EP2437521B1 - Verfahren zur Frequenzkompression mit harmonischer Korrektur und entsprechende Vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Frequenzkompression mit harmonischer Korrektur und entsprechende Vorrichtung Download PDF

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EP2437521B1
EP2437521B1 EP11178306.4A EP11178306A EP2437521B1 EP 2437521 B1 EP2437521 B1 EP 2437521B1 EP 11178306 A EP11178306 A EP 11178306A EP 2437521 B1 EP2437521 B1 EP 2437521B1
Authority
EP
European Patent Office
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frequency
harmonic
channel
channels
shifted
Prior art date
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Active
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EP11178306.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2437521A1 (de
EP2437521B2 (de
Inventor
Robert BÄUML
Ulrich Kornagel
Thomas Pilgrim
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sivantos Pte Ltd
Original Assignee
Siemens Medical Instruments Pte Ltd
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Publication date
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Application filed by Siemens Medical Instruments Pte Ltd filed Critical Siemens Medical Instruments Pte Ltd
Publication of EP2437521A1 publication Critical patent/EP2437521A1/de
Application granted granted Critical
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Publication of EP2437521B2 publication Critical patent/EP2437521B2/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R25/00—Deaf-aid sets, i.e. electro-acoustic or electro-mechanical hearing aids; Electric tinnitus maskers providing an auditory perception
    • H04R25/35—Deaf-aid sets, i.e. electro-acoustic or electro-mechanical hearing aids; Electric tinnitus maskers providing an auditory perception using translation techniques
    • H04R25/353—Frequency, e.g. frequency shift or compression
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2225/00—Details of deaf aids covered by H04R25/00, not provided for in any of its subgroups
    • H04R2225/43—Signal processing in hearing aids to enhance the speech intelligibility

Definitions

  • the present invention relates to a method of frequency-compressing an audio signal having a fundamental frequency and at least one harmonic by providing the audio signal in a plurality of frequency channels and shifting or mapping the harmonics of the audio signal from a first frequency channel of the plurality of frequency channels to a second frequency channel of the plurality of frequency channels.
  • the present invention relates to a corresponding device for frequency compression.
  • such a device can be used in a listening device.
  • a hearing device is understood here to be any sound-emitting device that can be worn in or on the ear, in particular a hearing device, a headset, headphones and the like.
  • Hearing aids are portable hearing aids that are used to care for the hearing impaired.
  • different types of hearing aids such as behind-the-ear hearing aids (BTE), hearing aid with external receiver (RIC: receiver in the canal) and in-the-ear hearing aids (IDO), e.g. Concha hearing aids or canal hearing aids (ITE, CIC).
  • BTE behind-the-ear hearing aids
  • RIC hearing aid with external receiver
  • IDO in-the-ear hearing aids
  • ITE canal hearing aids
  • the hearing aids listed by way of example are worn on the outer ear or in the ear canal.
  • bone conduction hearing aids, implantable or vibrotactile hearing aids are also available on the market. The stimulation of the damaged hearing takes place either mechanically or electrically.
  • Hearing aids have in principle as essential components an input transducer, an amplifier and an output transducer.
  • the input transducer is usually a sound receiver, z. As a microphone, and / or an electromagnetic receiver, for. B. an induction coil.
  • the output transducer is usually used as an electroacoustic transducer, z. B. miniature speakers, or as an electromechanical transducer, z. B. bone conduction, realized.
  • the amplifier is usually integrated in a signal processing unit.
  • FIG. 1 shown using the example of a behind-the-ear hearing aid.
  • a hearing aid housing 1 for carrying behind the ear one or more microphones 2 for receiving the sound from the environment are installed.
  • a signal processing unit 3 which is also integrated in the hearing aid housing 1, processes the microphone signals and amplifies them.
  • the output signal of the signal processing unit 3 is transmitted to a loudspeaker or earpiece 4, which outputs an acoustic signal.
  • the sound is optionally transmitted via a sound tube, which is fixed with an earmold in the ear canal, to the eardrum of the device carrier.
  • the power supply of the hearing device and in particular the signal processing unit 3 is effected by a likewise integrated into the hearing aid housing 1 battery. 5
  • Dead regions are frequency ranges in which spectral components can no longer be audibly amplified.
  • FIG. 2 shows the principle of frequency compression by simply copying channels as it is already used for hearing aids.
  • the channel 14 ' (indicated by its center frequency 14) is copied to the channel 11' (indicated by its center frequency 11).
  • the channel 14 ' there is a tone 14 "(eg a harmonic) which is shifted to the tone 11" in the target channel 11'.
