JP4382835B2 - 自動利得制御システム - Google Patents

Description

本発明は聴覚用人工補綴具及び補聴器用の自動利得制御(AGC) システムに関し、特にそれに限るわけではないが蝸牛に取付けられる人工補綴具用の自動利得制御システムに関する。

音の増幅を含む装置、又は音を知覚するように電気的刺激を与える装置においては、 AGCシステムを利用する必要がある。これによって付近における一般の音のレベルを考慮して、増幅器に用いられる利得を調整する。しかし常に予め規定されたレベルに調整しようとする単純な AGCの利用は、絶えず有意義な音が生成されてはいないという問題点を生ずることがあり、この場合には、暗騒音が邪魔になる程度まで増幅されている可能性がある。手動による利得制御をしない通常のシステムでは、この暗騒音は音声のような本来の音と同等の平均レベルを有するほどまで増幅されうる。このことはユーザにとって明らかに不満足なことである。

最も実用的なシステムにおいては、感度又は入力利得制御が提供され、これによって最大 AGC利得がユーザによって適当なレベルとなるように可変とされる。患者は通常、知覚された信号とノイズとの比を最大にするような位置にこの利得を調整する。この場合は通常、他人がその患者に話しているときの動作点上に AGCが設定される。これより高く設定することは、音声のない状態で暗騒音のレベルが AGCによって高められ、また音声が存在するときに信号振幅が低下されることを意味する。このことは、信号振幅情報が圧縮されるとき、暗騒音レベルがより高くなって、信号の識別に逆方向に影響するという逆効果をもたらす。またもし逆に、利得があまり低く設定されると、 AGCは全く動作せず、当該信号はユーザによって良好な音声識別を行うにはあまりにも小さすぎる。

これらの問題点があるにも拘らず、 AGCは通常、ユーザ自身が話すときには、他人が話すときよりも、マイクロホンによって感知される信号が実質的に大きくなるようにされる。更に人が話すときには自分の声を高める。 AGCなしでは、これらのケースの何れの場合にも、信号を制限したり歪ませたりして、信号処理装置からの出力の品質を低下させることになる。

ユーザが静かな環境からより騒がしい環境に移動するとき更なる問題点が生ずる。この状態ではノイズフロア(noise floor) がより高くなり、会話の声がより大きくなる。他の人とユーザとが話しているとき AGCは動作し、感知された信号とノイズとの比は実際の比よりも悪化する。その理由は音声が存在している間は中断している場合より利得が低いからである。この場合には感度を低下させることが有利である。

Hotvetに付与された米国特許第 4718099号は、入力信号が予め決められた最大値を超過したとき、急速に応答して利得を下げるように動作する AGC装置を開示している。この場合可変の解放期間が使用される。しかし該装置に対するノイズフロアを確立すること、すなわち平均化装置が使用されることについては開示されていない。ノイズの平均化と可変のアタック時間を用いた他の装置がKillion等に付与された米国特許第 5144675号に開示されている。更に例えばLawrence等に付与された米国特許第 4996712号及び Hughes Aircraft Companyによって出願されたオーストラリア特許出願第 17099／88号には、長期間及び短期間の平均化の組合せと差動増幅器を用いることが開示されている。
米国特許第4718099号明細書 米国特許第5144675号明細書 米国特許第4996712号明細書 実願昭54−24740号（実開昭55−124999号）の願書に添付した明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム 実願昭57−92881号（実開昭58−194598号）の願書に添付した明細書及び図面の内容を撮影したマイクロフィルム 米国特許第4052678号明細書 特開平２−81506号公報 特開昭60−75114号公報

本発明の目的は、システムの感度が、従来の装置より、普通の音の環境に対してより良く応答するような、補聴器及び聴覚用人工補綴具用の改善された AGCシステムを提供することにある。

１つの態様によれば、本発明は、制御される増幅器をそなえた聴覚用システムのための自動利得制御システムであって、増幅器の最大利得が通常のノイズフロアにしたがって可変とされることを特徴とするものを提供する。

好ましくは、該制御される増幅器の出力は、平均出力ノイズフロアを決定する手段を用いて制御され、該ノイズフロアは予め決められた区切り点と比較される。もしノイズフロアが該区切り点より上にあれば、利得はゆっくりと低下される。またもしノイズフロアが該区切り点より下にあれば、利得はゆっくりと増加される。

この装置は補聴器、蝸牛用人工補綴具、又は他の聴覚用人工補綴具に好適に使用される。

この装置による利点は、もしユーザがより騒がしい環境に移動すれば、ノイズレベルは比較的ゆっくりとした応答時間で全体的に低下され、それによって、例えば、 AGCは、音声間での中断中において利得を上昇させず、ノイズレベルを必要以上に高くするようなことがなくなる。

