-
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine
Hörprothese mit einer Rauschunterdrückungsvorrichtung und einer
Rückkopplungsunterdrückungsvorrichtung und insbesondere
solche Prothesen und Vorrichtungen mit adaptiver
Filterfunktion.
-
Konstrukteure oder Entwickler von
Audiosignalverarbeitungsystemen, z. B. Hörprothesen, versuchen in zunehmendem
Maße Rückkopplungen und Rauschsignale. bzw. Rauschen aus
Eingangssignalen von Interesse zu entfernen. Beispielsweise
bemängeln Benutzer von Hörprothesen, z. B. Hörhilfen,
allgemein, daß sie nicht in der Lage sind, Sprache in einer
geräuschvollen oder verrauschten bzw. lauten Umgebung zu
verstehen. In der Vergangenheit waren Benutzer von Hörhilfen
darauf beschränkt, Strategien oder Methoden zum Hören in
geräuschvollen oder lauten Umgebungen anzuwenden, z. B.
Einstellen der Gesamtverstärkung durch Lautstärkeregelung,
Einstellen des Frequenzverhaltens oder -gangs, oder einfach
Entfernen der Hörhilfe. In neuartigeren Hörhilfen wurden
Rauschunterdrückungstechniken verwendet, die beispielsweise
auf der Modifizierung der Niederfrequenzverstärkung in
Antwort auf Rauschen basieren. Typischerweise waren diese
Strategien bzw. Methoden und Techniken jedoch nicht in der Lage,
einen gewünschten Rauschunterdrückungsgrad zu erreichen.
-
In vielen kommerziell erhältlichen Hörhilfen werden
außerdem durch akustische Rückkopplung Störungen, Klingel- und
Quietschgeräusche verursacht. Diese Rückkopplung wird durch
die Rückübertragung eines Teils des durch den akustischen
Ausgangssignalwandler der Hörhilfe emittierten Tons oder
Schalls zum Eingangsmikrofons verursacht. Eine solche
akustische Rückkopplung kann sich über oder um ein zum Halten
des Signalwandlers verwendetes Ohrstück ausbreiten.
-
Bei einer praktischen Ohr-Hörhilfenstruktur wird nicht
nur das Rauschen und die Rückkopplung reduziert, sondern
müssen auch die durch herkömmliche kommerzielle
Hörhilfenstrukturen vorgegebenen Beschränkungen hinsichtlich der
Leistung, der Größe und der Unterbringung oder Anordnung des
Mikrofons berücksichtigt werden. Obwohl leistungsstarke
digitale Signalverarbeitungstechniken verfügbar sind, sind
dafür ein großer Platzbedarf und eine große Leistung für die
Hardware der Hörhilfe bzw. die Verarbeitungszeit der
Software erforderlich. Durch die Miniaturabmessungen von
Hörhilfen sind der Platz und die Leistung streng begrenzt, die für
eine geeignete Rausch- und Rückkopplungsunterdrückung
erforderlich sein können.
-
Ein Verfahren zum Eliminieren der durch Rausch- und
Rückkopplungsinterferenzen verursachten Störungen beinhaltet
die Verwendung adaptiver Filtertechniken. Das
Frequenzverhalten bzw. der Frequenzgang des adaptiven Filters kann
derart sein, daß er ausreichend schnell selbstabgleichend ist,
um statistische "stationäre" (d. h. sich langsam ändernde)
Rauschkomponenten aus dem Eingangssignal zu entfernen. Durch
eine adaptive Interferenzunterdrückungsschaltung wird
stationäres Rauschen über das gesamte Frequenzspektrum
eliminiert, wobei Frequenzen von Rauschsignalen mit hoher Energie
stärker unterdrückt werden. Untergrundrauschen konzentriert
sich jedoch tendentiell bei niederigeren Frequenzen, in den
meisten Fällen unterhalb von 1000 Hertz.
-
Ähnlicherweise werden unerwünschte
Rückkopplungsoberschwingungen tendentiell im Bereich von 3000 bis 5000 Hertz
erzeugt, wo die Verstärkung im Rückkopplungsweg von
Audiosy
stemen tendentiell am größten ist. Wenn die Verstärkung des
Systems zunimmt, wird durch die durch
Rückkopplungsoberschwingungen induzierte Störung dem hörbaren Schall ein
metallischer Ton beigemischt. Die Störung ist aufgrund der
relativ geringeren Verstärkung im Rückkopplungsweg bei
Frequenzen unterhalb von 3000 Hertz weniger ausgeprägt.
-
Obwohl die Untergrundrausch- und Rückkopplungsenergie
in spezifischen Spektralbereichen konzentriert sind,
arbeiten adaptive Rauschfilter im allgemeinen über die gesamte
Bandbreite der Hörhilfe. Adaptive Rauschfilter berechnen
typischerweise einen Schätzwert des Rauschsignals durch
geeignetes Einstellen der Gewichtungsparameter eines digitalen
Filters gemäß einem LMS- (Methode der kleinsten
Fehlerquadrate) Algorithmus und verwenden dann den Schätzwert zum
Minimieren des Rauschsignals. Zwischen dem mittleren
quadratischen Fehler und den N Gewichtungswerten des adaptiven
Filters besteht eine quadratische Beziehung. Um den mittleren
quadratischen Fehler zu minimieren, werden die Gewichte
gemäß dem negativen Gradienten einer Fehleroberfläche
modifiziert, die durch Darstellen des mittleren quadratischen
Fehlers als Funktion jedes der N Gewichte in N Dimensionen
erhalten wird. Jedes Gewicht wird dann aktualisiert durch (i)
Berechnen eines Schätzwertes des Gradienten, (ii) Skalieren
des Schätzwertes durch eine adaptive Lernkonstante u in
einer Skalierungseinrichtung, und (iii) Subtrahieren dieses
Wertes vom vorangehenden Gewichtungswert.
