DE10132035C1 - Verfahren zum Betrieb eines Hörgerätes sowie Hörgerät - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Hörgerätes sowie einem Hörgerät mit wenigstens einem Eingangswandler zur Aufnahme eines Eingangssignals und Wandlung in ein elektrisches Signal, einem A/D-Wandler (2, 2') zur Wandlung des elektrischen Signals in ein digitales Signal, einer Signalverarbeitungseinheit (3, 3') zur Verarbeitung des digitalen Signals und einem Ausgangswandler ist vorgesehen, das elektrische Eingangssignal vor der A/D-Wandlung nach Maßgabe einer Kompressionskennlinie zu komprimieren und nach der A/D-Wandlung das komprimierte digitale Signal oder ein daraus hervorgehendes Signal nach Maßgabe einer wenigstens näherungsweise zu der Kompressionskennlinie inversen Expansionskennlinie zu expandieren. Das so ausgebildete Hörgerät bietet einen vergrößerten Dynamikumfang hinsichtlich des übertragbaren Eingangssignalpegels.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Hörge­ rätes mit wenigstens einem Eingangswandler zur Aufnahme eines Eingangssignals und Wandlung in ein elektrisches Signal, ei­ nem A/D-Wandler zur Wandlung des elektrischen Signals in ein digitales Signal, einer Signalverarbeitungseinheit zur Verar­ beitung des digitalen Signals und einem Ausgangswandler. Fer­ ner betrifft die Erfindung ein Hörgerät zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Wandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal werden A/D-Wandler verwendet. Dabei sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Verfahren bekannt, nach denen A/D- Wandler verfahren (z. B. aus Tietze U.; Schenk CH.: Halblei­ ter-Schaltungstechnik, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokio, Barcelona: Springer 1990, S. 769-790). Der Dynamikumfang (gemessen in dB) eines A/D-Wandlers ist das Verhältnis zwi­ schen minimalem und maximalem Pegel des analogen Signals, das mit dem A/D-Wandler in ein digitales Signal gewandelt werden kann. Mit dem geforderten Dynamikumfang des A/D-Wandlers steigt jedoch auch dessen Stromverbrauch, so dass A/D-Wand­ ler, die einen großen Dynamikumfang bieten, für den Einsatz in Hörgeräten ungeeignet sind. Bei Hörgeräten können wegen der niedrigen Ausgangsspannung und der eng begrenzten Spei­ cherkapazität der Spannungsquelle lediglich A/D-Wandler mit einem eingeschränkten Dynamikumfang verwendet werden. Daher ist es bei digitalen Hörgeräten erforderlich, geeignete Maß­ nahmen zu treffen, um ein Übersteuern des A/D-Wandlers zu vermeiden. Übersteigt nämlich der Dynamikumfang des analogen Eingangssignals den Dynamikumfang des A/D-Wandlers, so ist das digitale Abbild des analogen Eingangssignals stark ver­ zerrt.

Bei dem Hörgeräte-Modell "Prisma" der Siemens Audiologische Technik GmbH ist dem A/D-Wandler ein High Level Compressor (HLC) vorgeschaltet, vgl. Siemens-Firmenschrift "Das digitale Hörgerät, mit dem Sie rundum gewinnen/PRISMA", Bestell-Nr. A91100-M5100-B700-01. Dieser soll die Übersteuerung des A/D- Wandlers und der nachfolgenden Schaltung verhindern. Der HLC besitzt einen hohen Regelschwellen-Pegel, ab dem die Regelung anspricht und das Eingangssignal komprimiert. Die Komprimie­ rung hat jedoch starke Verzerrungen des digitalen Abbildes des analogen Eingangssignals zur Folge, die schließlich zu deutlich hörbaren und störenden Verzerrungen des Ausgangssig­ nals führen. Weiterhin nachteilig sind die Ein- und Ausschwingzeiten des HLC. Durch diese kann es trotz des HLC kurzzeitig zum Übersteuern des A/D-Wandlers kommen. Außerdem haben ungünstige Eingangssignale, z. B. kurz aufeinanderfol­ gende, laute Schallereignisse, zwischen denen Ruhepausen lie­ gen, eine Art "Pumpeffekt" aufgrund der Regelschaltung zur Folge, die für den Benutzer ebenfalls sehr unangenehm sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Dynamikumfang bei einem di­ gitalen Hörgerät zu vergrößern und Signalverzerrungen zu ver­ meiden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb ei­ nes Hörgerätes mit wenigstens einem Eingangswandler zur Auf­ nahme eines Eingangssignals und Wandlung in ein elektrisches Signal, einem A/D-Wandler zur Wandlung des elektrischen Sig­ nals in ein digitales Signal, einer Signalverarbeitungsein­ heit zur Verarbeitung des digitalen Signals und einem Aus­ gangswandler, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:

