DE102004044565A1

DE102004044565A1 - Verfahren zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen und Schaltungsanordnung hierzu

Info

Publication number: DE102004044565A1
Application number: DE102004044565A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Hohmann
Original assignee: Carl Von Ossietzky Universitaet Oldenburg
Current assignee: Carl Von Ossietzky Universitaet Oldenburg
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: US20060087380A1; DE102004044565B4

Abstract

Ein Verfahren zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen (S) sieht eine Regelung der Dynamikbereichsbegrenzung in Abhängigkeit von der Momentanfrequenz des zu komprimierenden Audiosignals (S) als Regelungsparameter vor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen mit mindestens einer automatischen Dynamikregelungseinheit.

Ein großes Problem für hörgeschädigte Personen ist der reduzierte verbleibende Dynamikbereich des Hörers zwischen der Hörschwelle und dem unangenehmen Hörpegel. Der verbleibende Dynamikbereich hängt im Wesentlichen von der Signalfrequenz ab, d. h. der verbleibende Bereich ist im Allgemeinen umso kleiner, je höher der Hörverlust bei einer bestimmten Frequenz ist.

Zur Kompensation muss der große Bereich von Signalpegeln, insbesondere der in der akustischen Umgebung auftretende und von dem normalen Hörsystem verarbeitete Bereich von Signalpegeln in den individuellen verbleibenden Dynamikbereich des Gehörs einer individuellen hörgeschädigten Person komprimiert werden. Die Kompressionsmittel steuern den auf das Eingangssignal angewandten Verstärkungspegel, so dass die Verstärkung mit steigender Signalamplitude abnimmt. Da der verbleibende Dynamikbereich von der Frequenz abhängt, sollte das Dynamikkompressionssystem das Audiosignal in verschiedene Frequenzbänder aufteilen und verschiedene Kompressionsfaktoren in den unterschiedlichen Frequenzbändern nutzen.

In dem US-Patent 5,500,902 A1 ist eine solche Schaltunganordnung zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen mit mehreren parallel geschalteten Bandpassfiltern und jeweils nachfolgenden automatischen Verstärkungsregelungen beschrieben.

Ebenso ist in der US 2002-0,057,808 A1 ein Hörverstärker mit schneller Dynamikregelung in Subbändern und einer adaptiven Regelung der Kompressionsschwelle beschrieben.

In Plomp, R., „The negative effect of amplitude compression in multichannel hearing aids in the light of the modulation-transfer function", in: Journal of the Acoustical Society of America, 83(6), June 1988, Seiten 2322 bis 2327 ist die zeitliche Mittelung der Verstärkungsregelung zur Verbesserung der Audioqualität beschrieben. Diese Maßnahme basiert auf der Beobachtung, dass eine schnelle Mehrfrequenzband-Dynamikkompression ohne zeitliche Mittelung oder mit kurzen Mittelwertzeitkonstanten die Sprachamplitudenmodulation reduziert, die als wichtig für das Sprachverständnis angesehen wird.

Die Anwendung zeitlicher Mittelwerte glättet die Zeitvariationen der Verstärkung und bewahrt daher Modulationen, während Störungen vermieden werden.

Weiterhin ist aus dem US-Patent 6,198,830 B1 eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen bekannt, bei der eine automatische Verstärkungsregelung auf der Basis von Ergebnissen von Signalanalysen gesteuert wird, um das Verstärkungssteuerungssystem an unterschiedliche akustische Umgebungen anzupassen. Dabei werden längere Zeitachsen berücksichtigt, d. h. die Dynamikbereichsbegrenzung wird beispielsweise von einer geräuschbehafteten zu einer leisen Umgebung umgeschaltet. Eine kurzzeitige Regelung erfolgt nicht.

Aus Douglas, J. Nelson, „Cross-spectral methods for processing speech", in: Journal of Acoustics Society of America, 110(5), November 2001, Seiten 2575 bis 2592 ist die Bestimmung einer Momentanfrequenz, einer kanalisierten Momentanfrequenz und einer lokalen Gruppenverzögerung bekannt, um nicht stationäre Mehrkomponenten FM-Signale zu analysieren.

