CN115348520A - 包括反馈控制系统的助听器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了包括反馈控制系统的助听器，所述助听器正向通路，所述正向通路包括至少一输入变换器、处理器及输出变换器；所述助听器还包括反馈控制系统；反馈控制系统包括：反馈通路估计器，包括配置成根据所述处理后的信号和所述至少一电输入信号或源自其的信号提供从所述输出变换器到所述至少一输入变换器的当前反馈通路的估计量的自适应滤波器，所述反馈通路估计器可经反馈估计控制输入控制，及正向通路中的组合单元，配置成将所述当前反馈通路的所述估计量从正向通路的信号减去以提供反馈校正的信号；所述助听器还包括用于根据指明至少一电输入信号或源自其的信号中的截止时刻的截止时刻控制信号提供反馈估计控制输入的检测器。
Description
技术领域
本申请涉及助听器，尤其涉及助听器中的反馈控制。
背景技术
使用自适应滤波器的反馈控制系统(例如反馈消除系统)可受声音开始时刻(onset)和/或暂态的干扰。开始时刻和暂态可导致自适应滤波器的梯度误差大，从而引起反馈性能降低。
已进行多种研究来避免上述由开始时刻/暂态引起的负面影响。
然而，迄今尚没有公开文献/专利在反馈消除时涉及声音截止时刻 (offset)。
发明内容
原理上，截止时刻情形与开始时刻/暂态相反，而自适应滤波器的梯度由非常小的误差组成。这可用于估计反馈控制系统的自适应滤波器的滤波器系数。
助听器
在本申请的一方面，提供一种助听器，其适于由用户佩戴或者适于部分或完全植入在用户头部中。助听器包括正向通路，其包括：
-用于将声音转换为对应的表示所述声音的至少一电输入信号的至少一输入变换器，声音包括目标信号分量和噪声分量；
-用于根据所述至少一电输入信号提供处理后的信号的助听器处理器；
-用于根据所述处理后的信号向用户提供可感知为声音的刺激的输出变换器。
助听器还可包括：
-反馈控制系统，包括
--反馈通路估计器，包括配置成根据所述处理后的信号和所述至少一电输入信号或源自其的信号提供从所述输出变换器到所述至少一输入变换器的当前反馈通路的估计量的自适应滤波器，所述反馈通路估计器可经反馈估计控制输入控制；及
--正向通路中的组合单元，配置成将所述当前反馈通路的所述估计量从正向通路的信号减去以提供反馈校正的信号。
助听器还可包括：
-用于根据指明至少一电输入信号或源自其的信号中的截止时刻的截止时刻控制信号提供反馈估计控制输入的检测器。
从而可提供改进的助听器。
检测器可配置成检测至少一电输入信号或源自其的信号中的截止时刻。
检测器可配置成检测至少一电输入信号或源自其的信号中的截止时刻及开始时刻。
检测器可配置成提供指明至少一电输入信号或源自其的信号中的截止时刻的截止时刻控制信号以及指明至少一电输入信号或源自其的信号中的开始时刻的开始时刻控制信号。
检测器可配置成根据所述截止时刻控制信号和所述开始时刻控制信号提供所述反馈估计控制输入。对于检测到的截止时刻和检测到的开始时刻，反馈估计控制输入可以不同。反馈估计器可配置成对检测到的截止时刻和检测到的开始时刻作出不同的反应。
开始时刻或截止时刻例如可通过监测电输入信号或反馈校正的输入信号的快速(分别地，正或负)电平变化而进行检测。
具体地，开始时刻或截止时刻例如可通过监测电输入信号或反馈校正的输入信号的快速(分别地，正或负)电平变化而进行检测，这些快速电平变化由输入变换器接收到的、传入的信号的电平变化引起，其也称为来自环境的声输入。
“快速开始时刻”例如可对应于无语音与语音(语音的开始)之间的过渡。“快速截止时刻”例如可对应于语音与无语音(语音的“截止”)之间的过渡。
助听器可配置成使得自适应滤波器更新经检测器提供的反馈估计控制输入进行控制。自适应例如可基于反馈估计控制输入而受限于预定值。
助听器可配置成使得反馈通路估计器的自适应滤波器的自适应速率可经检测器提供的反馈估计控制输入进行控制。自适应滤波器包括自适应算法。自适应算法可包括最小均方(Least Mean Square，LMS)算法或者归一化LMS (NLMS)算法。两个算法均具有在均方层面使误差信号最小化的特性。 NLSM算法另外关于参考信号的欧几里得范数的平方对滤波器更新进行归一化。对于LMS或NLMS算法，自适应速率可经步长控制。
助听器可包括使助听器的处理能在子频带中进行的滤波器组。自适应速度 (或速率)可在不同的子频带中不同地控制。
基本地，在自适应算法的不同部分可使用不同的算子。
自适应滤波器的自适应速率可以多种不同的方式进行控制，例如基于关于音调(tonality)的信息、开始时刻或截止时刻。
反馈通路估计器可配置成经反馈估计控制输入而随不同的子频带修改归一化LMS(NLMS)算法的归一化项。
检测器可配置成根据电输入信号或源自其的信号的检测到的音调提供反馈估计控制输入。检测器可配置成例如通过检测助听器的正向通路的信号中的具体窄带频率含量(“音”)而检测音调参数。
在检测到音调高于阈值的情形下，自适应速率可降低。在特定子频带中检测到音调的情形下，在与所涉及的特定子频带相邻的一个或多个子频带中可降低自适应速度。
