KR20050119758A - Hearing aid having noise and feedback signal reduction function and signal processing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 외부의 소리를 입력받는 복수개의 마이크와, 마이크 각각에 결합되고, 아날로그 사운드 신호를 제1 디지털 사운드 신호로 변환하는 복수개의 A/D 컨버터와, 제1 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단하여, 궤환 신호가 포함된 경우 제1 디지털 사운드 신호를 시간 지연 처리하여 제2 디지털 사운드 신호를 생성하는 궤환 신호 처리부와, 궤환 신호를 포함하지 않는 제1 디지털 사운드 신호 또는 제2 디지털 사운드 신호를 신호처리하여 디지털 음성 신호를 추출하는 음성 신호 분리부와, 디지털 음성 신호를 청력 손실 특성에 상응하도록 증폭하는 특성 주파수 증폭부와, 증폭된 디지털 음성 신호를 아날로그 음성 신호로 변환하는 D/A 컨버터와, 아날로그 음성 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법에 관한 것으로, 잡음 환경 내 및 하울링 현상이 발생된 시점에서도 보청기 착용 환자가 음성 신호만을 명확하게 제공받을 수 있도록 한다.The present invention includes a plurality of microphones for receiving external sound, a plurality of A / D converters coupled to each of the microphones, and converting an analog sound signal into a first digital sound signal, and a feedback signal included in the first digital sound signal. The feedback signal processor to time-delay the first digital sound signal to generate a second digital sound signal when the feedback signal is included, and the first digital sound signal or the second digital to not include the feedback signal. A voice signal separation unit for processing a sound signal to extract a digital voice signal, a characteristic frequency amplifier for amplifying the digital voice signal to correspond to a hearing loss characteristic, and a D / converter for converting the amplified digital voice signal into an analog voice signal. Noise and feedback signal canceller including an A converter and an output for outputting analog voice signals A relates to a digital hearing aid and a signal processing method, so that even in the time when the howling phenomenon, and is within the noise environment generated a patient wearing a hearing aid can be provided only to clarify the voice signal having a.
Description
본 발명은 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법에 관한 것으로, 특히 주변 잡음이 강한 환경(in the background noise or noisy environment)에서 청력 환자가 어음을 보다 명확히 들을 수 있도록 하고 하울링(howling) 현상을 제거함으로써 청력 환자의 쾌적한 보청기 이용을 가능하게 하는 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to digital hearing aids and signal processing methods with noise and feedback signal rejection, particularly to allow hearing patients to hear speech more clearly and in a background noise or noisy environment. The present invention relates to a digital hearing aid and a signal processing method having a noise and feedback signal canceling function that enables a hearing patient to use a hearing aid by removing a howling phenomenon.
일반적으로 사람의 귀는 크게 외이, 중이, 내이 세 부분으로 구분된다. 사람의 귀에서 소리를 들을 수 있게 되는 경로를 살펴보면 다음과 같다. 소리의 진동이 귓바퀴에 모여져 외이도를 따라 고막으로 전달된다. 외이도는 한쪽이 고막에 의해 막힌 일종의 공명관 형태이고, 고막의 진동은 중이 안에 있는 세 이소골(즉, 망치뼈, 모루뼈, 고리뼈)을 통해 내이로 전달된다. 이소골의 진동이 고리뼈의 족판을 통해 내이 안에 있는 달팽이관에 전달되면 달팽이관 내부의 림프액이 움직이고, 달팽이관의 가운데층에 있는 수천개의 미세한 유모 세포들이 림프액의 진동을 감지하여 그 자극을 전기적인 신호로 바꾼다. 이후 전기적인 신호가 청신경을 통해 뇌로 전달됨으로써 사람이 소리를 들을 수 있게 되는 것이다.In general, the human ear is divided into three parts: the outer ear, middle ear, and inner ear. The path through which sound can be heard in the human ear is as follows. Sound vibrations are collected in the ear canal and transmitted along the ear canal to the eardrum. The ear canal is a type of resonance tube that is blocked by one eardrum, and the vibrations of the eardrum are transmitted to the inner ear through the three osseous bones (ie, hammerbone, anvil bone, and ring bone) in the middle ear. When the oscillations of the osseous bone are transmitted to the cochlea in the inner ear through the annulus of the annulus, the lymph fluid inside the cochlea moves, and thousands of fine hair cells in the middle layer of the cochlea detect the vibration of the lymph and convert the stimulus into an electrical signal. . The electrical signal is then transmitted to the brain through the auditory nerve, which allows a person to hear sounds.