  • the pitch of the sound 14 "to the center frequency 14 is identical to the pitch of the sound 11" to the center frequency 11.
  • WO 2009/143898 A1 a method for adjusting a sound in a hearing aid by frequency modification.
  • the modification also takes place here for example by multiplication of the input spectrum with a compression factor.
  • an additional shift takes place.
  • the modification can also be made logarithmically.
  • the object of the present invention is thus to further reduce artifacts in frequency compression.
  • a harmonic correction occurs during or after the shifting or mapping of the harmonics into another frequency channel.
  • the harmonic is set to a frequency position, which is also an integer multiple of the fundamental frequency.
  • the harmonic represents a harmonic even after moving. This significantly reduces the artifacts.
  • the first frequency channel is completely shifted into the second frequency channel. This allows, for example, a frequency channel from a dead region in an audible range of a hearing aid wearer move. If there is a harmonic in the first frequency channel, then it is completely shifted with the frequency channel. Their distance from the center frequency of the channel remains unchanged.
  • One of the harmonics associated with the frequency channel may be estimated, and the shifted harmonic may then be further shifted to the first frequency in the second frequency channel. This means that the move takes place in two steps. First, the entire frequency channel is shifted and then within the frequency channel, the original harmonic is pushed back to a harmonic frequency position.
  • the further shifting to the first frequency in the second shift step can be effected, for example, by amplitude modulation. This can be realized in the time domain by a simple multiplication by a factor exp (j ⁇ ⁇ ⁇ t).
  • the harmonic in the first frequency channel represents a dominant frequency.
  • its position can be estimated relatively accurately before and after the shift.
  • the harmonic is mapped to the estimated first frequency by obtaining a signal synthetically generated in the second frequency channel, the amplitude of the harmonics in the first frequency channel, and the estimated frequency of the second frequency channel. It is therefore not necessary here to make a second shift step, for example by amplitude modulation, since a synthetic signal is used at the appropriate, harmonic point. However, this has the disadvantage that under some circumstances phase information is lost.
  • the inventive device for frequency compression has a signal processing device, which preferably has a polyphase filter bank. This makes it possible to generate only positive frequency components in the channels.
  • the device according to the invention is particularly advantageously used in a listening device and in particular in a hearing aid.
  • a frequency compression in hearing aid users can be realized with fewer artifacts.
  • FIG. 3 a frequency compression according to the prior art shown in detail.
  • frequencies are compressed according to a frequency mapping curve (eg, SPINC, BARK, ).
  • a frequency mapping curve eg, SPINC, BARK, .
  • the amplitude response a is plotted against the frequency f.
  • the line spectrum has numerous harmonics 20 which form the spectral fine structure of the harmonic signal.
  • the amplitudes of the harmonics 20 can be controlled by a spectral envelope 21 connect.
  • the distance f 0 between two harmonics 20 corresponds to the fundamental frequency in the entire spectral range.
  • the spectrum should now be compressed above a frequency f c .
  • Compression is channel-wise by copying selected channels of the original spectrum to lower-level channels.
  • the channels usually have a different bandwidth than the distance f 0 between the harmonics.
  • the harmonics 20 land when shifting to frequency positions outside the in FIG. 3 above shown line grid.
  • FIG. 3 below shows such a compressed spectrum.
  • the distances f 1 , f 2 between the individual lines 22, which represent the shifted harmonics, are no longer constant and in particular not equal to f 0 .
  • the envelope 23 of the compressed spectrum shows in the compressed region the shifted formands 24 and 25, as they originate from the original spectrum, but the distance of the lines 22 is uneven, so that the spectral fine structure and thus the structure of the harmonic signal is destroyed. Corresponding artifacts are the result.
  • the spectrum is compressed above the cutoff frequency f c .
  • the envelope 23 of the compressed spectrum has the same shape as that of FIG. 3 below. Ie. also the formands 24 and 25 can be seen in the compressed area.
  • the lines 26 of the spectrum in the compressed area above f c have each other the same distance f 0 as the lines or harmonics 20 in the uncompressed area. This means that the fine structure of the spectrum of the harmonic signal is unaffected by the compression. Accordingly, there are fewer artifacts.
  • the frequency structure of the harmonic raster of the uncompressed signal is estimated, ie the positions of the harmonics in the frequency domain are determined.
  • FIG. 5 this is explained in more detail above, which again shows a section of an uncompressed spectrum and below the section of a compressed spectrum.
  • the section of the displayed spectrum here has a line or harmonic 30. This lies in a frequency channel 31, which in turn has a center frequency f 31 .
  • Below the first frequency channel 31 is a second frequency channel 32, which has the center frequency f 32 .