-
In der EP-A-0342782 wird ein Beispiel einer für eine
Hörhilfe geeigneten Rückkopplungsunterdrückungsschaltung mit
einer adaptiven Filterfunktion beschrieben. Die
Rückkopplungsunterdrückungsschaltung verwendet ein injiziertes
pseudozufälliges Rauschsignal, das sowohl dem adaptiven Filter
zugeführt als auch in die Ausgangsschaltung der Hörhilfe
injiziert wird, wo es über den Rückkopplungsweg
zurückgekop
pelt wird. Diese Rückkopplungsunterdrückungsschaltung
arbeitet über die gesamte Bandbreite der Hörhilfe.
-
Durch den Vollfrequenzmodus der Einstellung bzw. des
Abgleichs wird das Rausch- und
Rückkopplungsunterdrückungsvermögen des Filters tendentiell zu Frequenzen mit höherer
Signalenergie hin asymmetrisch, wodurch der LMS-Schätzwert
der Energie durch das adaptive Filter minimiert wird. Der
Parametersatz, zu dem das adaptive Filter hin konvergiert,
wenn das volle Rauschspektrum ausgewertet wird, führt zu
einer weniger als gewünschten Unterdrückung über das
Frequenzband von Interesse. Eine solche "unvollständige" Konvergenz
führt dazu, daß die Rausch- und
Rückkopplungsunterdrückungsressourcen des adaptiven Filters über den betrachteten
Spektralbereich nicht effektiv konzentriert sind.
-
Daher besteht auf dem Fachgebiet ein Bedarf für ein
adaptives Filtersystem, in dem das Rausch- oder
Rückkopplungsunterdrückungsvermögen in einem ausgewählten Frequenzband
fokussiert ist.
-
Zusammengefaßt weist die erfindungsgemäße Hörprothese
eine Rausch- und Rückkopplungsunterdrückungsvorrichtung zum
Verarbeiten eines Audio-Eingangssignals mit einer
gewünschten Komponente und einer unerwünschten Komponente auf. Wenn
die erfindungsgemäße Hörprothese so implementiert ist, daß
sie eine Rauschunterdrückung ausführt, weist sie ein mit dem
Eingangssignal betrieblich gekoppeltes erstes Filter auf.
Das erste Filter erzeugt ein Referenzsignal durch selektives
Durchlassen eines Audiospektrums des Eingangssignals, das
primär die unerwünschte Komponente enthält. Das
Referenzsignal wird einem adaptiven Filter zugeführt, der das
Eingangssignal filtert, um ein Ausgangssignal des adaptiven
Filters zu erzeugen. Eine mit dem Eingangssignal und dem
Ausgangssignal des adaptiven Filters betrieblich gekoppelte
Kombiniereinrichtung verwendet das Ausgangssignal des
adap
tiven Filters, um die unerwünschte Komponente im
Eingangssignal zu unterdrücken und ein Fehlersignal zu erzeugen. Die
Rauschunterdrückungsvorrichtung der Hörprothese weist ferner
ein zweites Filter zum selektiven Durchlassen eines
Audiospektrums des Fehlersignals zum adaptiven Filter auf, das
das Spektrum der unerwünschten Komponente des
Eingangssignals enthält. Durch diese Unterdrückung wird die
unerwünschte Komponente effektiv aus dem Eingangssignal
entfernt, ohne daß die gewünschte Komponente des
Eingangssignals wesentlich beeinflußt wird.
-
Wenn die erfindungsgemäße Hörprothese eine
Rückkopplungsunterdrückungsfunktion aufweist, weist sie eine mit
einem Eingangssignal und einem Ausgangssignal eines adaptiven
Filters gekoppelte Kombiniereinrichtung auf. Die
Kombiniereinrichtung verwendet das Ausgangssignal des adaptiven
Filters, um die Rückkopplungskomponente des Eingangssignals
zu unterdrücken und einem Signalprozessor der Hörhilfe ein
Fehlersignal zuzuführen. Die
Rückkopplungsunterdrückungsschaltung weist außerdem ein Fehlerfilter zum selektiven
Durchlassen eines Rückkopplungsspektrums des Fehlersignals
zum adaptiven Filter auf. Ein Referenzfilter führt durch
selektives Durchlassen des Rückkopplungsspektrums des
Rauschsignals dem adaptiven Filter ein Referenzsignal zu, wobei
das Ausgangssignal des adaptiven Filters in Antwort auf das
Referenzsignal synthetisiert wird.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein
Rauschsondensignal in den Ausgangssignalweg der
Rückkopplungsunterdrückungsschaltung eingefügt oder eingekoppelt, um eine
Rückkopplungsquelle bereitzustellen, während in der
Audioumgebung der Schaltung ein geringer Anteil des unerwünschten
Rückkopplungssignals enthalten ist. Das Rauschsondensignal
kann auch direkt dem adaptiven Filter zugeführt werden, um
die Konvergenz des adaptiven Filters zu unterstützen.
-
Wahlweise kann an Stelle einer
Eingangssignalverzögerungsschaltung der Rauschunterdrückungsschaltung oder an
Stelle des Rauschsondensignals in der
Rückkopplungsunterdrückungsschaltung ein zweites Mikrofon angeordnet sein.
-
Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden
anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der
beigefügten Patentansprüche in Verbindung mit den
Zeichnungen verdeutlicht; es zeigen:
-
Fig. 1 eine vereinfachte Blockdiagrammdarstellung
einer Rauschunterdrückungsvorrichtung einer erfindungsgemäßen
Hörprothese;
-
Fig. 2 eine detaillierte Blockdiagrammdarstellung der
Rauschunterdrückungsvorrichtung der erfindungsgemäßen
Hörprothese;
-
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zum Darstellen der Weise,
auf die aufeinanderfolgende Eingangsabtastwerte oder
-Samples der Rauschunterdrückungsschaltung durch eine
Verzögerungsleitung für eine Verzögerung um J Abtastwerte
verzögert werden;
-
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm zum Darstellen der Weise,
auf die eine FIR-Implementierung eines Formungsfilters einen
durch die Verzögerungsleitung für eine Verzögerung um J
Abtastwerte erzeugten Strom verzögerter Eingangssignal-
Abtastwerte verarbeitet;
-
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm zum Darstellen der
Verarbeitung, durch die ein adaptives Signal mit einem Strom von
Abtastwerten y(n) durch ein adaptives Filter synthetisiert
wird;
-
Fig. 6 eine schematische Blockdiagrammdarstellung
eines mit dem adaptiven Filter gekoppelten optionalen
nachgeschalteten Filternetzes;
-
Fig. 7 ein Toplevel-Ablaufdiagramm zum Beschreiben
einer Operation oder Arbeitsweise der
Rauschunterdrückungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Hörprothese;
-
Fig. 8 eine Blockdiagrammdarstellung der
Rückkopplungsunterdrückungsvorrichtung der erfindungsgemäßen
Hörprothese;
-
Fig. 9 ein Blockdiagramm einer mit zwei Mikrofonen
ausgestatteten Ausführungsform der
Rauschunterdrückungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Hörprothese; und
-
Fig. 10 ein Blockdiagramm einer mit zwei Mikrofonen
ausgestatteten Ausführungsform der
Rückkopplungsunterdrückungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Hörprothese.