Weiterhin ist in Christian Giguère und Philip C. Woodland, „A computational model of the auditory periphery for speech and hearing research. I. Ascending path", in: Journal Acoustic Society of America, 95(1), January 1994, Seiten 331 bis 342 die Modelierung des menschlichen peripheren Gehörs, insbesondere der cochlearen Funktion beschrieben.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen zu schaffen, mit dem die Anpassung des Dynamikbereichs insbesondere zur Sprachaufbereitung in Hörgeräten und zur Verbesserung der automatischen Spracherkennung optimiert wird.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Regelung der Dynamikbereichsbegrenzung in Abhängigkeit von der Momentanfrequenz des zu komprimierenden Audiosignals als Regelungsparameter erfolgt.

Es hat sich gezeigt, dass die Audioqualität durch die Nutzung der Momentanfrequenz, d. h. der momentan zum Zeitpunkt der Messung und Regelung vorliegenden Momentanfrequenz des Audiosignals, im Vergleich zu den üblichen Regelungsgrößen erheblich verbessert werden kann.

Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Regelungsverfahren im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren zur Dynamikregelung eine quasiinstante Kompression mit hoher perzeptiver Signalqualität und entspricht näherungsweise einer Rekonstruktion eines Zeitsignals aus der simulierten Erregung der Cochlear einer normal hörenden Person.

Die Momentanfrequenz wird vorzugsweise zur Regelung eines Verstärkungsfaktors, eines Kompressionsverhältnisses und/oder einer Adaptionszeitkonstanten einer automatischen Verstärkungsregelung AGC genutzt.

Die Adaptionszeitkonstanten zur Dynamikbegrenzung sollten dabei weniger als 20 ms betragen.

Besonders vorteilhaft ist eine parallele Regelung der Dynamikbereichsbegrenzung für eine Mehrzahl bandbegrenzter Audiosignale.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine verbesserte Schaltungsanordnung zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen mit mindestens einer automatischen Dynamikregelungseinheit zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen Schaltungsanordnung erfindungsgemäß gelöst durch mindestens eine Einheit zur Ermittlung der Momentanfrequenz, die mit der mindestens einen Dynamikregelungseinheit verbunden ist, um die Dynamikbegrenzung in Abhängigkeit von der ermittelten Momentanfrequenz zu regeln.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Mehrzahl von Bandpassfiltern für das hinsichtlich der Dynamik zu begrenzende Audiosignal vorgesehen ist und jeweils eine automatische Verstärkungsregelungseinheit am Ausgang eines zugeordneten Bandpassfilters angeordnet ist. Dabei sollte jeweils eine Einheit zur Ermittlung der Momentanfrequenz des bandpassgefilterten Audiosignals an den Ausgang des zugeordneten Bandpassfilters geschaltet und mit der zugeordneten automatischen Verstärkungsregelungseinheit gekoppelt sein, um die Dynamik des bandpassgefilterten Audiosignals in Abhängigkeit von der Momentanfrequenz des bandpassgefilterten Audiosignals als Regelungsparameter zu begrenzen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen mit mehreren Bandpassfiltern und nachgeordneten Dynamikregelungseinheiten;
2 – Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Dynamikregelungseinheit für die Schaltungsanordnung aus 1.
Die 1 lässt ein Blockdiagramm einer Schaltungsanordnung 1 zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen S erkennen, die über einen Eingang 2 in eine Mehrzahl paralleler Bandpassfilter 3a, 3b, ..., 3n geleitet wird. An den Ausgang der Bandpassfilter 3a, 3b, ..., 3n ist jeweils eine Dynamikregelungseinheit 4a, 4b, ..., 4n geschaltet, die insbesondere eine hinreichend bekannte automatische Verstärkungsregelungseinheit AGC sein kann. Derartige automatische Verstärkungsregelungen an sich sind aus dem eingangs zitierten Stand der Technik bekannt.
Auf diese Weise wird das in einzelne Frequenzbänder aufgeteilte Audiosignal S für jedes Frequenzband separat hinsichtlich des Dynamikbereichs begrenzt. Die Bandpassfilter 3a, 3b, ..., 3n sollten nach Möglichkeit den gesamten Bereich der relevanten Frequenzen abdecken.
Die hinsichtlich des Dynamikbereichs begrenzten Audiosignale werden einer Frequenzsyntheseeinheit 5 zugeführt, dessen Ausgang 6 das Ausgangssignal O bereitstellt.
Die 2 lässt ein Blockdiagramm einer Dynamikregelungseinheit 4 mit einer mittels Regelungsparameter R regelbaren automatischen Verstärkungsregelungs einheit 7 erkennen. Das am Eingang 8 anliegende hinsichtlich der Dynamik zu begrenzende Eingangssignal der Dynamikregelungseinheit 4 wird einerseits der automatischen Verstärkungsregelungseinheit 7 und andererseits einer Einheit 9 zur Ermittlung der Momentanfrequenz zugeführt. Der Aufbau der Einheit 9 zur Ermittlung der Momentanfrequenz selbst ist hinreichend bekannt. Ein Verfahren zur Bestimmung der Momentanfrequenz, d. h. der zum Zeitpunkt der Messung und Regelung momentan vorliegenden Frequenz des Audiosignals ist beispielsweise in Douglas J. Nelson: „Cross-spectral methods for processing speech", in: Journal of Acoustic Society of America, Vol. 110, No. 5, pt. 1, Nov. 2001, Seite 2577 beschrieben.
Die Momentanfrequenz wird als Regelungsparameter R für die automatische Verstärkungsregelungseinheit 7 genutzt. Dabei kann einzeln oder in Kombination der Verstärkungsfaktor, das Kompressionsverhältnis und/oder die Adaptionszeitkonstante der automatischen Verstärkungsregelung 7 durch die Momentanfrequenz eingestellt werden.
Am Ausgang 10 der Dynamikregelungseinheit 4 liegt dann das optimal hinsichtlich der Dynamik begrenzte Audiosignal an, das anschließend weiter verarbeitet werden kann.
Bei der Regelung ist es vorteilhaft, wenn die Verstärkung und Kompression des Audiosignals durch die automatische Verstärkungsregelungseinheit 7 reduziert wird, wenn die Momentanfrequenz außerhalb eines festgelegten Wertebereichs ist. Die Bestimmung des Wertebereichs selbst ist durch Simulation oder experimentell leicht in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung möglich.
Das Verfahren kann zur Audiosignalverarbeitung in Hörgeräten, zur Spracherkennung oder sonstigen Audiosignalaufbereitung genutzt werden.