  • the first frequency channel 31 is now shifted to the second frequency channel 32, copied or mapped. This represents a first step 33 of the frequency compression.
  • This step 33 corresponds to the compression according to the prior art of FIG.
  • the harmonic 30 of the first frequency channel 31 is pushed onto the line 34, which is assigned a frequency f 34 (also referred to as second frequency hereinafter).
  • the distance ⁇ f between the frequencies f 31 and f 30 is identical to the distance between the frequencies f 32 and f 34 .
  • the frequency f 34 does not correspond to a harmonic of the fundamental frequency. Rather, would be at the frequency position f 35 in the second frequency channel 32 is a harmonic. This can be determined, for example, by a first frequency estimate in the target frequency range, ie in the second frequency channel 32, to which the first frequency channel 31 is imaged or shifted.
  • the line 34 must therefore be shifted to the frequency f 35 in order to obtain the fine structure of the harmonic signal.
  • the frequency structure of the still uncorrected compressed spectral components is estimated in a second estimation.
  • the frequency f 34 of the line 34 is estimated or determined after the shift in the first step 33.
  • the frequency offset ie the distance between the frequencies f 34 and f 35 can be determined.
  • the offset is compensated by means of a modulation in a second step 36, whereby the harmonic raster is restored.
  • the line 34 is pushed to the frequency f 35 , resulting in the line 35 results.
  • the modulation can be achieved for example on the basis of the analytical signal by multiplication with a suitable complex rotational factor.
  • the shift by an angular frequency ⁇ 1 corresponds to a multiplication by the factor exp (j ⁇ ⁇ 1 ⁇ t).
  • the resulting modulation corresponds to an amplitude modulation.
  • this method can be used in a polyphase filter bank that generates only the complex-valued, analytical signal (only positive frequency component of a Fourier transformation) in the channels.
  • each channel can be cyclically modulated so that the frequency components in it are correspondingly cyclically shifted by the angular frequency ⁇ 1.
  • the above-described embodiment is based on actually shifting the harmonic 30 as a signal component of the audio signal.
  • the compressed spectral components are generated semi-synthetically.
  • the information about the frequency position of the semi-synthetically generated spectral components is obtained from the estimate of the uncompressed harmonic structure, ie the frequency 35 is determined as in the example above.
  • a synthetic signal is now generated.
  • the amplitude of this synthetic signal is adjusted to correspond to the amplitude of the original harmonic 30, ie the associated amplitude is obtained from the source spectrum. This also allows a frequency compression can be achieved in which the harmonic grid is maintained.
  • mapping rule of source frequency to target frequency for frequency compression is performed in audiology in a known manner.
  • the harmonic correction or compliance with the harmonic structure of the compressed spectral components is then achieved according to the invention.
  • the artefacts of the simple mapping rule according to the prior art are massively reduced.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzkompression eines Audiosignals, das eine Grundfrequenz und mindestens eine Harmonische besitzt, durch Bereitstellen des Audiosignals in mehreren Frequenzkanälen und Verschieben oder Abbilden der Harmonischen des Audiosignals von einem ersten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle in einen zweiten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Frequenzkompression. Insbesondere ist eine derartige Vorrichtung einsetzbar in einer Höreinrichtung. Unter einer Höreinrichtung wird hier jedes im oder am Ohr tragbare schallausgebende Gerät, insbesondere ein Hörgerät, ein Headset, Kopfhörer und dergleichen verstanden.
  • Hörgeräte sind tragbare Hörvorrichtungen, die zur Versorgung von Schwerhörenden dienen. Um den zahlreichen individuellen Bedürfnissen entgegenzukommen, werden unterschiedliche Bauformen von Hörgeräten wie Hinter-dem-Ohr-Hörgeräte (HdO), Hörgerät mit externem Hörer (RIC: receiver in the canal) und In-dem-Ohr-Hörgeräte (IdO), z.B. auch Concha-Hörgeräte oder Kanal-Hörgeräte (ITE, CIC), bereitgestellt. Die beispielhaft aufgeführten Hörgeräte werden am Außenohr oder im Gehörgang getragen. Darüber hinaus stehen auf dem Markt aber auch Knochenleitungshörhilfen, implantierbare oder vibrotaktile Hörhilfen zur Verfügung. Dabei erfolgt die Stimulation des geschädigten Gehörs entweder mechanisch oder elektrisch.