図１を参照すると、信号がマイクロホン10によって検出され、可変利得増幅器11へ出力される。増幅器出力20は包絡線検波器17によって処理され、ここで信号20が整流されまたオーディオ周波数が除去される。その結果生ずる包絡線振幅の信号21は次いで最小値検出器16によって処理され、ここで包絡線振幅の信号21における如何なる減少にも迅速に応答し、また増加には徐々にしか応答しない。このようにして、最小値検出器16の出力15は、先行する期間中における最低の信号振幅を表すことになる。典型的にはこの期間は、該最小値検出器の時定数を変えることによって、数秒程度に設定されうる。このようにして出力15はノイズフロアとなる。

コンパレータ13は信号15を、予め設定された区切り点値と比較し、該区切り点値は最高の許容レベルに対応するように定められる。もし信号15、すなわちノイズフロアがこのレベルより高ければ、該コンパレータの出力信号22は、積分器12に対し徐々に傾斜下降を開始させる。積分器12からの減少した出力信号は、増幅器11の利得を制御するためにフィードバックされ、したがってその出力信号20及び該ノイズフロア信号15は減少される。またもし信号15が該区切り点より低ければ、該コンパレータの出力信号22は積分器12を傾斜上昇させ、増幅器11の利得は増加される。このようにして該 AGCの最大利得は、無信号時には、該ノイズフロアが該区切り点に接近しているようなレベルに常に維持される。

図２には、該包絡線検波器を単純なアナログ回路で実現した場合が示される。これはダイオードＤ１とフィルタＲ１Ｃ１とを用いた標準的な復調回路である。好適にはＲ１Ｃ１は１／ｆよりずっと大きいことが好ましく、ここでｆはオーディオ信号において可能性のある最高の周波数である。

図３はハードウェアで実現された最小値検出器すなわちくぼみ検出器（dip detector) の構成を例示している。この実施例では、包絡線検波器の出力信号Ｖ_Rの最小値を見出す課題を、Ｖ_Ref−Ｖ_Rのピーク値（ここでＶ_Refは基準電圧である）を見出す課題に変えている。オペアンプ25は差動モードで構成され、それによってＶ_Ref−Ｖ_Rを検出し、これによってＶ_Rに対する最小値を出力する。

図４はオペアンプ13を用いたコンパレータを示しており、ノイズフロア15を所定の区切り点14と比較する。

図５は積分器をハードウェアで実現した例を示す。オペアンプ24はキャパシタＣ２と抵抗Ｒ２とによってフィードバック制御される。もしコンパレータ出力22がハイで、該検出されたノイズフロアが該区切り点より高いことを示していれば、オペアンプ24は下降傾斜し、それによって増幅器11の出力を下げる。もし該出力22がロウであれば、該オペアンプは上昇傾斜して、該増幅器からの出力を増加させる。

本発明はまた全体又は一部をソフトウェアで実施することができる。一実現例では、利得制御が要求される信号は、 16.026KHzのサンプル速度で、通常のタイプのアナログデジタル変換器に通される。その入力電圧範囲はピーク・ピーク値で 336μＶ乃至 1.5Ｖである。利得を下降させる各ステップは、これを上昇させる各ステップの大きさの８倍である。以下に１つのソフトウェアによる実施例における擬似コード記述を示す。

スタートASC：
新しい入力サンプル（Ａ１）を得よ、
・入力信号を増幅する、
Ａ１を利得倍してＡ２にする、
・信号の包絡線を計算して、その最小値（音声が存在しない状態における暗騒音）を算出する、
64ミリ秒分のＡ２の平均値を上記包絡線とする、
最新の10秒間に亘る包絡線の最小値をノイズフロアとする、
・包絡線の最小値が区切り点に向うように利得を更新する、
もし（ノイズフロア＜区切り点）ならば利得上昇、そうでなければ利得下降せよ、
・利得を感知可能な範囲に制限する、
もし（利得＞利得最大値）ならば利得を利得最大値にせよ、
もし（利得＜利得最小値）ならば利得を利得最小値にせよ、
スタートASCへ戻る

このようにして包絡線検波、最小値検出、コンパレータ及び積分器の機能がソフトウェアで実行され、該増幅器に対する利得制御信号を提供する。

本発明を実施するにあたっては種々の代替方法がある。蝸牛に取付けるという面において、本発明は本出願人により製造された音声処理装置内に組入れられうる。 SPECTRA装置及び MSP装置においては、本発明は、減衰器を形成するための可変抵抗として使用される FETによって形成される減衰器を用い、エンコーダ内のソフトウェアと組合せて実施されうる。またその代りにデジタル減衰器が、アップ／ダウンカウンタやデジタルコンパレータを用いたハードウェア構成とともに使用されうる。全体をデジタルとし、又は全体をアナログとする他の構成によっても実施可能である。全体をデジタルとして構成するにはその前端にアナログデジタル変換器が必要とされ、デジタル信号処理装置内で減衰が行なわれる。全体をアナログとして構成するには同じ結果を奏するために、オペアンプとコンパレータと積分器とが使用される。

