DE60310084T2

DE60310084T2 - Vorrichtung und verfahren zur verteilten verstärkungsregelung zur spektralen verbesserung

Info

Publication number: DE60310084T2
Application number: DE60310084T
Authority: DE
Inventors: Rahul Arlington SARPESHKAR; Lorenzo Cambridge TURICCHIA
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2023-07-24
Also published as: CA2492246A1; US20040136545A1; WO2004010417A2; ATE347163T1; EP1529281A2; DE60310084D1; US7415118B2; EP1529281B1; AU2003256653A1; WO2004010417A3

Description

Priorität
Für die vorliegende Anmeldung wird die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Ser. No. 60/398.253 in Anspruch genommen, die am 24. Juli 2002 eingereicht wurde.
Allgemeines zur Erfindung
Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf Systeme zur Verbesserung eines Spektrums von Mehxfrequenzsignalen (z.B. akustischen, elektromagnetischen und anderen Signalen) und bezieht sich insbesondere auf Systeme zur Spektrumsverbesserung, die eine Filterung und Verstärkung beinhalten.
Zu herkömmlichen Systemen zur Verbesserung eines Spektrums gehören im typischen Fall die Filterung eines komplexen Mehrfrequenzsignals zur Entfernung von Signalen aus unerwünschten Frequenzbändern und die anschließende Verstärkung des gefilterten Signals im Bemühen, ein in seinem Spektrum verbessertes Signal zu erhalten, das relativ frei von Hintergrundgeräuschen ist.
Bei vielen Systemen ist es jedoch unter Umständen schwierig, die Hintergrundinformationen nur auf der Grundlage von Frequenzen auszufiltern, weil das komplexe Mehrfrequenzsignal Hintergrundrauschen enthalten kann, das nahe bei den Frequenzen des gewünschten Informationssignals liegt. Außerdem verstärken viele herkömmliche Systeme zur Verbesserung des Spektrums unbeabsichtigter Weise bei der Verstärkung des erwünschten Informationssignals auch einen Teil des Hintergrundrauschens.
Zum Beispiel kann ein System zur Verbesserung des Spektrums ein oder mehrere Bandpassfilter enthalten, in denen ein Eingangssignal empfangen wird, sowie eine oder mehrere Kompximierungs- und/oder Verstärkungseinheiten, deren Ausgangssignale zur Erzeugung eines Ausgangssignals an einer Kombiniereinrichtung mit einander kombiniert werden. Wenn die Frequenzen der erwünschten Signale, zum Beispiel Vokallaute in einem hörbaren Signal, entweder innerhalb eines Frequenzbands nach Bandfilterung liegen oder von erheblichen Rauschsignalen im Frequenz spektrum umgeben sind, dann ist ein derartiges Filter- und Verstärkungssystem unter Umständen bei bestimmten Anwendungen nicht ausreichend.
Als spezielles Beispiel für ein System zur Verbesserung des Spektrums bildet eine elektronische Cochlea das Modell der Wanderwellen-Verstärkeraxchitektur einer biologischen Cochlea als Kaskade nicht-linearer und adaptiver Filter zweiter Ordnung mit Eckfrequenzen dar, die von etwa 10 kHz exponentiell auf 100 Hz abnehmen. Aufgrund der sukzessiven Zusammensetzung von Verstärkungsfaktoren kann eine Veränderung an den Verstärkungsfaktoren der einzelnen Filter um einige wenige Prozent den Verstärkungsfaktor der zusammengesetzten Transferfunktion um etliche Größenordnungen verändern. Zum Beispiel gilt (1,1)⁴⁵ = 73, während (0,9)⁴⁵ = 0,009. Eine derartige Verstärkungsregelung über einen großen dynamischen Bereich lässt sich mit einem lokalisierten Verstärker ohne drastische Veränderung der Bandbreite, der zeitlichen Auflösung und der Verlustleistung des Verstärkers nur sehr schwer bewerkstelligen. Jedwede Schwankungen der Parameter in den Q-Werten der verschiedenen Filter in einem Cochlea-Implantat, die zu Ungleichförmigkeiten und einem empfindlichen bzw. instabilen Betrieb führen können, werden durch die Verstärkungsregelung ausgeglichen. Jedes physikalische biologische System wie die Cochlea muss ein Rückmeldesystem besitzen, um sicherzustellen, dass es in einer Umgebung funktioniert, die der realen Welt entspricht, wo Parameter nicht vollständig aneinander angepasst sind und mit so hoher Präzision geregelt werden, wie dies in derzeitigen digitalen Realisierungen oder Simulationen der Fall ist.