청각이 저하 또는 상실된 상태에 있는 난청(難聽, impaired hearing) 환자의 경우 보청기의 착용을 필요로 한다. 보청기는 정상인이 들을 수 있는 대역의 음을 증폭 혹은 변형하여 난청자로 하여금 정상인과 같은 정도로 지각하도록 만들기 위한 것이다.Hearing aids are required for impaired hearing patients with hearing loss or loss. Hearing aids are designed to amplify or transform the sound in the band that normal people can hear so that the hearing impaired person is perceived as normal.
이러한 보청기는 주변 환경의 소음 정도에 관계없이 착용 환자에게 정확한 어음 전달을 필요로 한다. 최근 신호 처리 기술이 발전함에 따라 발전된 디지털 보청기의 신호 처리 알고리즘(예를 들어, multi-band compression algorithm, noise suppression algorithm, adaptive algorithm, feedback suppression algorithm, single or multi microphone procession and its location 등)이 개발되고 있다.Such hearing aids require accurate speech delivery to the wearing patient, regardless of the degree of noise in the environment. With the recent development of signal processing technology, advanced signal processing algorithms (e.g., multi-band compression algorithm, noise suppression algorithm, adaptive algorithm, feedback suppression algorithm, single or multi microphone procession and its location) have been developed. have.
종래의 보청기 알고리즘은 주변 잡음이 있는 경우 그 잡음 성분을 최소화시켜 주는 방법을 이용하고 있었다. 그러나, 콤피스(kompis) 등의 보고서(즉, 'A combined fixed/adaptive beam forming noise-reduction system for hearing aids., Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 20th Annual International of the IEEE, Volume: 6, 29 Oct.-1 Nov. Pages:3136 - 3139 vol. 6')에 따르면, 여전히 많은 보청기 착용 환자들은 잡음 환경에서 상대방의 음성을 잘 듣지 못함으로 인해 디지털 보청기 성능에 불만을 제기하고 있다.The conventional hearing aid algorithm uses a method of minimizing noise components when there is ambient noise. However, reports of kompis et al. (I.e. 'A combined fixed / adaptive beam forming noise-reduction system for hearing aids., Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 20th Annual International of the IEEE, Volume: 6 , 29 Oct.-1 Nov. Pages: 3136-3139 vol. 6 '), many hearing aid wearers still complain about the performance of digital hearing aids due to their inability to hear the other party in a noisy environment.
도 1은 종래의 디지털 보청기 구성을 나타낸 블록 구성도이다.1 is a block diagram showing a conventional digital hearing aid configuration.
도 1을 참조하면, 종래의 디지털 보청기(100)는 마이크(110), 전-증폭기(Pre-Amplifier)(115), A/D 컨버터(Analog-to-Digital Converter)(120), 시그널 처리부(125), 저장부(130), D/A 컨버터(Digital-to-Analog Converter)(135), 후-증폭기(Final-Amplifier)(140) 및 리시버(145)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the conventional digital hearing aid 100 includes a microphone 110, a pre-amplifier 115, an analog-to-digital converter 120, and a signal processing unit ( 125, a storage unit 130, a digital-to-analog converter 135, a post-amplifier 140, and a receiver 145.
