KR100363252B1 - Adaptive feedback cancellation apparatus and method for multi-band compression hearing aids - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적응 피드백 제거 방법의 성능을 개선할 수 있는 방법으로 다중 대역 적응 피드백 제거(multi-band adaptive feedback cancellation) 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 제안된 방법은 이미 대중화되어 있는 다중 대역 보청기(multi-band hearing aids)의 구조와 적응 피드백 제거 방법을 결합하여 얻어진 것이다. 창작된 방법에서는 전 대역에 걸쳐 주파수 성분을 갖고 있는 백색 잡음(white noise)을 참고 입력 신호로 사용하여 피드백 경로를 추정하는 기존의 방법과 달리, 백색 잡음을 다중 대역 보청기를 거쳐 대역 분할하고, 대역 분할된 백색 잡음 신호 중 피드백 이득이 가장 큰 대역, 또는 보청기의 이득이 가장 크게 결정되는 대역에 해당하는 성분만을 적응 필터의 참고 입력으로 사용하여 피드백 경로를 추정한다. 따라서 음향 피드백은 선택된 주파수 대역에서만 제한시켜 해당 대역의 최대 사용 가능 이득을 크게 만들 수 있다. 이런 방법이 효과적인 가장 큰 이유는 다중 대역 구조를 갖는 보청기의 경우 각 대역에 사용되는 이득이 각각 다르며, 특정 대역에 적용되는 이득이 다른 대역들 보다 큰 경우가 빈번이 발생하기 때문이다.The present invention relates to a multi-band adaptive feedback cancellation method and apparatus therefor as a method for improving the performance of the adaptive feedback cancellation method. The proposed method is obtained by combining the structure of multi-band hearing aids that are already popularized and the adaptive feedback cancellation method. Unlike the conventional method of estimating the feedback path using white noise having frequency components over the entire band as a reference input signal, the created method band-divides the white noise through a multi-band hearing aid, The feedback path is estimated using only components corresponding to a band having the largest feedback gain among the divided white noise signals or a band where the gain of the hearing aid is determined the largest as a reference input of the adaptive filter. Thus, acoustic feedback can be limited only in selected frequency bands to increase the maximum usable gain of that band. The main reason why this method is effective is that in the case of a hearing aid having a multi-band structure, the gain used in each band is different, and the gain applied to a specific band is often larger than other bands.
Description
본 발명은 다중 대역 보청기에 관한 것으로서, 특히 다중 대역 보청기에서 적응 피드백을 제거하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to multiband hearing aids, and more particularly, to an apparatus and method for canceling adaptive feedback in multiband hearing aids.
음향 피드백(acoustic feedback)은 보청기(hearing aids)에서 사용가능한 최대이득(maximum usable gain)을 심각히 제한하는 원인이 될 뿐만 아니라, 보청기착용자에게 지속적인 불편을 주는 바람직하지 않은 현상이다. 피드백은 음향 발생장치(acoustic actuator)와 음향 감지 장치(acoustic sensor) 간의 음향 간섭(acoustic coupling)을 의미하며, 그 음향 간섭에 의해 지속적인 오실레이션(oscillation)이 발생한다. 이런 현상은 일반적으로 시스템의 폐회로 이득(open-loop gain)이 0dB 이상일 때 발생하며, 보청기에서는 그 이득이 높게 셋팅되어 있을 때 흔히 발생한다. 피드백을 제거하는 것은 오실레이션의 발생을 방지하는 것이므로, 피드백을 제거함으로써 보청기를 사용하여 얻을 수 있는 이득 범위를 넓힐 수 있다. 이득 범위가 넓어진다면 음성 신호의 대역폭을 보다 효과적으로 사용할 수 있고, 결과적으로 보청기 착용자의 음성 인지도(speech intelligibility)를 높일 수 있다. 이러한 이유로 보청기를 설계하는데 있어서 피드백 제거는 매우 중요하다.Acoustic feedback is not only a cause for seriously limiting the maximum usable gain available in hearing aids, but is also an undesirable phenomenon that causes continuous discomfort to hearing aid wearers. Feedback refers to acoustic coupling between an acoustic actuator and an acoustic sensor, and continuous oscillation occurs due to the acoustic interference. This usually occurs when the open-loop gain of the system is greater than 0 dB, which is common in hearing aids when the gain is set high. Since removing feedback prevents oscillation from occurring, removing feedback can broaden the range of gains that can be achieved with hearing aids. If the gain range is wider, the bandwidth of the voice signal can be used more effectively, resulting in increased speech intelligibility of the hearing aid wearer. For this reason, feedback rejection is very important when designing hearing aids.
음향 피드백을 방지하기 위해 보청기에서 사용하는 가장 흔한 방법이 전체 대역 혹은 고주파 대역의 이득을 미리 제한하는 것이다. 그러나 보청기 사용자들은 흔히 보청기가 제공하는 이득보다 더 큰 이득을 원하기 때문에 이 방법은 효과적이지 못하다.The most common method used in hearing aids to prevent acoustic feedback is to limit the gain of the entire band or the high frequency band in advance. However, this method is not effective because hearing aid users often want greater benefits than the hearing aids provide.
