DE69906979T2

DE69906979T2 - Hörhilfegerät mit strahlformungseingeschaften

Info

Publication number: DE69906979T2
Application number: DE69906979T
Authority: DE
Inventors: Hougaard Andersen; Carl Ludvigsen
Original assignee: Widex AS
Current assignee: Widex AS
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2019-02-06
Also published as: CA2341255A1; AU753295B2; JP2002536931A; DK1097607T3; AU2831799A; JP4468588B2; DE69906979D1; CA2341255C; US6339647B1; ATE237917T1; EP1097607A1; EP1097607B1; WO2000047015A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Hörgerät mit Strahlformungseigenschaften in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Strahlformung unter Benutzung von wenigstens zwei oder mehreren voneinander beabstandeten Mikrophonen ist seit vielen Jahren bekannt.

Hintergrund der Erfindung

In der EP 0820210 A2 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlformung einer Mikrophoncharakteristik beschrieben, durch welche eine festgelegte Verstärkungscharakteristik in Abhängigkeit von der Richtung, aus der akustische Signale an zwei voneinander beabstandeten Mikrophonen empfangen werden, dadurch geformt wird, daß wiederholt ein gegenseitiges Verzögerungssignal aus den Ausgangssignalen der Mikrophone bestimmt wird und entsprechend der Empfangsverzögerung der Mikrophone eines der Ausgangssignale gefiltert wird, wodurch die Filter-Transfercharakteristik in Abhängigkeit von dem gegenseitigen Verzögerungssignal gesteuert wird. Das Ausgangssignal des Filtervorgangs wird als elektrisches Empfangssignal genutzt.
So wird im Prinzip eine Zeitverzögerung oder eine Phasenverzögerung zwischen den beiden Ausgangssignalen der beiden Mikrophone für einen Strahlformungsvorgang verwendet.
Bei einem digitalen Hörgerät werden die einzelnen Abtastungen mit einer durch die Abtastfrequenz gleichmäßig aufgeteilten Zeitdifferenz, beispielsweise normalerweise 32 us, genommen. Die gewünschte Verzögerung zwischen zwei oder mehreren Mikrophonsignalen ist typischerweise weniger als 32 us, beispielsweise 15 us. Ein Weg, um eine Verzögerung zu erhalten, die geringer ist als eine Abtastung, ist, mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) Signalwerte zwischen zwei Abtastungen mit einer bestimmten Verzögerung zu interpolieren und solche verzögerten Abtastwerte in der weiteren Verarbeitung zu verwenden. Dies erfordert jedoch viele Berechnungen und verbraucht wertvollen Platz und wertvolle Leistung im DSP.
Außerdem wird das Signal etwas verzerrt, da die verzögerten Abtastungen keine "echten" Abtastungen sind.
Für eine aktive Steuerung der Strahlformungseigenschaften eines gerichteten Hörgerätes sind jedoch die Verzögerungen, die basierend auf der Abtastfrequenz und herkömmlicher Schieberegistertechnologie erreichbar wären, viel zu lang, um nützlich zu sein.
Um Abtastverzögerungen bis hinunter zu 1 us zu realisieren, kann die herkömmliche Technologie nicht verwendet werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Hörgerät mit Strahlformungseigenschaften vorzuschlagen, bei dem eine aktive Steuerung der Verzögerung wenigstens eines der eingehenden Signale des Hörgerätes mit wenigstens zwei Mikrophonen für eine aktive Strahlformung benutzt werden kann. Mit einem solchen Hörgerät kann eine große Anzahl von verschiedenen Richtungsorientierungen des Hörgeräts aktiv und steuerbar realisiert werden.