• - Komprimieren des elektrischen Eingangssignals vor der A/D- Wandlung nach Maßgabe einer Kompressionskennlinie,
• - A/D-Wandlung des komprimierten Signals zum erzeugen eines komprimierten digitalen Signals,
• - Expandieren des komprimierten digitalen Signals oder eines daraus hervorgehenden Signals nach der A/D-Wandlung nach Maßgabe einer wenigstens näherungsweise zu der Kompressi­ onskennlinie inversen Expansionskennlinie.

Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Hörgerät zur Durch­ führung des Verfahrens mit einem Eingangswandler mit kompri­ mierendem Signalübertragungsverhalten zum Komprimieren des Eingangssignals sowie durch ein Hörgerät zur Durchführung des Verfahrens mit einer Kompressionseinheit zum Komprimieren des Eingangssignals vor der A/D-Wandlung.

Die Erfindung sieht vor, zur Verbesserung des Dynamikumfangs des von dem Hörgerät übertragbaren analogen Eingangssignals das analoge Eingangssignal vor der A/D-Wandlung zu komprimie­ ren und nach der A/D-Wandlung zu expandieren. Dabei erfolgt die Komprimierung bzw. Expandierung unmittelbar, permanent und stetig, d. h. anders als bei dem bekannten HLC, der erst oberhalb einer bestimmten Regelschwelle des analogen Ein­ gangssignals einsetzt, erfolgt die Übertragung des Signalpe­ gels bei der Erfindung kontinuierlich nach Maßgabe einer Kom­ pressionskennlinie. Diese ist im Bereich niedriger Signalpe­ gel vorzugsweise linear mit der Steigung 1 und kann sich für sehr hohe Eingangspegel asymptotisch einem Maximum nähern, wobei der Übergang zwischen diesen Extremen fließend ver­ läuft. Das komprimierte analoge Eingangssignal ist schließ­ lich dem A/D-Wandler zugeführt. Nach der A/D-Wandlung durch­ läuft das digitale Signal eine Expansionseinheit, die im We­ sentlichen eine zu der Kompressionskennlinie inverse Übertra­ gungskennlinie realisiert.

Das Hörgerät gemäß der Erfindung weist einen vergrößerten Dy­ namikumfang auf im Vergleich zu einem Hörgerät, das keine Komprimierung des Eingangssignals vorsieht. Ferner treten bei einem Hörgerät gemäß der Erfindung bei großen Signalamplitu­ den des Eingangssignals in der Regel keine hörbaren Verzer­ rungen auf, da die Kompression und Expansion unmittelbar und kontinuierlich erfolgen. Weiterhin wird die Kompression in Abhängigkeit der Signalstärke permanent durchgeführt, d. h. der Kompressor wird nicht erst oberhalb einer bestimmten Re­ gelschwelle aktiv. Er besitzt daher auch keine Ein- bzw. Ausschwingzeit, womit insbesondere bei Eingangssignalen mit wiederkehrenden großen Amplitudensprüngen "Pumpeffekte" ver­ mieden werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Kom­ pression bereits durch den Eingangswandler bewirkt wird. Ist der Eingangswandler z. B. als akustisch-elektrischer Wandler ausgebildet, so kann diese Wirkung durch eine besondere Aus­ gestaltung in dem akustisch-mechanischen Teil des Wandlers ausgeführt sein, etwa durch eine unterschiedlich dicke Wand­ lermembran.

Eine andere Ausführungsform sieht eine elektrische Schal­ tungseinheit zur Kompression vor, die zwischen dem Eingangs­ wandler und dem A/D-Wandler geschaltet ist und die gewünschte komprimierte Übertragungsfunktion realisiert.

Bei beiden oben genannten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Signalverarbeitung eine Schaltungseinheit umfasst, die hinsichtlich der Signalpegel im Wesentlichen die inverse Übertragungsfunktion des Kompressors realisiert. Diese Schal­ tungseinheit ist in analoger, vorzugsweise jedoch in digita­ ler Schaltungstechnik ausgeführt.