피드백 제거를 위해 사용되는 또 다른 방법이 놋치 필터(notch filter)를 사용하는 것이다. 이 방법에서는 협대역 놋치(narrow-band notch) 필터를 보청기 마이크 입력과 증폭회로 사이에 삽입함으로써 오실레이션이 발생하기 쉬운 주파수에서의 시스템 이득을 줄이는 방법이다. 실험 결과에 의하면 이 방법을 사용하는 경우 3-5dB의 추가 이득을 얻을 수 있지만, 여전히 높은 이득을 요하는 보청기에서사용되기에는 부적합하다. 또한, 이 방법은 음성신호의 정보 중 일부가 놋치되어 상실될 수 있기 때문에 음성 신호의 손상을 가져온다.Another method used to remove feedback is to use a notch filter. In this method, a narrow-band notch filter is inserted between the hearing aid microphone input and amplification circuitry to reduce system gain at frequencies that are susceptible to oscillation. Experimental results show that this method provides an additional gain of 3-5dB, but is still unsuitable for use in hearing aids that require high gains. In addition, this method causes damage to the speech signal because some of the information of the speech signal may be notched and lost.
최근 적응 필터(adaptive filter)를 사용하여 피드백 경로를 추정함으로써 전체 주파수 대역에 대한 피드백의 영향을 제거하는 적응 피드백 제거방법이 개발되었다. 이 방법은 적응 필터를 사용하여 피드백 신호를 추정한 후, 입력 신호에서 해당 신호를 빼고 나머지 신호를 보청기 증폭회로에 인가하는 과정으로 이루어 졌다. 이 방법의 가장 큰 장점은 보청기 사용자의 움직임이나 주변환경의 변화에 자동으로 적응하기 때문에 상황 변화에 강인한 피드백 제거 결과를 얻을 수 있다는 것이다.Recently, an adaptive feedback cancellation method has been developed that removes the influence of feedback on the entire frequency band by estimating the feedback path using an adaptive filter. This method consists of estimating the feedback signal using an adaptive filter, subtracting the corresponding signal from the input signal, and applying the remaining signal to the hearing aid amplification circuit. The main advantage of this method is that it automatically adapts to the movement of the hearing aid user or changes in the surroundings, resulting in robust feedback cancellation.
종래의 적응 피드백 제거 방법은 보청기 마이크 출력과 스피커 입력 신호를 사용하여 시간에 따라 특성이 변화하는 피드백 경로를 모델링한다. 이때 피드백 경로 모델링을 위해 적응 필터가 사용된다. 모델링된 피드백 경로는 보청기에 적용되어 피드백 성분을 계산하는데 사용되고, 계산된 피드백 신호를 원래의 입력 신호에서 뺌으로써 피드백을 제거한다.The conventional adaptive feedback cancellation method uses a hearing aid microphone output and a speaker input signal to model a feedback path whose characteristics change over time. In this case, an adaptive filter is used for modeling the feedback path. The modeled feedback path is applied to the hearing aid to calculate the feedback component and removes the feedback by subtracting the calculated feedback signal from the original input signal.
도 1은 종래의 적응 피드백 제거 시스템(adaptive feedback cancellation system)의 디지털 블록도이다. 도 1에서 F(z)는 전기, 음향적인 피드백 경로(feedback path)(11)를 나타낸다. 도 1에서 W(z)로 나타낸 적응 필터(adaptive filter)(12)는 피드백 경로 F(z)(11)를 모델링하기 위해 증폭회로 H(z)(15)의 출력 u(k)를 참고 입력 신호(reference input signal)로 사용하며, 마이크(10)의 출력 신호 x(k)를 기대 입력 신호(desired input signal)로 사용한다.기대 입력 신호 x(k)는 증폭하고자 하는 입력 음성 신호 s(k)와 제거하고자 하는 피드백 신호 f(k)의 합으로 주어진다.1 is a digital block diagram of a conventional adaptive feedback cancellation system. In FIG. 1, F (z) represents an electrical and acoustic feedback path 11. The adaptive filter 12, denoted by W (z) in FIG. 1, refers to the output u (k) of the amplifying circuit H (z) 15 to model the feedback path F (z) 11. It is used as a reference input signal, and the output signal x (k) of the microphone 10 is used as a desired input signal. The expected input signal x (k) is an input audio signal s ( k) and the feedback signal f (k) to be removed.