Insbesondere können durch die Benutzung von schnelleren Abtastraten die Abtastungen aufgrund ihrer kürzeren Zeitintervalle direkt benutzt werden, so daß wünschenswerte kurze Verzögerungen realisierbar sind.
Durch Verwendung eines Sigma-Delta-Wandlers mit einer Abtastrate oder Taktfrequenz von beispielsweise 1 MHz und durch Einfügen einer 1-Bit-einstellbaren und steuerbaren digitalen Verzögerungsleitung im Bitstrom von einem der Sigma-Delta- Wandler zu dem entsprechenden Dezimator-Filter des Wandlers kann man verzögerte Differenzstufen von Vielfachen von 1 us erhalten, was mit herkömmlicher Hörgerätetechnologie nicht erreichbar war.
Die Verwendung eines hochfrequent getakteten Sigma-Delta-Wandlers als Teil einer Verstärkerstufe ist an sich bekannt aus einem digitalen Einkanal-Hörgerät, das in der DE-A-44 41 996 beschrieben ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Zu diesem Zweck wurde ein neues Hörgerät mit Strahlformungseigenschaften entwickelt, das wenigstens zwei Mikrophonkanäle für wenigstens zwei Mikrophone aufweist, wobei die Mikrophonkanäle jeweils wenigstens einen Analog-Digital- Wandler aufweisen, welches Hörgerät wenigstens einen programmierbaren oder programmierten digitalen Signalprozessor, einen Digital-Analog-Wandler, wenigstens einen Empfänger und eine Batterie zur Stromversorgung aufweist.
Dieses neue Hörgerät weist erfindungsgemäß in jedem der Mikrophonkanäle einen Digital-Analog-Wandler des Sigma-Delta-Typs mit einem digitalen Tiefpaßfilter und einen Dezimator-Filter zur Umwandlung eines 1-Bit-Stroms einer hochfrequenten Taktfrequenz in eine Digitalwortsequenz einer geringeren Taktfrequenz auf, wobei wenigstens einer der wenigstens zwei Mikrophonkanäle eine mit der Eingangsseite des jeweiligen digitalen Tiefpaßfilters und des Dezimator-Filters des Kanals verbundene steuerbare Verzögerungseinrichtung aufweist, wobei die Verzögerungseinrichtung durch den wenigstens einen digitalen Signalprozessor steuerbar ist.
Es ist vorteilhaft, wenn die Verzögerungseinrichtung in den Sigma-Delta-Analog- Digital-Wandler integriert ist.
Es ist von besonderer Bedeutung, als Verzögerungseinrichtung ein programmierbares oder programmgesteuertes Anzapf-Schieberegister zur Realisierung verschiedener unterschiedlicher Verzögerungen des Bitstromsignals zu verwenden, bevor dieses zu dem jeweiligen digitalen Tiefpaßfilter und Dezimator gelangt. Um steuerbare Verzögerungen, die so kurz wie 1 us sind, zu realisieren, ist es vorteilhaft, eine Taktfrequenz für den Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler im Bereich von 1 MHz oder sogar höher zu verwenden und eine Taktfrequenz im Bereich von 10 bis 50 KHz für das digitale Tiefpaßfilter das Dezimator-Filter zu verwenden.
Es ist mit einer solchen Konfiguration auf der Eingangsseite des Strahlformungs- Hörgeräts mit aktiver Strahlformung einleuchtend, daß verschiedene andere Möglichkeiten bestehen, die Gegenstand der verbleibenden Ansprüche sind. Insbesondere kann durch dieses neue Hörgerät eine Verzögerung sehr hoher Auflösung erzielt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun in größerem Detail in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 schematisch eine Anzahl von Polardiagrammen von Variationen der Strahlrichtungen zeigt, die erfindungsgemäß realisiert werden können;
Fig. 2 schematisch die allgemeine Struktur eines Sigma-Delta-Analog-Digital- Wandler (ADC) zeigt;