-
In den erfindungsgemäßen Rausch- und
Rückkopplungsunterdrückungsschaltungen werden die darin angeordneten
adaptiven Filtersysteme über bestimmte Frequenzbänder von
Interesse fokussiert. Auf diese Weise wird das adaptive
Filtervermögen auf eine vordefinierte Weise konzentriert, wodurch
eine bessere Konvergenz des adaptiven Filters in den
betreffenden Rausch- und Rückkopplungsbändern ermöglicht wird.
Durch die vorliegende Erfindung werden Filterressourcen auf
diese Weise durch Verwendung von Formungsfiltern fokussiert,
die dazu geeignet sind, Energie von spezifischen
Spektralbändern selektiv zum in jeder Schaltung angeordneten
adaptiven Filter zu übertragen.
Rauschunterdrückungs Schaltung
-
Gemäß Fig. 1 verwendet eine
Rauschunterdrückungsschaltung 100 zur Verwendung in einer Hörprothese, z. B. einer
Hörhilfe, ein Zeitbereichverfahren zum Fokussieren der
Bandbreite, über die unerwünschte Rauschenergie unterdrückt
werden soll. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird,
wird das Rauscheliminierungsband eines adaptiven Filters 110
durch selektives Vorfiltern von dem adaptiven Filter 110
zugeführten Referenz- und Fehlereingangssignalen definiert.
-
Die Rauschunterdrückungsschaltung 100 weist einen
Eingang 120 auf, der eine beliebige herkömmliche Quelle eines
Hörhilfeneingangssignals darstellen kann, z. B. eines durch
ein Mikrofon, einen Signalprozessor oder eine ähnliche
Einrichturig erzeugten Signals. Der Eingang 120 weist außerdem
einen Analog-Digital-(A/D-) Wandler (nicht dargestellt) für
analoge Eingangssignale auf, so daß das Eingangssignal 140
ein digitales Signal ist. Das Eingangssignal 140 wird durch
eine Verzögerungsschaltung 160 für eine Verzögerung um J
Abtastwerte und eine Signalkombiniereinrichtung 280 empfangen.
Die Verzögerungsschaltung 160 dient dazu, ein dem adaptiven
Filter 110 zugeführtes verzögertes Eingangssignal 250
bezüglich des Eingangssignals 140 zeitlich zu dekorrelieren. Die
durch die Verzögerungsschaltung 160 aufgeprägte Verzögerung
wird im allgemeinen so ausgewählt, daß während der Zeitdauer
der Verzögerung die Autokorellation zwischen der
Rauschenergie im Eingangssignal 140 und im verzögerten Eingangssignal
250 erhalten bleibt, wodurch die Autokorrelation der
Sprachenergie in den beiden Signalen wesentlich reduziert wird.
Insbesondere wird die durch die Verzögerungsschaltung 160
aufgeprägte Verzögerung vorzugsweise ausreichend lang sein,
um die Autokorrelation der Sprachenergie im Eingangssignal
140 und im verzögerten Eingangssignal 250 zu reduzieren, so
daß durch die adaptive Filterverarbeitung eine minimale
Sprachunterdrückung verursacht wird. Beispielsweise führt
bei einer Abtastrate von 10 kHz eine Verzögerung von 8
Abtastwerten zu einer akzeptierbaren Zeitverzögerung von 800
us. Außerdem wird durch eine solche Verzögerung vermutlich
die Autokorrelation zwischen der Rauschenergie im
Eingangssignal 140 und im verzögerten Eingangssignal 250 in dem Maß
beibehalten, das erforderlich ist, um einen geeigneten
Rauschunterdrückungsgrad zu erhalten.
-
Bei einer alternativen Implementierung der in Fig. 9
dargestellten Rauschunterdrückungsschaltung wird an Stelle
der Verzögerungsschaltung 160 ein zweites Mikrofon 161
verwendet, um das Referenzsignal 250 bereitzustellen. Das
zweite Mikrofon 161 wird vorzugsweise so angeordnet, daß es nur
Rauschenergie der Umgebung und in minimalem Maß hörbare
Sprache empfängt. Auf diese Weise wird die abgetastete
Version des durch das zweite Mikrofon 161 erzeugten
elektrischen Signals mit der im abgetasteten Eingangssignal 140
enthaltenen Sprachinformation im wesentlichen unkorreliert
sein, so daß verhindert wird, daß während der adaptiven
Filterverarbeitung eine wesentliche Sprachunterdrückung
auftritt. Das Mikrofon 120 und das zweite Mikrofon 161 werden
jedoch typischerweise innerhalb des gleichen Rauschfeldes
angeordnet sein, so daß mindestens ein gewisser
Korrelationsgrad zwischen der Rauschenergie im Eingangssignal 140 und
im durch das zweite Mikrofon 161 bereitgestellten
Referenzsignal 250 existiert.
