Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur wechselseitigen
Adaption mehrerer Mikrofone eines Hörgeräts. Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende
Vorrichtung zur Adaption der Mikrofone.
Hörgeschädigte leiden häufig unter einer verminderten Kommunikationsfähigkeit
in Störlärm. Zur Verbesserung des Signal/Störgeräusch-Verhältnisses
werden seit einiger Zeit
Richtmikrofonanordnungen eingesetzt, deren Nutzen für den
Hörgeschädigten unumstritten ist. Dabei werden häufig entweder
Systeme erster Ordnung, d. h. mit zwei Mikrofonen, oder
höherer Ordnung eingesetzt. Die Ausgrenzung von rückwärtig
empfangenen Störsignalen sowie die Fokussierung auf frontal
einfallende Schalle ermöglichen eine bessere Verständigung in
Alltagssituationen.
Richtmikrofone sind jedoch sensibel gegenüber Verstimmungen
der Übertragungsfunktionen der Mikrofone nach Betrag und
Phase. Die Empfindlichkeit gegenüber Verstimmungen steigt mit
der Ordnung des Richtmikrofonsystems und mit fallender Frequenz.
Bei niedrigen Frequenzen sind derartige Richtmikrofonsysteme
am empfindlichsten.
In dem Dokument EP 0982971 A2 ist in diesem Zusammenhang dargelegt,
dass ein Mikrofon bei tiefen Frequenzen durch einen
Hochpass erster Ordnung bestimmt werden kann. Dementsprechend
lässt sich gemäß FIG 1 ein erstes Mikrofon 1 durch einen
Hochpass mit der Übertragungsfunktion s/s-pol_ac1 charakterisieren.
Das Mikrofon 1 nimmt ein erstes Eingangssignal 2 auf.
Dieses mit dem Hochpassfilter des Mikrofons 1 gefilterte Eingangssignal
2 wird mit Hilfe eines ersten Kompensationsfilters
3 in ein erstes Mikrofonausgangssignal 4 gewandelt. Das
Kompensationsfilter 3 besitzt die Übertragungsfunktion s-pol_ac1/s-pol_ideal.
Sowohl Zähler als auch Nenner können als
Polynom dargestellt werden. Das Zählerpolynom des Kompensationsfilters
3 wird so gewählt, dass es dem Nennerpolynom des
akustischen Hochpasses des Mikrofons 1 entspricht. Das Nennerpolynom
des Kompensationsfilters 3 entspricht dem Nennerpolynom
des Hochpasses eines idealen Mikrofons. Durch Multiplikation
der beiden Übertragungsfunktionen des Hochpasses,
der das reale Mikrofon 1 charakterisiert, und des Kompensationsfilters
3 ergibt sich eine Normierung hinsichtlich des
idealen Mikrofons und die spezifische Übertragungsfunktion
des ersten Mikrofons ist kompensiert.
Bei der Betrachtung von Hörgerätemikrofonen hat sich gezeigt,
dass in einem vereinfachten Ansatz insbesondere der am unteren
Rand des nutzbaren Frequenzbandes vorhandene akustische
Hochpass hinsichtlich Verstimmungen untersucht werden muss.
Verschmutzungen, Alterung oder veränderte Umwelteinflüsse
wirken besonders stark auf diesen Hochpass und verändern somit
Amplituden- und Frequenzgang des Mikrofons im besonders
kritischen, mittleren und unteren Frequenzbereich. Ein Möglichkeit,
derart hervorgerufene Verstimmungen zu reduzieren,
besteht darin, in allen Mikrofonpfaden dieselbe Hochpasseckfrequenz
zu erzwingen.
In gleicher Weise wird der spezifische Hochpass mit der Übertragungsfunktion
s/s-pol_ac2 des zweiten Mikrofons 5 durch
ein zweites Kompensationsfilter 6 mit der Übertragungsfunktion
s-pol_ac2/s-pol_ideal kompensiert, so dass aus dem zweiten
Mikrofoneingangssignal 7 ein entsprechendes zweites Mikrofonausgangssignal
8 entsteht. Auch hier wird das Nennerpolynom
des Hochpasses 5 durch das Zählerpolynom des zweiten
Kompensationsfilters 6 eliminiert. Mit diesen beiden Kompensationsfiltern
3 und 6 können die Schwankungen der Hochpassgrenzfrequenz
von Mikrofon zu Mikrofon, die insbesondere bei
tiefen Frequenzen zu Phasen- und Amplitudenfehlern führen
würden, ausgeglichen werden, indem in allen Mikrofonpfaden
dieselben Eckfrequenzen eingestellt werden.