自适应速率可根据跨几个子频带的归一化而跨所述子频带进行控制。如果在子频带中存在外部音，相邻的子频带可用与存在音的子频带类似的能量归一化。因而，在此，在自适应算法中，跨子频带中的归一化因子可使用最大算子。
自适应速率可使用最小、最大、平均或中值算子跨几个子频带进行控制。假定在频区中检测到开始时刻，在频区中应用的步长可配置为小的值(甚至零)。跨相邻子频带可使用最小算子，例如确保自适应滤波器不漂移。作为备选，假定在子频带中检测到截止时刻，可使用最大或平均算子增大相邻子频带中的自适应速率以使子频带之间能有一些耦合。
助听器可包括电平检测器，配置成检测至少一电输入信号或源自其的信号的电平变化。电平检测器可配置成基于时间样本估计电平。电平检测器例如可配置成确定电平的正或负变化，从而区分至少一电输入信号的开始时刻和截止时刻。电平检测器例如可包括如WO2003081947A1中描述的电平检测器。电平检测器可在子频带运行(在各个子频带具有各个电平估计量)。
助听器可由空气传导型助听器、骨导型助听器、耳蜗植入型助听器或其组合构成或者包括空气传导型助听器、骨导型助听器、耳蜗植入型助听器或其组合。
助听器可适于提供随频率而变的增益和/或随电平而变的压缩和/或一个或多个频率范围到一个或多个其它频率范围的移频(具有或没有频率压缩)以补偿用户的听力受损。助听器可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器。
助听器可包括输出单元，用于基于处理后的电信号提供由用户感知为声学信号的刺激。输出单元可包括耳蜗植入件的多个电极(对于CI型助听器)或者骨导助听器的振动器。输出单元可包括输出变换器。输出变换器可包括用于将刺激作为声信号提供给用户的接收器(扬声器)(例如在声学(基于空气传导的)助听器中)。输出变换器可包括用于将刺激作为颅骨的机械振动提供给用户的振动器(例如在附着到骨头的或骨锚式助听器中)。
助听器可包括用于提供表示声音的电输入信号的输入单元。输入单元可包括用于将输入声音转换为电输入信号的输入变换器如传声器。输入单元可包括无线接收器，用于接收包括或表示声音的无线信号并提供表示所述声音的电输入信号。无线接收器例如可配置成接收在无线电频率范围(3kHz到300GHz) 的电磁信号。无线接收器例如可配置成接收在光频率范围(例如红外光300 GHz到430THz或者可见光如430THz到770THz)的电磁信号。
助听器可包括定向传声器系统，其适于对来自环境的声音进行空间滤波从而增强佩戴助听器的用户的局部环境中的多个声源之中的目标声源。定向系统可适于检测(如自适应检测)传声器信号的特定部分源自哪一方向。这可以例如现有技术中描述的多种不同方式实现。在助听器中，传声器阵列波束形成器通常用于空间上衰减背景噪声源。许多波束形成器变型可在文献中找到。最小方差无失真响应(MVDR)波束形成器广泛用在传声器阵列信号处理中。理想地，MVDR波束形成器保持来自目标方向(也称为视向)的信号不变，而最大程度地衰减来自其它方向的声音信号。广义旁瓣抵消器(GSC)结构是MVDR 波束形成器的等同表示，其相较原始形式的直接实施提供计算和数字表示优点。
助听器可包括天线和收发器电路(如无线接收器)，用于从另一装置无线接收直接电输入信号，另一装置如娱乐设备(例如电视机)、通信装置、无线传声器或另一助听器。直接电输入信号可表示或包括音频信号和/或控制信号和 /或信息信号。一般地，助听器的天线及收发器电路建立的无线链路可以是任何类型。无线链路可以是基于近场通信的链路，例如基于发射器部分和接收器部分的天线线圈之间的感应耦合的感应链路。无线链路可基于远场电磁辐射。优选地，用于在助听器和另一装置之间建立通信链路的频率低于70GHz，例如位于从50MHz到70GHz的范围中，例如高于300MHz，例如在高于300MHz的 ISM范围中，例如在900MHz范围中或在2.4GHz范围中或在5.8GHz范围中或在60GHz范围中(ISM＝工业、科学和医学，这样的标准化范围例如由国际电信联盟ITU定义)。无线链路可基于标准化或专用技术。无线链路可基于蓝牙技术(如蓝牙低功耗技术)。
助听器可以是便携式(即配置成可穿戴的)设备或形成其一部分，例如包括本地能源如电池例如可再充电电池的设备。助听器例如可以是低重量、容易穿戴的设备，例如具有小于100g如小于20g的总重量。
表示声信号的模拟电信号可在模数(AD)转换过程中转换为数字音频信号，其中模拟信号以预定采样频率或采样速率fs进行采样，fs例如在从8kHz到 48kHz的范围中(适应应用的特定需要)以在离散的时间点tn(或n)提供数字样本xn(或x[n])，每一音频样本通过预定的Nb比特表示声信号在tn时的值， Nb例如在从1到48比特的范围中如24比特。每一音频样本因此使用Nb比特量化(导致音频样本的2Nb个不同的可能的值)。数字样本x具有1/fs的时间长度，如50μs，对于fs＝20kHz。多个音频样本可按时间帧安排。一时间帧可包括64个或128个音频数据样本。根据实际应用可使用其它帧长度。
助听器可包括模数(AD)转换器以按预定的采样速率如20kHz对模拟输入(例如来自输入变换器如传声器)进行数字化。助听器可包括数模(DA) 转换器以将数字信号转换为模拟输出信号，例如用于经输出变换器呈现给用户。