Bei der Silikon-Cochlea (wie sie in der Veröffentlichung „A Low-Power Wide-Dynamic Range Analog VLSI Cochlea" von R. Sarpeshkar, R. F. Lyon und C. A. Mead in „Analog Integrated Circuits and Signal Processing (1988) beschrieben wurde) stellen die verteilte Verstärkungsregelung und die Erscheinungen bei Wanderwellen wichtige Aspekte bei der Nachbildung des Leistungsverhaltens der biologischen Cochlea dar. Die Bedeutung der Silikon-Cochlea bei der Verarbeitung von Cochlea-Implantaten ist zumindest aus den folgenden Gründen wichtig.

1) Eine Architektur mit einer exponentiell konvergierenden Filterkaskade bietet einen äußerst leistungsfähigen Mechanismus für den Aufbau einer Filterbank mit eng benachbarten Filtern hoher Ordnung, wie dies in „Traveling Waves versus Bandpass Filters: The Silicon and Biological Cochlea" von R. Sarpesh kar in „Proceedings of the International Symposium on Recent Developments in Auditory Mechanics", veröffentlicht bei World Scientific (2000), und in „Filter Cascades as Analogs of the Cochlea" von R. F. Lyon in „Neuromorphic Systems Engineering (1988)" beschrieben wird. Da die Anzahl der Kanäle in Implantaten immer weiter ansteigt (z.B. 31-Kanal-Implantate, 64-Kanal-Implantate, 128-Kanal-Implantate, usw.), zeigen sich die Vorteile von Filterkaskaden bei der Schaffung einer Filterbank mit Filtern hoher Ordnung immer deutlicher.
2) Eine hoch entwickelte frequenz-abhängige Version der Algorithmen zur Verstärkungsregelung, die derzeit bei Implantaten und Hörhilfen eingesetzt werden, kann in der Weise realisiert werden, die in „Comparison of Different Forms of Compression in Wearable Digital Hearing Aids" von M. A. Stone, B. C. J. Moore, J. I. Alcantara und B. R. Glasberg im Journal of the Acoustic Society of America (1999) beschrieben wird. Demnach müssen laute Töne auf einer Frequenz nicht unbedingt zu unhörbaren Tönen auf einer anderen Frequenz führen. Außerdem gestattet die Verstärkungsregelung eine einfache Modellierung wichtiger Phänomene in der Wahrnehmung von Sprache in Lärm bzw. Rauschen, wie zum Beispiel Forward Masking oder Nachverdeckung. Es hat sich gezeigt, dass die Verstärkungsregelung besonders bei der Leistung von Spracherkennungssystemen in einem hallenden und lauten Umfeld wichtig ist.
3) Die Architektur der Cochlea lässt sich sowohl zeitlich als auch örtlich kodieren, wie dies in dem Beitrag „A Low-Power Analog Front-end Module for Cochlear Implants" von R. J. W. Wang, R. Sarpeshkar, M. Jabri und C. Mead auf dem XVI Weltkongress der Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde (1997) beschrieben wurde.
4) Der biologische Realismus lässt eine natürliche Nachbildung mehrerer wichtiger Erscheinungen in der Biologie zu. Hierzu gehören die Filterverbreiterung mit Pegel, die verteilte Kodierung der Lautstärke, der Übergang von ortsbezogenen Durchläufen zu zeitbezogenen Durchläufen bei steigendem Pegel, die Darstellungen redundanter Signale, die enge Verknotung von Filterung und Komprimierung anstelle der künstlichen Trennung der Filterfunktion und der Komprimierungsfunktion bei den heutigen Implantaten, die Komprimierung langfristiger Informationen unter Erhalt einer guten Empfindlichkeit gegenüber Einschwing- bzw. Übergangsvorgängen, die Zweiton-Unterdrückung, das upward spread of Masking oder die Verdeckung höherer Frequenzen und das Forward Masking bzw. die Nachverdeckung. Auch wenn es gut möglich ist, dass keiner diese Effekte irgendwie für Patienten mit Implantaten wichtig ist, wenn man davon ausgeht, dass schon nachgewiesen wurde, dass Cochlea-Köpfe die Spracherkennung in Lärm oder Rauschen verbessern, ist es unwahrscheinlich, dass Modelle, die näher an die biologischen Gegebenheiten herankommen, keine Auswirkung auf die Patienten haben, die Implantate tragen. Es ist ebenso wahrscheinlich, dass sich Kodieransätze, die sich stärker an die biologischen Gegebenheiten annähern, als allen anderen Kodierverfahren überlegen erweisen.
5) Die analogen Schaltungstechniken der Silikon-Cochlea stellen eine Basis für die Konstruktion von Cochlea-Implantaten mit extrem niedriger Leistungsaufnahme dar.

Die Silikon-Cochlea lässt sich als spezielle Form einer lokalen Verstärkungsregelung realisieren, wie dies in der vorstehend angesprochenen Vorveröffentlichung „A Low-Power Wide-Dynamic Range Analog VLSI Cochlea" beschrieben wird. Eine derartige Realisierung erzeugt jedoch Eingangs-Ausgangs-Kurven, die im Vergleich zu den Kurven bei einer realen Cochlea zu starke Komprimierung aufweisen. Solche Kurven eignen sich nicht für die direkte Verwendung bei Cochlea-Implantaten. Außerdem lassen sich zur Realisierung einer gewünschten Komprimierungs-Charakteristik, die eine wichtige Notwendigkeit bei einem System für die Praxis darstellt, solche Kurven nicht leicht programmieren.