-
Gemäß den Fig. 1 und 9 wird das (bezüglich Fig. 1)
verzögerte Eingangssignal 250 auch dem
Referenzformungsfilter 270 zugeführt, das dazu geeignet ist, dem adaptiven
Filter 110 ein fokussiertes Referenzsignal 275 zuzuführen. Das
Referenzformungsfilter 270 ist vorzugsweise ein FIR- (finite
impulse response) Filter mit einer
Übertragungscharakteristik oder -kennlinie, die ein Rauschspektrum durchläßt, das
aus dem Eingangssignal 140 entfernt werden soll, jedoch den
größten Teil des Sprachspektrums von Interesse nicht
durchläßt. Geräusche von Maschinen und andere unangenehme
Hintergrundgeräusche sind häufig bei Frequenzen von weniger als
100 Hertz konzentriert, während der größte Teil der
Sprachenergie bei höheren hörbaren Frequenzen auftritt. Daher wird
das Referenzformungsfilter 270 vorzugsweise ein
Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von weniger als beispielsweise
mehreren hundert Hertz sein. Wenn eine FIR-Implementierung
verwendet wird, können die im Referenzformungsfilter 270
vorgesehenen Abgriffgewichte aus bekannten
FIR-Filterkonstruktionstechniken durch Spezifizieren der gewünschten
Tiefpaß-Grenzfrequenz bestimmt werden. Vergl. z. B. US-
Patent-Nr. 4658426, Chabries et al., mit dem Titel "Adaptive
Noise Suppressor".
-
Gemäß Fig. 1 wird der Signalkombiniereinrichtung 280
ein durch das adaptive Filter 110 synthetisiertes
adaptiertes oder adaptives Signal 290 zugeführt. Das adaptive Signal
290, das die Rauschkomponente des Eingangssignals 140
darstellt, wird durch die Kombiniereinrichtung 280 vom
Eingangssignal 140 subtrahiert, um dem Signalprozessor 300 ein
gewünschtes Ausgangssignal 295 zuzuführen. Der
Signalprozessor 300 weist vorzugsweise eine gefilterte
Verstärkerschaltung auf, die dazu geeignet ist, die Signalenergie in einem
vorgegebenen Audiofrequenzband zu erhöhen. Insbesondere kann
der Signalprozessor 300 durch eine oder mehrere herkömmlich
erhältliche Signalverarbeitungsschaltungen realisiert
werden, die zum Verarbeiten digitaler Signale in Hörhilfen
geeignet sind. Beispielsweise kann der Signalprozessor 300 die
im US-Patent Nr. 4548082 von Engebretson et al. beschriebene
Filtterbegrenzungsstruktur aufweisen. Nachdem das gewünschte
Ausgangssignal 295 den Signalprozessor 300 durchlaufen hat,
wandelt ein Digital-Analog- (D/A-) Wandler 305 das erhaltene
Signal 302 in ein Analogsignal 307 um. Das Analogsignal 307
steuert einen Augangssignalwandler oder -transducer 308, der
dazu geeignet ist, in Antwort auf das empfangene Signal eine
akustische Wellenform zu erzeugen.
-
Das gewünschte Ausgangssignal 295 wird außerdem einem
Fehlerformungsfilter 310 mit einem Durchlaßbereich
zuge
führt, der so gewählt ist, daß der spektrale Rauschbereich
durchgelassen wird, der vom Eingangssignal 140 entfernt
werden soll. Das Fehlerformungsfilter 310 ist vorzugsweise ein
FIR- (finite impulse response) Filter mit einer
Übertragungscharakteristik oder -kennlinie, gemäß der ein vom
Eingangssignal 140 zu entfernendes Rauschspektrum durchgelassen
wird, der größte Teil des Sprachspektrums von Interesse
jedoch nicht durchgelassen wird. Daher wird das
Fehlerformungsfilter 310 vorzugsweise ein Tiefpaßfilter mit einer
Grenzfrequenz sein, die derjenigen des
Referenzformungsfilters 270 im wesentlichen gleich ist (d. h. weniger als
mehrere hundert Hertz beträgt).
-
Die Rauschunterdrückungsschaltung 100 ist in der
Blockdiagrammdarstellung von Fig. 2 ausführlicher dargestellt.
Gemäß Fig. 2 werden Abtastwerte x(n) des Eingangssignals
140 anfangs durch Verarbeiten der Signale durch die
Verzögerungsschaltung 160 für eine Verzögerung um J Abtastwerte
verzögert. Die durch x(n-J) bezeichneten Abtastwerte des
verzögerten Eingangssignals 250 werden dann durch das
Referenzformungsfilter 270 weiterverarbeitet. Wie nachstehend
ausführlicher beschrieben wird, werden der erhaltene Strom
von Abtastwerten UW(n) des fokussierten Referenzsignals 275
zusammen mit dem während des vorangehenden Zyklus des
adaptiven Filters 110 gewichteten Fehlersignal ew(n) des
gefilterten Fehlerstroms 350 verwendet, um Abgriffgewichte h(n)
im adaptiven Filter 110 zu aktualisieren.
-
Nach einer Modifizierung der adaptiven Gewichte h(n)
verarbeitet das adaptive Filter 110 die Abtastwerte x(n-J),
um ein adaptiertes oder adaptives Signal 290 zu erzeugen.
Auf diese Weise wird das adaptive Signal 290 der
Kombiniereinrichtung 280 zugänglich gemacht, die das gewünschte
Ausgangssignal 295 durch Subtrahieren von Abtastwerten des
adaptiven Signals 290 von Abtastwerten x(n) des
Eingangs
signals 140 erzeugt. Das gewünschte Ausgangssignal 295 wird
dann dem Fehlerformungsfilter 310 zugeführt, um die
Abtastwerte ew(n) des gefilterten Fehlerstroms 350 berechnen
zu können, die während des nächsten Verarbeitungszyklus des
adaptiven Filters 110 verwendet werden sollen.
-
Nachstehend wird die Arbeitsweise der
Rauschunterdrückungsschaltung 100 unter Bezug auf die Signalablaufdiagramme
der Fig. 3, 4, 5 und 6 ausführlicher beschrieben. Fig. 3
zeigt die Weise, auf die aufeinanderfolgende Abtastwerte des
Eingangssignals 140 durch die Verzögerungsschaltung 160 für
eine Verzögerung um J Abtastwerte verzögert werden. Die
Verzögerungsschaltung 160 für eine Verzögerung um J Abtastwerte
ist vorzugsweise als serielles Schieberegister
implementiert, das Abtastwerte des Eingangssignals 140 empfängt und
jeden empfangenen Abtastwert nach J Abtastperioden ausgibt.