助听器如输入单元和/或天线及收发器电路可包括用于提供输入信号的时频表示的时频(TF)转换单元。时频表示可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。TF转换单元可包括用于对(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。TF转换单元可包括用于将时变输入信号转换为(时 -)频域中的(时变)信号的傅里叶变换单元。助听器考虑的、从最小频率fmin到最大频率fmax的频率范围可包括从20Hz到20kHz的典型人听频范围的一部分，例如从20Hz到12kHz的范围的一部分。通常，采样率fs大于或等于最大频率fmax的两倍，即fs≥2fmax。助听器的正向通路和/或分析通路的信号可拆分为NI个(例如均匀宽度的)频带，其中NI例如大于5，如大于10，如大于50，如大于100，如大于500，至少其部分个别进行处理。助听器可适于在NP个不同频道处理正向和/或分析通路的信号(NP≤NI)。频道可以宽度一致或不一致(如宽度随频率增加)、重叠或不重叠。
助听器可配置成在不同模式下运行，如正常模式及一个或多个特定模式，例如可由用户选择或者可自动选择。运行模式可针对特定声学情形或环境进行优化。运行模式可包括低功率模式，其中助听器的功能被减少(例如以便节能)，例如禁用无线通信和/或禁用助听器的特定特征。
助听器可包括多个检测器，其配置成提供与助听器的当前网络环境(如当前声环境)有关、和/或与佩戴助听器的用户的当前状态有关、和/或与助听器的当前状态或运行模式有关的状态信号。作为备选或另外，一个或多个检测器可形成与助听器(如无线)通信的外部装置的一部分。外部装置例如可包括另一助听器、遥控器、音频传输装置、电话(如智能电话)、外部传感器等。
多个检测器中的一个或多个可对全带信号起作用(时域)。多个检测器中的一个或多个可对频带拆分的信号起作用((时-)频域)，例如在有限的多个频带中。
多个检测器可包括用于估计正向通路的信号的当前电平的电平检测器。检测器可配置成确定正向通路的信号的当前电平是否高于或低于给定(L-)阈值。电平检测器作用于全频带信号(时域)。电平检测器作用于频带拆分信号 ((时-)频域)。
助听器可包括话音活动检测器(VAD)，用于估计输入信号(在特定时间点)是否(或者以何种概率)包括话音信号。在本说明书中，话音信号可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)。话音活动检测器单元可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发声(如语音)的电传声器信号的时间段可被识别，因而与仅(或主要)包括其它声源(如人工产生的噪声)的时间段分离。话音活动检测器可适于将用户自己的话音也检测为“话音”。作为备选，话音活动检测器可适于从“话音”的检测排除用户自己的话音。
助听器可包括自我话音检测器，用于估计特定输入声音(如话音，如语音) 是否(或以何种概率)源自听力装置系统用户的话音。助听器的传声器系统可适于能够进行用户自己的话音与另一人的话音及可能与无话音声音的区分。
多个检测器可包括运动检测器，例如加速度传感器。运动检测器可配置成检测用户的面部肌肉和/或骨头的例如因语音或咀嚼(如颌部运动)引起的运动并提供标示该运动的检测器信号。
助听器可包括分类单元，配置成基于来自(至少部分)检测器的输入信号及可能其它输入对当前情形进行分类。在本说明书中，“当前情形”可由下面的一个或多个定义：
a)物理环境(如包括当前电磁环境，例如出现计划或未计划由助听器接收的电磁信号(包括音频和/或控制信号)，或者当前环境不同于声学的其它性质)；
b)当前声学情形(输入电平、反馈等)；及
c)用户的当前模式或状态(运动、温度、认知负荷等)；
d)助听器和/或与助听器通信的另一装置的当前模式或状态(所选程序、自上次用户交互之后消逝的时间等)。
分类单元可基于或者包括神经网络，例如经训练的神经网络。
助听器可包括声(和/或机械)反馈控制(如抑制)或者回声消除系统。自适应反馈消除有能力跟踪随时间的反馈通路变化。其通常基于线性时不变滤波器估计反馈通路，但其滤波器权重随时间更新。滤波器更新可使用随机梯度算法进行计算，包括某些形式的最小均方(LMS)或归一化LMS(NLMS)算法。它们均具有使误差信号的均方最小化的特性，NLMS另外使滤波器更新相对于一些参考信号的欧几里得范数的平方归一化。
助听器还可包括用于所涉及应用的其它适宜功能，如压缩、降噪等。
助听器可包括听力仪器，例如适于位于用户耳朵处或者完全或部分位于耳道中的听力仪器，例如耳机、耳麦、耳朵保护装置或其组合。助听系统可包括喇叭扩音器(包含多个输入变换器和多个输出变换器，例如用在音频会议情形)，例如包括波束形成器滤波单元，例如提供多个波束形成能力。
应用
一方面，提供如上所述的、“具体实施方式”部分中详细描述的和权利要求中限定的助听器的应用。可提供在包括一个或多个助听器(如听力仪器)、耳机、耳麦、主动耳朵保护系统等的系统中的应用，例如免提电话系统、远程会议系统(例如包括喇叭扩音器)、广播系统、卡拉OK系统、教室放大系统等。