本明細書で記述したものとは異なる他のハイブリッド構成も実施可能であることは当業者にとっては自明である。ここに開示したハードウェアの構成は単なる一実施例にすぎないことが理解されうる。本発明の思想の範囲内で種々の変形や付加をなしうることは当業者にとって明らかである。

本発明の１実施例の概略構成を示す。 包絡線検波器の１実施例を示す。 最小値検出器の１実施例を示す。 コンパレータの１実施例を示す。 積分器の１実施例を示す。

Claims (22)

1. 聴覚用人工補綴具においてオーディオ信号を処理する方法であって、
   ａ）前記オーディオ信号を可変利得増幅器によって増幅して利得調整されたオーディオ信号を生成するステップと、
   ｂ）前記利得調整されたオーディオ信号に応答するフィードバック制御装置によって前記可変利得増幅器の利得を調整するステップであって、
   前記利得調整されたオーディオ信号のノイズフロアを決定するステップと、
   前記ノイズフロアを予め設定された区切り値と比較するステップであって、前記の決定されたノイズフロアと前記の予め設定された区切り値との比較に応じて前記可変利得増幅器の利得を変化させるように、前記可変利得増幅器に制御信号を供給するステップとを含むものと、
   ｃ）前記利得調整されたオーディオ信号を、さらなる処理のために、前記聴覚用人工補綴具の後段に送るステップとをそなえ、
   ここに前記区切り値は、前記ノイズフロアの最高の許容レベルに対応するように定められる方法。
2. 前記利得調整されたオーディオ信号のノイズフロアを決定するステップは、
   前記利得調整されたオーディオ信号の包絡線を抽出して包絡線信号を生成するステップと、
   前記包絡線信号をモニタして、先行する期間中における前記包絡線信号の最小値を示すノイズフロア信号を生成するステップとを含み、
   また前記の比較するステップにおいて、
   前記ノイズフロア信号が前記の予め設定された区切り値より大きければ、前記可変利得増幅器の利得を減少させる制御信号を供給し、
   前記ノイズフロア信号が前記の予め設定された区切り値より小さければ、前記可変利得増幅器の利得を増加させる制御信号を供給する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記利得調整されたオーディオ信号の包絡線を抽出して包絡線信号を生成するステップは、ダイオード検波回路によって実行される、請求項２に記載の方法。
4. 前記包絡線信号をモニタして、先行する期間中における前記包絡線信号の最小値を示すノイズフロア信号を生成するステップは、最小値検出器によって実行される、請求項２に記載の方法。
5. 前記ノイズフロアを予め設定された区切り値と比較するステップは、オペアンプにより実行される、請求項１に記載の方法。
6. 前記可変利得増幅器に制御信号を供給するステップは、積分器により実行される、請求項１に記載の方法。
7. 前記ノイズフロア信号は、前記利得調整されたオーディオ信号の包絡線信号の増加に応答して徐々に増加し、前記包絡線信号の減少に応答して迅速に減少する、請求項２に記載の方法。
8. 聴覚用人工補綴具においてソフトウェアによりディジタルオーディオ信号を処理する方法であって、
   ａ）前記ディジタルオーディオ信号に利得を与えるために前記ディジタルオーディオ信号に対して計算を行い、それによって、与えられる利得の大きさが可変とされる、利得調整されたディジタルオーディオ信号を生成するステップと、
   ｂ）前記利得調整されたディジタルオーディオ信号に対して計算を行って、ディジタル包絡線信号を生成するステップと、
   ｃ）前記ディジタル包絡線信号に対して計算を行って、先行する期間中における前記ディジタル包絡線信号の最小値を示すノイズフロア値を生成するステップと、
   ｄ）前記ノイズフロア値を、所定の区切り値と比較するステップと、
   ｅ）前記ノイズフロア値が前記区切り値より小さければ、前記ディジタルオーディオ信号に与えられる利得を増加させるステップと、
   ｆ）前記ノイズフロア値が前記区切り値より大きければ、前記ディジタルオーディオ信号に与えられる利得を減少させるステップとをそなえ、
   ここに前記区切り値は、前記ノイズフロアの最高の許容レベルに対応するように定められる方法。
9. 前記ノイズフロア値を生成するために前記ディジタルオーディオ信号に対してなされる計算によって、前記ノイズフロア値を前記ディジタル包絡線信号の増加に応答して徐々に増加させ、前記ノイズフロア値を前記ディジタル包絡線信号の減少に応答して迅速に減少させる、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記聴覚用人工補綴具は補聴器である、請求項８に記載の方法。