  • Hörgeräte besitzen prinzipiell als wesentliche Komponenten einen Eingangswandler, einen Verstärker und einen Ausgangswandler. Der Eingangswandler ist in der Regel ein Schallempfänger, z. B. ein Mikrofon, und/oder ein elektromagnetischer Empfänger, z. B. eine Induktionsspule. Der Ausgangswandler ist meist als elektroakustischer Wandler, z. B. Miniaturlautsprecher, oder als elektromechanischer Wandler, z. B. Knochenleitungshörer, realisiert. Der Verstärker ist üblicherweise in eine Signalverarbeitungseinheit integriert. Dieser prinzipielle Aufbau ist in FIG 1 am Beispiel eines Hinter-dem-Ohr-Hörgeräts dargestellt. In ein Hörgerätegehäuse 1 zum Tragen hinter dem Ohr sind ein oder mehrere Mikrofone 2 zur Aufnahme des Schalls aus der Umgebung eingebaut. Eine Signalverarbeitungseinheit 3, die ebenfalls in das Hörgerätegehäuse 1 integriert ist, verarbeitet die Mikrofonsignale und verstärkt sie. Das Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinheit 3 wird an einen Lautsprecher bzw. Hörer 4 übertragen, der ein akustisches Signal ausgibt. Der Schall wird gegebenenfalls über einen Schallschlauch, der mit einer Otoplastik im Gehörgang fixiert ist, zum Trommelfell des Geräteträgers übertragen. Die Energieversorgung des Hörgeräts und insbesondere die der Signalverarbeitungseinheit 3 erfolgt durch eine ebenfalls ins Hörgerätegehäuse 1 integrierte Batterie 5.
  • Viele Hörverluste können durch eine frequenzabhängige Verstärkung in Kombination mit einer Dynamikkompression ausgeglichen werden. Es gibt jedoch auch Hörverluste, bei denen eine Verstärkung keinen Effekt hat bzw. nachteilig ist. Ein Beispiel hierfür sind Hörverluste mit sog. "toten Regionen". Tote Regionen sind Frequenzbereiche, in denen Spektralanteile nicht mehr durch Verstärkung hörbar gemacht werden können.
  • Eine mögliche Technik, um mit obigem Problem umzugehen, ist die Frequenzkompression. Hierbei werden Strahlanteile Spektralanteile aus einem Quellfrequenzbereich, der typischerweise bei höheren Frequenzen liegt und in dem keine Verstärkung angewendet werden soll (z. B. tote Region), in einen tieferliegenden Zielfrequenzbereich geschoben. In diesem Zielfrequenzbereich ist in der Regel Hörbarkeit prinzipiell gewährleistet, weswegen eine Verstärkung angewendet werden kann.
  • Es sind Hörgeräte bekannt, die eine derartige Frequenzkompression unterstützen. Bei dem Kompressionsverfahren werden beispielsweise die Eigenschaften einer Filterbank für eine einfache Implementierung genutzt. Es werden selektiv einzelne Kanäle, unter anderem abhängig von deren Momentanleistung, auf andere Kanäle kopiert, sodass die in diesen Kanälen enthaltenen Frequenzanteile am Ausgang verschoben in einem anderen Frequenzbereich wieder auftauchen. Worin die Kanäle abgebildet werden, bestimmt eine Abbildungsvorschrift, die einstellbar ist, sodass verschiedene Kompressionsverhältnisse realisierbar sind.
  • FIG 2 zeigt das Prinzip der Frequenzkompression durch einfaches Kopieren von Kanälen, wie es bereits für Hörgeräte verwendet wird. Es wird beispielsweise der Kanal 14' (gekennzeichnet durch seine Mittenfrequenz 14) auf den Kanal 11' (gekennzeichnet durch seine Mittenfrequenz 11) kopiert bzw. verschoben). In dem Kanal 14' befindet sich ein Ton 14 " (z. B. eine Harmonische) der auf den Ton 11 " in dem Zielkanal 11' verschoben wird. Der Abstand des Tons 14" zu der Mittenfrequenz 14 ist identisch zu dem Abstand des Tons 11" zu der Mittenfrequenz 11.
  • Diese einfache Abbildungsvorschrift bringt bei harmonischen Signalen Probleme mit sich. Harmonische Signale treten z. B. bei stimmhaften Lauten in der Sprache, beispielsweise bei Vokalen, auf. Hierbei hat das unkomprimierte Spektrum linienartige Struktur, wobei Spektrallinien bei der Sprachgrundfrequenz und bei deren ganzzahligen Vielfachen auftreten. Das Raster der harmonischen Signale (Linienstruktur) wird bei der einfachen Abbildungsvorschrift gemäß dem Stand der Technik nicht berücksichtigt und daher zerstört, d. h. die Spektrallinien treten nicht mehr garantiert auf einem ganzzahligen Vielfachen der Sprachgrundfrequenz auf. Dies äußert sich in deutlich wahrnehmbaren Artefakten (Signalanteile, die bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz auftreten, werden hier kurz "Harmonische" genannt).