보청기가 동작하기 시작하는 초기화 단계나 동작 중에 피드백이 발생하면 보청기는 증폭회로(15)에서 스피커(16)로 전달되는 경로는 차단하고, 스피커 입력으로 백색잡음(white noise)을 연결한다. 피드백 발생 유무를 자동으로 결정하는 역할은 스위치제어부(13)가 담당한다. 스위치제어부(13)는 입력 신호의 파워가 특정 크기 이상으로 커지는 지와 적응 놋치 필터를 사용하여 단일 주파수(pure tone) 신호의 크기가 특정 크기 이상으로 커지는 지를 연속적으로 모니터링함으로써 피드백 발생 여부를 판단한다. 피드백이 발생되었다고 판단된 경우에는 잡음 프로브(noise probe)(14)를 스피커(16)로 연결하여 백색 잡음 신호를 스피커(16)로 출력시킨다. 스피커를 통해 음향 신호로 변환된 백색 잡음은 피드백 경로를 거쳐 마이크(10)로 다시 입력된다.When feedback occurs during the initialization stage or operation of the hearing aid, the hearing aid blocks the path from the amplifier 15 to the speaker 16 and connects white noise to the speaker input. The switch control unit 13 is responsible for automatically determining the presence or absence of feedback. The switch control unit 13 determines whether the feedback occurs by continuously monitoring whether the power of the input signal is larger than a certain magnitude and whether the magnitude of a single tone signal is greater than a specific magnitude by using an adaptive notch filter. . When it is determined that feedback has occurred, a noise probe 14 is connected to the speaker 16 to output a white noise signal to the speaker 16. The white noise converted into an acoustic signal through the speaker is input back to the microphone 10 through a feedback path.
이때, 적응 필터(12)는 적응 알고리즘을 사용하여 마이크에 의해 검출된 신호 x(k)와 필터 출력 간의 추정 오차 e(k)의 파워를 최소화하도록 동작하는데, 적응 필터(12)가 TDL(tapped-delay-line)구조를 갖는 경우 추정 오차 e(k)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.At this time, the adaptive filter 12 operates to minimize the power of the estimated error e (k) between the signal x (k) detected by the microphone and the filter output using an adaptive algorithm, wherein the adaptive filter 12 is tapped (TDL). In the case of a -delay-line structure, the estimation error e (k) can be expressed as follows.
위 식에서W(k)=[w0(k) w1(k) … wN(k)]T와U(k)=[u(k) u(k-1) … u(k-N)]T는각각 N차 적응 필터의 계수와 참고 입력 신호 벡터를 나타낸다.Where W (k) = [w 0 (k) w 1 (k)... w N (k)] T and U (k) = [u (k) u (k-1)... u (kN)] T denotes coefficients of the Nth order adaptive filter and reference input signal vectors, respectively.
적응 필터의 계수는 여러 가지 방법으로 조정될 수 있으나 가장 효과적이고 간단한 방법이 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 사용하는 것이다. 정규화된 LMS(Normalized LMS:NLMS) 알고리즘은 다음과 같이 정리된다.The coefficients of the adaptive filter can be adjusted in various ways, but the most effective and simple method is to use the Least Mean Square (LMS) algorithm. The normalized LMS (NLMS) algorithm is summarized as follows.
수학식 3과 수학식 4에서 0<α<1는 알고리즘의 수렴속도를 결정하는 파라메타이며, 참고 입력의 파워를 구하기 위해 1차 IIR(infinite-duration impulse response)필터를 사용한다.In Equation 3 and Equation 4, 0 <α <1 is a parameter that determines the convergence speed of the algorithm, and uses a first order-duration impulse response (IIR) filter to obtain the power of the reference input.
종래의 적응 피드백 제거 방법은 적응 놋치 필터를 사용하는 방법에 비해 추가로 얻을 수 있는 이득의 범위가 크며, 피드백 성분만을 추정하여 제거하기 때문에 원 음성 신호의 손상을 가져오지 않는다. 그러나 보청기 신호처리기부의 계산능력이 충분하지 않을 경우 필터의 차수가 제한받기 때문에 여전히 중,고도의 난청을 보상하기 위해 필요한 이득을 충분히 수용하지 못하는 경우가 발생한다. 따라서 같은 계산 능력을 가진 프로세서로 피드백을 보다 효율적으로 제거할 수 있는방법이 필요하다.The conventional adaptive feedback cancellation method has a larger gain range than the method using the adaptive notch filter, and does not cause damage to the original speech signal because only the feedback component is estimated and removed. However, if the hearing aid signal processing unit does not have enough computational power, the order of the filter is limited, and thus it still fails to sufficiently accommodate the gain necessary to compensate for the hearing loss. Therefore, there is a need for a method that can remove feedback more efficiently with a processor with the same computing power.