In dem weiteren Dokument US 6,272,229 B1 wird ein Verfahren
zum relativen, adaptiven Phasenabgleich von zwei Mikrofonen
grob skizziert. Dabei wird ein allgemeines Blockschaltbild
für ein adaptives System angegeben. Das System beinhaltet einen
Block "acoustical delay compensation", der in einer Art
Vorverarbeitung die lineare Phasendifferenz der Mikrofone,
die durch die Signallaufzeit zwischen den Mikrofonen bedingt
ist, ausgleicht. Eine Adaptionsvorschrift ist jedoch nicht
angegeben.
Weitere interne Realisierungen greifen vor allem den Eingangsempfindlichkeitsunterschied
der Mikrofone auf. Über eine
zeitlich gemittelte Betrachtung der Eingangspegel an den Mikrofonen
kann Rückschluss über die Eingangsempfindlichkeit der
Mikrofone gezogen werden. Unter der Annahme, dass die einfallenden
Schaltsignale zwar zeitverzögert, aber mit nahezu dem
gleichen Pegel von allen Mikrofonen empfangen werden, kann
über einen Abgleich der gemittelten Eingangspegel an den Mikrofonen
die Amplitude der Eingangsempfindlichkeiten abgeglichen
werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
Kompensation von Mikrofonunterschieden bei Hörgeräten zu vereinfachen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren
zur wechselseitigen Adaption mehrerer Mikrofone eines Hörgeräts,
durch Messen einer ersten Amplitude eines ersten Ausgangssignals
von einem ersten der mehreren Mikrofone in einem
vorgegebenen Frequenzbereich, Messen einer zweiten Amplitude
eines zweiten Ausgangssignals von einem zweiten der mehreren
Mikrofone in dem vorgegebenen Frequenzbereich und Filtern des
ersten Ausgangssignals in Abhängigkeit von der ersten Amplitude
und der zweiten Amplitude, so dass die Differenz zwischen
den beiden Ausgangssignalen reduziert wird.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen eine Vorrichtung zur
wechselseitigen Adaption mehrerer Mikrofone eines Hörgeräts,
mit einer ersten Messeinrichtung zum Messen einer ersten Amplitude
eines ersten Ausgangssignals von einem ersten der mehreren
Mikrofone in einem vorgegebenen Frequenzbereich, einer
zweiten Messeinrichtung zum Messen einer zweiten Amplitude
eines zweiten Ausgangssignals von einem zweiten der mehreren
Mikrofone in dem vorgegebenen Frequenzbereich und einer Filtereinrichtung,
die an die erste und zweite Messeinrichtung
angeschlossen ist, zum Filtern des ersten Ausgangssignals in
Abhängigkeit von der ersten Amplitude und der zweiten Amplitude,
so dass die Differenz zwischen den beiden Ausgangssignalen
reduzierbar ist.
Gegenüber dem Stand der Technik nach FIG 1 kann durch die Erfindung
auf ein Kompensationsfilter in einem Mikrofonpfad,
dem Referenzpfad, verzichtet werden. Jeweils ein Kompensationsfilter
ist damit in jedem Pfad, außer dem Referenzpfad,
enthalten. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei drei Mikrofonen
in zwei Mikrofonpfaden ein Kompensationsfilter vorzusehen
ist, während der dritte Mikrofonpfad als Referenzpfad
verwendet wird.
Vorzugsweise entspricht der vorgegebene Frequenzbereich für
das Messen der Amplituden der beiden Ausgangssignale der Mikrofone
einem Frequenzband unterhalb von 150 Hz. Insbesondere
liegt das Frequenzband zwischen 40 und 60 Hz oder 80 bis 120
Hz. Dies ist der Bereich, in dem sich Unterschiede in der
Eckfrequenz der Hochpassfilter der Mikrofone besonders stark
bemerkbar machen.
Die Filterung kann durch eine Regelschleife angepasst werden,
so dass die erste und zweite Amplitude einander entsprechen.
Dadurch ist es möglich, der zeitlichen Änderung der Übertragungsfunktion
der Mikrofone beispielsweise durch Verschmutzungen
oder Alterung wirksam zu begegnen.