  • Aus der Druckschrift US 6 577 739 B1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur proportionalen Audiokompression und zur Frequenzverschiebung bekannt. Zur Kompression wird das Eingangsspektrum beispielsweise mit dem Faktor 0,5, 0,7 oder 0,9 multipliziert, sodass eine Proportionalität der spektralen Spitzen erhalten bleibt.
  • Darüber hinaus offenbart die Druckschrift WO 2009/143898 A1 ein Verfahren zum Anpassen eines Schalls in einem Hörgerät durch Frequenzmodifikation. Die Modifikation erfolgt auch hier beispielsweise durch Multiplikation des Eingangsspektrums mit einem Kompressionsfaktor. Gegebenenfalls erfolgt zusätzlich eine Verschiebung. Die Modifikation kann darüber hinaus auch logarithmisch vorgenommen werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, Artefakte bei der Frequenzkompression weiter zu reduzieren.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Frequenzkompression eines Audiosignals, das eine Grundfrequenz und mindestens eine Harmonische besitzt, durch
    • Bereitstellen des Audiosignals in mehreren Frequenzkanälen
      und
    • Verschieben oder Abbilden der Harmonischen des Audiosignals von einem ersten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle in einem zweiten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle, sowie
    • Schätzen einer ersten Frequenz, die zu der Grundfrequenz ebenfalls harmonisch ist, in dem zweiten Frequenzkanal, wobei
    • die Harmonische auf die geschätzte erste Frequenz verschoben oder abgebildet wird.
  • Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Vorrichtung zur Frequenzkompression eines Audiosignals, das eine Grundfrequenz und mindestens eine Harmonische besitzt mit
    • einer Signalverarbeitungseinrichtung zum Bereitstellen des Audiosignals in mehreren Frequenzkanälen und
    • einer Verschiebeeinrichtung zum Verschieben oder Abbilden der Harmonischen des Audiosignals von einem ersten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle in einen zweiten Frequenzkanal der mehreren Frequenzkanäle, sowie mit
    • einer Schätzeinrichtung zum Schätzen einer ersten Frequenz, die zu der Grundfrequenz ebenfalls harmonisch ist, in dem zweiten Frequenzkanal, wobei
    • die Harmonische durch die Verschiebeeinrichtung auf die geschätzte erste Frequenz verschoben oder abgebildet wird.
  • In vorteilhafter Weise erfolgt beim oder nach dem Verschieben bzw. Abbilden der Harmonischen in einen anderen Frequenzkanal eine harmonische Korrektur. Dies bedeutet, dass die Harmonische auf eine Frequenzposition gesetzt wird, die ebenfalls ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz darstellt. Damit stellt die Harmonische auch nach dem Verschieben eine Harmonische dar. Dies reduziert die Artefakte deutlich.
  • In einer Ausführungsform wird der erste Frequenzkanal vollständig in den zweiten Frequenzkanal verschoben. Damit lässt sich beispielsweise ein Frequenzkanal aus einer toten Region in einen hörbaren Bereich eines Hörgeräteträgers verschieben. Liegt in dem ersten Frequenzkanal eine Harmonische, so wird sie vollständig mit dem Frequenzkanal verschoben. Ihr Abstand zur Mittenfrequenz des Kanals bleibt dabei zunächst unverändert.
  • Eine der mit dem Frequenzkanal verschobenen Harmonischen zugeordnete zweite Frequenz kann geschätzt werden, und die verschobene Harmonische kann dann in dem zweiten Frequenzkanal weiter auf die erste Frequenz verschoben werden. Dies bedeutet, dass das Verschieben in zwei Schritten erfolgt. Zunächst wird der gesamte Frequenzkanal verschoben und anschließend wird innerhalb des Frequenzkanals die ursprüngliche Harmonische wieder auf eine harmonische Frequenzposition geschoben.
  • Das Weiterverschieben auf die erste Frequenz in dem zweiten Schiebeschritt kann beispielsweise durch Amplitudenmodulation erfolgen. Dies lässt sich im Zeitbereich durch eine einfache Multiplikation mit einem Faktor exp(j·ω·t) realisieren.
