DE19703228B4

DE19703228B4 - Verfahren zur Verstärkung von Eingangssignalen eines Hörgerätes sowie Schaltung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19703228B4
Application number: DE19703228A
Authority: DE
Inventors: Inga Dr. Holube; Birger Prof. Dr. Dr. Kollmeier; Volker Dr. Hohmann
Original assignee: Siemens Audioligische Technik GmbH
Current assignee: Sivantos GmbH
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1997-01-29
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2017-01-30
Also published as: CH692884A5; US6198830B1; DK176775B1; DK12698A; DE19703228A1

Abstract

Verfahren zur Verstärkung von Eingangssignalen eines Hörgeräts, bei dem unter Einsatz einer AGC-Schaltung eine Kompression der vom Hörgerät aufgenommenen Signale in Abhängigkeit vom Signalpegel des Eingangssignals erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewährleistung einer Dynamikkompression zusätzlich zur Erfassung des Signalpegels des Eingangssignals eine Signalanalyse in Form einer Modulationsfrequenzanalyse erfolgt und aufgrund des Ergebnisses der Signalanalyse das Verhalten der Dynamikkompression variiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung von Eingangssignalen eines Hörgeräts, bei dem eine Kompression der vom Hörgerät aufgenommenen Signale in Abhängigkeit des erfassbaren Signalpegels erfolgt. Die vorliegende Erfindung betrifft desweiteren eine Schaltung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
Bei Innenohrschwerhörigkeit liegt zumeist ein gestörtes Lautstärkeempfinden vor. Leise Signale werden in der Regel nicht wahrgenommen und müssen daher im Hörgerät entsprechend verstärkt werden, wohingegen laute Signale genauso laut wie bei Normalhörigkeit empfunden werden. Um die Verstärkung der Signale an das Hörempfinden eines Normalhörenden anzupassen, werden in Hörgeräten Kompressionsschaltungen verwendet. Derartige Kompressionsschaltungen beinhalten eine AGC-(Automatic-Gain-Control)-Schaltung, die die Verstärkung in Abhängigkeit vom Signalpegel variiert. Derartige AGC-Schaltungen haben entweder ein genau festgelegtes Verhalten oder lassen sich durch Parametereinstellungen verändern (z.B. Kompressionsverhältnis, Einsatzpunkt der Kompression, Zeitkonstanten). Diese Einstellungen werden bei der individuellen Anpassung des Hörgeräts an den Schwerhörigen festgelegt und in der Regel bei der Benutzung des Hörgeräts nicht mehr verändert. Bisherige Kompressionsalgorithmen führen entweder eine pegelbegrenzende Kompression oder eine „full dynamic range"-Kompression durch. Bei der pegelbegrenzenden Kompression liegt der Einsatzpunkt der Kompression in der Regel bei einem relativ hohen Pegel, wobei die Signale hierbei relativ stark komprimiert werden (hohes Kompressionsverhältnis). Hierdurch. wird vermieden, dass laute Signale zu stark verstärkt werden. Bei der „full dynamic range"-Kompression hingegen liegt der Einsatzpunkt der Kompression in der Regel möglichst niedrig, wobei das Kompressionsverhältnis so gewählt wird, dass die vom Schwerhörigen empfundene Lautheit über den gesamten Pegelbereich ausgeglichen wird. Bei bisherigen Berechnungen der Parametereinstellungen einer Dynamikkompression wird eine Input-Output-Kennlinie zugrunde gelegt, die auf stationären Signalen beruht. Insbesondere bei Verwendung einer Lautheitsskalierung wird die empfundene Lautheit für stationäre Signale bestimmt und daraus die benötigte Kompensation durch Hörgeräte berechnet. Das Zeitverhalten der Kompensationsschaltung führt jedoch bei zeitlich veränderlichen modulierten Signalen, also insbesondere bei Sprache, zu einem effektiv anderen Kompressionsverhalten. Daraus folgt, dass die empfundene Lautheit des Schwerhörigen nicht für alle Signale optimal kompensiert werden kann.