Claims

Verfahren zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen (S), gekennzeichnet durch Regelung der Dynamikbereichsbegrenzung in Abhängigkeit von der Momentanfrequenz des zu komprimierenden Audiosignals (S) als Regelungsparameter.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Regelung eines Verstärkungsfaktors einer automatischen Verstärkungsregelung zur Dynamikbegrenzung in Abhängigkeit von der Momentanfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Regelung eines Kompressionsverhältnisses (C_v) einer automatischen Verstärkungsregelung in Abhängigkeit von der Momentanfrequenz.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Regelung einer Adaptionszeitkonstanten einer automatischen Verstärkungsregelung in Abhängigkeit von der Momentanfrequenz.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Adaptionszeitkonstanten zur Dynamikbegrenzung weniger als 20 ms betragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch parallele Regelung der Dynamikbereichsbegrenzung für eine Mehrzahl bandbegrenzter Audiosignale (S).
Schaltungsanordnung (1) zur Begrenzung des Dynamikbereichs von Audiosignalen (S) mit mindestens einer automatischen Dynamikregelungseinheit (4), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einheit zur Ermittlung der Momentanfrequenz zur Regelung der Dynamikbegrenzung mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Abhängigkeit von der ermittelten Momentanfrequenz mit mindestens einer Dynamikregelungseinheit (4) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Bandpassfiltern (3a, 3b, ..., 3n) für das hinsichtlich der Dynamik zu begrenzende Audiosignal (S) und jeweils einer automatischen Verstärkungsregelungseinheit (7) am Ausgang eines zugeordneten Bandpassfilters (3a, 3b, ..., 3n) und jeweils einer Einheit zur Ermittlung der Momentanfrequenz des bandpassgefilterten Audiosignals (S), wobei die Einheit zur Ermittlung der Momentanfrequenz mit der zugeordneten automatischen Verstärkungsregelungseinheit (7) gekoppelt ist, um die Dynamikbereichsbegrenzung des bandpassgefilterten Audiosignals (S) in Abhängigkeit von der Augenblicksfrequenz des bandpassgefilterten Audiosignals (S) als Regelungsparameter zu regeln.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Frequenzsyntheseeinheit (5) zum Zusammenfassen der begrenzten Bandpasssignale am Ausgang (10) der Dynamikregelungseinheiten (4).