Wie in Fig. 3 dargestellt, wird während jeder Abtastperiode
der im Schieberegister gehaltene "älteste" Abtastwert x(J)
der aktuelle Abtastwert des verzögerten Eingangssignals 250.
Die übrigen Werte x (i) werden dann um einen Abgriff im
Filter verschoben. Der aktuelle Abtastwert des Eingangssignals
140 wird als Wert x(1) gespeichert.
-
Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Darstellen der
Weise, auf die eine FIR-Implementierung des
Referenzformungsfilters 270 den Abtastwertstrom des verzögerten
Eingangssignals 250 unter Verwendung einer Reihe von
Abgriffpositionen verarbeitet. Gemäß Fig. 4 wird während jeder
Abtastperiode ein erster Verarbeitungszyklus verwendet, um die
vorhandenen Daten y(i) im Referenzformungsfilter 270 um eine
Abgriffposition zu verschieben. Typischerweise sind
benachbarte Abgriffpositionen des Referenzformungsfilters 270 um
eine Verzögerungseinheit (in Fig. 2 durch "z&supmin;¹" bezeichnet)
getrennt. Der aktuelle Abtastwert des verzögerten
Eingangssignals 250 wird in der ersten Abgriffposition y(1) des
Re
ferenzformungsfilters 270 angeordnet. Dieser erste
Verarbeitungszyklus gleicht im wesentlichen der
Aktualisierungsverarbeitung für die vorstehend unter Bezug auf Fig. 3
beschriebene Verzögerungsschaltung 160 für eine Verzögerung um
J Abtastwerte.
-
Gemäß den Fig. 2 und 4 wird jeder Filterabtastwert
y(i) während eines zweiten Zyklus innerhalb der
Abtastperiode mit einem festen Abgriffgewicht a(i) multipliziert,
dessen Wert gemäß herkömmlichen
FIR-Filterkonstruktionstechniken festgelegt ist. Die Ergebnisse der
Abgriffgewichtmultiplikationen werden durch eine Addiereinrichtung 340 mit
M Eingängen addiert, die das dem adaptiven Filter 110
zugeführte fokussierte Referenzsignal 275 erzeugt.
-
Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Darstellen der
Verarbeitung, durch die der Strom von Abtastwerten y(n)
(vorstehend unter Bezug auf Fig. 2 definiert) durch das
adaptive Filter 110 synthetisiert wird. Während eines ersten
Zyklus 342 innerhalb jeder Abtastperiode wird der aktuelle
Abtastwert des fokussierten Referenzsignals 275 als
adaptiver Eingangssignal-Abtastwert uw(1) in das adaptive Filter
110 geschoben, wobei der tiefergestellte Index w die durch
das Referenzformungsfilter 270 erhaltene "spektral
gewichtete" Formung bezeichnet. Die vorangehenden N-1
Referenzsignal-Abtastwerte sind durch uw(2), uw(3), ... (uwN)
bezeichnet und werden jeweils um eine Abgriffposition im adaptiven
Filter 110 verschoben, wenn der Abtastwert uw(1)
hereingeschoben wird. Wenn dieser Ausrichtungsprozess einmal
stattgefunden hat, wird ein zweiter Zyklus 344 eingeleitet, in
dem adaptive Gewichte h(1), h(2), ...h(N) gemäß dem
aktuellen Wert ew des gefilterten Fehlerstroms 350 modifiziert
werden. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, wird
dieser Aktualisierungsprozeß gemäß der folgenden
Rekursionsformel ausgeführt:
-
h(i)NEW = h(i)OLD(1-β) + uuw(i)ew (Gleichung 1)
-
wobei (i) die i-te Komponente des adaptiven Filters 110, u
eine Adaptionskonstante zum Darstellen der Konvergenzrate
des adaptiven Filters 110 und β eine reelle Zahl zwischen
null und eins darstellen. Der Wert u wird vorzugsweise auf
herkömmliche Weise so gewählt, daß das adaptive Filter 110
mit einer geeigneten Rate oder Geschwindigkeit konvergiert,
jedoch für kleine Änderungen des Leistungsspektrunms des
Eingangssignals 140 nicht überempfindlich ist.
-
In einem dritten Zyklus 346 werden die verzögerten
Abtastwerte x(n-J-i+1) in der N-Abgriff-Verzögerungsleitung
des adaptiven Filters 110 um eine Abgriffposition
verschoben, und in einem vierten Zyklus 348 werden die
aktualisierten adaptiven Filtergewichte h(i) mit den verzögerten
Abtastwerten x(n-J-i+1) multipliziert und addiert, um den
aktuellen Abtastwert des adaptiven Signals 290 als
Ausgangssignal des adaptiven Filters 110 zu erzeugen. Der Index "n-
J-i+1" für die verzögerten Abtastwerte bezeichnet die der
Verzögerungsschaltung 160 für eine Verzögerung um J
Abtastwerte zugeordnete Verzögerung um J Abtastwertperioden
plus die dem adaptiven Filter 110 zugeordnete Verzögerung.
Die vorstehende Gleichung (1) basiert auf einem "leaky-
LMS"-Fehlerminimierungsalgorithmus, der Fachleuten bekannt
ist und in Haykin, Adaptive Filter Theory, Prentice-Hall
(1986), S. 261 näher beschrieben ist. Durch die Wahl dieses
Abgleichalgorithmus können die Filterkoeffizienten des
adaptiven Filters 110 bei Abwesenheit des Eingangssignals auf
null abgeglichen werden. Auf diese Weise wird verhindert,
daß das adaptive Filter 110 sich selbst abgleicht, um
Kompo
nenten aus dem Eingangssignal 140 zu entfernen, die nicht im
Durchlaßbereich des Referenzformungsfilters 270 und des
Fehlerformungsfilters 310 enthalten sind. Für Fachleute ist
ersichtlich, daß innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung
andere adaptive Filter und Algorithmen verwendet werden
könnten. Beispielsweise kann ein herkömmlicher LMS-Algorithmus,
wie beispielsweise von Widrow et al., Adaptive Noise
Canceling Principles and Applications, Proceedings of the IEEE,
63(12), 1692-1716, (1975) beschrieben, in Verbindung mit
einem in Fig. 6 dargestellten nachgeschalteten
Tiefpaßfilternetz 380 verwendet werden. Das Filternetz 380 dient dazu,
die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, daß
Filtercharakteristiken basierend auf Informationen entwickelt werden, die im
Frequenzspektrum außerhalb des Durchlaßbereichs des
Referenzformungsfilters 270 und des Fehlerformungsfilters 310
enthalten sind.