Aus der WO 89/04583 A1 ist ein digitales Hörgerät bekannt, bei dem mit einer AGC-Schaltung eine Dynamikkompression durchgeführt wird und die Signalverstärkung in Abhängigkeit vom Signalpegel des Eingangssignals verändert wird.

Aus RASS, U., STEEGER G.H.: "Ein tragbares Signalprozessor-System zur Evaluierung digitaler Hörgeräte-Algorithmen", in: Audiologische Akustik, 3/1995, S. 126–132, geht eine Dynamikkompressionseinstellung hervor, bei der nach einer Messung des Signalpegels die Signalverstärkung aus einer Tabelle bestimmt wird.

Aus APPELL, J.-E. HOHMANN, V., KOLLMEIER, B., "Vergleich verschiedener digital realisierter Signalverarbeitungsstragetien für Dreikanal-Hörgeräte mit Dynamikkompression", in: Audiologische Akustik, 3/1995, S. 134–143, ist eine kanalspezifische Einstellung der Dynamikkompression bekannt.

Aus der EP 252 205 A2 ist bekannt, eine Frequenzzerlegung des Eingangssignals durchzuführen und zur Einstellung der Verstärkung auf eine Verstärkungstabelle mit Festwerten zurückzugreifen.

Aus der WO 93/00779 A1 geht eine mehrkanalige Dynamikkompression hervor.

Aus KOLLMEIER, B., PEISSIG, J., HOHMANN, V., "Real-time multiband dynamic compression and noise reduction for binaural hearing aids", in: Journal of rehabilitation Research and Development, Vol. 30, No. 1, 1993, P. 82–94, geht ebenfalls eine mehrkanalige Dynamikkompression hervor.

Aus der DE 37 33 983 A1 ist ein Verfahren zum Dämpfen von Störschall in von Hörgeräten übertragenen Schallsignalen bekannt. Dabei werden zeitliche Veränderungen von Spektralverteilungen analysiert, um daraus Steuersignale zur Einstellung eines Frequenz-Amplituden-Filters zu gewinnen.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine entsprechende Schaltung zur Verfügung zu stellen, mit dem bzw. der auch bei zeitlich veränderlichen modulierten Signalen eine optimale Dynamikkompression erzielbar ist.

Die vorliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Bei der gattungsgemäßen Schaltung wird die Aufgabe gelöst durch eine Schaltung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 13. Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Schaltung sind jeweils in den Unteransprüchen beansprucht.

Die Erfindung ermöglicht es, für alle denkbaren Geräusch-, d.h. Hörsituationen eine optimale Dynamikkompression durchzuführen, und zwar ohne dass mit einem Programmschalter zwischen verschiedenen Parametereinstellungen umgeschaltet werden muss. Die variable Dynamikkompression erfolgt automatisch in Abhängigkeit des Resultats der Signalanalyse der Eingangssignale. Die Erfindung gewährleistet eine einfachere Handhabung des Hörgeräts durch den Schwerhörigen und eine Einsparung von Schaltern sowie ferner eine Verbesserung der Sprachverständlichkeit. Weiterhin kann bei störgeräuschüberlagerten Sprachsignalen die subjektiv empfundene Geräuschhaltigkeit verringert werden. Hierdurch kann die Zufriedenheit der Hörgeräteträger wesentlich gesteigert und die Tragedauer der Hörgeräte wirksam erhöht werden.

Die Signalanalyse erfolgt als Modulationsfrequenzanalyse des Eingangssignals. Hierbei wird die zeitliche Veränderung der Einhüllenden des jeweiligen Eingangssignals spektral analysiert.

Die Variierung der Dynamikkompression aufgrund des Ergebnisses der Signalanalyse kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Zweckmäßig ist die Variation der Dynamikkompression durch Änderung der Zeitkonstanten bei der Erfassung des Pegels des Eingangssignals, d.h. der Zeitkonstanten im Pegeldetektor oder durch Variation des Kompressionsverhältnisses des Verstärkungsglieds, insbesondere AGC-Verstärkungsglieds.