方法
一方面，本申请进一步提供助听器的运行方法，所述助听器适于由用户佩戴或者适于部分或完全植入在用户头部中。所述助听器可包括正向通路，其包括：
-用于将声音转换为对应的表示所述声音的至少一电输入信号的至少一输入变换器，声音包括目标信号分量和噪声分量；
-用于根据所述至少一电输入信号提供处理后的信号的助听器处理器；
-用于根据所述处理后的信号向用户提供可感知为声音的刺激的输出变换器。
所述方法可包括：
-根据所述处理后的信号和所述至少一电输入信号或源自其的信号自适应提供从所述输出变换器到所述至少一输入变换器的当前反馈通路的估计量；
-经反馈估计控制输入控制当前反馈通路的估计量；及
-将所述当前反馈通路的所述估计量从正向通路的信号减去以提供反馈校正的信号；
-根据指明至少一电输入信号或源自其的信号中的截止时刻的截止时刻控制信号提供所述反馈估计控制输入。
当由对应的过程适当代替时，上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的或权利要求中限定的装置的部分或所有结构特征可与本发明方法的实施结合，反之亦然。方法的实施具有与对应装置一样的优点。
本方法例如可包括使得自适应提供当前反馈通路的估计量的速率经所述反馈估计控制输入进行控制。
计算机可读介质或数据载体
本发明进一步提供保存包括程序代码(指令)的计算机程序的有形计算机可读介质(数据载体)，当计算机程序在数据处理系统(计算机)上运行时，使得数据处理系统执行(实现)上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的至少部分(如大部分或所有)步骤。
作为例子但非限制，前述有形计算机可读介质可包括RAM、ROM、 EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁性存储装置，或者可用于执行或保存指令或数据结构形式的所需程序代码并可由计算机访问的任何其他介质。如在此使用的，盘包括压缩磁盘(CD)、激光盘、光盘、数字多用途盘(DVD)、软盘及蓝光盘，其中这些盘通常磁性地复制数据，同时这些盘可用激光光学地复制数据。其它存储介质包括存储在DNA中(例如合成的DNA链中)。上述盘的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。除保存在有形介质上之外，计算机程序也可经传输介质如有线或无线链路或网络如因特网进行传输并载入数据处理系统从而在不同于有形介质的位置处运行。
计算机程序
此外，本申请提供包括指令的计算机程序(产品)，当该程序由计算机运行时，导致计算机执行上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法(的步骤)。
数据处理系统
一方面，本发明进一步提供数据处理系统，包括处理器和程序代码，程序代码使得处理器执行上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的至少部分(如大部分或所有)步骤。
听力系统
另一方面，提供包括上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的助听器及包括辅助装置的听力系统。
听力系统可适于在助听器与辅助装置之间建立通信链路以使得信息(如控制和状态信号，可能音频信号)可进行交换或者从一装置转发给另一装置。
辅助装置可包括遥控器、智能电话或者其它便携或可穿戴电子装置智能手表等。
辅助装置可由遥控器构成或者包括遥控器，其用于控制助听器的功能和运行。遥控器的功能实施在智能电话中，该智能电话可能运行使能经智能电话控制音频处理装置的功能的APP(助听器包括适当的到智能电话的无线接口，例如基于蓝牙或一些其它标准化或专有方案)。
辅助装置可由音频网关设备构成或者包括音频网关设备，其适于(例如从娱乐装置如TV或音乐播放器、从电话设备如移动电话或者从计算机如PC)接收多个音频信号并适于选择和/或组合所接收的音频信号中的适当信号(或信号组合)以传给助听器。
辅助装置可由另一助听器构成或者包括另一助听器。听力系统可包括适于实施双耳听力系统如双耳助听器系统的两个助听器。
APP
另一方面，本发明还提供称为APP的非短暂应用。APP包括可执行指令，其配置成在辅助装置上运行以实施用于上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的助听器或听力系统的用户接口。APP可配置成在移动电话如智能电话或另一使能与所述助听器或听力系统通信的便携装置上运行。
附图说明
本发明的各个方面将从下面结合附图进行的详细描述得以最佳地理解。为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明所必要的细节，而省略其他细节。在整个说明书中，同样的附图标记用于同样或对应的部分。每一方面的各个特征可与其他方面的任何或所有特征组合。这些及其他方面、特征和/或技术效果将从下面的图示明显看出并结合其阐明，其中：
图1示出了根据本发明的包括反馈控制系统的助听器的第一实施例；