종래의 적응 피드백 제거 방법이 갖고 있는 또 다른 단점은 그 방법이 다중 대역 보청기와 결합되었을 때 관찰된다. 적응 필터는 피드백 경로를 통해 되돌아온 신호 중 파워가 가장 큰 주파수 성분을 중심으로 피드백 경로 모델링을 수행한다. 따라서 파워가 큰 주파수 성분에 비해 작은 파워를 갖는 주파수 성분에 대한 추정 오차는 커질 수 밖에 없다. 만약 이런 방법이 단일 대역 구조를 갖는 보청기에 적용된다면 모든 주파수 대역에 동일한 이득이 가해지기 때문에 파워가 큰 피드백 성분을 중심으로 피드백 경로 추정을 수행하는 것이 타당한 방법이 된다. 그러나 다중 대역 보청기의 경우 각각의 주파수 대역에 서로 다른 이득이 가해진다. 각 대역에 가해지는 이득은 전적으로 난청자의 난청 정도에 의존하기 때문에 대역별 이득 차는 경우에 따라 30~40dB 정도로 커지기도 한다. 이런 상황에서 피드백은 피드백 경로의 주파수 전달함수 뿐만 아니라 보청기에 의해 가해지는 대역별 이득에 의해 그 발생 확률이 결정된다. 이런 경우 전체 주파수 대역에 대해 동시에 피드백 경로 추정을 실시하는 종래의 방법은 효과적이지 못하다.Another disadvantage of the conventional adaptive feedback cancellation method is observed when the method is combined with a multiband hearing aid. The adaptive filter performs feedback path modeling based on the frequency component having the largest power among the signals returned through the feedback path. Therefore, the estimation error for the frequency component having a small power compared to the frequency component with a large power is inevitably large. If this method is applied to a hearing aid having a single band structure, the same gain is applied to all frequency bands. Therefore, it is reasonable to perform feedback path estimation based on a large power feedback component. However, for multiband hearing aids, different gains are applied to each frequency band. Since the gain applied to each band depends entirely on the degree of hearing loss of the deaf, the gain difference for each band may increase by 30 to 40 dB in some cases. In this situation, the feedback probability is determined not only by the frequency transfer function of the feedback path but also by the band-specific gain applied by the hearing aid. In this case, the conventional method of simultaneously performing feedback path estimation for the entire frequency band is not effective.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 주파수 대역별로 그 이득이 다른 다중 대역 구조를 갖는 보청기에서 같은 계산 능력을 가진 프로세서에 의해 피드백을 보다 효율적으로 제거할 수 있는 다중 대역 보청기를 위한 적응 피드백 제거방법 및 그 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and is intended for a multiband hearing aid capable of more efficiently removing feedback by a processor having the same computing power in a hearing aid having a multiband structure having different gains for each frequency band. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for adaptive feedback cancellation.
도 1은 종래의 기술에 의한 적응 피드백 경로 추정장치의 구성도이다.1 is a block diagram of an apparatus for estimating an adaptive feedback path according to the related art.
도 2는 일반적인 다중 대역 보청기의 신호 처리부의 구성을 도시한 것이다.2 illustrates a configuration of a signal processor of a general multi-band hearing aid.
도 3은 본 발명에 의한 다중 대역 보청기의 일실시예에서 다중 대역 적응 피드백 경로 추정과정을 도시한 것이다.Figure 3 illustrates a multi-band adaptive feedback path estimation process in one embodiment of a multi-band hearing aid according to the present invention.
도 4는 본 발에 의한 다중 대역 보청기의 일실시예에서 피드백 경로 대역별 파워 추정과정을 도시한 것이다.4 is a diagram illustrating a power estimation process for each feedback path band in an embodiment of a multi-band hearing aid according to the present invention.
도 5는 본 발명에 의한 다중 대역 보청기의 일실시예에서 다중 대역 적응 피드백 제거과정을 도시한 것이다.5 illustrates a multiband adaptive feedback cancellation process in one embodiment of a multiband hearing aid according to the present invention.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 마이크의 입력신호를 다중 대역들로 분리하고, 분리된 다중 대역 신호들에 각각 대응하는 이득들을 곱한 후, 그 곱해진 신호들이 모두 더하여 스피커로 최종 출력하는 다중대역 보청기에서 적응필터를 사용하여 피드백을 제거하는 방법의 일실시예는, (a) 피드백을 검출하는 단계; (b) 상기 다중 대역들 중에서 피드백 이득이 크거나 보청기 이득이 큰 다수의 대역들을 선택하는 단계; (c) 선택된 대역들의 출력신호들의 합을 참고입력신호로 하고, 백색잡음을 기대입력신호로 하여 상기 적응필터를 적응시키며 피드백 경로를 추정하는 단계; 및 (d) 상기 마이크의 입력신호에서 상기 적응필터의 출력신호를 뺀 신호를 증폭한 증폭기 출력신호를 상기 적응필터의 참고입력신호로 하고, 상기 마이크의 입력신호를 상기 적응필터의 기대입력신호로 하여 피드백을 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the input signal of the microphone according to the present invention is divided into multiple bands, multiplied by the gains corresponding to the separated multi-band signals, respectively, and then the multiplied signals are added to the final output to the speaker. One embodiment of a method for removing feedback using an adaptive filter in a multiband hearing aid includes: (a) detecting the feedback; (b) selecting a plurality of bands having a large feedback gain or a large hearing aid gain among the multiple bands; (c) adapting the adaptive filter and estimating a feedback path using a sum of output signals of selected bands as a reference input signal and white noise as an expected input signal; And (d) an amplifier output signal obtained by amplifying a signal obtained by subtracting the output signal of the adaptive filter from the input signal of the microphone as a reference input signal of the adaptive filter, and the input signal of the microphone as an expected input signal of the adaptive filter. To remove the feedback.