Deshalb besteht Bedarf an einem verbesserten System zur Spektrumsverbesserung, das wirksam und praktisch ist.
In einer Veröffentlichung von Fragnière und anderen mit dem Titel „Design of an Analogue VLSI Model of an Active Cochlea" auf den Seiten 19–35 in „Analog Integrated Circuits and Signal Processing", Nr. 12, 1997, wird ein System zur Verbesserung des Spektrums beschrieben. Das System enthält verteilte Filter H zum Emp fangen eines Mehrfrequenz-Eingangssignals. Außerdem enthält das System des Weiteren Energie-Erfassungseinheiten; dabei ist jede Energie-Erfassungseinheit in der Weise betreibbar, dass sie für eine Halbwellen-Gleichrichtung des Signals sorgt, während jede Energie-Erfassungseinheit in der Weise ausgelegt ist, dass sie von dem ihr entsprechenden verteilten Filter ein Signal empfängt und daraus ein entsprechendes gefiltertes Ausgangssignal erzeugt. Des Weiteren umfasst das System außerdem eine Einheit zur Bildung eines gewichteten Mittelwerts, die so eingekoppelt ist, dass sie von den Energie-Erfassungseinheiten gefilterte Ausgangssignale enthält; die Einheit zur Bildung eines Mittelwerts lässt sich in der Form betreiben, dass sie an jedes der verteilten Filter ein gewichtetes Mittelwert-Signal als Signal zur Verstärkungsregelung liefert, das auf die Energieerfassungs-Ausgangssignale aus jeder der Energie-Erfassungseinheiten anspricht.
Kurzdarstellung der dargestellten Ausführungsbeispiele
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sieht die vorliegende Erfindung ein System zur Verbesserung eines Spektrums vor, welches folgendes aufweist:

(a) eine Anordnung verteilter Filter, die zum Empfangen eines Mehrfrequenz-Eingangssignals an einem oder mehrerer der verteilten Filter ausgelegt ist, wobei die Anordnung verteilter Filter in der Weise betreibbar ist, dass sie das Mehrfrequenz-Eingangssignal filtert und an den jeweiligen Filterausgängen entsprechende gefilterte Ausgangssignale erzeugt;
(b) eine Anordnung von Energie-Erfassungseinheiten, bei welcher jede Energie-Erfassungseinheit an ihrem Eingang an einen entsprechenden Filterausgang in der Anordnung verteilter Filter angekoppelt ist, und bei welcher jede Energie-Erfassungseinheit in der Weise betreibbar ist, dass sie an ihrem Erfassungsausgang ein Energieerfassungs-Ausgangssignal bereitstellt, das einen Hinweis auf Energie in dem gefilterten Ausgangssignal liefert, welches an der Energie-Erfassungseinheit empfangen wurde; und
(c) eine Einheit zur Bildung eines gewichteten Mittelwerts, welche an ihrer Eingangsanordnung an die Erfassungsausgänge der Anordnung von Energie-Erfassungseinheiten zum Empfangen von Energieerfassungs-Ausgangssignalen aus diesen gekoppelt ist, wobei die Einheit zur Bildung eines gewichteten Mittelwerts in der Weise betreibbar ist, dass sie ansprechend auf die Energieerfassungs-Ausgangssignale aus jeder der Energie-Erfassungseinheiten an jedes der Filter ein gewichtetes Mittelwertsignal als Verstärkungssignal liefert.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Anordnung von Energie-Erfassungseinheiten über eine Anordnung von Differenziereinheiten an die Filterausgänge der verteilten Filter gekoppelt ist, wobei jede Differenziereinheit mit ihrem Eingang an das entsprechende verteilte Filter und mit ihrem Ausgang an den Eingang ihrer entsprechenden Energie-Erfassungseinheit angekoppelt ist, wobei die Differenziereinheiten in der Weise betreibbar sind, dass sie eine doppelte Differenzierung der durch sie hindurchgeleiteten Signale vornehmen.