-
Wie in Fig. 6 dargestellt ist, weist das Filternetz
380 ein durch ein adaptives Signal 290 adressiertes
Tiefpaßfilter 390 auf. Das Tiefpaßfilter 390 weist vorzugsweise
eine Tiefpaßübertragungscharakteristik oder -kennlinie auf,
die derjenigen des Referenzformungsfilters 270 und des
Fehlerformungsfilters 310 im wesentlichen ähnlich ist. Das
Filternetz 380 weist außerdem eine mit dem Eingangssignal 140
gekoppelte Verzögerungsschaltung 410 für eine Verzögerung um
K Abtastwerte zum Bereitstellen einer der Verzögerung des
Tiefpaßfilters 390 gleichen Verzögerung auf. Ein Addierglied
420 subtrahiert das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 390
von demjenigen der Verzögerungsschaltung 410 für eine
Verzögerung um K Abtastwerte und führt die Differenz einem
Signalprozessor 300 zu.
-
In herkömmlichen adaptiven Filterverfahren, in denen
eine Form des LMS-Algorithmus verwendet wird, werden die
Koeffizienten des adaptiven Filters aktualisiert, um den
Er
wartungswert der quadrierten Differenz zwischen den
Eingangs- und Referenzsignalen über die gesamte
Systembandbreite zu minimieren. Das erfindungsgemäße
Referenzformungsformungsfilter 270 und das Fehlerformungsfilter 310
konzentrieren oder fokussieren dagegen die adaptive Unterdrückung auf
einen gewünschten Spektralbereich. Insbesondere sind das
Referenzformungsfilter 270 und das Fehlerformungsfilter 310
FIR-Spektralformungsfilter M-ter Ordnung und können durch
einen Koeffizientenvektor W dargestellt werden:
-
W = [w(1), w(2), ...w(M)]T, [Gleichung 2]
-
wobei T die Vektortransponierte bezeichnet. Die Differenz
zwischen dem Strom von Abtastwerten x(n) vom Eingangssignal
140 und dem Strom von Abtastwerten y(n) vom adaptiven Signal
290 kann durch einen Fehlervektor E(n) dargestellt werden,
wobei
-
E(n) = [e(n), e(n-1), ...e(n-M+1)]T [Gleichung 2]
-
ist, der den Satz von in der Verzögerungsleitung 420 des
Fehlerformungsfilters 310 gespeicherten Fehlerwerten
darstellt. Der gefilterte Fehlerstrom 350 (Fig. 2) wird
spektral gewichtet, und das zu minimierende erwartete mittlere
Fehlerquadrat davon ist gegeben durch:
-
ew(n) = (n) - [W]T E (n). (Gleichung 4)
-
Der Koeffizientenvektor H = [h(1), h(2), ...h(N)] des
adaptiven Filters 110, der den Erwartungswert des Quadrats von
Gleichung 4 minimiert, kann dargestellt werden durch
-
H = E{[UW(n) [UW(n)]T] 1} E{xw(n) UW(n)}, (Gleichung 5)
-
wobei xw(n) eine gewichtete Summe der Abtastwerte des
Eingangssignals 140 ist, die definiert ist durch:
-
xw (n) = [W]T X (n), (Gleichung 6)
-
wobei
-
X(n) =
Ex(n), x(n - 1), ...x(n - M + 1)]T (Gleichung 7)
ist. In Gleichung 5 bezeichnet UW(n) den Vektor der spektral
gewichteten Abtastwerte des fokussierten Referenzsignals
275, wobei
-
UW(n) = [uv(n), uW(n - 1), ...uw(n - N + 1)]T (Gleichung 8)
und
-
uv(n) = [W]T U(n) (Gleichung 9)
-
ist, wobei U(n) den Strom von Abtastwerten vom verzögerten
Eingangssignal 250 darstellt.
-
Die Gleichungen 2 bis 9 beschreiben die im spektral
gewichteten LMS-Aktualisierungsalgorithmus von Gleichung 1
enthaltenen Parameter. Die adaptiven Gewichte h(i) des
adaptiven Filters 110 werden in jeder Abtastperiode durch
Skalierungsblöcke 450 (Fig. 2) mit dem Faktor B modifiziert,
wobei B = 1 - β ist, um den durch Gleichung 1 gegebenen
leaky-LMS-Algorithmus zu implementieren.
-
Der primäre Signalverarbeitungspfad, der den Eingang
120 sowie den Signalprozessor 300 und den
Ausgangssignalwandler 308 aufweist, ist mit Ausnahme des Vorhandenseins
der Signalkombiniereinrichtung 280 nicht unterbrochen. D. h.,
die Referenz- und Fehlerzeitsequenzen für das adaptive
Filter 110 werden geformt, ohne daß der primäre
Signalverarbeitungspfad verfälscht wird, wobei in der Implementierung
herkömmlicher frequenzgewichteter Rauschunterdrückungsverfahren
typischerweise Gewichtungsfilter mit begrenzter Präzision
verwendet werden.
-
Fig. 7 zeigt ein Toplevel-Ablaufdiagramm zum
Beschreiben der Arbeitsweise der Rauschunterdrückungsschaltung 100.
In der folgenden Diskussion bezeichnet der Ausdruck
"Ausführen", daß eine der unter Bezug auf die Fig. 3, 4 und 5
beschriebenen Arbeitsabläufe ausgeführt wird, um die
entsprechende Funktion zu implementieren. Gemäß den Fig. 2
und 7 wird der aktuelle Abtastwert des Eingangssignals 140
durch Verarbeiten des Signals durch die
Verzögerungsschaltung 160 für eine Verzögerung um J Abtastwerte anfangs
verzögert (1710). Die Abtastwerte des verzögerten
Eingangssignals 250 werden dann durch das Referenzformungsfilter 270
weiterverarbeitet (1720). Der erhaltene Strom von
Abtastwerten des fokussierten Referenzsignals 275 ermöglicht in
Verbindung mit dem gewichteten Fehlersignal des gefilterten
Fehlerstroms 350, das während des vorangehenden Zyklus des
adaptiven Filters 110 berechnet wurde, die Ausführung der
Routine zum Aktualisieren der adaptiven Gewichte (1730).