Die Kompensationsfilterung kann in zwei Teilfilterungen aufgeteilt
werden. Eine erste Teilfilterung wird dabei durch ein
Nennerpolynom, das die Hochpasseckfrequenz des Referenzpfads
modelliert, realisiert. Ein zweites Teilfilter wird durch ein
Zählerpolynom, das so adaptiert wird, dass die gemittelte Pegeldifferenz
zwischen den Mikrofonpfaden minimal wird, realisiert.
Die Adaption findet durch Betragsbildung der Signale
statt, wodurch eine Phasenabhängigkeit entfällt. Damit kann
auf eine Einheit wie den oben genannten "acoustical delay
compensation"-Block verzichtet werden.
Vorzugsweise sind die Koeffizienten des Zählerpolynoms nur
von einem einzigen Parameter abhängig. Dies führt zu einem
geringen Aufwand bei der Adaption. Ist lediglich das Zählerpolynom
adaptierbar, so führt dies prinzipiell nicht zu identisch
gleichen Mikrofonsignalen, da ein Fehler zwischen der
Charakteristik des Referenzmikrofons und der im Nennerpolynom
beschriebenen Filterwirkung bestehen kann. Die Wirkung dieser
guten Näherungslösung ist aber ausreichend, um die Richtwirkung
mit minimalem Aufwand deutlich zu verbessern.
Eine optimale Adaption der zwei oder mehr Mikrofone aneinander
ist möglich, wenn auch das Nennerpolynom variierbar ist.
Diese zusätzliche Adaptionsmöglichkeit gewährleistet auch
eine raschere Adaption durch den Regelkreis.
Vorteilhafterweise können durch das Filtern Betrag und/oder
Phase des ersten Ausgangssignals modifiziert werden. Damit
lässt sich die Einstellung des Richtmikrofons verbessern.
Der Vorteil einer Adaption mit dem Mikrofonmodell gegenüber
einer Adaption mit einem Filter, das beliebige Phasenfunktionen
nachbilden kann, liegt zum einen in der Einfachheit der
Realisierung. Zum anderen ist es grundsätzlich vorteilhaft,
von einer vereinfachten Modellvorstellung auszugehen und die
Kompensation speziell auf das Modell auszurichten.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
- FIG 1
- ein Blockschaltbild zur Kompensation von Verschiebungen
von Hochpasseckfrequenzen gemäß dem Stand der
Technik;
- FIG 2
- ein Blockschaltbild zur Kompensation von Verschiebungen
von Hochpasseckfrequenzen gemäß der vorliegenden
Erfindung;
- FIG 3
- ein Schaltungsdiagramm einer Kompensationsschaltung
gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; und
- FIG 4
- ein Schaltungsdiagramm einer Kompensationsschaltung
gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen
bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Ziel ist es, die zwei oder mehr Mikrofone in ihrem elektrischen
und akustischen Verhalten aneinander anzupassen. Jedes
Mikrofon kann im tieffrequenten Bereich durch einen charakteristischen
akustischen Hochpass, dessen Eckfrequenz etwa bei
50 Hz liegt und einen elektrischen Hochpass, dessen Eckfrequenz
etwa 100 Hz liegt, beschrieben werden. Sowohl die akustischen
als auch die elektrischen Hochpässe der mehreren Hörgerätemikrofone
sind geringfügig voneinander verschieden und
können auf die folgende Art aneinander adaptiert werden.
Gemäß dem Blockschaltbild von FIG 2 besteht eine erfindungsgemäße
Kompensation der Mikrofonunterschiede darin, dass zunächst
wie beim Stand der Technik gemäß FIG 1 das Mikrofoneingangssignal
2 mit einem akustischen Hochpass 1 des ersten
Mikrofons 1 mit der Übertragungsfunktion s/s-pol_ac1 gefiltert
wird. Das anschließende Kompensationsfilter 3' besitzt
die Übertragungsfunktion s-pol_ac1/s-pol_ac2. Mit dieser
Übertragungsfunktion wird dem zweiten Mikrofonpfad, der in
FIG 2 unten dargestellt ist, Rechnung getragen. In diesem
zweiten Mikrofonpfad wird wie beim Stand der Technik das Signal
7 eines Referenzmikrofons 5 einer Hochpassfilterung entsprechend
der Übertragungsfunktion s/s-pol_ac2 unterzogen.
