DE19947839A1

DE19947839A1 - Verfahren zur Spracherkennung in einer Hörhilfe mit digitaler Signalverarbeitung sowie Hörhilfe

Info

Publication number: DE19947839A1
Application number: DE1999147839
Authority: DE
Inventors: Fred Zoels
Original assignee: Siemens Audioligische Technik GmbH
Current assignee: Sivantos GmbH
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2001-01-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spracherkennung in einer Hörhilfe mit digitaler Signalverarbeitung unter Verwendung eines Algorithmus zur Unterscheidung von Sprach- zu Störgeräuschen, wobei verschiedene sprach- und/oder störgeräuschspezifische Parameter des digitalen Zeitsignals ausgewählt werden, die parameterbezogen Werte nach dem Prinzip der Fuzzy-Logik verarbeitet und in Abhängigkeit davon die Verstärkung erfolgt, derart, daß Störsignale abgesenkt und/oder Sprachsignale hervorgehoben werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Hörhilfe mit digitaler Signalverarbeitung mit Mikrofon (2), Hörer (3), einer Signalaufbereitung (4) und einer Signalaufbereitung (4) zur Hervorhebung von Sprachsignalen sowie Absenkung von Störgeräuschen, wobei die Signalaufbereitung (4) mehrere Detektoren (12) zur Erfassung einzelner sprach- und/oder störgeräuschspezifischer Parameter aufweist sowie ein Fuzzy-Controller (5) mit Fuzzy-Logik vorgesehen ist, der die einzelnen Parameterwerte unter Einbeziehung von Fuzzy-Regeln nach dem Prinzip der Fuzzy-Logik verarbeitet und in Abhängigkeit davon die Verstärkung erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spra cherkennung in einer Hörhilfe bei digitaler Signalverarbei tung unter Verwendung eines Algorithmus zur Unterscheidung von Sprach- zu Störgeräuschen sowie eine Hörhilfe, mit der das vorerwähnte Verfahren durchführbar ist.

Bisher wurden Schaltungen eingesetzt, die aufgrund der Modu lation des Eingangssignals oder bestimmter Charakteristika der Einhüllenden die Verstärkung beeinflussen. Jedem Wert ei nes Eingangsparameters wurde ein eindeutiger Verstärkungswert zugewiesen. Die Folge davon waren komplexe Eingangswerte, mit den eine sinnvolle Regelung nahezu unmöglich wurde, zumindest aber nur unter erheblichen Aufwand erfolgen könnte.

Aus der EP 0 674 464 A1 ist ein programmierbares Hörgerät mit Fuzzy-Logik-Controller bekannt. Es handelt sich hierbei um ein Hörgerät mit analoger Signalverarbeitung sowie einer Fuz zy-Logik, die ebenfalls in analoger Schaltungstechnik reali siert ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Spracherkennung in einer Hörhilfe mit digitaler Signalverarbeitung zur Verfügung zu stellen, welches eine op timale Regelung der Verstärkung unter Reduzierung des Rege lungsaufwandes ermöglicht.

Die vorliegende Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß verschiedene sprach- und/oder störge räuschspezifische Parameter des digitalen Zeitsignals ausge wählt werden, die parameterbezogen Werte des Zeitsignals nach dem Prinzip der Fuzzy-Logik verarbeitet und in Abhängigkeit davon die Verstärkung erfolgt derart, daß Störsignale abge senkt und/oder Sprachsignale hervorgehoben werden. Demgemäß verwendet der betreffende Algorithmus verschiedene sprach- und/oder störgeräuschspezifische Parameter des digitalen Ein gangssignals, um die Sprache bzw. die Störung zu erkennen und demgemäß Störgeräusche abzusenken und/oder Sprachsignale her vorzuheben. In Anbetracht der Verwendung der Fuzzy-Logik ist die Regelung fehlertolerant. Die Fuzzy-Logik kann auf empiri schen Wissen aufgebaut werden, welches sofort eingesetzt wer den kann. Somit kann eine parameterbezogene, nicht lineare Regelung realisiert werden, die auf Expertenwissen beruht.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
Definition von Zugehörigkeitsfunktionen für jeden der ausgewählten Parameter, die sich aus mehreren Fuzzy- Mengen zusammensetzen;
Bestimmung der Zugehörigkeit des erfaßten parameterbezo genen Wertes zur jeweiligen Fuzzy-Menge;
Definition von Fuzzy-Regeln durch logische Verknüpfung ein zelner Fuzzy-Variablen;
Überprüfung des Erfüllungsgrades der einzelnen Fuzzy- Regeln;
Defuzzyfizierung der Ergebnisse aus den Fuzzy-Regeln sowie
Festlegung der Verstärkung in Abhängigkeit des Wertes der Defuzzyfizierung.

Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, eine beliebige Kombination der auserwählten Parameter zu einer detaillierten Beschreibung des Systemverhaltens bei reduziertem Datenverar beitungsaufwand zu erreichen.

Die Ableitung des Verstärkungssignals aus den Fuzzy-Regeln kann zweckmäßigerweise durch Schwerpunktbildung erfolgen.

Gemäß der Erfindung werden als sprach- oder störgeräuschspe zifische Parameter die Modulationsfrequenz MF, die Steigung der Einhüllenden dE/dt, die Charakteristik des Nulldurchgangs ZC, die Modulationstiefe MD und/oder der Pegel L ausgewählt.

Hinsichtlich der einzelnen Parameter werden die Zugehörig keitsfunktionen in Form einer Mehrzahl von Fuzzy-Mengen an hand empirischer Erkenntnisse festgelegt. Beispielsweise kön nen hinsichtlich der Modulationsfrequenz MF drei Fuzzy-Mengen (low-mid-high) festgelegt werden. Der mid-Bereich steht für Sprache, wohingegen im low-Bereich keine Sprache vorliegt. Im high-Bereich liegen lediglich Störgeräusche vor. Gleiches gilt z. B. für den Nulldurchgang ZC, bei dem zweckmäßigerweise zwei Fuzzy-Mengen (periodisch und zufällig) vorgesehen sein können.

Störgeräusche sind aus emipirischen Erkenntnissen in der Re gel periodisch, wohingegen Sprache eher zufällige Nulldurch gänge begründet.

Daneben erfolgt auch die Definition der Fuzzy-Regeln, d. h. der logischen Verknüpfung der einzelnen Fuzzy-Mengen unter einander anhand empirischer Erkenntnisse.

Eine weitere Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren frequenzbandselek tiv durchgeführt wird, d. h. für die einzelnen Frequenzbänder eine frequenzbandselektive Signalverarbeitung der vorstehen den Art durchgeführt wird. Hierdurch kann die Verstärkung noch weiter optimiert werden, da sowohl die Zugehörigkeits funktionen als auch die Fuzzy-Regeln anhand empirischer Er kenntnisse in den einzelnen Frequenzbändern unterschiedlich festgelegt werden können.

Desweiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Hörhilfe digitaler Signalverarbeitung mit Mikrofon, Hörer sowie einer Signalaufbereitung zur Hervorhebung von Sprachsignalen und/oder Absenkung von Störgeräuschen, wobei die Hörhilfe er findungsgemäß als Signalaufbereitung mehrere Detektoren zur Erfassung einzelner sprach- oder störgeräuschspezifischer Pa rameter aufweist sowie ein Fuzzy-Controler mit Fuzzy-Logik vorgesehen ist, der die einzelnen Parameter-Daten unter Ein beziehung von Fuzzy-Regeln nach dem Prinzip der Fuzzy-Logik verarbeitet und in Abhängigkeit davon die Verstärkung er folgt.

Zweckmäßigerweise weist der Fuzzy-Controler eine Fuzzyfizie rung, Interferenzbildung sowie Defuzzyfizierung in Form einer digitalen Schaltung auf. Die Fuzzyfizierung, Interferenzbil dung und/oder Defuzzyfizierung sind softwaregesteuert.

Die gesamte Fuzzy-Logik ist zweckmäßigerweise auf einem Chip untergebracht.

