以下公式计算出来：
其中ωk＝2πkf0；G(jωk)中包含了反馈路径的3个分量：线性分量、随机非线性和外界噪声分量、以及系统性的非线性分量；上述分量的计算方法如下：
线性分量通过对全部信号周期的G(jωk)做平均得出；
随机非线性和外界噪声分量通过计算P个周期内G(jωk)的方差得出；
系统性的非线性分量的测量通过只发送u(t)中奇次谐波分量(k为奇数)的方法得出。
5.根据权利要求4所述的测量助听器反馈路径的方法，其特征在于：步骤4中，对信号发生参数进行调整，具体包括如下过程：
步骤41：首先选取一个较大的信号幅度Uk，然后分析反馈路径的3个分量：线性分量、随机非线性和外界噪声分量、以及系统性的非线性分量；
步骤42：减小信号幅度Uk，重复步骤41，直至非线性失真低于一定的阈值或者不再减小，此时采集的信息已经包含了所需的线性和非线性信息，表示该信号已经完整。
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