-
Wie in Fig. 7 dargestellt ist, verarbeitet das
adaptive Filter 110 nach der Modifizierung der adaptiven Gewichte
das verzögerte Eingangssignal 250, um das adaptive Signal
290 zu erzeugen (1740). Auf diese Weise wird das adaptive
Signal 290 der Kombiniereinrichtung 280 zugänglich gemacht,
die das gewünschte Ausgangssignal 295 durch Subtrahieren des
adaptiven Signals 290 vom Eingangssignal 140 erzeugt (1750).
Das gewünschte Ausgangssignal 295 wird dann dem
Fehlerformungsfilter 310 zugeführt, um die Berechnung des während des
nächsten Verarbeitungszyklus des adaptiven Filters 110 zu
verwendenden gefilterten Fehlerstroms 350 zu ermöglichen
(1760). Die unter Bezug auf Fig. 7 beschriebene
Verarbeitung wird während jeder Abtastperiode ausgeführt, wobei zu
diesem Zeitpunkt durch den Eingang 120 ein neuer Abtastwert
des Eingangssignals 140 bereitgestellt und dem
Signalprozessor 300 ein neues gewünschtes Ausgangssignal 295 zugeführt
wird.
Rückkopplungsunterdrückungsschaltung
-
Fig. 8 zeigt eine Rückkopplungsunterdrückungsschaltung
500 einer erfindungsgemäßen Hörprothese. Die
Rückkopplungsunterdrückungsschaltung 500 verwendet ein
Zeitbereichverfahren, um den durch die unerwünschte Rückkopplungsenergie
er
haltenen Anteil in ankommenden Audio-Eingangssignalen
wesentlich zu unterdrücken. Wie nachstehend ausführlicher
beschrieben wird, wird das Rückkopplungsunterdrückungsband des
in der Rückkopplungsunterdrückungsschaltung 500 angeordneten
adaptiven Filters 510 durch selektives Vorfiltern des
gefilterten Referenzrauschsignals 740 und des gefilterten
Fehlersignals 645 definiert, die dem adaptiven Filter 510
zugeführt werden. Durch diese Signalformung wird das
Rückkopplungsunterdrückungsvermögen der Schaltung auf das
Frequenzband von Interesse (z. B. 3 bis 5 kHz) konzentriert oder
fokussiert, wodurch die Ressourcen des adaptiven Filters 510
effektiv ausgenutzt werden. Daher ist verständlich, daß die
der Operation der Rückkopplungsunterdrückungsschaltung 500
zugrunde liegenden Prinzipien denen der in Fig. 1
dargestellten Rauschunterdrückungsschaltung 100 im wesentlichen
ähnlich sind, wobei spezifische Ausführungsformen jeder
Schaltung dazu geeignet sind, unerwünschte Signalenergie in
verschiedenen Frequenzbändern zu reduzieren.
-
Gemäß Fig. 8 weist die
Rückkopplungsunterdrückungsschaltung 500 einen Eingang 520 auf, der eine beliebige
herkömmliche Quelle für ein Eingangssignal sein kann, z. B. ein
Mikrofon und ein Signalprozessor. Ein im Eingang 520
vorzugsweise angeordnetes Mikrofon (nicht dargestellt) erzeugt
ein elektrisches Eingangssignal 530 aus dem Benutzer von
außerhalb der Hörhilfe zugeführtem Schall, aus dem ein
Ausgangssignal synthetisiert wird, das durch den
Ausgangssignalwandler 540 verwendet wird, um ein gefiltertes und
verstärktes Schallsignal 545 zu emitieren. Der Eingang 520
weist außerdem einen Analog-Digital- (A/D-) Wandler (nicht
dargestellt) auf, so daß das Eingangssignal 530 ein
digitales Signal ist. Wie in Fig. 8 dargestellt, wird ein Teil
des durch den Ausgangssignalwandler 540 emittierten
Schallsignals 545 über verschiedene Rückkopplungswege, die
allge
mein durch die Rückkopplungsübertragungsfunktion 550
charakterisiert sind, zum Mikrofon im Eingang 520 zurückgekoppelt.
Das Rückkopplungssignal 570 ist eine kombinierte Darstellung
der durch den Eingang 520 empfangenen gesamten akustischen
Rückkopplungsenergie.
-
Das durch das adaptive Filter 510 erzeugte adaptive
Ausgangssignal 580 wird durch die
Eingangssignalkombiniereinrichtung 600 vom Eingangssignal 530 subtrahiert, um
ein rückkopplungsunterdrücktes Signal 610 zu erzeugen. Das
rückkopplungsunterdrückte Signal 610 wird sowohl einem
Signalprozessor 630 als auch einem Fehlerformungsfilter 640
zugeführt. Der Signalprozessor 630 ist vorzugsweise auf die
vorstehend unter Bezug auf den Signalprozessor 300 der
Rauschunterdrückungsschaltung 100 beschriebene Weise
konstruiert. Das Ausgangssignal 635 des Signalprozessors 630
wird an einem Addierglied 650 zu einem durch die
Rauschsignalsonde 670 erzeugten Breitbandrauschsignal 690 addiert.
Ein durch das Addierglied 650 erzeugtes kombiniertes
Ausgangssignal 655 wird einem Digital-Analog-Wandler 720 und
dem adaptiven Filter 510 zugeführt. Das Ausgangssignal des
Digital-Analog-Wandlers 720 wird dem Ausgangssignalwandler
540 zugeführt.