Zur Gewährleistung einer frequenzbandselektiven Signalverar beitung kann eine Mehrkanalfilterbank vorgesehen sein, wobei in jedem Frequenzband der Mehrkanalfilterbank eine Fuzzyfi zierung, Interferenzbildung sowie Defuzzyfizierung in Abhän gigkeit der parameterbezogenen Werte stattfindet.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Hörhilfe gemäß der vorliegenden Erfindung in stark vereinfachter schematischer Darstellungsweise;

Fig. 2 eine detailliertere Darstellung des Fuzzy- Controllers der Ausgestaltung der Hörhilfe nach Fig. 1;

Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hörhilfe mit frequenzbandselektiver Signalverar beitung sowie

Fig. 4 die Darstellung von Fuzzy-Mengen einzelner sprach- oder störgeräuschspezifischer Parameter sowie der daraus resultierenden Fuzzy-Menge der Verstärkung.

Bezugsziffer 1 in Fig. 1 kennzeichnet eine Hörhilfe in Form eines Hörgeräts oder eines Hörimplantats. Die Hörhilfe 1 um faßt ein Mikrofon 2, einen Hörer 3 sowie eine dazwischenlie gende Signalstrecke. Zur Umwandlung des analogen, vom Mikro fon 2 kommenden Signals, in ein digitales Eingangssignal 9 ist ein A/D-Wandler 7 vorgesehen. Zur Erzeugung des Signals 9 wird beispielsweise eine geeignete Taktfrequenz, z. B. 1,8 MHz, verwendet.

Das Eingangssignal 9, d. h. Zeitsignal wird anschließend einer Signalaufbereitung 4 zugeführt, in der das Eingangssignal 9 hinsichtlich einer Mehrzahl von vorgegebenen sprach- oder störgeräuschspezifischen Parametern untersucht wird. Die pa rameterbezogenen Werte werden anschließend in einem Fuzzy- Controller 5 nach dem Prinzip der Fuzzy-Logik verarbeitet und in Abhängigkeit davon als Ausgangssignal 10 einer Verstärkung 6 zugeführt und die Verstärkung geregelt, derart, daß Störsi gnale abgesenkt und/oder Sprachsignale hervorgehoben werden.

In der Signalaufbereitung 4 sind gemäß Fig. 2 eine Mehrzahl von Detektoren 12 vorgesehen, und zwar im vorliegenden Fall konkret für die Modulationsfrequenz MF, Modulationstiefe MD, Steigung der Einhüllenden dE/dt, Nulldurchgang ZC sowie Pegel L. Bezugsziffer 8 steht für die Einhüllende ENV.

Das eingehende Signal 9 wird folglich von den einzelnen De tektoren 12 auf die vorerwähnten Parameter hin untersucht. Am Ausgang der einzelnen Detektoren 12 stehen Absolutwerte am Fuzzy-Controller 5 an.

Der Fuzzy-Controler 5 umfaßt eine Fuzzyfizierung 13, Interfe renzbildung 14 sowie Defuzzifizierung 15. In der Fuzzyfizie rung 13 werden einzelne Zugehörigkeitsfunktionen für die be treffenden Parameter definiert, die sich aus mehreren Fuzzy- Mengen zusammensetzt.

Ein Beispiel von Fuzzy-Mengen für die vorstehend ausgewählten Parameter zeigt die Darstellung gemäß Fig. 4. Für die Modula tionsfrequenz MF sind insgesamt drei Fuzzy-Mengen, nämlich low, mid sowie high vorgesehen. Die Fuzzy-Menge MF_mid ent spricht dem Sprachbereich, wohingegen die Fuzzy-Mengen MF_high sowie MF_low Störlärm betreffen.

Bei der Modulationstiefe MD gilt die empirische Formel "je geringer die Modulationstiefe desto geringer der Sprachan teil". MD_high steht für Sprache in Ruhe. Störgeräusche redu zieren die Modulationstiefe MD.