Bei der schaltungstechnischen Realisierung des Kompressors bzw. Expanders steht eine Vielzahl unterschiedlicher Möglich­ keiten offen. Z. B. kann der Kompressor als analoger Loga­ rithmierer und der Expander als digitaler Delogarithmierer ausgebildet sein. Es sind jedoch auch andere Übertragungs­ funktionen als Logarithmus bzw. inverser Logarithmus möglich. Weiterhin kann eine Übertragungsfunktion auch in Form einer Wertetabelle hinterlegt sein. Vorzugsweise ist die Übertra­ gungsfunktion einstellbar und durch Programmierung des betreffenden Hörgerätes veränderbar. So kann bei einem Wand­ ler mit komprimierender Übertragungskennlinie (Wandlerkennli­ nie) diese gemessen werden und bei dem Expander exakt die hierzu inverse Kennlinie eingestellt werden.

Die Erfindung kann bei allen bekannten Hörgeräte-Typen ange­ wendet werden, beispielsweise bei hinter dem Ohr tragbaren Hörgeräten, in dem Ohr tragbaren Hörgeräten, implantierbaren Hörgeräten oder Taschenhörgeräten. Weiterhin kann das Hörge­ rät gemäß der Erfindung auch Teil eines mehrere Geräte zur Versorgung eines Schwerhörigen umfassenden Hörgerätesystems sein, z. B. Teil eines Hörgerätesystems mit zwei am Kopf ge­ tragenen Hörgeräten zur binauralen Versorgung oder Teil eines Hörgerätesystem, bestehend aus einem am Kopf tragbaren Gerät und einer am Körper tragbaren Prozessoreinheit.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch im Blockschaltbild ein Hörgerät mit einem HLC nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 die Übertragungskennlinie des HLC in vereinfachter Darstellung,

Fig. 3 schematisch im Blockschaltbild ein Hörgerät gemäß der Erfindung,

Fig. 4 die Übertragungskennlinie der Kompressionseinheit und

Fig. 5 die Übertragungskennlinie der Expansionseinheit.

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung das Blockschalt­ bild eines Hörgerätes mit einem als Mikrofon 1 ausgebildeten Eingangswandler dargestellt. Dieser nimmt ein akustisches Eingangssignal auf und wandelt dieses in ein elektrisches Signal. Der Dynamikumfang des Mikrofons 1, d. h. der Bereich von der kleinsten bis zu der größten übertragbaren Signalamp­ litude des Eingangssignal, ist in der Regel wesentlich größer als der Dynamikumfang, den das Hörgerät insgesamt bietet. Weiterhin ist bei dem bekannten Hörgerät ein A/D-Wandler 2 zur Wandlung des elektrischen Signals in ein digitales Signal vorgesehen. Das digitale Signal ist einer Signalverarbei­ tungseinheit 3 zugeführt, in der die Aufbereitung des Signals zum Ausgleich der individuellen Schwerhörigkeit eines Hörge­ räteträgers erfolgt. Die Signalverarbeitung kann in mehreren parallelen Kanälen der Signalverarbeitungseinheit 3 durchge­ führt werden und neben einer frequenzabhängigen Verstärkung auch weitere Funktionen, wie Störgeräuschunterdrückung oder besondere Hervorhebung von Sprachsignalen, umfassen. Das ver­ arbeitete Signal wird schließlich durch den Ausgangswandler, im Beispiel als Hörer 4 realisiert, von einem elektrischen Signal in ein akustisches Signal gewandelt und ausgegeben.

Der Dynamikumfang des mit dem Hörgerät übertragbaren Signals ist im Wesentlichen durch den A/D-Wandler 2 bestimmt. Einer Vergrößerung des Dynamikumfangs könnte in der Signalverarbei­ tungseinheit 3 durch eine Vergrößerung der Wortbreite des zu verarbeitenden digitalen Signals Rechnung getragen werden. Dabei verändert sich die Stromaufnahme der Signalverarbei­ tungseinheit 3 in etwa im Verhältnis mit der gewählten Wort­ breite. Anders hingegen beim A/D-Wandler 2, bei dem eine Ver­ größerung des Dynamikumfangs eine höhere Versorgungsspannung und damit einen überproportionalen Anstieg der Stromaufnahme zur Folge hat.