图2示出了根据本发明的包括反馈控制系统的助听器的第二实施例。
通过下面给出的详细描述，本发明进一步的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本发明优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出。对于本领域技术人员来说，基于下面的详细描述，本发明的其它实施方式将显而易见。
具体实施方式
下面结合附图提出的具体描述用作多种不同配置的描述。具体描述包括用于提供多个不同概念的彻底理解的具体细节。然而，对本领域技术人员显而易见的是，这些概念可在没有这些具体细节的情形下实施。装置和方法的几个方面通过多个不同的块、功能单元、模块、元件、电路、步骤、处理、算法等 (统称为“元素”)进行描述。根据特定应用、设计限制或其他原因，这些元素可使用电子硬件、计算机程序或其任何组合实施。
电子硬件可包括微机电系统(MEMS)、(例如专用)集成电路、微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)、选通逻辑、分立硬件电路、印刷电路板(PCB)(如柔性PCB)、及配置成执行本说明书中描述的多个不同功能的其它适当硬件，例如用于感测和/或记录环境、装置、用户等的物理性质的传感器。计算机程序应广义地解释为指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件模块、应用、软件应用、软件包、例程、子例程、对象、可执行、执行线程、程序、函数等，无论是称为软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言还是其他名称。
本申请涉及助听器领域，尤其涉及助听器中的反馈控制。本申请提出使用自适应滤波器实施的并(例如除了声音开始时刻之外还)基于或利用声音截止时刻控制自适应滤波器的自适应速率的反馈消除器。本申请提出声音开始时刻的另外的方面以及与自适应滤波器自适应速度有关的其它信号特性例如音调，包括归一化策略和步长控制。
使用自适应滤波器的反馈消除系统可受声音开始时刻和/或暂态的干扰。开始时刻和暂态可导致自适应滤波器自适应的梯度误差大，从而可使反馈性能降级。
相比之下，声音截止时刻情形与开始时刻/暂态刚好相反，而自适应滤波器的梯度由非常小的误差组成，我们可/应利用该特性进行自适应滤波器估计。
在下面，描述在考虑信号开始时刻、截止时刻和音调时，可怎样控制自适应滤波器的有效的自适应速度的策略。
图1示出了根据本发明的包括反馈控制系统的助听器的第一实施例。图1 示出了助听器的一些基本元件：A)正向通路；B)(非有意的、外部)声反馈通路；及C)用于减少或消除由声反馈通路FBP引起的声反馈的电反馈消除通路。正向通路包括用于从环境接收声输入(图1中的“声输入”)并提供模拟或数字电输入信号y(n)的输入变换器(在此为传声器M)。输入变换器可包括模数转换器(AD转换器)，以将电输入信号提供为数字样本y(n)流，n为离散的时间指数。正向通路还包括数字信号处理器DSP，用于使信号适应助听器佩戴者的需要(例如通过根据用户的需要如听力受损提供随频率和电平而变的增益(放大或衰减))。数字信号处理器DSP根据输入信号(图1中的e(n))和用户的听力情况(例如听力图)提供处理后的信号u(n)。正向通路还包括输出变换器(在此为扬声器SPK)，用于根据处理后的信号u(n)产生给助听器佩戴者的声输出(图1中的“声输出”)。输出变换器可包括数模转换器(DA转换器)，用于将处理后的(数字)信号u(n)转换为模拟信号(只要对于具体解决方案适当即可)。标示了从输出变换器到输入变换器的(外部、非有意的) 声反馈通路FBP。电反馈消除通路包括自适应滤波器(算法、滤波器)，其滤波功能(滤波器)(例如通过滤波器系数定义并)受预测误差算法(算法)如 LMS算法控制，以预测及优选消除传声器信号y(n)的、由来自助听器的扬声器 SPK的反馈(如图1中由粗箭头FBP标示)导致的部分。自适应滤波器(在图 1中示为包括“滤波器”部分和预测误差“算法”部分)目标在于提供从输出变换器(例如DA转换器)的电输入到输入变换器(例如AD转换器)的电输出的外部反馈通路的良好估计。预测误差算法使用参考信号(在此为来自数字信号处理器DSP的输出信号u(n))以及来自传声器的(反馈校正的)输入信号 e(n)(误差信号)来找到自适应滤波器的、在参考信号被施加到自适应滤波器时使预测误差最小化的设置(滤波器系数)。声反馈通过将由自适应滤波器的滤波器部分的输出提供的声反馈通路的估计量v′(n)从来自传声器M的包括声反馈v(n)的输入信号y(n)减去以提供反馈校正的输入信号(e(n)＝y(n)-v’(n))而消除(或者至少减少)(参见图1中的SUM单元“+”)。虚线框标示所包围的助听器HD的模块位于同一物理体中(在所示实施例中)。作为备选，传声器、处理单元和反馈消除系统可位于第一物理体中，输出变换器可位于第二物理体中，第一和第二物理体彼此通信。可预见听音装置处于分开的物理体中的其它划分。
自适应滤波器估计的梯度由两部分组成：使自适应滤波器输出最小化的正确的梯度信息，及因传入信号x(n)引起的错误的失真。