Des Weiteren stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzielung einer Verbesserung des Spektrums gemäß Anspruch 11 zur Verfügung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die nachstehende Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen noch weiter verständlich, in denen:
1 eine schematische Ansicht in Diagrammform zur Veranschaulichung eines Teils eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
2A–2C je eine grafische Darstellung in Diagrammform zur Veranschaulichung von räumlichen Kernen zur Realisierung der verteilten Verstärkungsregelung entsprechend den Systemen bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind;
3 eine grafische Darstellung in Diagrammform zur Veranschaulichung des Ansprechverhaltens des Systems bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung bei unterschiedlichen Amplituden zur Einzelton-Stimulierung zeigt;
4A und 4B jeweils eine grafische Ansicht in Diagrammform zur Veranschaulichung der Eingangs-Ausgangs-Transferfunktionen bei unterschiedlichen Werten des Potenzgesetzes in der Kompximierungs-Charakteristik darstellen;
5A und 5B jeweils eine grafische Ansicht in Diagrammform zur Veranschaulichung der räumlichen Reaktionen bei Zweiton-Sti mulierungen bei unterschiedlichen Frequenzen der nicht-dominanten Töne zeigen;
6A eine grafische Darstellung in Diagrammform zur Veranschaulichung eines Musterspektrums des Phonems/u/ ist, und
6B und 6C jeweils eine grafische Ansicht in Diagrammform zur Veranschaulichung der räumlichen Ansprechprofile bei dem Muster aus 6a mit und ohne Verstärkungsregelung zeigen.
Die Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht maßstabsgerecht.
Ausführliche Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele
Es wurde entdeckt, dass sich ein System entwickeln lässt, um ein System zur wirksamen Verbesserung eines Spektrums dadurch zu schaffen, dass eine Bank von Frequenzanalyse-Kanälen mit einem breiten dynamischen Bereich verwendet wird. Ein derartiges System kann unter Heranziehung von Schaltkreiskomponenten für die Hardware (z.B. elektronische, optische oder pneumatische Komponenten), unter Verwendung von Software oder unter Einsatz jedweder anderen Simulationsroutine wie zum Beispiel des MATLAB-Programms, das von Math Works, Inc. in Natick, Massachusetts vertrieben wird, geschaffen werden.
Zum Beispiel bildet bei Systemen zur Verbesserung der auditiven Wahrnehmung oder zu deren Ersatz beim Menschen eine elektronische Cochlea die Wanderwellen-Architektur der biologischen Cochlea in einen Siliziumchip ab. Bei beiden Systemen, dem natürlichen und dem elektronischen, ist die Verstärkungsregelung ein wesentliches Element bei der Sicherstellung, dass die Architektur gegenüber Veränderungen der Parameter unempfindlich ist und dass ein breiter dynamischer Bereich erzielt wird. Eine Silikon-Cochlea mit verteilter Verstärkungsregelung ist als Kopfteil bei Prozessoren von Cochlea-Implantaten von Vorteil, um so die Leistungsfähigkeit am Patienten bei Lärm und Rauschen zu verbessern und um die vom Rechenaufwand her intensiven Algorithmen der biologischen Cochlea bei sehr geringem Energiebedarf zu realisieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sieht die Erfindung eine Computersimulation eines Cochlea-Modells mit Filterkaskade mit verteilter Verstärkungsregelung vor, bei dem mehrere wichtige Merkmale wie zum Beispiel die Multiband-Komprimierung, eine Verknüpfung der Filterung und der Komprimierung, der Verdeckung und eine Möglichkeit einbezogen sind, die Erhaltung des spektralen Kontrasts mit der Erhaltung der Hörbarkeit verhandeln. Der hier offenbarte Algorithmus zur Verstärkungsregelung gibt die Kurven für das Frequenzverhalten der Cochlea mit Erfolg wieder und stellt ein Beispiel für eine Klasse von Algorithmen für die verteilte Regelung dar, die vergleichbare Ergebnisse liefern könnten. Bei Systemen mit verteilter Verstärkungsregelung, wie der Cochlea, verändert jedes einzelne Filter seinen Verstärkungsfaktor nicht merklich, auch wenn das Gesamtsystem seinen Verstärkungsfaktor erheblich verändert. Damit kann ein System seine Bandbreite, seine zeitliche Auflösung und seine Verlustleistung in der Form aufrechterhalten, dass diese vergleichsweise invariant im Verhältnis zur Amplitude sind.
1 stellt eine schematische Ansicht einer Architektur 10 zur Realisierung eines Systems mit verteilter Verstärkungsregelung bei einer Silikon-Cochlea entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist es erwünscht, eine Strategie der Verstärkungsregelung zu erreichen, die beim Einsatz in Prozessoren eines Cochlea-Implantats gut funktioniert. Das System ist für einen einzelnen Abschnitt h_j zweiter Ordnung (18) dargestellt, wobei die benachbarten Abschnitte zweiter Ordnung mit h_j-1 (16), h_j-2 (14), h_j-3 (12), h_j+1 (20), h_j+2 (22), h_j+3 (24) bezeichnet sind. Die Ausgangssignale aus jedem der Abschnitte 12–24 werden nach Bedarf mit einer Vielzahl von Differenziereinheiten 26–36 gekoppelt, wie dargestellt, und stehen einer Vielzahl von unabhängigen Energie-Erfassungseinheiten 38–48 zur Verfügung. Die Ausgänge der Energie-Erfassungseinheiten 38–48 sind an einen Kern 50 zur Bildung eines gewichteten Mittelwerts angekoppelt, und der Kern 50 liefert ein gewichtetes Mittelwertsignal I_j an eine Einheit 52 für Nicht-Linearität, die ihrerseits ein Signal Q_j dem Abschnitt h_j zweiter Ordnung zuführt. Jedem der Abschnitte 12–24 zweiter Ordnung wird deshalb ein Signal Q zugeführt, das von dem Kern 50 und der Einheit 52 für die Nicht-Linearität so erzeugt wird, dass es auf die Energie-Erfassungssignale aus jedem der Abschnitte 12–24 anspricht. Die Abschnitte 12–24 führen jeweils ganz allgemein eine Filterfunktion aus und können zum Beispiel eine Tiefpass-, Bandpass- oder Hochpass-Filterfunktion erfüllen.