Wegen der angestrebten Miniaturisierung bei Hörgeräten ist der für die Batterie bzw. den Akku zur Spannungsversorgung zur Verfügung stehende Raum innerhalb des Hörgerätes und da­ mit deren Ausgangsspannung und Speicherkapazität begrenzt. Daher ist der realisierbare Dynamikumfang des A/D-Wandlers 2 bei der Entwicklung eines Hörgerätes innerhalb enger Grenzen vorgegeben. Um ein Übersteuern des A/D-Wandlers 2 bei großen Signalamplituden des Eingangssignals zu vermeiden, ist bei dem Hörgerät gemäß Fig. 1 ein zwischen das Mikrofon 1 und dem A/D-Wandler 2 geschalteter HLC 5 (HLC = High Level Compressor) vorgesehen. Dieser ist in analoger Schaltungs­ technik aufgebaut und bewirkt oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes S1 (vgl. Fig. 2) der Signalamplitude des Eingangssignals eine Kompression des Eingangssignals, bevor dieses dem A/D-Wandler 2 zugeführt ist. Dabei wird der HLC 5 erst aktiv, sobald die Signalamplitude den Schwellenwert S1 für eine bestimmte Zeitdauer übersteigt. Ebenso wird die Schaltung erst dann wieder inaktiv, wenn die Signalamplitude den Schwellenwert S1 für eine bestimmte Zeitdauer unter­ schreitet. Der HLC 5 ist eine Regelschaltung und weist damit eine Ein- bzw. Ausschwingzeit auf. Dadurch bewirkt er bei seinem Ansprechen eine für den Hörgeräteträger deutlich hör­ bare und störende Veränderung des ursprünglichen Eingangssig­ nals.

Fig. 2 zeigt in vereinfachter Darstellung die Übertragungs­ kennlinie des HLC 5 für den jeweils eingeschwungenen Zustand. Dargestellt ist der Ausgangssignalpegel LO über dem Eingangs­ signalpegel LI des HLC 5. Weiterhin dargestellt ist der Schwellenwert S1, ab dem die Regelung einsetzt und der HLC 5 aktiv wird. Unterhalb S1 verläuft die Kennlinie linear mit der Steigung 1. Oberhalb von S1 nähert sich die Übertragungs­ kennlinie für den eingeschwungenen Zustand des Reglers mit steigendem Eingangssignalpegel dem Schwellenwert S2.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung das Blockschalt­ bild eines Hörgerätes gemäß der Erfindung. Auch dieses sieht ein Mikrofon 1', einen A/D-Wandler 2', eine Signalverarbei­ tungseinheit 3' sowie einen Hörer 4' vor. Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt bei dem Hörgerät gemäß der Erfin­ dung mittels einer Kompressionseinheit 6 stets (und nicht erst oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes) eine Kompres­ sion des analogen Eingangssignals nach Maßgabe einer Kompres­ sionskennlinie, bevor es dem A/D-Wandler 2' zugeführt ist. Das Kompressionsverhältnis kann dabei in einem bestimmten Wertebereich des Eingangssignalpegels auch gleich eins sein. Die Kompressionseinheit 6 ist in analoger Schaltungstechnik ausgeführt und realisiert eine Steuerung mit der in Fig. 4 dargestellten Übertragungskennlinie. Im Unterschied zu dem HLC 5 gemäß Fig. 1 besitzt die Kompressionseinheit 6 keinen Schwellenwert hinsichtlich der Signalamplitude des Eingangs­ signals, der überschritten werden muss, damit die Schaltung aktiviert wird. Vielmehr erfolgt die Anpassung des analogen Eingangssignals unmittelbar, permanent und kontinuierlich. Die Kompressionseinheit 6 ist keine Regelschaltung und weist auch keine Ein- oder Ausschwingzeiten auf.

Die Kompressionseinheit 6 ist vorteilhaft schaltungstechnisch als analoger Logarithmierer ausgebildet (vgl. Tietze U.; Schenk CH.: Halbleiter-Schaltungstechnik, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokio, Barcelona: Springer 1991, S. 332-336) und kann gleichzeitig auch eine Signalvorverstärkung bewirken. Weiterhin kann die Kompressionseinheit 6 als eigenständige Schaltungseinheit in dem Hörgerät implementiert sein, aber auch in das Mikrofon 1' oder den A/D-Wandler 2' integriert sein.