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 다중 대역 보청기의 일실시예는 마이크; 상기 마이크의 입력신호에서 적응필터의 출력신호를 뺀 신호를 다중 대역들로 분리하는 다중대역필터뱅크; 분리된 다중 대역 신호들에 각각 대응하는 이득들을 곱한 후, 그 곱해진 신호들이 모두 더하는 다중대역압축회로; 상기 다중대역압축회로에서 더하여진 신호를 음성으로 출력하는 스피커; 및 상기 마이크의 입력신호를 기대입력신호로 하고, 상기 다중대역압축회로의 출력신호를 참고입력신호로 하고, 피드백 신호의 경로를 모델링하여 출력하는 적응필터를 포함함을 특징으로 한다.In order to achieve the above another object, an embodiment of a multi-band hearing aid according to the present invention comprises a microphone; A multi-band filter bank for dividing a signal obtained by subtracting the output signal of the adaptive filter from the input signal of the microphone into multiple bands; A multiband compression circuit multiplying the gains corresponding to the separated multiband signals, and then adding the multiplied signals; A speaker for outputting a signal added by the multi-band compression circuit as voice; And an adaptive filter for setting the input signal of the microphone as the expected input signal, the output signal of the multi-band compression circuit as the reference input signal, and modeling and outputting a path of the feedback signal.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
지난 수 십년 동안 다양한 형태의 보청기가 개발되었다. 이들 보청기 중에서 가장 흔한 형태의 보청기가 전체 주파수 대역에 걸쳐 동일한 이득을 주는 단일 대역 보청기이다. 단일 주파수 보청기가 널리 사용되어온 가장 큰 이유는 그 구조가 단순하여 제작이 쉽다는 것이다. 그러나 이 방식이 갖고 있는 가장 심각한 문제점은, 예를 들어 음성신호와 같은 광대역(broad-band)의 신호가 보청기 입력으로 인가되는 경우, 대부분의 에너지가 저주파 대역에 집중되기 때문에 고주파 영역에 분포하는 상대적으로 에너지가 작은 신호들을 효과적으로 증폭시켜 주지 못한다는 것이다.Various types of hearing aids have been developed over the last few decades. Of these hearing aids, the most common type of hearing aid is a single band hearing aid that gives equal gain over the entire frequency band. The main reason for the widespread use of single frequency hearing aids is their simple structure and ease of manufacture. However, the most serious problem with this approach is that when a broad-band signal such as a voice signal is applied to the hearing aid input, most of the energy is concentrated in the low frequency band so that the relative distribution in the high frequency region is achieved. In other words, energy does not effectively amplify small signals.
보청기에 관한 연구에 의하면 4~6KHz 대역에 분포하는 상대적으로 에너지가 작은 음성 신호가 청취자의 인지도에 상당한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로 전체 주파수 대역을 분할하여 처리하는 다중대역 보청기가 개발되었다. 이 방법에서 각 대역의 이득은 해당 대역의 압축율과 해당 대역에 입력되는 신호의 크기에 의해 결정된다. 따라서 전체 주파수 대역에 걸쳐 입력되는 신호의 스펙트럼 분포를 난청자가 지각할 수 있도록 해 준다. 일반적으로, 각 주파수 대역에서 보청기가 갖는 신호 압축율은 보청기 사용자의 난청 정도에 비례한다.Studies on hearing aids have shown that relatively low energy speech signals in the 4-6KHz band have a significant effect on listeners' awareness. For this reason, multiband hearing aids have been developed that divide and process the entire frequency band. In this method, the gain of each band is determined by the compression ratio of the band and the magnitude of the signal input to the band. This allows the hearing loss to perceive the spectral distribution of the incoming signal over the entire frequency band. In general, the signal compression ratio of a hearing aid in each frequency band is proportional to the degree of hearing loss of a hearing aid user.
도 2는 일반적인 다중 대역 보청기의 신호처리부 구조이다. 도 2에서 마이크 출력은 M개(M>1인 정수)의 주파수 대역을 갖는 M-대역필터뱅크(20)에 의해 다중 주파수 신호로 분리된다. 분리된 신호 bi(k)는 미리 정해진 기준(fitting rule)에 의해 결정된 이득 상수 gi가 곱해진 후, 그 곱해진 값들이 모두 더해져 최종 출력을만들어 낸다. 입력 신호에 해당하는 이득은 해당 대역에 설정된 M-대역압축회로(M-band Compression Circuit)(25)의 압축율에 의해 계산된다. 대역별 이득은 입력 신호의 크기에 따라 다르게 결정되기 때문에 입력신호의 크기를 연쇄적으로 추정해야만 한다. 크기추정부(26)는 어택 시간(attack time)과 릴리스 시간(release time)을 적용하여 입력 신호의 크기를 추정하는데, 다음과 같은 1차 IIR 필터식을 사용한다.2 is a signal processing unit structure of a general multi-band hearing aid. 2, the microphone output is separated into a multi-frequency signal by the M-band filterbank 20 having M frequency bands (an integer of M> 1). The separated signal b i (k) is multiplied by a gain constant g i determined by a predetermined fitting rule, and then the multiplied values are added to produce the final output. The gain corresponding to the input signal is calculated by the compression rate of the M-band Compression Circuit 25 set in the corresponding band. Since the gain for each band is determined differently according to the magnitude of the input signal, the magnitude of the input signal must be estimated in series. The magnitude estimator 26 estimates the magnitude of the input signal by applying the attack time and the release time, and uses the following first order IIR filter equation.