Während des Betriebs können die in Kaskade angeordneten resonanten Abschnitte 12–24 zweiter Ordnung Tiefpass-Filterfunktionen bieten und charakteristische Fre quenzen (CF_j) besitzen, die exponentiell vom Anfang der Kaskade bis zum Ende der Kaskade abfallen. Die Ausgangssignale aus den resonanten Tiefpass-Abschnitten 12–24 zweiter Ordnung werden in den (jw/CFj)²-Blöcken 26–36 einer doppelten Differenzierung unterzogen, um so auf jeder Stufe der Silikon-Cochlea CF-normalisierte Bandpass-Frequenzverhalten-Charakteristika zu erzeugen. Die Einhüllenden-Energie in jeder dieser Stufen wird von den Einhüllenden-Detektor-Blöcken (ED) 38–48 extrahiert und einem Kern zugeleitet, der eine räumlich gefilterte Version dieser Energien berechnet. Der Kern 50 gewichtet lokale Energien stärker als Energien aus weiter entfernten Stufen. Das Ausgangssignal aus dem Kern, Ij, wird dann durch den nicht-linearen Block NL_j (52) geleitet. Der NL-Block gibt für die resonante Verstärkung Q_i einen hohen Wert aus, wenn die Energie schwach ist, und einen kleinen Wert für Q_i, wenn die Energie stark ist, so dass er somit eine Verstärkungsregelung durchführt. Die jeweilige Angriffs- und Rückstell-Dynamik der Verstärkungsregelung ergibt sich aus den Zeitkonstanten für die Aufladung bzw. Entladung in dem Einhüllenden-Detektor und kann mit den CF-Werten der Cochlea-Stufen abfallen. Aus Gründen der Klarheit ist die Architektur im Detail nur für die Stufe j der Kaskade dargestellt, doch weist jede Stufe der Kaskade ähnliche NLj-Blöcke auf, die alle auf der Grundlage lokaler Schätzwerte des vom Kern ausgegebenen Ausgangswerts für die Energie der Einhüllenden arbeiten.
Die gewichtete Mittelwertbildung an irgendeinem lokalen Filter stellt eine Funktion der Energie-Ausgangssignale jedes der anderen Filter sowie des Signals für die lokale Energie dar und lässt sich ganz allgemein wie folgt darstellen: Ij = Fj(...,ej-3,ej-2,ej-1,ej,ej+1,ej+2,ej+3,...) (1)
Es folgt ein spezielles Beispiel für die Gleichungen, welche eine verteilte Verstärkungsregelung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung angeben, um den räumlichen Kern zur gewichteten Mittelwertbildung und die Einheit für die Nicht-Linearität zu beschreiben:
Die Gewichtungen des Kerns werden durch w j / i angegeben. Die Parameter Q_max und Q_min bestimmen die Einstellungen für das Q-Maximum und das Q-Minimum einer Cochlea-Stufe. Der Wert von K legt den Knick in der Charakteristik der Cochlea-Kompximierung fest, und z legt das Potenzgesetz der Komprimierungs-Charakteristik fest. Ein großer K-Wert impliziert, dass die Verstärkungsregelung nur bei großen Intensitäten aktiviert wird. Ein hoher Wert von z bedeutet, dass die Komprimierungs-Charakteristik einem kleinen Potenzgesetz folgt und mit der Intensität relativ flach verläuft. Die räumliche Ausdehnung des Kerns, Q_max und Q_min, legen fest, ob die Verstärkungsregelung breitbandig ist und der spektrale Kontrast beibehalten wird (Kerne mit großer räumlicher Erstreckung und kleinen Q-Werten) oder ob sie schmalbandig ist und die Hörbarkeit aufrecht erhalten wird (Kerne mit kleiner räumlicher Erstreckung und hohen Q-Werten).