Fig. 3 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt; und
Fig. 4, 5, 6 und 7 schematisch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen.
Fig. 1 illustriert vier verschiedene Richtungsmuster in Polardiagrammen.
Fig. 1a repräsentiert das Hypercardiodid-System, das einen sehr wünschenswerten Richtungseffekt hat. Fig. 1b ist das bidirektionale System, das keine Verzögerung für irgendeines der beiden Mikrophone aufweist und daher alle Töne abschwächt, die direkt von den Seiten (90 Grad und 270 Grad) kommen, da sich die beiden Mikrophone ausgleichen. Fig. 1c ist das Cardioid, das eine Verzögerung im vorderen Mikrophon gleich der longitudinalen Verzögerung zwischen den beiden Eingängen der zwei Mikrophone haben muß. Schließlich ist Fig. 1d das alldirektionale oder sphärische System, das einfach aus einem einzigen Mikrophon besteht (das andere Mikrophon ist ausgeschaltet), oder bei dem die beiden Mikrophonsignale addiert und nicht voneinander subtrahiert werden.
Durch Steuerung der verschiedenen Verzögerungseinrichtungen können jedoch auch andere Richtungsmuster realisiert werden. Das wird aus der folgenden Beschreibung der Fig. 2 bis 7 deutlicher werden.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Wie oben erläutert wurde, konnten zur Realisierung von erfindungsgemäßen Hörgeräten normale Analog-Digital-Wandler, die mit normalen Taktfrequenzen von 16 oder 32 KHz arbeiten, zur Realisierung von Verzögerungen im Bereich von 1 us oder Vielfachen davon nicht verwendet werden.
Fig. 2 zeigt den wohlbekannten Typ eines Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlers erster Ordnung, der im wesentlichen eine Summierschaltung, einen Integrator, eine Komparatorstufe (1-Bit-ADC) und ein digitales Tiefpaßfilter 4 und ein Dezimator- Filter aufweist. Die Komparatorstufe wird durch einen Hochfrequenz-Generator gesteuert, der Taktpulse im Bereich von 1 MHz oder höher liefert. Das digitale Tiefpaßfilter und das Dezimator-Filter arbeiten mit einer Taktfrequenz von beispielsweise 32 KHz und wandeln den 1-Bit-Strom mit einer Taktfrequenz von ungefähr 1 MHz in eine Sequenz von Datenwörtern mit einer geringeren Frequenz, beispielsweise 16 oder 32 KHz um. Diese Datenwörter können beispielsweise 20 Bit breit sein. Diese Datenwörter werden dann normalerweise einem programmierbaren oder programmgesteuerten digitalen Signalprozessor zugeführt.
Es sei angemerkt, daß alle Ausführungsbeispiele der Erfindung ADC's eines solchen Sigma-Delta-Typs verwenden, vorausgesetzt, eine hohe Taktfrequenz im Bereich von 1 MHz oder mehr wird zur Steuerung des Komparators verwendet.
Fig. 3 zeigt schematisch ein erstes Beispiel des erfindungsgemäßen Konzeptdesigns.
Zwei Mikrophonkanäle 1a und 1b weisen Mikrophone 2a und 2b und Sigma-Delta- Analog-Digital-Wandler 3a, 3b mit digitalen Tiefpaßfiltern und Dezimator-Filter 4a, 4b zur Zuführung von Datenwörtern zu einem programmierbaren oder programmgesteuerten digitalen Signalprozessor 5 auf.
In einem der Mikrophonkanäle ist eine steuerbare Verzögerungseinrichtung 6 enthalten. Die Verzögerungseinrichtung ist typischerweise ein Mehrfachabgriff- Schieberegister, und das von dem DSP 5 kommende Steuersignal entscheidet, wie viele 1-Bit-Stufen jede Abtastung des Bitstromes durchläuft (und dadurch verzögert wird), bevor sie abgegriffen und in dem System weitergesendet wird, in diesem Fall zu dem digitalen Tiefpaßfilter und dem Dezimator 4. Die resultierende Verzögerung ist gleich der Anzahl der Stufen multipliziert mit der inversen Abtastrate, beispielsweise 1 MHz.