Vorteilhafterweise werden beide Variationsmöglichkeiten gleichzeitig eingesetzt. Bei tiefen Modulationsfrequenzen, z.B. bei langsam veränderlichen Signalen, können beispielsweise lange Zeitkonstanten und/oder große Kompressionsverhältnisse benutzt werden. Bei hohen Modulationsfrequenzen hingegen, z.B. bei schnell veränderlichen Signalen, können zweckmäßigerweise kurze Zeitkonstanten und/oder kleinere Kompressionsverhältnisse verwendet werden. Darüber hinaus können aber auch andere Kombinationen von Zeitkonstanten und Kompressionsverhältnissen Anwendung finden.

Zudem kann auch der Einsatzpunkt der Kompression bei erfolgter Signalanalyse zur Variation der Dynamikkompression herangezogen werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die Eingangssignale in eine Mehrzahl N von Frequenzbändern zerlegt und die Signalanalyse jeweils frequenzbandbezogen vorgenommen. Anschließend werden die Frequenzbänder nach der Verstärkung wieder zusammengefasst. Hierdurch kann das gesamte Frequenzspektrum abgetastet und für die Dynamikkompression optimal aufbereitet werden.

Gleichzeitig wird ferner die Möglichkeit eröffnet, bestimmte Frequenzbänder bzw. darin auftretende Signalfrequenzen selektiv und einsatzspezifisch zu verstärken, wobei zudem auch die Möglichkeit besteht, einzelne Frequenzbänder zur Signalanalyse und/oder zur Durchführung der Dynamikkompression zusammenzufassen. Weiterhin kann die Signalanalyse auf ein Frequenzband beschränkt werden, wobei die Steuerung der AGC-Parameter in allen Frequenzbändern aufgrund dieser Signalanalyse erfolgt.

Die Erfindung erlaubt es zudem, eine Störgeräuschunterdrückung vorzunehmen, indem man eine Teilbandanalyse in mehrere Frequenzbänder durchführt und die Modulationsanalyse in jedem Kanal vornimmt. Die Störgeräuschunterdrückung besteht darin, dass diejenigen Kanäle abgeschwächt werden, in denen die Modulationsanalyse einen hohen Rauschanteil detektiert.

Zur Zerlegung der Eingangssignale sowie Zusammenfassung der Frequenzbänder nach der Verstärkung ist zweckmäßigerweise eine Filterbandanalyse bzw. Filterbandsynthese vorgesehen. Anstelle davon kann auch eine Fourieranalyse oder Waveletanalyse durchgeführt werden.

Die mit einer Kurzeit-Spektralanalyse erfassten Zeit-Frequenz-Muster können zur Klassifikation der akustischen Signale verwendet werden.

Erfindungsgemäß kann neben der adaptiven Änderung der Parameter der AGC-Schaltung durch die Signalanalyse bei Bedarf auch eine manuelle Variation der Parameter durch den Hörgeräteträger Werte kontinuierlich oder Werte diskret erfolgen.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz einer digitalen Signalverarbeitung. Sie kann jedoch auch im Rahmen einer analogen Signalverarbeitung realisiert werden.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist gekennzeichnet durch ein Signalanalysemodul, welches einerseits mit der Eingangssignalstrecke, andererseits mit einem Pegeldetektor und/oder mit einem AGC-Verstärkungsglied verbunden ist.

In Anbetracht der vorgenommenen Signalanalyse bewirkt das Signalanalysemodul zur Variierung der Dynamikkompression eine Änderung der Zeitkonstanten im Pegeldetektor oder eine Änderung der Verstärkungskennlinie des AGC-Verstärkungsglied, am besten eine Änderung beider Werte.

Zum Ausgleich von Signallaufzeiten bei der Berechnung des Verstärkungswertes kann ein Verzögerungsglied in der Eingangssignalstrecke angeordnet werden.