2A bis 2C stellen drei Beispiele für Kerne zur Verwendung bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung dar. Die Kerne sind für die Q-Regelung der Stufe 60 dargstellt. Der bei 54 in 2A dargestellte Kern – als K_–1 gekennzeichnet – ist ein rein vorwärtiger Kern und besitzt Eingänge in die Verstärkungsregelung, die sich nur aus Stufen ergeben, die vor denjenigen liegen, die geregelt werden. Der Kern dargestellt bei 56 in 2B, gekennzeichnet mit K_hoct, besitzt Eingänge zur Verstärkungsregelung, die nur aus Stufen hervorgehen, die eine halbe Oktave vor der gerade geregelten Stufe liegen. Bei dem bei 58 in 2C dargestellten Kern handelt es sich um einen reinen Rückkopplungskern. Stufen, die nur um eine halbe Oktave davor liegen, werden durch die Verstärkung der lokalen Stufe immer am stärksten beeinflusst, unabhängig von der Verstärkungsregelung. Der in 2C dargestellte Kern – als K_exp bezeichnet – weist eine exponentielle Gewichtung für Stufen auf, die jenseits einer halben Oktave hinter und einer halben Oktave vor der gerade geregelten Stufe liegen. Für jeden der Kerne gibt es verschiedene Gründe dafür und dagegen. K_–1 ist einfach und schnell; bei ihm liegen keine Stabilitätsprobleme vor. Der Kern K_hoct kann zu einer Instabilität in der Verstärkungsregelung führen, wenn die Konstanten für die Adaptierungszeit zu schnell sind. Eine Kaskaden-Architektur, welche zur Verringerung der Gruppenverzögerung in den Abschnitten zweiter Ord nung komplexe Nullen beinhaltet, kann zur Verbesserung der Stabilität und zur Verhandlung der Geschwindigkeit bei der Anpassung bei Auslegungen beitragen, bei denen K_hoct zum Einsatz kommt. Der Kern K_exp verhält sich ähnlich wie K_hoct, doch sind die sich daraus ergebende Verstärkungsregelung und die resultierende Verdeckung breitbandiger. Mit einem K_₁-Kern können unter Verwendung von MATLAB-Simulationen interessante Ergebnisse erzielt werden.
Gemäß der Ansicht in 3 werden die Kurven für das Cochlea-Frequenzverhalten bei verschiedenen Intensitäten (1,1 dB, 20 dB, 40 dB, 60 dB und 80 dB) dargestellt (bei 60, 62, 64, 66 bzw. 68). 3 zeigt die Verhaltens-Charakteristik der Cochlea bei einem reinen Ton für verschiedene Intensitäten in einer Kaskade mit 24 Filtern pro Oktave, bei einem Wert von Q_min von 0,7, einem Wert von Q_max von 1,2, einem K_–1-Kern und mit den Parametern K = 1000 und z = 0,4. Die Anpassung und die Verbreiterung in der resonanten Verstärkung, die Komprimierung und die Spitzenverschiebungen sind alle dabei offensichtlich. 3 zeigt, dass im Ansprechen auf einen reinen Ton bei verschiedenen Intensitäten 1) die Spitze verbreitert wird, 2) die Spitzen komprimiert werden, und 3) die Spitzen sich umso weiter nach links verschieben, je stärker die Signalintensität ansteigt.
In 4A sind Eingangs-Ausgangs-Kurven für folgendes dargestellt: Ausgangssignal = Eingangssignal, Ausgangssignal = A*Eingangssignal^0,18, Ausgangssignal = Coch Resp (Frequenzverhalten der Cochlea) bei z = 0,2 in der obigen Gleichung (3), Ausgangssignal = Coch Resp bei z = 0,4, und Ausgangssignal = Coch Resp bei z = 0,8, jeweils bei 70, 72, 74, 76 und 78. 4A zeigt, dass bei einer Veränderung von z das Potenzgesetz der Komprimiexungs-Charakteristik bei der günstigsten Frequenz (BF) verändert werden kann. 4(B) zeigt, dass dann, wenn wir K verändern, sich der Knick in der Komprimierungs-Charakteristik bei der günstigsten Frequenz verändert. Die Eingangs-Ausgangs-Kurven sind jeweils bei 80, 82, 84, 86 und 88 in 4B für folgende Verhältnisse dargestellt: Ausgangssignal = Eingangssignal, Ausgangssignal = A*Eingangssignal^0,18, Ausgangssignal = Coch Resp (K = 1e2), Ausgangssignal = Coch Resp (K = 1e3) und Ausgangssignal = Coch Resp (K = 1e4). 4B zeigt eine Komprimierungs-Charakteristik eines Algorithmuses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die 5A und 5B stellen die jeweiligen räumlichen Reaktionen 90 und 92 der Cochlea bei einer Zweiton-Stimulierung für den Fall dar, dass sich die Frequenz des nicht-dominanten Tons bezüglich des dominanten Tons verändert. 5A stellt die Verdeckungs-Erscheinungen für die Zweiton-Stimulierung bedingt durch eine Verstärkungsregelung bei einem K_–1-Kern dar, während 5B die Verdeckungs-Erscheinungen für eine Zweiton-Stimulierung zeigt, die sich auf eine Verstärkungsregelung bei einem K_exp-Kern zurückführen lässt. Diese Figuren belegen, dass das Modell gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Zweiton-Unterdrückung bei einem Verhalten nach dem Prinzip „der Gewinner räumt alles ab" (was bedeutet, dass der niedrigere von den zwei Tönen unterdrückt wird) vornimmt.