Mit der hohen Auflösung des Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlers kann die Zeitauflösung 30 bis 40 mal höher sein als sie innerhalb des DSP unter Verwendung von dessen Taktung als Basis für Verzögerungen möglich wäre. Normalerweise kann dieser Aufbau die Strahlformung nur von vorne oder hinten aber nicht beides handhaben. Die steuerbare Verzögerung würde durch den DSP gesteuert werden, so daß der DSP den Strahl in die gewünschten Richtungen richtet.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Alle Teile und Komponenten, die mit denen in Fig. 3 übereinstimmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden daher nicht erneut beschrieben. Dies gilt für alle anderen Figuren ebenso, so daß nur die Unterschiede im Detail erläutert werden.
Un Fig. 4 enthalten beide Mikrophonkanäle 1a und 1b jeweils eine steuerbare Verzögerungseinrichtung 6a, 6b. Diese können natürlich unabhängig und separat voneinander gesteuert werden. Obwohl zwei Verzögerungseinrichtungen enthalten sind, ist es möglich, daß nur eine davon steuerbar ist, währen die andere ausgeschaltet ist.
Die Ausgangssignale des digitalen Tiefpaßfilters und der Dezimator-Filter 4a und 4b werden in einer Summierschaltung 7 zusammengefügt und an den DSP weitergeleitet. Dadurch, daß man eine steuerbare Verzögerung in beiden Sigma-Delta- Wandlern hat, wird es möglich, den Strahlformungsvorgang umzukehren und sowohl vorne als auch hinten zu verwenden.
In Fig. 5, die in beinahe allen Belangen ähnlich zu Fig. 4 ist, wird das Ausgangssignal des unteren der beiden Mikrophonkanäle nun mit einem ersten Eingang einer Multipliziererstufe 8 verbunden, deren zweiter Eingang ein Steuer- Eingangssignal von dem DSP empfängt.
Das Ausgangssignal der Multipliziererstufe 8 wird dem zweiten Eingang der Summierschaltung 7 zugeführt, die den DSP beliefert.
Es kann wünschenswert sein, eine Verschiebung beispielsweise von dem Hypercardioid zu der allseitigen Charakteristik auszuführen. Für diesen Zweck ist der Multiplizierer 8 hinter dem digitalen Tiefpaßfilter und dem Dezimator-Filter für ein Mikrophon oder für beide hinzugefügt. Der DSP kann dann die Abtastungen mit Faktoren zwischen -1 und +1 multiplizieren.
Fig. 6 zeigt die Erweiterung von zwei Mikrophonkanälen auf mehrere Mikrophonkanäle. Wiederum können steuerbare Verzögerungseinrichtungen in einem Kanal, in zwei Kanälen oder in allen Kanälen vorgesehen sein. Die Ausgangssignale aller Kanäle werden in einer Verknüpfungsschaltung 9 verknüpft, deren Ausgangssignale dem DSP zugeführt werden. Die Verknüpfung kann, wenn gewünscht, mit verschiedenen Verknüpfungsfaktoren zwischen -1 und +1 ausgeführt werden.
Schließlich zeigt Fig. 7 eine weitere Variation der erfindungsgemäßen Schaltung, bei der wenigstens einer der Mikrophonkanäle nicht nur eine Verzögerungseinrichtung und ein digitales Tiefpaßfilter und ein Dezimator-Filter, sondern zwei von diesen in Parallelschaltung aufweist. Es ist ebenso denkbar, daß diese Parallelanordnungen in einem oder mehreren oder in allen Kanälen realisiert sind.
Es ist auch möglich, mehr als zwei Verzögerungseinrichtungen parallel in wenigstens einem der Mikrophonkanäle zu verwenden, die alle mit dem jeweiligen digitalen Tiefpaßfilter und Dezimator-Filter wenigstens eines der Kanäle verbunden sind.