Betreffend die Steigung der Einhüllenden 8 steht der Bereich dE/dt_high für den Sprachbereich. Beim Nulldurchgang ZC liegt der Sprachbereich im Bereich der Fuzzy-Menge Zc_random. Ist der ermittelte Wert demgegenüber periodisch liegt hier ein Stör geräusch (Pfeifen) im Gegensatz zur Sprache vor.

Beim Pegel L ist wiederum die Zugehörigkeit zur Fuzzy-Menge Lmia ein Indiz für das Vorliegen von Sprache im Gegensatz zu den beiden weiteren Fuzzy-Mengen L_low L_high.

Die Fuzzy-Mengen werden unter Zugrundelegung empirischer Er fahrungen definiert. Die Steuerung der Fuzzyfizierung 13 er folgt über eine Software 11, die entweder im Bauteil fest vorgegeben oder aber überschreibar ist.

Ausgehend von den definierten Zugehörigkeitsfunktionen werden einzelne Fuzzy-Regeln zur Ermittlung einzelner Verstärkungs werte ebenfalls unter Heranziehung von empirischen Kenntnis sen definiert und in einzelnen Gruppen z. B. wie folgt zusam mengefaßt:

Gruppe 1:
IF MD = H AND MF = ML AND dE/dt = High THEN g = VH
IF MD = L AND MF = ML AND dE/dt = HIGH THEN g = M
IF MD = L AND MF = ML AND dE/dt = Low THEN g = ML
IF MD = L AND MF = H AND dE/dt = Low THEN g = L
IF MD = L AND MF = H AND dE/dt = Low THEN g = L

Gruppe 2:
IF Level = L AND dE/dt = Low THEN g = L
IF Level = L AND dE/dt = High THEN g = ML

In der Interferenzbildung 14 werden die einzelnen Fuzzy- Regeln auf ihren Erfüllungsgrad untersucht. Diejenige Fuzzy- Regel, die den größten Erfüllungsgrad in der jeweiligen Grup pe aufweist, wird aktiviert. Als Folge davon liegen eine Mehrzahl von aktivierten Fuzzy-Regeln vor mit dem Ergebnis einer Mehrzahl von die Verstärkung G betreffenden Fuzzy- Mengen gemäß Fig. 4 (Fuzzy-Mengen VL, L, ML, MH, H, VH). An schließend wird aus der Mehrzahl der aktiven Regeln die opti male Verstärkung bestimmt, und zwar z. B. durch Schwerpunkt bildung und anschließender Defuzzyfizierung.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Er findung, bei der das vorerwähnte Verfahren zur Spracherken nung frequenzbandselektiv durchgeführt wird. Hierbei ist eine Mehrkanalfilterbank 16 zur Erzeugung mehrerer Frequenzbänder A-H vorgesehen.

In jedem dieser Frequenzbänder A-H erfolgt eine Signalverar beitung gemäß dem Verfahren zur Spracherkennung unter Einsatz eines Fuzzy-Controllers 5 der vorstehend beschriebenen Art. Gleichbleibende Teile sind mit identischen Bezugsziffern ge kennzeichnet.

Zweckmäßigerweise werden die Zugehörigkeitsfunktionen der Pa rameter unter Heranziehung von empirischem Wissen frequenz bandspezifisch vorgenommen. Dies bedeutet, daß die Zugehörig keitsfunktionen in einem Frequenzbereich von ca. 800-4000 anders definiert werden als in einem Frequenzbereich von etwa 100-800 Hz.

Bei Einsatz einer frequenzbandselektiven Signalverarbeitung kann die Regelung der Verstärkung daher noch verfeinert wer den.

Durch Optimierung der Zugehörigkeitsfunktionen kann eine op timal wirksame, nicht lineare Verstärkung realisiert werden, die auf Expertenwissen beruht. Diese Regelung ist fehlertole rant und empirisches Wissen kann sofort eingesetzt werden.

Durch Verwendung unscharfer Kriterien werden abrupte Übergän ge wie bei herkömmlichen Regelungen vermieden. Das System verhält sich infolgedessen wesentlich stabiler. Der Einsatz von Fuzzy-Regeln erlaubt beliebige Kombinationen von Ein gangsparametern zu einer detaillierten Beschreibung des Sy stemverhaltens.