每一自适应滤波器系数的梯度计算为e(n)u(n)＝(x(n)+v(n)-v’(n))u(n)，其通过相对于自适应滤波器h’(n)使价值函数E[|e(n)|2]最小化而得出。因此，e(n)u(n) 用作第一自适应滤波器系数的梯度，e(n)u(n-1)用作第二系数的梯度，等等。此外，(v(n)-v’(n))u(n)部分提供正确的梯度，而x(n)u(n)给出误差。每一信号e(n), u(n)等可以是子频带信号ek(n),uk(n)等，其中下标k指第k个子频带，例如在频域自适应滤波器情形下。
更详细地，梯度按如下概述的进行推导：
首先，将被最小化的价值函数J(n)为
J(n)＝E[|e(n)|2]
＝E[|y(n)–uT(n)*h’(n)|2]
＝E[y2(n)–2*y(n)*uT(n)*h’(n)+uT(n)*h’(n)*uT(n)*h’(n))
接下来，取偏导数
d J(n)/d h’(n)
＝E[-2*y(n)*u(n)+2*uT(n)*h’(n)*u(n)]
＝E[-2*(y(n)-uT(n)*h’(n))*u(n)]
＝-2*E[e(n)*u(n)]
其中E[.]指预期算子，*表示数学乘法算子，及对于自适应估计，负梯度的估计量e(n)*u(n)用于自适应，其中u(n)＝[u(n),u(n-1),…,u(n-L+1)]，L为自适应滤波器的长度。为了方便，我们将e(n)*u(n)称为用于自适应滤波器估计的梯度。自适应滤波器向量h’(n)的元素也被称为在给定时间指数n的“滤波器系数”。每一自适应滤波器系数可通过“系数指数”l＝0,1,…,L-1识别，藉此，自适应滤波器向量h’(n)可表达为：
h’(n)＝[h0’(n),h1’(n),…,hL-1’(n)]
在开始时刻/暂态的极端情形下，相较于v(n)-v’(n)，x(n)为主导，因此梯度 e(n)u(n)由不合需要的x(n)u(n)部分主导，理想地，我们在反馈通路估计时不应使用该不合需要的梯度。这例如可通过(至少)降低自适应滤波器的自适应速度而实现。
然而，在截止时刻情形下，其中x(n)≈0，梯度由(v(n)-v’(n))u(n)主导，我们应使用它，例如通过增大自适应滤波器的自适应速度。
基于示例性的LMS算法，开始时刻/截止时刻对自适应滤波器的影响为：
h’(n)＝h’(n-1)+μ*e(n)*u(n)
h’(n)＝h’(n-1)+μ*(x(n)+v(n)-v’(n))*u(n)
h’(n)＝h’(n-1)+μ*(x(n)+uT(n)*(h(n)-h’(n)))*u(n)
其中“*”表示数学乘法算子，或对于标量值，或对于向量和矩阵。
对于开始时刻，其中x2(n)>>u2(n)或者|x(n)|>>|u(n)|(即x(n)项的量值大于u(n)项的量值)，
h’(n)～＝h’(n-1)+μ*x(n)*u(n)
使用错误的梯度x(n)*u(n)(其中*表示数学乘法算子)。
然而，对于截止时刻，其中u2(n)>>x2(n)或者|u(n)|>>|x(n)|(即u(n)项的量值大于x(n)项的量值)，
h’(n)～＝h’(n-1)+μ*uT(n)*(h(n)-h’(n))*u(n)
及使用正确的梯度uT(n)*(h(n)-h’(n))*u(n)＝(v(n)-v’(n))*u(n)。在实践中，这可通过检测开始时刻/截止时刻然后(例如经步长μ)控制自适应速度进行。开始时刻/截止时刻检测(参见检测器，图1中的DET)可简单地通过跨信号y(n)或e(n)的多个不同时间/频率指数比较基于帧的信号能量而实现，参见图1。所考虑的帧之间的适当延迟例如可与反馈通路延迟有关。(开始时刻/ 截止时刻)检测器DET的输出之后用于在自适应算法中控制自适应速度(例如步长)(参见从检测器DET到自适应滤波器的算法部分(算法)的信号d(n))。开始时刻或暂态检测例如在EP3252074A1中描述。
开始时刻/截止时刻例如可通过首先将比r(n)按下述计算而确定：
r(n)＝E[y2(n)]/E[y2(n-D)]
其中D为延迟，例如环路延迟，或者与正向通路对应的延迟(也称为正向通路延迟)，或者，优选地，与反馈通路对应的延迟(也称为反馈通路延迟)。
反馈通路延迟的值例如可在0.2毫秒到0.5毫秒之间。反馈通路延迟的值小于环路延迟的值，因为环路延迟是反馈通路延迟与正向通路延迟的和，正向通路延迟的值通常在5毫秒到10毫秒之间。
如果r(n)>阈值1，检测到开始时刻；及如果r(n)<阈值2，检测到截止时刻，其中阈值1为大于1的正数如2,4,8…，阈值2为小于1的正数如0.5,0.25, 0.125…。
在实践中，E[y2(n)]和E[y2(n-D)]通过随时间对y2(n)和y2(n-D)求平均进行计算。这也可在(例如P个)级联的数据帧(例如[帧(‘现在’-P+1),…,帧(‘现在’-1),帧(‘现在’)])中进行。
此外，x(n)的信号特性也可用于控制自适应速度。如果x(n)具有音调表现(例如长笛音乐或许多警报信号)，降低自适应滤波器的自适应速度同样合乎需要，以在该情形下使自适应慢下来甚至停止从而避免有偏的自适应滤波器估计。在实践中，信号x(n)不可用于处理，然而，信号y(n)或e(n)可用作用于分析x(n)的特性的逼近。检测器DET因而可配置成检测音调参数，例如音检测器检测助听器的正向通路的信号(例如(如在此的)电输入信号(图1中的 y(n))，或者反馈校正的输入信号(图1中的e(n)))中的具体窄带频率含量。