Das Hörgerät gemäß Fig. 3 umfasst weiterhin die Expansions­ einheit 7. Diese ist in die Signalverarbeitungseinheit 3' in­ tegriert und wie diese in digitaler Schaltungstechnik reali­ siert. Die Expansionseinheit 7 dient der Expansion des in der Kompressionseinheit 6 komprimierten Signals. Dabei kann in der Signalverarbeitungseinheit 3' sowohl vor als auch nach der Expansion eine weitere Signalverarbeitung stattfinden. Insgesamt weist das so ausgebildete Hörgerät einen Dynamikum­ fang auf, der den Dynamikumfang des A/D-Wandlers 2' deutlich übersteigt.

In Fig. 4 ist die Übertragungskennlinie der Kompressionsein­ heit 6 als Funktion des Ausgangssignalpegels LO über dem Ein­ gangssignalpegel LI ausgeführt. Auch diese weist bei niedri­ gen Signalpegeln des Eingangssignals zumindest näherungsweise einen linearen Verlauf mit der Steigung 1 auf und flacht zu höheren Eingangssignalpegeln hin allmählich ab. Die Übertra­ gungskennlinie kann in dem interessanten Wertebereich des Eingangssignalpegels in etwa durch eine Logarithmusfunktion beschrieben werden.

Fig. 5 zeigt die zu der Kompressionskennlinie gemäß Fig. 4 inverse Expansionskennlinie, die von der Expansionseinheit 7 realisiert wird. Nach Maßgabe dieser Expansionskennlinie wird in der Expansionseinheit 7 die in der Kompressionseinheit 6 erfolgte Komprimierung des Eingangssignals zumindest nähe­ rungsweise wieder aufgehoben. Dadurch weist das so ausgebil­ dete Hörgerät einen größeren Dynamikumfang auf, als dies der A/D-Wandler 2' ohne die weitere Beschaltung gemäß der Erfin­ dung ermöglichen würde.

Anders als bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, das die Kompressionseinheit 6 umfasst, kann ein komprimie­ rendes Signalübertragungsverhalten gemäß Fig. 4 auch direkt von dem Mikrofon 1' bewirkt werden. Das Mikrofon 1' weist hierfür einen akustisch-mechanischen Kompressionsteil (nicht dargestellt) auf. Dessen Wirkung kann beispielsweise auf ei­ ner besonderen Ausbildung der Mikrofonmembran beruhen (unter­ schiedlich dicke Membranbereiche).

Zum Realisieren der inversen Übertragungskennlinie in der Expansionseinheit 7 ist diese vorzugsweise programmierbar ausgebildet. Dann kann der genaue Verlauf der Übertragungs­ kennlinie durch Programmierung des Hörgerätes variiert wer­ den.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb eines Hörgerätes mit wenigstens ei­ nem Eingangswandler zur Aufnahme eines Eingangssignals und Wandlung in ein elektrisches Signal, einem A/D-Wandler (2, 2') zur Wandlung des elektrischen Signals in ein digitales Signal, einer Signalverarbeitungseinheit (3, 3') zur Verar­ beitung des digitalen Signals und einem Ausgangswandler, gekennzeichnet durch folgende Ver­ fahrensschritte:

• - Komprimieren des elektrischen Eingangssignals vor der A/D- Wandlung nach Maßgabe einer Kompressionskennlinie,
• - A/D-Wandlung des komprimierten Signals zum Erzeugen eines komprimierten digitalen Signals,
• - Expandieren des komprimierten digitalen Signals oder eines daraus hervorgehenden Signals nach der A/D-Wandlung nach Maßgabe einer wenigstens näherungsweise zu der Kompressi­ onskennlinie inversen Expansionskennlinie.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression zumin­ dest näherungsweise nach Maßgabe einer Logarithmusfunktion und die Expansion zumindest näherungsweise nach Maßgabe einer inversen Logarithmusfunktion erfolgen.

3. Hörgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Eingangswandler mit komprimierendem Signalübertragungs­ verhalten zum Komprimieren des Eingangssignals.

4. Hörgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Kompressionseinheit (6) zum Komprimieren des Eingangs­ signals vor der A/D-Wandlung.

5. Hörgerät nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeich­ net durch eine Expansionseinheit (7) zum Ex­ pandieren des komprimierten digitalen Signals.

6. Hörgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion der Kompressionseinheit (6) und/oder der Expansionseinheit (7) einstellbar ist.