  • Vorzugsweise stellt die Harmonische in dem ersten Frequenzkanal eine dominante Frequenz dar. Damit lässt sich ihre Position vor und nach dem Verschieben verhältnismäßig genau schätzen.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird die Harmonische auf die geschätzte erste Frequenz abgebildet, indem ein im zweiten Frequenzkanal synthetisch erzeugtes Signal die Amplitude der Harmonischen im ersten Frequenzkanal erhält und die geschätzte Frequenz des zweiten Frequenzkanals. Es muss also hier kein zweiter Verschiebeschritt beispielsweise durch Amplitudenmodulation erfolgen, denn es wird ein synthetisches Signal an der passenden, harmonischen Stelle verwendet. Dies hat allerdings den Nachteil, dass unter Umständen Phaseninformation verloren geht.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Frequenzkompression besitzt eine Signalverarbeitungseinrichtung, die vorzugsweise eine Polyphasen-Filterbank aufweist. Damit ist es möglich, in den Kanälen nur positive Frequenzanteile zu erzeugen.
  • Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Höreinrichtung und insbesondere in einem Hörgerät eingesetzt. Damit kann eine Frequenzkompression bei Hörgeräteträgern mit weniger Artefakten realisiert werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
    • FIG 1
    den prinzipiellen Aufbau eines Hörgeräts gemäß dem Stand der Technik;
    FIG 2
    das Prinzip der Frequenzkompression durch einfaches Kopieren von Kanälen gemäß dem Stand der Technik;
    FIG 3
    eine Kompression gemäß dem Stand der Technik;
    FIG 4
    eine Kompression gemäß der vorliegenden Erfindung; und
    FIG 5
    einen Ausschnitt eines unkomprimierten Spektrums und einen Ausschnitt eines komprimierten Spektrums.
  • Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung wird jedoch zunächst anhand von FIG 3 eine Frequenzkompression gemäß dem Stand der Technik im Detail dargestellt. Demnach werden Frequenzen gemäß einer Frequenz-Abbildungskurve (z. B. SPINC, BARK, ...) komprimiert. Ausgangsbasis ist beispielsweise ein Linienspektrum, wie es in FIG 3 oben dargestellt ist. Die Amplitudenantwort a ist über der Frequenz f aufgetragen. Das Linienspektrum besitzt zahlreiche Harmonische 20, die die spektrale Feinstruktur des harmonischen Signals bilden. Die Amplituden der Harmonischen 20 lassen sich durch eine spektrale Einhüllende 21 verbinden. Der Abstand f0 zwischen zwei Harmonischen 20 entspricht im gesamten Spektralbereich der Grundfrequenz. Das Spektrum soll nun oberhalb einer Frequenz fc komprimiert werden. Das Komprimieren erfolgt kanalweise, indem ausgewählte Kanäle des Originalspektrums in tiefergelegene Kanäle kopiert werden. Die Kanäle besitzen jedoch in der Regel eine andere Bandbreite als der Abstand f0 zwischen den Harmonischen. Aufgrund dessen landen die Harmonischen 20 beim Verschieben auf Frequenzpositionen außerhalb des in FIG 3 oben dargestellten Linienrasters. FIG 3 unten zeigt ein derartiges komprimiertes Spektrum. Die Abstände f1, f2 zwischen den einzelnen Linien 22, die die verschobenen Harmonischen darstellen, sind nicht mehr konstant und insbesondere ungleich f0. Die Einhüllende 23 des komprimierten Spektrums zeigt zwar in dem komprimierten Bereich die verschobenen Formanden 24 und 25, wie sie aus dem Originalspektrum hervorgehen, aber der Abstand der Linien 22 ist ungleichmäßig, wodurch also die spektrale Feinstruktur und damit die Struktur des harmonischen Signals zerstört ist. Entsprechende Artefakte sind die Folge.
  • Eine deutliche Verbesserung insbesondere für Sprachsignale ist erreichbar, wenn zusätzlich zu der einfachen Abbildungsvorschrift gemäß dem Stand der Technik eine harmonische Korrektur durchgeführt wird, was anhand von FIG 4 näher erläutert wird. Im oberen Teil der Figur ist nochmals das Originalspektrum mit seinen Harmonischen 20 und der Einhüllenden 21 wie in FIG 3 oben dargestellt. Der Abstand der einzelnen Harmonischen 20 entspricht im gesamten Originalspektrum der Grundfrequenz f0.
  • In FIG 4 unten ist das durch die Erfindung angestrebte Ziel beispielhaft dargestellt. Das Spektrum ist oberhalb der Grenzfrequenz fc komprimiert. Die Einhüllende 23 des komprimierten Spektrums besitzt die gleiche Form wie diejenige von FIG 3 unten. D. h. auch die Formanden 24 und 25 sind im komprimierten Bereich zu erkennen. Die Linien 26 des Spektrums im komprimierten Bereich oberhalb von fc besitzen untereinander den gleichen Abstand f0 wie die Linien bzw. Harmonischen 20 im nicht komprimierten Bereich. Dies bedeutet, dass die Feinstruktur des Spektrums des harmonischen Signals von der Kompression unberührt ist. Dementsprechend kommt es zu weniger Artefakten.