수학식 5 및 수학식 6에서, vi(k)는 i번째 대역의 크기 추정치이고, 0<λa, λr<1는 각각 어택 시간과 릴리스 시간을 결정하는 상수이다. 이득제어부(27)는 입력신호의 크기와 난청데이터를 이용하여 각 대역별 이득의 결정한다.In Equations 5 and 6, v i (k) is an estimate of the size of the i th band, and 0 <λ a and λ r <1 are constants that determine the attack time and the release time, respectively. The gain control unit 27 determines the gain for each band by using the magnitude of the input signal and the hearing loss data.
다중 대역 보청기에서 각 주파수 대역별로 결정되는 이득은 앞서 언급한데로 각 주파수별로 큰 차이를 보일 수 있다. 이는 전적으로 해당 주파수에서 보청기 사용자의 난청 정도가 어느 정도인지에 따른다. 예를 들어, 감음 신경성(sensorineural) 난청인 경우 저주파 대역에 비해 고주파 대역에서의 이득이 30~40dB 이상 높은 경우도 발생한다. 해당 대역에서 필요로 하는 이득이 높으면 이에 비례하여 피드백이 생길 확률도 높아진다. 이런 이유로 전체 대역에 대해 피드백 제거를 수행하는 대신, 피드백 발생확률이 높은 대역에 대해서만 한정적으로 피드백 제거를 실시하면, 계산량이 한정되어 있는 경우 더 효과적으로 피드백을 제거할 수 있다.In the multi-band hearing aid, the gain determined for each frequency band may have a large difference for each frequency as mentioned above. It depends entirely on how hard the hearing aid user is at that frequency. For example, sensoryural hearing loss occurs when the gain in the high frequency band is higher by 30 to 40 dB or more than in the low frequency band. The higher the gain required in the band, the higher the probability of feedback. For this reason, instead of performing feedback cancellation for all bands, if feedback is limited only for bands with a high probability of generating feedback, feedback can be more effectively removed when the amount of calculation is limited.
도 3에 도시된 본 발명에 의한 다중 대역 적응 피드백 제거기의 일실시예는 다중 대역 보청기 구조와 적응 피드백 제거 시스템의 구조가 결합된 구조를 갖는다.An embodiment of the multi-band adaptive feedback canceler according to the present invention shown in FIG. 3 has a structure in which the structure of the multi-band hearing aid structure and the adaptive feedback cancellation system are combined.
보청기가 동작하기 시작하는 초기화 과정이나 피드백이 발생하였다고 판단된 경우, 스위치제어부(31)는 다중 대역 보청기의 동작을 대역선택단계, 필터적응단계 및 정상단계로 구분하여 대응하는 제어신호를 생성한다. 필터적응단계에서 제1스위치(41a)는 스위치제어부(31)의 제어에 의해 증폭회로 전단에 위치한 M-대역필터뱅크(33) 입력선을 마이크(30)로부터 차단하고 백색잡음을 발생하는 잡음원인 잡음프로브(32)를 M-대역필터뱅크(33)의 입력으로 연결한다. 피드백 발생 유무를 자동으로 결정하는 역할은 스위치제어부(31)가 담당한다. 스위치제어부(31)는 입력 신호의 파워가 특정 크기 이상으로 커지는 지와 적응 놋치 필터를 사용하여 단일 주파수(pure tone) 신호의 크기가 특정 크기 이상으로 커지는 지를 연속적으로 모니터링함으로써 피드백 발생 여부를 판단한다.When it is determined that the initialization process or feedback that the hearing aid starts to operate, the switch controller 31 divides the operation of the multi-band hearing aid into a band selection step, a filter adaptation step, and a normal step to generate a corresponding control signal. In the filter adaptation step, the first switch 41a blocks the input line of the M-band filter bank 33 located at the front of the amplification circuit from the microphone 30 by the control of the switch control unit 31, and causes a noise of white noise. The noise probe 32 is connected to the input of the M-band filter bank 33. The switch control unit 31 is responsible for automatically determining the presence or absence of feedback. The switch control unit 31 determines whether the feedback occurs by continuously monitoring whether the power of the input signal increases beyond a certain magnitude and whether the magnitude of a single tone signal increases beyond a certain magnitude by using an adaptive notch filter. .