-
Die Rauschsignalsonde 670 führt außerdem das
Referenzrauschsignal 691 dem Referenzformungsfilter 730 zu, der
mit dem adaptiven Filter 510 verbunden ist. Das
Breitbandrauschsignal 690 und das durch die Rauschsignalsonde 670
erzeugte Referenzrauschsignal 691 sind vorzugsweise
identisch und gewährleisten, daß die adaptive Operation der
Rückkopplungsunterdrückungsschaltung 500 während Perioden
der Ruhe oder eines minimalen akustischen Eingangssignals
aufrechterhalten wird. Insbesondere sollte die Größe oder
Amplitude des dem Addierglied 650 zugeführten
Breitbandrauschsignals 690 groß genug sein, um zu gewährleisten,
daß mindestens ein Teil der Energie durch den Eingang 520
(als Rückkopplungssignal) empfangen wird, wenn kein anderes
Eingangssignal vorhanden ist. Auf diese Weise wird
verhindert, daß die Gewichtungskoeffizienten im adaptiven Filter
510 während Perioden eines minimalen Audio-Eingangssignals
"fließen" oder "schwimmen" (d. h., es wird verhindert, daß
sie zufällig angeordnet werden). Die Rauschsignalsonde 670
kann herkömmlich beispielsweise durch einen
Zufallszahlgenerator realisiert werden, der eine statistische oder
zufällige Folge erzeugt, die einem im wesentlichen gleichmäßigen
Breitbandrauschsignal entspricht. Das Breitbandrauschsignal
690 kann mit einem Pegel unterhalb eines hörbaren
Schwellenwertes des Benutzers, normalerweise eines hörgeschädigten
Benutzers, bereitgestellt werden, und wird durch Personen
mit weniger ernsthaften Hörverlusten als weißes Rauschsignal
mit niedrigem Pegel wahrgenommen.
-
Wenn die Rauschsignalsonde 670 in Betrieb ist, kann im
allgemeinen eine schnellere Konvergenz des adaptiven Filters
510 erhalten werden, indem der Hauptsignalpfad durch
vorübergehendes Unterbrechen des der Kombiniereinrichtung 650
vom Signalprozessor 630 zugeführten Ausgangssignals
unterbrochen wird.
-
Alternativ kann, wie in Fig. 10 dargestellt, an Stelle
der Rauschsonde 670 ein zweites Mikrofon 521 verwendet
werden, um die Referenzsignale 690 und 691 bereitzustellen. Wie
unter Bezug auf Fig. 9 diskutiert wurde, wird ein solches
zweites Mikrofon 521 vorzugsweise ausreichend weit vom
Mikrofon angeordnet, das vorzugsweise im Eingang 520
angeordnet ist, um eine Unterdrückung der Sprachenergie im
Eingangssignal 530 zu verhindern.
-
Gemäß den Fig. 8 und 10 wird das gefilterte
Referenzrauschsignal 740, das verwendet wurde, um die Gewichte
des adaptiven Filters 510 zu modifizieren, durch Durchlassen
des Referenzrauschsignals 691 durch das
Referenzformungsfilter 730 erzeugt. Das Fehlerformungsfilter 640 und das
Referenzformungsfilter 730 werden vorzugsweise als FIR- (finite
impulse response) Filter mit einer
Übertragungscharakteristik oder -kennlinie realisiert, die geeignet ist, ein vom
Eungangssignal 530 zu entfernendes Rückkopplungsspektrum
(z. B. 3 bis 5 kHz) durchzulassen. Weil die Sprachkomponente
des Eingangssignals 530 im Referenzrauschsignal 691 nicht
vorhanden ist, wird die Sprachenergie im Eingangssignal 530
bezüglich des adaptiven Ausgangssignals 580 unkorreliert
sein, das durch das adaptive Filter 510 vom
Referenzrauschsignal 691 synthetisiert wurde. Dadurch wird die
Sprachkomponente des Eingangssignals 530 nach der Kombination mit dem
adaptiven Ausgangssignal 580 durch die
Signalkombiniereinrichtung 600 unabhängig davon, in welchem Maß die
Formungsfilter (640 und 730) Signalenergie innerhalb des
Frequenzbereichs intelligenter Sprache übertragen, grundsätzlich
intakt gehalten. Dadurch können die
Übertragungscharakteristiken oder -kennlinien der Formungsfilter (640 und 730)
uneingeschränkt ausgewählt werden, um die
Rückkopplungsunterdrückungsressourcen der Rückkopplungsunterdrückungsschaltung
500 auf den Spektralbereich zu konzentrieren oder zu
fokussieren, in dem die Verstärkung in der
Rückkopplungsübertragungsfunktion 550 am größten ist.
-
Die Rückkopplungsübertragungsfunktion 550 kann durch
Übertragen von Rauschsignalenergie von der Position des
Ausgangssignalwandlers 540 und Messen der akustischen
Wellenform des am Eingang 520 empfangenen Rückkopplungssignals 570
empirisch bestimmt werden.
-
Alternativ kann die Rückkopplungsübertragungsfunktion
550 analytisch bestimmt werden, wenn hinsichtlich der
akustischen Charakteristiken oder Kenngrößen der Umgebung
zwischen dem Ausgangssignalwandler 540 und dem Eingang 520
spe
zifizierte Informationen verfügbar sind. Beispielsweise
könnten mit den akustischen Eigenschaften des menschlichen
Ohrkanals und der spezifischen physischen Struktur der
Hörhilfe in Beziehung stehende Informationen verwendet werden,
um die Rückkopplungsübertragungsfunktion 550 analytisch zu
bestimmen.
-
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezug auf wenige
spezifische Ausführungsformen beschrieben, und die
Beschreibung dient zur Darstellung der Erfindung und soll die
Erfindung nicht einschränken. Beispielsweise können von einem
LMS-Filteralgorithmus verschiedene Algorithmen verwendet
werden, um die in der Rauschunterdrückungsschaltung 100 und
in der Rückkopplungsunterdrückungsschaltung 500 angeordneten
adaptiven Filter zu steuern. Ähnlicherweise können die
Formungsfilter (270, 310, 640 und 730) so abgestimmt oder
abgeglichen werden, daß die adaptive Filterfunktion fokussiert
wird, um unerwünschte Signalenergie in von den hierin
beschriebenen Spektralbereichen verschiedenen
Spektralbereichen zu eliminieren.