마이크(110)는 외부의 아날로그 사운드 신호(예를 들어, 음성 등)를 입력받아 전-증폭기(115)로 전달하고, 전-증폭기(115)는 마이크(110)로부터 전달받은 아날로그 사운드 신호를 미리 지정된 크기로 증폭시킨다. 그리고, 증폭된 아날로그 사운드 신호는 A/D 컨버터(120)로 전달되고, A/D 컨버터는 전달받은 증폭된 아날로그 사운드 신호를 디지털 사운드 신호로 변환한다. 변환된 디지털 사운드 신호는 시그널 처리부(125)로 전달되며, 시그널 처리부(125)는 저장부(130)에 저장된 신호 처리 알고리즘(즉, 시그널 프로세싱 알고리즘)을 이용하여 디지털 시그널 신호를 처리하고, 처리된 디지털 시그널 신호를 D/A 컨버터(135)로 전달한다. D/A 컨버터(135)는 전달받은 디지털 시그널 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 변환된 아날로그 시그널 신호를 후-증폭기(140)로 전달한다. 후-증폭기(140)는 전달받은 아날로그 시그널 신호를 미리 지정된 크기로 증폭한 후, 증폭된 아날로그 시그널 신호를 리시버(145)로 전달한다. 리시버(145)는 전달받은 아날로그 시그널 신호를 보청기를 착용한 청력 환자에게 제공한다. The microphone 110 receives an external analog sound signal (for example, voice, etc.) and transmits it to the pre-amplifier 115, and the pre-amplifier 115 advances the analog sound signal received from the microphone 110 in advance. Amplify to the specified size. The amplified analog sound signal is transmitted to the A / D converter 120, and the A / D converter converts the received amplified analog sound signal into a digital sound signal. The converted digital sound signal is transmitted to the signal processing unit 125, and the signal processing unit 125 processes the digital signal signal by using a signal processing algorithm (ie, a signal processing algorithm) stored in the storage unit 130 and processed. The digital signal signal is transmitted to the D / A converter 135. The D / A converter 135 converts the received digital signal signal into an analog signal, and transfers the converted analog signal signal to the post-amplifier 140. The post-amplifier 140 amplifies the received analog signal signal to a predetermined size, and then transfers the amplified analog signal signal to the receiver 145. The receiver 145 provides the received analog signal signal to a hearing patient wearing a hearing aid.
이와 같은 종래의 디지털 보청기(100)는 스펙트럼 차감법(Spectrum Subtraction) 등이 주로 사용되고 있었다. 그러나, 이러한 방법은 외부의 잡음이 강할 경우 외부 잡음이 적절히 제거되지 못하고 오히려 잡음마저 증폭되어 청력 환자에게 불편함을 제공하는 원인이 되고 있었다.In the conventional digital hearing aid 100, spectrum subtraction or the like has been mainly used. However, this method has been a cause of discomfort in hearing patients because external noise is not properly removed when the external noise is strong.
또한, 일반적으로 보청기와 같이 마이크(마이크로폰)와 리시버(스피커)가 가까이 위치한 전기 음향 변환기들은 스피커에 의해 생성된 진동들로 인해 피드백 루프(feedback loop)가 발생할 수 있다. 즉, 스피커로부터의 진동들이 하우징(housing)을 통해 마이크에 전달되고, 마이크가 당해 진동을 전기 신호로 변환하며, 그 전기 신호가 증폭되어 스피커를 통해 사운드와 진동들로 다시 변환함으로써, 의도하지 않은 피드백 루프가 형성된다. 이러한 루프들로 인해 사운드 품질이 감소된다. 보청기에서와 같이 큰 이득의 경우에, 피득백 루프들은 심지어 하울링 사운드(howling sound)를 교란시켜, 상기 보청기의 최대 가능 이득에 있어 한정 요인이 된다. Also, in general, electroacoustic transducers in which microphones (microphones) and receivers (speakers) are located close to each other, such as hearing aids, may generate a feedback loop due to vibrations generated by the speaker. That is, vibrations from the speaker are transmitted to the microphone through the housing, the microphone converts the vibration into an electrical signal, and the electrical signal is amplified and converted back into sound and vibrations through the speaker, thereby unintentionally A feedback loop is formed. These loops reduce the sound quality. In the case of large gains, such as in hearing aids, gainback loops may even disturb howling sound, limiting the maximum possible gain of the hearing aid.
도 2는 보청기에서 궤환 잡음이 발생되는 개념을 나타낸 도면이다.2 is a diagram illustrating a concept in which feedback noise is generated in a hearing aid.