助听器HD包括用于处理输入变换器(图1中的传声器M)与输出变换器 (图1中的扬声器SPK)之间的音频信号的“正向”(或“信号”)通路。助听器HD包括“分析”通路，其包括用于分析信号和/或控制正向通路的处理的功能元件(在图1中，例如a)确定正向通路的信号的特征并(经信号d(n)) 控制自适应滤波器AF的检测器DET，及b)用于估计声反馈并向正向通路提供修正信号v’(n)的自适应滤波器AF，等)。分析通路和/或正向通路的部分或所有信号处理可在频域进行，在该情形下，助听器包括适当的分析和合成滤波器组。分析通路和/或正向通路的部分或所有信号处理可在时域进行。
自适应速度控制可跨频率不同地进行，因为信号开始时刻、截止时刻和音调可限制频率。此外，处理开始时刻、截止时刻和音调的自适应速度控制具有宽(更宽)的频率覆盖以确保有效性和鲁棒性同样合乎需要，这通常通过使自适应速度控制包括相邻的频带或宽频区而实现。例如，可将信号的整个频率范围分为不同的频区(或均匀或不均匀)，如果自适应速度控制被确定在一个频区中有益，则其总是包括相邻的频区。
在示例性的归一化最小均方(NLMS)算法中，自适应速度控制可通过改变步长或者通过跨不同的频率修改归一化项而进行。
改变NLMS算法的步长和/或归一化的例子提供如下。NLMS自适应由下式表达：
h’(n)＝h’(n-1)+μ(n)*u(n)*e(n)/(s1(n)*||u(n)||2+s2(n))
步长μ(n)和换算系数s1(n)及s2(n)均随时间变化。
在开始时刻/截止时刻的情形下，减小/增大步长μ(n)和/或增大/减小换算系数s1(n)和s2(n)将是适当的。换算系数s1(n)例如(例如在步骤中)可取值：…, 2-3,2-2,…,22,23,…。换算系数s2(n)例如(例如在步骤中)可取值：…,10-2,10-1,100,101,102,…。
此外，运算例如求最小值、求最大值、求平均值或求中值均可用于更好地随频率控制自适应(以包括更宽的频区)。
在示例情形下，跨相邻的频率取归一化项的最大值并将其应用于所有这些相邻的频率在信号x(n)中有高音调时有利。效果是在更大的频区中降低了自适应速度，从而避免了自适应滤波器中有偏的估计问题。
在另一示例情形下，跨相邻的频率取步长值的最小(或最大)值并将其应用于所有这些相邻的频率在信号x(n)中有开始时刻(或截止时刻)时有利。
图2示出了根据本发明的包括反馈控制系统的助听器的第二实施例。图2 的实施例与图1的实施例类似，除了图2的助听器HD的正向通路中特别包括的分析滤波器组A和合成滤波器组S之外。滤波器组在图2的正向通路中的位置指明所有处理可在频域进行(如具有频率指数k作为下标及时间帧指数m的信号名称所示，例如yk(m)，代替图1中的时间指数n)。然而，分析和合成滤波器组可位于听力装置的电路中的别处，例如使将反馈通路估计量v’(n)从电输入信号y(n)减去能在时域进行。关于使因滤波器组引起的处理延迟最小化的考虑可决定域变换位于何处(如果使用的话)。电输入信号中开始时刻/截止时刻的检测例如可基于时域电输入信号y(n)(例如参见EP3252074A1)。其它考虑也可决定或影响滤波器组的位置。
当由对应的过程适当代替时，上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的装置的结构特征可与本发明方法的步骤结合。
本发明的实施例如可用在其中反馈估计有意义的助听器或其它设备或系统应用中。
除非明确指出，在此所用的单数形式“一”、“该”的含义均包括复数形式 (即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/ 或其组合。应当理解，除非明确指出，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，可以是直接连接或耦合到其他元件，也可以存在中间插入元件。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。除非明确指出，在此公开的任何方法的步骤不必须精确按所公开的顺序执行。
应意识到，本说明书中提及“一实施例”或“实施例”或“方面”或者“可”包括的特征意为结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一实施方式中。此外，特定特征、结构或特性可在本发明的一个或多个实施方式中适当组合。提供前面的描述是为了使本领域技术人员能够实施在此描述的各个方面。各种修改对本领域技术人员将显而易见，及在此定义的一般原理可应用于其他方面。
权利要求不限于在此所示的各个方面，而是包含与权利要求语言一致的全部范围，其中除非明确指出，以单数形式提及的元件不意指“一个及只有一个”，而是指“一个或多个”。除非明确指出，术语“一些”指一个或多个。
参考文献
·EP3252074A1(Oticon)06.12.2017.