Das Nennerpolynom des zweiten akustischen Hochpasses des
zweiten Mikrofons 5 wird zur Normierung des Kompensationsfilters
3' im ersten Mikrofonpfad verwendet. Mit dieser Normierung
muss das Kompensationsfilter 3' nicht auf ein ideales
Mikrofon normiert werden, um das erste Mikrofonausgangssignal
4 zu erhalten. Im zweiten Mikrofonpfad kann dadurch auf ein
Kompensationsfilter verzichtet werden, um das zweite Mikrofonausgangssignal
8 zu erhalten.
Das Kompensationsfilter 3' besitzt eine Übertragungsfunktion
mit einem Zählerpolynom s-pol_ac1 und einem Nennerpolynom s-pol_ac2.
Bei einer vereinfachten Kompensation wird nur der
Zähler und nicht der Nenner und der Zähler angepasst. Der
Nenner des Kompensationsfilters 3' wird bei einer Nominalfrequenz
festgelegt. Im akustischen Fall liegt die Nominalfrequenz
bei 50 Hz und im elektrischen Fall bei 100 Hz. Mit dieser
festen Nominalfrequenz ist jedoch nur eine näherungsweise
Kompensation möglich. Diese näherungsweise Kompensation ist,
wie erwähnt, hinreichend gut, um beispielsweise die Richtwirkung
eines Richtmikrofons zu verbessern.
Die Transformation eines derartigen Kompensationsfilters vom
Analog- in den Digitalbereich führt zu einem einfachen IIR-Filter
erster Ordnung, der sich wie folgt darstellen lässt:
P1 (Xp )·z+p0 (Xp ) z+qo
Die Funktionen p1 und p0 sowie der Parameter q0 ergeben sich
aus der eingangs erwähnten europäischen Patentanmeldung
EP 0982971 A2. Die Variable z stellt die Frequenzvariable des
Mikrofoneingangssignals dar. Der Parameter Xp entspricht einer
Stellgröße des Kompensationsfilters. Der Nenner ist in
diesem vereinfachten Ansatz nicht variierbar.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ergibt sich eine verbesserte Adaption des Kompensationsfilters
dadurch, dass auch der Nenner in seiner Übertragungsfunktion
durch einen Parameter Xq wie folgt variierbar ist:
p1 (Xp )·z+p0 (Xp ) z+q0 (Xp )
Eine Implementierung zur Adaption des Hochpasses eines Mikrofons
gemäß der ersten Ausführungsform, bei der der Nenner der
Übertragungsfunktion des Kompensationsfilters fest ist, ist
in FIG 3 als Blockschaltbild dargestellt. Die Eingangseinheit
bildet das Kompensationsfilter 3', das bereits in Zusammenhang
mit FIG 2 erläutert wurde. Eingangssignal ist auch hier
das Signal 2 eines ersten Mikrofons, wobei bei dieser Darstellung
im Gegensatz zu FIG 2 auf die Wiedergabe eines akustischen
Hochpasses, der das Mikrofon darstellt, verzichtet
wurde. Ausgangssignal des Kompensationsfilters 3', der das
niederfrequente Mikrofon-Matching im vorliegenden Fall des
akustischen Hochpasses bei 50 Hz durchführt, ist wiederum das
Signal 4. Dieses wird einer Multiplikationseinheit 10 zugeführt,
in der das Signal mit einem entsprechenden Kompensationsfaktor
11 breitbandig bezüglich der Amplitude korrigiert
werden kann.
In einem anschließenden Bandpassfilter 12 wird ein Frequenzbereich
zwischen 40 und 60 Hz aus dem Ausgangssignal der Multiplikationseinheit
10 ausgeschnitten und einem Pegelmesser
13 zugeführt. Dort wird der Pegel des zu analysierenden Frequenzbereichs
aus dem Signal des ersten Mikrofons 2 ermittelt.
Parallel hierzu wird das aus einem zweiten Mikrofoneingangssignal
8 resultierende Ausgangssignal eines gleichermaßen
nicht dargestellten zweiten beziehungsweise Referenzmikrofons
ebenfalls einer Bandpassfilterung unterzogen. Ein Bandpass 14
schneidet hierzu ebenfalls den Frequenzbereich zwischen 40
und 60 Hz aus dem Ausgangssignal des Mikrofons aus und liefert
das gefilterte Signal ebenfalls an einen Pegelmesser 15.
In einer Subtraktionseinheit werden die von den Pegelmessern
13 und 15 gemessenen Pegel voneinander subtrahiert und die
resultierende Pegeldifferenz für eine Update-Einheit zur Aktualisierung
der Xp-Variable zur Verfügung gestellt. Eine Aktualisierung
des Xp-Werts soll allerdings nur erfolgen, wenn
die Mikrofonsignale einen entsprechend hohen Pegel aufweisen.