Claims

1. Hörgerät mit Strahlformungseingenschaften mit wenigstens zwei Mikrophonkanälen (1a, 1b) für wenigstens zwei Mikrophone (2a, 2b), wobei die Mikrophonkanäle jeweils einen Analog-Digital-Wandler (3a, 3b) enthalten, und mit wenigstens einem programmierbaren oder programmgesteuerten digitalen Signalprozessor (6) und wenigstens einem Digital-Analog-Wandler und wenigstens einem Empfänger und einer Batterie zur Stromversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mikrophonkanal (1a, 1b) einen Analog-Digital-Wandler (3a, 3b) des Sigma-Delta-Typs mit einem digitalen Tiefpaßfilter und einen Dezimator (4) zur Umsetzung eines 1-Bit-Stroms mit einer hohen Taktfrequenz in eine digitale Wortsequenz einer niedrigeren Taktfrequenz aufweist, und daß wenigsten einer der wenigstens zwei Mikrophonkanäle eine steuerbare Verzögerungseinrichtung (6) aufweist, die mit der Eingangsseite des jeweiligen digitalen Tiefpaßfilters und des Dezimators (4) des Kanals verbunden ist, wobei die Verzögerungseinrichtung (6) durch den wenigstens einen digitalen Signalprozessor (5) steuerbar ist.

2. Hörgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung (6) in den Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (3) integriert ist.

3. Hörgerät gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sigma- Delta-Wandler 1. Ordnung in den wenigstens zwei Mikrophonkanälen verwendet wird.

4. Hörgerät gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sigma- Delta-Wandler 2. oder höherer Ordnung in den wenigstens zwei Mikrophonkanälen verwendet wird.

5. Hörgerät gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz für den Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (3) im Bereich von 1 MHz oder höher ist und daß die niedrigere Frequenz für die digitale Wortsequenz im Bereich von 10 bis 50 KHz ist.

6. Hörgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Verzögerungseinrichtung ein programmierbares oder programmgesteuertes Abgriff-Schieberegister zur Realisierung verschiedener unterschiedlicher Verzögerungen der Bitstromsignale aufweist, bevor diese zum digitalen Tiefpaßfilter und zum Dezimator gelangen.

7. Hörgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der wenigstens zwei Mikrophonkanäle direkt in dem DSP verknüpft werden können einschließlich einer weiteren Verarbeitung oder Filterung der Ausgangssignale.

8. Hörgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der wenigstens zwei Mikrophonkanäle in einer Summierschaltung (7) zur Steuerung des digitalen Signalprozessors verknüpft werden.

9. Hörgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Sigma- Delta-Wandler (3a, 3b) der wenigstens zwei Mikrophonkanäle (1a, 1b) eine steuerbare Verzögerungseinrichtung (6a, 6b) enthalten ist.

10. Hörgerät gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer der wenigstens zwei Mikrophonkanäle direkt mit der Summierschaltung (7) verbunden ist, wobei der andere der zwei Mikrophonkanäle mit einem ersten Eingang einer Multipliziererstufe (8) verbunden ist, deren Ausgang mit der Summierschaltung (7) gekoppelt ist, wobei ein zweiter Eingang der Multipliziererstufe (8) durch den digitalen Signalprozessor (5) gesteuert wird.

11. Hörgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der steuerbaren Verzögerungseinrichtungen in einer Verknüpfungsschaltung verknüpft werden, die mit der Eingangsseite des wenigstens einen digitalen Signalprozessors (5) verbunden ist.

12. Hörgerät gemäß Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der wenigstens zwei Mikrophonkanäle mit einem Sigma-Delta-Analog-Digital- Wandler mit wenigstens zwei parallelen Verzögerungseinrichtungen versehen ist, die auf zwei digitalen Tiefpaßfiltern und Dezimatoren arbeiten, wobei die Ausgangssignale aller dieser digitalen Tiefpaßfilter und Dezimatoren in einer Verknüpfungsschaltung verknüpft werden, die mit der Eingangsseite des wenigstens einen digitalen Signalprozessors verbunden ist oder direkt mit dem digitalen Signalprozessor als individuelle oder separate Signale verbunden sind.

13. Hörgerät gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Fernsteuereinheit zur Steuerung des digitalen Signalprozessors zu Erzielung verschieden gerichteter Strahlformungsorientierungen der wenigstens zwei Mikrophone durch Beeinflussung einer oder mehrerer der Verzögerungseinrichtungen zur Erzeugung verschiedener unterschiedlicher Verzögerungen.