이때, 적응필터(34)는 적응 알고리즘을 사용하여 마이크(30)에 의해 검출된 신호 x(k)와 필터 출력 간의 추정 오차 e(k)의 파워를 최소화하도록 동작하며, 이를 위해 사용할 수 있는 정규화된 LMS(NLMS) 알고리즘은 다음과 같이 요약된다.In this case, the adaptive filter 34 operates to minimize the power of the estimated error e (k) between the signal x (k) and the filter output detected by the microphone 30 using an adaptive algorithm, and can be used for this purpose. The LMS (NLMS) algorithm is summarized as follows.
수학식 7에서 R(k)=[r(k) r(k-1) … r(k-N)]T는 참고 입력 신호이며, μ(k)는 다음과 같이 얻어진다.In Equation 7, R (k) = [r (k) r (k-1)... r (kN)] T is the reference input signal and μ (k) is obtained as follows.
한편, 수학식 8 및 수학식 9의 0<α<1는 NLMS 알고리즘의 안정성과 수렴 속도를 결정하는 상수이다.On the other hand, 0 <α <1 in Equations 8 and 9 is a constant that determines the stability and convergence speed of the NLMS algorithm.
본 발명에서 피드백 경로의 추정을 주파수 대역별로 선택적으로 수행하도록 하는 역할은 참고 입력 신호를 결정하는 합논리부(summing logic)(35)가 담당한다. 또한, 합논리부(35)는 전적으로 합제어부(summing control)(36)에 의해 제공되는 정보에 의존하며 다음과 같은 방법으로 참고 입력 신호를 결정한다.In the present invention, the summing logic 35 that determines the reference input signal is responsible for selectively performing the estimation of the feedback path for each frequency band. In addition, the sum logic unit 35 is entirely dependent on the information provided by the summing control 36 and determines the reference input signal in the following manner.
수학식 10에서 계수 λi는 다음과 같은 값을 갖는다.In Equation 10, the coefficient λ i has the following value.
0, i번째 대역이 선택되지 않은 경우0, i band is not selected
수학식 11에서 λi는 합제어부(36)에 의해 결정된다. 한편, 수학식 11에서 모든 λi가 1이면 종래의 적응 피드백 제거 방법과 동일한 결과를 얻게 됨을 쉽게 알 수 있다.Λ i in Equation 11 is determined by the sum controller 36. On the other hand, it can be easily seen that when λ i is 1 in Equation 11, the same result as in the conventional adaptive feedback cancellation method is obtained.
합제어부(36)는 조정 알고리즘(fitting algorithm)이 결정하는 대역별 압축 문턱치(compression threshold)에 의해 피드백 경로의 대역별 파워와 난청 보상 여부를 결정한다.The sum controller 36 determines the power of each band and the hearing loss compensation of the feedback path based on the band-by-band compression threshold determined by the fitting algorithm.
피드백 경로의 대역별 파워 추정을 위한 방법으로는 도 4에 도시된 방법이 사용된다. 도 4에서 제2스위치(41b)는 스위치제어부(31)의 제어에 의해 백색 잡음은 스피커(40)에 직접 연결되고, 스피커(40) 출력은 피드백 경로를 거쳐 마이크(30)로 다시 입력된다. 마이크(30)로 입력된 신호는 M-대역필터뱅크(33)로 입력되고, M-대역필터뱅크(33)의 출력은 각각 합제어부(36)에 구비된 크기추정부(37)를 거친다. 이 때, 크기추정부(37)에 의해 얻어지는 크기 추정치가 피드백 경로의 파워가 된다.The method shown in FIG. 4 is used as a method for band-by-band power estimation of the feedback path. In FIG. 4, the white noise is directly connected to the speaker 40 by the control of the switch controller 31, and the output of the speaker 40 is input back to the microphone 30 through a feedback path. The signal input to the microphone 30 is input to the M-band filter bank 33, the output of the M-band filter bank 33 passes through the size estimation 37 provided in the sum controller 36, respectively. At this time, the magnitude estimate obtained by the magnitude estimating 37 becomes the power of the feedback path.
피드백 경로의 대역별 파워와 함께 대역 선택을 위해 사용되는 값이 보청기 증폭회로의 압축 문턱치이다. 보청기의 압축 문턱치는 일반적인 경우에 난청의 정도에 비례하여 결정되기 때문에 보청기 증폭기와 피드백 경로에 의해 형성되는 다음과 같은 폐구간(closed loop) 회로의 이득을 결정한다.The value used for band selection along with the band-specific power of the feedback path is the compression threshold of the hearing aid amplifier circuit. Since the compression threshold of the hearing aid is determined in proportion to the degree of hearing loss in a general case, it determines the gain of the following closed loop circuit formed by the hearing aid amplifier and the feedback path.