Eine besondere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1 in grob vereinfachter Darstellungsweise den Signalpfad in einem Hörgerät zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie
2 eine Möglichkeit für die Spezifizierung des Signalanalysemoduls in 1.
Gemäß 1 umfasst der Signalpfad ein Mikrofon 1 zur Aufnahme von akustischen Signalen. Das Mikrofon 1 steht mit einem Vorverstärker 2 in Verbindung.
Die vom Mikrofon 1 erzeugten und vom Vorverstärker 2 verstärkten Signale laufen in einen A/D-Wandler 3 und werden in Digitalform einem Filterbandanalysemodul 4 zugeführt. Dort erfolgt eine Zerlegung der digitalisierten Eingangssignale in N einzelne Frequenzbänder.
Die erfindungsgemäße Schaltung umfasst desweiteren einen Pegeldetektor 6 mit variierbaren Zeitkonstanten sowie ein mit dem Pegeldetektor 6 verbundenes AGC-Verstärkungsglied 7.
Im Eingangssignalpfad 12 ist zusätzlich ein Signalanalysemodul 8 zur Modulationsfrequenzerfassung eines bestimmten Frequenzbands vorgesehen. Darüber hinaus umfasst die Schaltung ein Verzögerungsglied 5, welches zum Pegeldetektor 6 und AGC-Verstärkungsglied 7 parallel geschaltet werden kann.
Die Anordnung von Signalanalysemodul 8, Verzögerungsglied 5, Pegeldetektor 6 sowie AGC-Verstärkungsglied 7 ist jedem einzelnen Frequenzband als Schaltungseinheit zugeordnet. Diesbezügliche Schaltungskomponenten weiterer Frequenzbänder sind der Übersichtlichkeit halber jedoch nicht dargestellt. Die Modulationsfrequenzanalyse erfolgt demzufolge jeweils frequenzbandzugeordnet. Auch können bedarfsweise verschiedene Frequenzbänder zur Analyse zusammengefasst werden und aufgrund der Analyseergebnisse die Dynamikkompression variiert werden. Es ist auch möglich, das Signalanalysemodul nur einem Frequenzband zuzuordnen und die Analyseergebnisse zur Steuerung der RGC-Parameter aller Frequenzbänder zu verwenden.
Anschließend werden die einzelnen Frequenzbänder über ein Frequenzband-Synthesemodul 9 wieder zusammengeführt, in einem D/A-Wandler 10 gewandelt und durch einen Hörer 11 hörbar gemacht. Zur Dynamikkompression wird der Pegel der Eingangssignale im Pegeldetektor 6 erfasst und aufgrund des gemessenen Pegels die benötigte Verstärkung des AGC-Verstärkungsglieds 7 bestimmt. Das Verhalten der Dynamikkompression wird hierbei erfindungsgemäß mit dem Signalanalysemodul 8 adaptiv variiert. In dem Signalanalysemodul 8 wird eine Modulationsfrequenzanalyse durchgeführt, deren Ergebnisse zu einer Änderung der Zeitkonstanten im Pegeldetektor 6 und/oder zu einer Änderung des Kompressionsverhältnisses, d.h. des Verstärkungswertes im AGC-Verstärkungsglied 7 führt.
Beispielsweise können bei tiefen Modulationsfrequenzen, d.h. langsam veränderlichen Signalen lange Zeitkonstanten und/oder große Kompressionsverhältnisse vorgegeben werden, während bei hohen Modulationsfrequenzen, d.h. schnell veränderlichen Signalen kurze Zeitkonstanten und/oder niedrige Kompressionsverhältnisse vorgegeben werden.
Prinzipiell können jedoch auch andere Kombinationen von Zeitkonstanten und Kompressionsverhältnissen eingesetzt werden. Anstelle der Modulationsfrequenzanalyse sind auch andere Signalanalysemethoden für den Einsatz der adaptiven Variation der Dynamikkompression denkbar, wie z.B. die Cepstralanalyse oder eine Kurzzeit-Spektralanalyse.
Anstelle der Filterbandanalyse zur Zerlegung der Eingangssignale in N-Frequenzbänder kann ersatzweise auch eine Fourieranalyse oder Waveletanalyse vorgenommen werden.
Die Parameter des AGC-Verstärkungsglieds 7 selbst werden adaptiv aufgrund der Signalanalyse verändert und können zusätzlich beispielsweise vom Hörgeräteträger selbst mit Hilfe eines üblichen (nicht dargestellten) Lautstärkestellers wertekontinuierlich oder mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Programmtasters wertediskrekt variiert werden.
Neben der beschriebenen digitalen Realisierung der adaptiven Variation der Dynamikkompression kann die Signalverarbeitung auch analog erfolgen.
Eine mögliche Ausführungsart des Signalanalysemoduls 8 zeigt 2. Das Signalanalysemodul 8 umfasst einen Einhüllendendetektor 13, eine Modulationsfilterbank 14, 14' sowie eine Klassifikationseinheit 15. Die Modulationsfilterbank 14, 14' ist beispielhaft als Zwei-Kanal-Filterbank ausgelegt. Die Mo dulationsfilterbank 14, 14' wird zur Bestimmung der Leistung in dem jeweiligen Modulationsfrequenzbereich verwendet. Die Klassifikationseinheit 15 bewertet die Einhüllende und die Ausgänge der Modulationsleistungsmesser und setzt die Ergebnisse in AGC-Parameter um (Steuerung des Pegeldetektors 6 und des AGC-Verstärkungsglieds 7).