11. 前記聴覚用人工補綴具は蝸牛用人工補綴具である、請求項８に記載の方法。
12. 聴覚用人工補綴具においてオーディオ信号を処理する装置であって、
    ａ）前記オーディオ信号を増幅して利得調整されたオーディオ信号（20）を生成する可変利得増幅器（11）と、
    ｂ）前記利得調整されたオーディオ信号に応答して前記可変利得増幅器の利得を調整するフィードバック制御装置であって、
    前記の増幅器出力のノイズフロア（15）を決定する手段と、
    前記ノイズフロア（15）を予め設定された区切り値（14）と比較する手段（13）と、
    前記の決定されたノイズフロア（15）と前記の予め設定された区切り値（14）との比較に応じて前記可変利得増幅器（11）の利得を変化させるように、前記可変利得増幅器（11）に制御信号を供給する手段（12）とを含むものと、
    ｃ）前記利得調整されたオーディオ信号を、さらなる処理のために、前記聴覚用人工補綴具の後段に送る手段とをそなえ、
    ここに前記区切り値は、前記ノイズフロアの最高の許容レベルに対応するように定められる装置。
13. 前記の増幅器出力のノイズフロア（15）を決定する手段は、
    前記利得調整されたオーディオ信号の包絡線を抽出して包絡線信号を生成する手段（17）と、
    前記包絡線信号をモニタして、先行する期間中における前記包絡線信号の最小値を示すノイズフロア信号を生成する手段（16）とを含み、
    また前記の比較する手段（13）が、前記ノイズフロア信号が前記の予め設定された区切り値より大きいことを決定すれば、前記の制御信号を供給する手段（12）は前記可変利得増幅器の利得を減少させる制御信号を供給し、
    また前記の比較する手段（13）が、前記ノイズフロア信号が前記の予め設定された区切り値より小さいことを決定すれば、前記の制御信号を供給する手段（12）は前記可変利得増幅器の利得を増加させる制御信号を供給する、
    請求項12に記載の装置。
14. 前記利得調整されたオーディオ信号の包絡線を抽出して包絡線信号を生成する手段（17）は、ダイオード検波回路を有して成る、請求項13に記載の装置。
15. 前記包絡線信号をモニタして、先行する期間中における前記包絡線信号の最小値を示すノイズフロア信号を生成する手段（16）は、最小値検出器を有して成る、請求項13に記載の装置。
16. 前記ノイズフロアを予め設定された区切り値と比較する手段（13）は、オペアンプを有して成る、請求項12に記載の装置。
17. 前記可変利得増幅器に制御信号を供給する手段（12）は、積分器を有して成る、請求項12に記載の装置。
18. 前記ノイズフロア信号は、前記利得調整されたオーディオ信号の包絡線信号の増加に応答して徐々に増加し、前記包絡線信号の減少に応答して迅速に減少する、請求項13に記載の装置。
19. 聴覚用人工補綴具においてソフトウェアによりディジタルオーディオ信号を処理する装置であって、前記ソフトウェアは、コンピュータを下記の手段、すなわち
    ａ）前記ディジタルオーディオ信号に利得を与えるために前記ディジタルオーディオ信号に対して計算を行い、それによって、与えられる利得の大きさが可変とされる、利得調整されたディジタルオーディオ信号（20）を生成する手段（11）、
    ｂ）前記利得調整されたディジタルオーディオ信号に対して計算を行って、ディジタル包絡線信号を生成する手段、
    ｃ）前記ディジタル包絡線信号に対して計算を行って、先行する期間中における前記ディジタル包絡線信号の最小値を示すノイズフロア値（15）を生成する手段、
    ｄ）前記ノイズフロア値（15）を、所定の区切り値（14）と比較する手段（13）、
    ｅ）前記ノイズフロア値が前記区切り値より小さければ、前記ディジタルオーディオ信号に与えられる利得を増加させる手段、および
    ｆ）前記ノイズフロア値が前記区切り値より大きければ、前記ディジタルオーディオ信号に与えられる利得を減少させる手段として機能させ、
    ここに前記区切り値は、前記ノイズフロアの最高の許容レベルに対応するように定められる装置。
20. 前記ノイズフロア値を生成するために前記ディジタルオーディオ信号に対してなされる計算によって、前記ノイズフロア値を前記ディジタル包絡線信号の増加に応答して徐々に増加させ、前記ノイズフロア値を前記ディジタル包絡線信号の減少に応答して迅速に減少させる、請求項19に記載の装置。
21. 前記聴覚用人工補綴具は補聴器である、請求項19に記載の装置。
22. 前記聴覚用人工補綴具は蝸牛用人工補綴具である、請求項19に記載の装置。

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