수학식 12에서 GCi(dB)는 데시벨 단위로 나타낸 폐 구간 회로의 i번째 대역 이득을 나타내며, GFBi(dB)와 GCTi(dB)는 각각 i번째 대역에서의 피드백 경로 이득과 압축 문턱치 이득을 나타낸다. 합제어부(36)에 구비된 선택부(38)는 수학식 12의 GCi(dB)의 크기를 임의의 기준값과 비교한 후 기준값을 넘는 대역을 참고 입력 신호 성분으로 선택한다.In Equation 12, GC i (dB) represents the i-th band gain of the closed-circuit circuit expressed in decibels, and GFB i (dB) and GCT i (dB) represent the feedback path gain and compression threshold gain in the i-th band, respectively. Indicates. The selector 38 included in the sum controller 36 compares the magnitude of GC i (dB) of Equation 12 with an arbitrary reference value and selects a band exceeding the reference value as the reference input signal component.
앞서 언급한 과정을 통한 피드백 경로 추정이 완료되면 보청기는 보청기 정상 상태 모드로 전환된다. 정상 상태 모드에서는 다중대역 압축회로의 출력을 참고입력으로 사용하고 앞서 언급한 과정을 통해 추정된 적응 필터 계수를 사용하여 피드백 제거를 연속적으로 실시한다. 정상상태에서 제3스위치(41c)는 스위치제어부(31)의 제어에 의해 합논리부(35)의 출력신호 대신 다중대역압축회로(39)의 출력신호를 적응필터(34)의 참고입력신호로 전달한다. 정상 상태의 보청기 구조를 도 5에 나타내었다.When the feedback path estimation through the aforementioned process is completed, the hearing aid is switched to the hearing aid steady state mode. In steady state mode, the output of the multi-band compression circuit is used as a reference input, and feedback cancellation is continuously performed using the adaptive filter coefficient estimated through the aforementioned process. In the steady state, the third switch 41c converts the output signal of the multi-band compression circuit 39 into the reference input signal of the adaptive filter 34 instead of the output signal of the sum logic unit 35 under the control of the switch control unit 31. To pass. The steady state hearing aid structure is shown in FIG. 5.
본 발명의 동작 원리는 먼저 스위치제어부(31)에 의해 피드백이 검출되면, 도 4를 사용하여 백색 잡음을 수 백msec 동안 스피커(40)로 연결하고, 측정된 마이크(30) 입력을 M-대역필터뱅크(33)로 연결한 후, 각 대역의 출력을 사용하여 피드백 경로의 대역별 파워를 측정하고, 수학식 12에 주어진 것처럼 측정된 파워와 보청기 조정 과정을 거쳐 결정된 대역별 압축 문턱치를 사용하여 피드백 제거를 위한대역을 선택한다.The operating principle of the present invention is that when feedback is first detected by the switch controller 31, the white noise is connected to the speaker 40 for several hundred msec using FIG. 4, and the measured microphone 30 input is connected to the M-band. After connecting to the filter bank 33, the band-specific power of the feedback path is measured using the output of each band, and using the band-by-band compression threshold determined through the measured power and hearing aid adjustment process as given in Equation 12 Select the band for feedback cancellation.
그 다음, 도 3을 사용하여 백색 잡음을 다시 수백 msec동안 M-대역필터뱅크(33) 입력으로 연결하고, 선택된 대역의 출력을 수학식 10을 사용하여 적응필터(34)의 참고입력 신호를 만든 후, 수학식 7 내지 수학식 9에 있는 NLMS 알고리즘은 사용하여 수백 msec 동안의 입력 신호에 대해 적응필터(34)를 동작시키다. 필터 적응이 완료된 후, 도 5의 구조를 사용하여 피드백을 연속적으로 제거한다.Next, the white noise is again connected to the M-band filter bank 33 input for several hundred msec using FIG. 3, and the output of the selected band is generated using the equation (10) to generate the reference input signal of the adaptive filter 34. Later, the NLMS algorithms in Equations 7-9 are used to operate the adaptive filter 34 on an input signal for several hundred msec. After the filter adaptation is completed, the feedback is removed continuously using the structure of FIG.
본 발명에 의하면, 고안된 다중 대역 적응 피드백 제거 방법은 전체 주파수 대역에 걸쳐 피드백 성분을 제한하는 종래의 방법과 달리, 피드백 이득이 크거나 보청기 이득이 크게 결정된 수 개의 대역에 대해 한정적으로 피드백 경로 추정을 실시한다. 많은 이득을 필요로 하는 대역에 대해 선택적으로 피드백 제거를 실시함으로써 동일한 계산속도에서 선택된 대역에 대한 피드백 제거 성능을 향상시킬 수 있고, 결과적으로 사용 가능한 이득 범위를 넓힐 수 있다.According to the present invention, the proposed multi-band adaptive feedback cancellation method is limited to the feedback path estimation for several bands in which the feedback gain is large or the hearing aid gain is largely determined, unlike the conventional method of limiting feedback components over the entire frequency band. Conduct. By selectively performing feedback cancellation for bands that require a lot of gain, the feedback cancellation performance for the selected band can be improved at the same computation rate, resulting in a wider range of available gains.
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