Claims

Verfahren zur Verstärkung von Eingangssignalen eines Hörgeräts, bei dem unter Einsatz einer AGC-Schaltung eine Kompression der vom Hörgerät aufgenommenen Signale in Abhängigkeit vom Signalpegel des Eingangssignals erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewährleistung einer Dynamikkompression zusätzlich zur Erfassung des Signalpegels des Eingangssignals eine Signalanalyse in Form einer Modulationsfrequenzanalyse erfolgt und aufgrund des Ergebnisses der Signalanalyse das Verhalten der Dynamikkompression variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Dynamikkompression durch Änderung der Zeitkonstanten eines Pegeldetektors erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Dynamikkompression durch Änderung des Kompressionsverhältnisses erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangssignale in N-Frequenzbänder zerlegt werden und die Signalanalyse frequenzbandbezogen oder frequenzbandselektiv erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Frequenzbänder zur Signalanalyse zusammengefasst werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Frequenzbänder zur Dynamikkompression zusammengefasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zerlegung der Eingangssignale eine Filterbankanalyse erfolgt und zur Zusammenfassung der Frequenzbänder eine Filterbandsynthese vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Filterbankanalyse eine Fourieranalyse oder Waveletanalyse durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Störgeräuschreduzierung diejenigen Frequenzbänder abgeschwächt werden, in denen die Modulationsfrequenzanalyse Störgeräusche detektiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der AGC-Schaltung mit Hilfe eines Lautstärkestellers oder mit Hilfe eines Programmtasters variiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitung der Dynamikkompression digital erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitung der Dynamikkompression analog erfolgt.
Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Modulationsfrequenz-Analysemodul, welches einerseits mit einer Eingangssignalstrecke (12) andererseits mit einem Pegeldetektor (6) und/oder mit einem AGC-Verstärkungsglied (7) verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsfrequenz-Analysemodul eine Änderung der Zeitkonstanten im Pegeldetektor (6) und/oder des Verstärkungswerts des AGC-Verstärkungsglieds (7) begründet.
Schaltung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verzögerungsglied (5) parallel zum Modulationsfrequenz-Analysemodul in der Eingangssignalstrecke (12) angeordnet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filterbandanalysemodul (4) sowie ein Filterbandsynthesemodul (9) vorgesehen sind.