Hierzu werden die Mikrofonpegel einem Eingangspegelabfrageblock
18 zugeführt, der ein enable-Xp-Signal generiert, wenn
beide Signalpegel eine gewisse Schwelle überschreiten. Dadurch
kann verhindert werden, dass in Fällen, in denen keine
akustischen Eingangssignale aber lediglich Mikrofonrauschen
vorliegt, eine Mikrofonadaption erfolgt. Das enable-Xp-Signal
wird daher an den Xp-Update-Block weitergeschleift.
Der in Block 17 gegebenenfalls aktualisierte Wert Xp wird nun
zur Vervollständigung der Regelschleife an das Kompensationsfilter
3' geliefert. Die Ermittlung des Xp-Werts und damit
die Adaption der Mikrofone aneinander in dem Xp-Update-Block
17 kann durch einen (N)LMS-Algorithmus (Normalised Leased
Meansquare) erfolgen, wobei ein "acoustical delay"-Block notwendig
ist.
In FIG 4 ist ein Schaltbild einer verbesserten Version eines
Anpassschaltkreises dargestellt. Der wesentliche Aufbau entspricht
dem von FIG 3, wobei die einander entsprechenden
Funktionsblöcke im Wesentlichen die gleichen Funktionen ausführen.
Lediglich das Kompensationsfilter, das ebenfalls mit
dem Bezugszeichen 3' bezeichnet ist, verfügt über einen weiteren
Signaleingang, mit dem auch das Nennerpolynom über die
Variable Xq verändert werden kann.
Um sowohl eine Änderung des Zähler- als auch des Nennerpolynoms
durchführen zu können, wird das Ausgangssignal des Eingangspegelabfrage-Blocks
18, mit dem festgestellt wird, ob
die beiden Mikrofonsignale einen ausreichend hohen Pegel besitzen,
an einen Schalter 19 weitergeleitet. Dieser Schalter
19 erzeugt zeitlich abwechselnd ein enable-Xq-Signal und ein
enable-Xp-Signal, falls er ein enable-Xp-Xq-Signal von Block
18 erhält.
Neben dem Xp-Update-Block 17 ist hier folglich auch ein Xq-Update-Block
20 zur Änderung beziehungsweise Aktualisierung
des Xq-Werts vorgesehen. Falls nun der Schalter 19 ein
enable-Xq-Signal abgibt, wird der Xq-Wert entsprechend der
Pegeldifferenz aus dem Subtrahierer 16 geändert. Wenn andernfalls
der Schalter 19 ein enable-Xp-Signal abgibt, wird der
Xp-Wert in dem Xp-Update-Block 17 entsprechend der Pegeldifferenz
geändert. Wenn die Pegeldifferenz kleiner 0 ist wird
der Xp- oder Xq-Wert in einer Richtung, und wenn die Pegeldifferenz
größer 0 ist, in der entsprechend anderen Richtung
geändert.
Das Kompensationsfilter 3' erhält die geänderten beziehungsweise
aktualisierten Xp- und Xq-Werte als Stellgrößen. Wie
auch bei der vorhergehenden Ausführungsform gemäß FIG 3 bedeuten
die unterschiedlichen Hochpasseckfrequenzen der Mikrofone
in einem schmalen Frequenzbereich um die Eckfrequenzen
unterschiedliche gemittelte Ausgangspegel der beiden Mikrofonsignale.
Dies bedeutet, dass die Pegeldifferenz direkt vom
Unterschied der Eckfrequenzen abhängt. Zur Adaption der Eckfrequenzen
wird daher einfach die Differenz der Pegel gebildet
(Leistungsdifferenz).
Die Gesamtstrecke eines Richtmikrofons vom Mikrofoneingang
bis zum Ausgang wird bei tiefen Frequenzen vielfach mit weiteren
Hochpässen erster Ordnung beschrieben. Neben dem akustischen
Hochpass verfügt das Mikrofon noch über einen elektrischen
Hochpass erster Ordnung mit einer Eckfrequenz von ca.
180 Hz. Ein weiterer Hochpass ergibt sich durch einen Koppelkondensator
und Eingangswiderstand einer IC-Eingangsstufe.
Die oben beschriebenen adaptiven Verfahren können prinzipiell
bei allen Hochpässen angewandt werden.