Claims

1. Verfahren zur Spracherkennung in einer Hörhilfe mit di gitaler Signalverarbeitung unter Verwendung eines Algorithmus zur Unterscheidung von Sprach- zu Störgeräuschen, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene sprach- und/oder störgeräuschspezifische Parameter des digi talen Zeitsignals ausgewählt werden, die parameterbezogen Werte des Zeitsignals nach dem Prinzip der Fuzzy-Logik verar beitet und in Abhängigkeit davon die Verstärkung erfolgt der art, daß Störsignale abgesenkt und/oder Sprachsignale hervor gehoben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der Parameter Zugehörigkeitsfunktionen definiert werden, die sich aus mehreren Fuzzy-Mengen zusammensetzen, die Zugehörigkeit des jeweiligen parameterbezogenen Werts zur jeweiligen Fuzzy- Menge bestimmt wird, Fuzzy-Regeln durch logische Verknüpfung einzelner Fuzzy-Variablen definiert werden, eine Überprüfung des Erfüllungsgrads der einzelnen Regeln erfolgt sowie zur Festlegung der Verstärkung die Ergebnisse der Fuzzy-Regeln defuzzyfiziert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzy- Regeln in einzelne Gruppen aufgeteilt werden und aus jeder Gruppe nur eine Fuzzy-Regel aktiviert wird, die dann zur De fuzzyfizierung beiträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablei tung des Verstärkungssignals aus den aktivierten Fuzzy-Regeln durch Schwerpunktbildung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als sprach- und/oder störgeräuschspezifische Parameter die Modulations frequenz (MF) die Steigung der Einhüllenden (dE/dt), die Cha rakteristik des Nulldurchgangs (ZC), die Modulationstiefe (MD) und/oder der Pegel (L) ausgewählt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Definiti on der Zugehörigkeitsfunktionen in Form einer Mehrzahl von Fuzzy-Mengen anhand empirischer Erkenntnisse erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Festle gung der Fuzzy-Regeln anhand empirischer Erkenntnisse er folgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren jeweils frequenzbandselektiv durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Definition der Zugehörigkeitsfunktionen und/oder die Defini tion der einzelnen Fuzzy-Regeln frequenzbandselektiv vorge nommen wird.

10. Hörhilfe mit digitaler Signalverarbeitung mit Mikrofon (2), Hörer (3), einer Signalaufbereitung (4) und einer Signalaufbereitung (4) zur Hervorhebung von Sprachsignalen und/oder Absenkung von Störgeräuschen, dadurch gekennzeichnet, daß die Signal aufbereitung (4) mehrere Detektoren (12) zur Erfassung ein zelner sprach- und/oder störgeräuschspezifischer Parameter aufweist sowie ein Fuzzy-Controller (5) mit Fuzzy-Logik vor gesehen ist, der die einzelnen Parameterwerte unter Einbezie hung von Fuzzy-Regeln nach dem Prinzip der Fuzzy-Logik verar beitet und in Abhängigkeit davon die Verstärkung erfolgt.

11. Hörhilfe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signal aufbereitung (4) einen Detektor (12) für die Modulationfre quenz (MF), für die Modulationstiefe (MD), für die Steigung der Einhüllenden (dE/dt) sowie in einem der vorgehenden An sprüche beschrieben, für den Nulldurchgang (ZC) und/oder für den Pegel (L) aufweist.

12. Hörhilfe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuzzy- Controller eine Fuzzyfizierung (13), Interferenzbildung (14) sowie Defuzzyfizierung (15) aufweist.

13. Hörhilfe nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzyfi zierung (13), Interferenzbildung (14) und/oder Defuzzyfizie rung (15) softwaregesteuert sind.

14. Hörhilfe nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuzzy- Controller (5) auf einem Chip integriert ist.

15. Hörhilfe nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrka nalfilterbank (16) vorgesehen ist und in jedem Frequenzband (A-H) ein Fuzzy-Controller (5) vorgesehen ist.