·WO2003081947A1(Oticon)02.10.2003。
Claims (15)
1.一种助听器，适于由用户佩戴或者适于部分或完全植入在用户头部中并包括正向通路，其包括：
-用于将声音转换为对应的表示所述声音的至少一电输入信号的至少一输入变换器，声音包括目标信号分量和噪声分量；
-用于根据所述至少一电输入信号提供处理后的信号的助听器处理器；及
-用于根据所述处理后的信号向用户提供可感知为声音的刺激的输出变换器；
所述助听器还包括：
-反馈控制系统，包括
--反馈通路估计器，包括配置成根据所述处理后的信号和所述至少一电输入信号或源自其的信号提供从所述输出变换器到所述至少一输入变换器的当前反馈通路的估计量的自适应滤波器，所述反馈通路估计器可经反馈估计控制输入控制；及
--正向通路中的组合单元，配置成将所述当前反馈通路的所述估计量从正向通路的信号减去以提供反馈校正的信号；及
-用于根据指明至少一电输入信号或源自其的信号中的截止时刻的截止时刻控制信号提供反馈估计控制输入的检测器。
2.根据权利要求1所述的助听器，其中，所述反馈通路估计器的自适应滤波器的自适应速率经检测器提供的反馈估计控制输入进行控制。
3.根据权利要求1所述的助听器，其中，所述反馈通路估计器的自适应滤波器包括最小均方LMS算法或者归一化LMS算法。
4.根据权利要求1所述的助听器，包括使助听器的处理能在子频带中进行的滤波器组。
5.根据权利要求3所述的助听器，其中，反馈通路估计器配置成经反馈估计控制输入而随不同的子频带修改归一化LMS算法的归一化项。
6.根据权利要求1所述的助听器，其中，检测器配置成根据电输入信号或源自其的信号的检测到的音调提供反馈估计控制输入。
7.根据权利要求6所述的助听器，其中，在检测到音调高于阈值的情形下，降低自适应速率。
8.根据权利要求4所述的助听器，其中，自适应速率根据跨几个子频带的归一化而跨所述子频带进行控制。
9.根据权利要求4所述的助听器，其中，自适应速率使用最小、最大、平均或中值算子跨几个子频带进行控制。
10.根据权利要求1所述的助听器，包括电平检测器，配置成检测至少一电输入信号或源自其的信号的电平变化。
11.根据权利要求1所述的助听器，其中，检测器配置成检测至少一电输入信号或源自其的信号中的截止时刻及开始时刻。
12.根据权利要求11所述的助听器，其中，检测器配置成提供指明至少一电输入信号或源自其的信号中的截止时刻的截止时刻控制信号以及指明至少一电输入信号或源自其的信号中的开始时刻的开始时刻控制信号。
13.根据权利要求12所述的助听器，其中，检测器配置成根据所述截止时刻控制信号和所述开始时刻控制信号提供所述反馈估计控制输入。
14.根据权利要求1-13任一所述的助听器，由空气传导型助听器、骨导型助听器、耳蜗植入型助听器或其组合构成或者包括空气传导型助听器、骨导型助听器、耳蜗植入型助听器或其组合。
15.一种助听器的运行方法，所述助听器适于由用户佩戴或者适于部分或完全植入在用户头部中，所述助听器可包括正向通路，其包括：
-用于将声音转换为对应的表示所述声音的至少一电输入信号的至少一输入变换器，声音包括目标信号分量和噪声分量；
-用于根据所述至少一电输入信号提供处理后的信号的助听器处理器；及
-用于根据所述处理后的信号向用户提供可感知为声音的刺激的输出变换器。
所述方法包括：
-根据所述处理后的信号和所述至少一电输入信号或源自其的信号自适应提供从所述输出变换器到所述至少一输入变换器的当前反馈通路的估计量；
-经反馈估计控制输入控制当前反馈通路的估计量；及
-将当前反馈通路信号的所述估计量从正向通路的信号减去以提供反馈校正的信号；
-根据指明至少一电输入信号或源自其的信号中的截止时刻的截止时刻控制信号提供所述反馈估计控制输入。
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