6B bis 6C zeigen Profile der räumlichen Reaktion der Cochlea mit und ohne Verstärkungsregelung bei dem in 6A dargestellten Mehrfrequenz-Signal. 6A zeigt bei 94 das Mehrfrequenz-Signal für das Phonem/u/. 6B zeigt das Profil 96 der räumlichen Reaktion der Cochlea für den Fall, dass das Eingangssignal das Phonem/u/ ohne Verstärkungsregelung ist. 6C zeigt das Profil 98 der räumlichen Reaktion der Cochlea für den Fall, dass das Eingangssignal das Phonem/u/ mit Verstärkungsregelung ist. Die Verstärkungsregelung stellt sicher, dass alle drei Formanten bei der Diskriminierung wichtig sind. Gemäß der Darstellung in 6A enthält das Signal 94 drei von einander getrennte Spitzen F1, F2 und F3, deren Intensität sich verändert. Wenn die Verstärkungsregelung eingeschaltet ist, liegen alle drei Spitzen auf vergleichbarem Pegel (Angleichung), wie dies bei 98 in 6C dargestellt ist. Wenn zum Vergleich die Verstärkungsregelung ausgeschaltet ist, geht die Ausprägung der Spitzen F2 und F3 zum großen Teil in dem Signal 96 verloren, wie dies in 6B dargestellt ist.
Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zahlreiche Veränderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird nur durch die beiliegenden Ansprüche abgegrenzt.

Claims

System (10) zur Verbesserung eines Spektrums, welches folgendes aufweist: (a) eine Anordnung verteilter Filter (12–24), die zum Empfangen eines Mehrfrequenz-Eingangssignals an einem oder mehrerer der verteilten Filter (12–24) ausgelegt ist, wobei die Anordnung verteilter Filter (12–24) in der Weise betreibbar ist, dass sie das Mehrfrequenz-Eingangssignal filtert und an den jeweiligen Filterausgängen entsprechende gefilterte Ausgangssignale erzeugt; (b) eine Anordnung von Energie-Erfassungseinheiten (38–48), bei welcher jede Energie-Erfassungseinheit (38–48) an ihrem Eingang an einen entsprechenden Filterausgang in der Anordnung verteilter Filter (12–24) angekoppelt ist, und bei welcher jede Energie-Erfassungseinheit (38–48) in der Weise betreibbar ist, dass sie an ihrem Erfassungsausgang ein Energieerfassungs-Ausgangssignal bereitstellt, das einen Hinweis auf Energie in dem gefilterten Ausgangssignal liefert, welches an der Energie-Erfassungseinheit (38–48) empfangen wurde; (c) ein Einheit (50) zur Bildung eines gewichteten Mittelwerts, welche an ihrer Eingangsanordnung an die Erfassungsausgänge der Anordnung von Energie-Erfassungseinheiten (38–48) zum Empfangen von Energieerfassungs-Ausgangssignalen aus diesen gekoppelt ist, wobei die Einheit (50) zur Bildung eines gewichteten Mittelwerts in der Weise betreibbar ist, dass sie im Ansprechen auf die Energieerfassungs-Ausgangssignale aus jeder der Energie-Erfassungseinheiten (38–48) an jedes der Filter ein gewichtetes Mittelwertsignal als Verstärkungssignal liefert, bei welchem die Anordnung von Energie-Erfassungseinheiten (38–48) über eine Anordnung von Differenziereinheiten (26–36) an die Filterausgänge der verteilten Filter (12–24) gekoppelt ist, wobei jede Differenziereinheit (26–36) mit ihrem Eingang an das entsprechende verteilte Filter (12–24) und mit ihrem Ausgang an den Eingang ihrer entsprechenden Energie-Erfassungseinheit (38–48) angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenziereinheiten (26–36) in der Weise betreibbar sind, dass sie eine doppelte Differenzierung der durch sie hindurchgeleiteten Signale vornehmen.
System (10) nach Anspruch 1, wobei das System (10) in der Weise betreibbar ist, dass es das gewichtete Mittelwertsignal als ein Signal erzeugt, das nichtlinear von den Energieerfassungs-Ausgangssignalen abhängig ist.
System (10) nach Anspruch 1, bei welchem die Anordnung von Energie-Erfassungseinheiten (38–48) in der Weise betreibbar ist, dass diese eine Signal-Einhüllende-Erfassung vornehmen.
System (10) nach Anspruch 1, wobei das System (10) in der Weise betreibbar ist, dass es das Mehrfrequenzsignal als Signal im Hörbereich empfängt.