  • Zu dem Zweck der Frequenzkompression mit harmonischer Korrektur wird zunächst die Frequenzstruktur des harmonischen Rasters des unkomprimierten Signals geschätzt d.h. es werden die Positionen der Harmonischen im Frequenzbereich ermittelt. Anhand von FIG 5 sei dies näher erläutert, die oben wieder einen Ausschnitt eines unkomprimierten Spektrums und unten den Ausschnitt eines komprimierten Spektrums darstellt. Der Abschnitt des dargestellten Spektrums weist hier eine Linie bzw. Harmonische 30 auf. Diese liegt in einem Frequenzkanal 31, welcher seinerseits eine Mittenfrequenz f31 besitzt. Unterhalb des ersten Frequenzkanals 31 befindet sich ein zweiter Frequenzkanal 32, welcher die Mittenfrequenz f32 besitzt. Für die Kompression wird nun der erste Frequenzkanal 31 auf den zweiten Frequenzkanal 32 verschoben, kopiert oder abgebildet. Dies stellt einen ersten Schritt 33 der Frequenzkompression dar. Dieser Schritt 33 entspricht der Kompression gemäß dem Stand der Technik von FIG 3. Demnach wird die Harmonische 30 des ersten Frequenzkanals 31 auf die Linie 34 geschoben, der eine Frequenz f34 zugeordnet ist (im Weiteren auch zweite Frequenz genannt). Der Abstand Δf zwischen den Frequenzen f31 und f30 ist identisch mit dem Abstand zwischen den Frequenzen f32 und f34. Die Frequenz f34 entspricht jedoch nicht einer Harmonischen der Grundfrequenz. Vielmehr würde an der Frequenzposition f35 in dem zweiten Frequenzkanal 32 eine Harmonische liegen. Dies kann beispielsweise durch eine erste Frequenzschätzung im Zielfrequenzbereich, d. h. in dem zweiten Frequenzkanal 32, auf den der erste Frequenzkanal 31 abgebildet bzw. verschoben wird, ermittelt werden. Die Linie 34 muss also auf die Frequenz f35 geschoben werden, um die Feinstruktur des harmonischen Signals zu erhalten. Hierzu wird die Frequenzstruktur der noch unkorrigierten komprimierten Spektralanteile in einer zweiten Schätzung geschätzt. In dem vereinfachten Beispiel von FIG 5, bei dem nur ein Kanal verschoben wird, wird also nach der Verschiebung im ersten Schritt 33 die Frequenz f34 der Linie 34 geschätzt bzw. ermittelt. Aus den beiden Frequenzschätzungen kann der Frequenzversatz, d. h. der Abstand zwischen den Frequenzen f34 und f35 ermittelt werden. Der Versatz wird mit Hilfe einer Modulation in einem zweiten Schritt 36 kompensiert, wobei das harmonische Raster wiederhergestellt wird. Dabei wird die Linie 34 auf die Frequenz f35 geschoben, wodurch sich die Linie 35 ergibt.
  • Die Modulation kann beispielsweise auf der Basis des analytischen Signals durch Multiplikation mit einem geeigneten komplexen Drehfaktor erreicht werden. So entspricht die Verschiebung um eine Kreisfrequenz ω1 einer Multiplikation mit dem Faktor exp(j·ω1·t). Die resultierende Modulation entspricht einer Amplitudenmodulation.
  • Vorteilhaft lässt sich dieses Verfahren bei einer Polyphasen-Filterbank einsetzen, die nur das komplex-wertige, analytische Signal (nur positiver Frequenzanteil einer FourierTransformation) in den Kanälen erzeugt. Hierbei lässt sich mittels Modulation mit dem Modulationsterm exp(j·ω1·t) jeder Kanal zyklisch modulieren, sodass die Frequenzanteile darin entsprechend zyklisch um die Kreisfrequenz ω1 verschoben werden.
  • Grundsätzlich sind bei der Schätzung der (dominanten) Frequenz zwei Fälle zu unterscheiden:
    1. 1) Es existiert eine dominante Frequenz, die gut geschätzt werden kann, d. h. es existiert ein starker tonaler Anteil in diesem Kanal. Damit kann eine gute Korrektur des harmonischen Rasters erreicht werden.