System (10) nach Anspruch 4, wobei das System (10) in der Weise ausgelegt ist, dass es mit einem Cochlea-Implantat betreibbar ist.
System (10) nach Anspruch 1, wobei das System (10) in der Weise betreibbar ist, dass es das Mehrfrequenzsignal als elektromagnetisches Signal empfängt.
System (10) nach Anspruch 1, wobei das System (10) in der Weise betreibbar ist, dass es das gewichtete Mittelwertsignal durch Anwendung linearer räumlicher Filterung mit nachfolgender nicht-linearer Einheit erzeugt.
System (10) nach Anspruch 1, bei welchem (a) die Anordnung verteilter Filter (12–24) mindestens zwei verteilte Filter_hj und h_j+1 zum Empfangen des Mehrfrequenz-Eingangssignals aufweist; (b) die Anordnung von Energie-Erfassungseinheiten (38–48) mindestens zwei Energie-Erfassungseinheiten (38–48) aufweist, wobei jede Energie-Erfassungseinheit an einen entsprechenden Ausgang ihres entsprechenden verteilten Filters angekoppelt ist und wobei jede Energie- Erfassungseinheit in der Weise betreibbar ist, dass sie ein zugehöriges Energieerfassungs-Ausgangssignal e_j bzw. e_j+1 liefert; und (c) die Einheit (50) zur Bildung eines gewichteten Mittelwerts mit jeder der Energie-Erfassungseinheiten (38–48) gekoppelt und in der Weise betreibbar ist, dass sie im Ansprechen auf jedes der Energieerfassungs-Ausgangssignale e_j und e_j+1 ein gewichtetes Mittelwertsignal I_j an eine nicht-lineare Einheit abgibt, wobei die nicht-lineare Einheit im Ansprechen auf das gewichtete Mittelwertsignal Ij ein resonantes Verstärkungssignal Q_j an das verteilte Filter h; abgibt.
System (10) nach Anspruch 8, wobei das System (10) in der Weise betreibbar ist, dass es das gewichtete Mittelwertsignal unter Anwendung einer linearen räumlichen Gewichtung erzeugt.
System (10) nach Anspruch 1, wobei das System (10) folgende Merkmale aufweist: (a) die Vielzahl verteilter Filter (12–24) ist als eine Reihe von Tiefpassfiltern realisiert, wobei ein erstes der verteilten Filter (12–24) in der Reihe so ausgelegt ist, dass es das Mehrfrequenz-Eingangssignal empfängt, und wobei die Anordnung von Differenziexeinheiten in der Weise ausgelegt ist, dass jede Differenziereinheit an einen Ausgang eines entsprechenden Tiefpassfilters in der Reihe angekoppelt ist und dass jede Differenziereinheit in der Weise betreibbar ist, dass sie ein entsprechendes Differenzier-Ausgangssignal liefert; (b) die Anordnung von Energie-Erfassungseinheiten ist in der Weise ausgelegt, dass jede Energie-Erfassungseinheit mit einem entsprechenden Ausgang der entsprechenden Differenziereinheit gekoppelt ist, während dabei jede Energie-Erfassungseinheit in der Weise betreibbar ist, dass sie ein entsprechendes Energieerfassungs-Ausgangssignal liefert; und (c) die an jede der Energie-Erfassungseinheiten angekoppelte Einheit (50) zur Bildung eines gewichteten Mittelwerts ist in der Weise betreibbar, dass sie im Ansprechen auf die Energieerfassungs-Ausgangssignale aus jeder der Energie-Erfassungseinheiten an jedes der Tiefpassfilter das gewichtete Mittelwertsignal liefert.
Verfahren zur Erzielung einer Verbesserung des Spektrums, welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Empfangen eines Mehrfrequenzsignals an einem ersten Tiefpassfilter h_j und Empfangen eines Ausgangssignals des ersten Tiefpassfilters an einem zweiten Tiefpassfilter h_j+i; (b) Bereitstellen eines ersten Energie-Erfassungssignals e_j im Ansprechen auf das Ausgangssignal des ersten Tiefpassfilters; (c) Bereitstellen eines zweiten Energie-Erfassungssignals e_j+1 im Ansprechen auf das Ausgangssignal des zweiten Tiefpassfilters; (d) Bereitstellen eines gewichteten Mittelwertsignals I_j für eine nicht-lineare Verstärkungseinheit im Ansprechen auf jedes der Energieerfassungs-Ausgangssignale e_j und e_j+1 und Bereitstellen eines resonanten Verstärkungssignals Q_j für das Tiefpassfilter h_j im Ansprechen auf das gewichtete Mittelwertsignal I_j, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den folgenden weiteren Schritt umfasst: (e) doppeltes Differenzieren der Ausgangssignale aus jedem der Tiefpassfilter h_j und h_j+1 vor der Bereitstellung des ersten bzw. des zweiten Energie-Erfassungssignals e_j bzw. e_j+1.