    2. 2) Es existiert keine dominante Frequenz, d. h. das Signal in dem Kanal ist rauschartig. Die Frequenzschätzung führt zu einer mehr oder weniger zufälligen Momentanfrequenz. Dies wiederum führt bei der Abbildung auf eine Zielfrequenz zu einer Phasenrandomisierung bzw. zufälligen Modulation in dem Kanal, was bei rauschartigen Kanälen kaum Einfluss auf den Höreindruck bewirkt.
  • Das oben geschilderte Ausführungsbeispiel basiert darauf, dass die Harmonische 30 als Signalanteil des Audiosignals tatsächlich verschoben wird. Gemäß einer alternativen Ausführungsform werden die komprimierten Spektralanteile halb-synthetisch erzeugt. Die Information über die Frequenzposition der halb-synthetisch erzeugten Spektralanteile wird aus der Schätzung der unkomprimierten harmonischen Struktur gewonnen, d. h. die Frequenz 35 wird wie in dem obigen Beispiel ermittelt. Bei der Frequenz f35 wird nun jedoch ein synthetisches Signal erzeugt. Die Amplitude dieses synthetischen Signals wird so eingestellt, dass sie der Amplitude der ursprünglichen Harmonischen 30 entspricht, d. h. die zugehörige Amplitude wird aus dem Quellspektrum gewonnen. Auch hierdurch lässt sich eine Frequenzkompression erreichen, bei der das harmonische Raster erhalten bleibt.
  • Die Abbildungsvorschrift von Quellfrequenz nach Zielfrequenz für die Frequenzkompression wird in der Audiologie in bekannter Weise durchgeführt. Die harmonische Korrektur bzw. die Einhaltung der harmonischen Struktur der komprimierten Spektralkomponenten wird dann erfindungsgemäß erzielt. Damit werden die Artefakte der einfachen Abbildungsvorschrift gemäß dem Stand der Technik massiv reduziert.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Frequenzkompression eines Audiosignals, das eine Grundfrequenz und mindestens eine Harmonische (20, 30) zu der Grundfrequenz besitzt, durch
    - Bereitstellen des Audiosignals in mehreren Frequenzkanälen (31, 32) und
    - Verschieben oder Abbilden der Harmonischen (20, 30) des Audiosignals von einem ersten Frequenzkanal (31) der mehreren Frequenzkanäle in einen zweiten Frequenzkanal (32) der mehreren Frequenzkanäle,
    gekennzeichnet durch
    - Schätzen einer ersten Frequenz (f35), die zu der Grundfrequenz ebenfalls harmonisch ist, in dem zweiten Frequenzkanal (32), wobei
    - die Harmonische (20, 30) auf die geschätzte erste Frequenz (f35) verschoben oder abgebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Frequenzkanal (31) vollständig in den zweiten Frequenzkanal (32) verschoben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine der verschobenen Harmonischen zugeordnete zweite Frequenz (f34) geschätzt und die verschobene Harmonische (20, 30) in dem zweiten Frequenzkanal (32) weiter auf die erste Frequenz (f35) verschoben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Weiterverschieben auf die erste Frequenz (f35) durch Amplitudenmodulation erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Harmonische (20, 30) in dem ersten Frequenzkanal (31) eine dominante Frequenz darstellt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Harmonische (20, 30) auf die geschätzte erste Frequenz (f35) abgebildet wird, indem ein im zweiten Frequenzkanal (32) synthetisch erzeugtes Signal die Amplitude der Harmonischen (20, 30) im ersten Frequenzkanal (31) erhält.
  7. Vorrichtung zur Frequenzkompression eines Audiosignals, das eine Grundfrequenz und mindestens eine Harmonische (20, 30) zu der Grundfrequenz besitzt mit
    - einer Signalverarbeitungseinrichtung zum Bereitstellen des Audiosignals in mehreren Frequenzkanälen (31, 32) und
    - einer Verschiebeeinrichtung zum Verschieben oder Abbilden der Harmonischen (20, 30) des Audiosignals von einem ersten Frequenzkanal (31) der mehreren Frequenzkanäle in einen zweiten Frequenzkanal (32) der mehreren Frequenzkanäle,
    gekennzeichnet durch
    - eine Schätzeinrichtung zum Schätzen einer ersten Frequenz (f35), die zu der Grundfrequenz ebenfalls harmonisch ist, in dem zweiten Frequenzkanal (32), wobei
    - die Harmonische (20, 30) durch die Verschiebeeinrichtung auf die geschätzte erste Frequenz (f35) verschoben oder abgebildet wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung eine Polyphasen-Filterbank aufweist.
  9. Höreinrichtung mit einer Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8.
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