도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 하울링 현상 또는 피드백 잡음(feedback noise)에 의해 발생되는 궤환 신호는 다음과 같은 두가지 경우에 발생된다. As shown in FIG. 2, a feedback signal generated by a howling phenomenon or feedback noise is generally generated in two cases as follows.
첫째, 보청기가 외이도에 장착되어 정상 동작되는 동안 발생될 수 있다. 보청기는 폐쇄효과(occlusion effect)를 방지하기 위해 구멍(vent)을 가지고 있는데, 그 구멍(vent)을 통해 보청기의 입력 신호와 출력 신호가 커플링(coupling)됨으로써 피드백이 발생하는 경우가 있다. 이때 궤환 신호가 발생한다. First, the hearing aid may be mounted on the ear canal and occur during normal operation. Hearing aids have a vent to prevent the occlusion effect, in which feedback may occur by coupling the input and output signals of the hearing aid through the vent. At this time, a feedback signal is generated.
둘째, 사용자가 보청기를 탈/장착할 때 발생할 수 있다. 이 경우 보청기의 구멍(vent)에 의한 것이 아니라 외이도와 보청기 사이의 공간에 의해 궤환 신호가 발생한다. 이렇게 발생하는 궤환 신호는 특정 주파수 성분만을 증폭시켜 사용자에게 불쾌감을 주는 원인이 된다. Second, it may occur when the user detaches / mounts the hearing aid. In this case, the feedback signal is generated not by the vent of the hearing aid but by the space between the ear canal and the hearing aid. The feedback signal generated in this way amplifies only a specific frequency component, causing discomfort to the user.
상술한 궤환 신호 발생을 억제하기 위한 종래의 보청기는 다음과 같은 방법들을 적용하고 있었다. Conventional hearing aids for suppressing the feedback signal generation described above were applied to the following methods.
먼저, 보청기 장착시 전원을 몇 초 동안 차단하여 장착 시 발생하는 궤환 신호를 방지하는 방법이 그것이다. 그러나 이 방법은 전원이 공급되지 않는 짧은 시간 안에 사용자가 보청기 착용을 완료한 경우에만 궤환 현상을 막을 수 있고, 또한 보청기 탈착 시 발생하는 궤환 신호는 제거할 수 없다는 문제점이 있었다. First, a method of preventing a feedback signal generated when the hearing aid is mounted by shutting off power for a few seconds. However, this method can prevent the feedback phenomenon only when the user completes wearing the hearing aid within a short time when the power is not supplied, and also has a problem that the feedback signal generated when the hearing aid is detached can not be removed.
다음으로 보청기 컨트롤용 리모콘에 있는 전원 온/오프(On/Off) 기능을 이용하는 방법이 그것이다. 이때 리모콘의 주된 사용 목적이 보청기의 성능을 사용자에게 맞춰줄 필요가 있을 경우 사용하기 위한 것일 뿐 보청기 탈ㅇ장착 시 하울링을 방지하기 위한 것이 아니라는 문제점이 있었다. 또한 사용자가 보청기를 컨트롤하기 위해서는 항상 리모콘을 휴대하여야 한다는 문제점도 있었다.The next method is to use the power on / off function of the remote control for hearing aid control. At this time, the main purpose of the remote control is to use when the hearing aid needs to be tailored to the user, but there is a problem in that the hearing aid is not installed to prevent howling. In addition, the user has to carry a remote control at all times to control the hearing aid.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 잡음 환경 내 및 하울링 현상이 발생된 시점에서도 보청기 착용 환자가 음성 신호만을 명확하게 제공받을 수 있도록 하는 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention for solving the above problems is a digital hearing aid having a noise and feedback signal removal function so that a patient wearing a hearing aid can clearly receive only a voice signal even in a noise environment and at a time when a howling phenomenon occurs. And a signal processing method.
본 발명의 목적은 청력 환자가 별도의 동작을 수행하거나 리모콘 장치를 구비하지 않더라도 잡음 환경 내에서도 하울링 현상이 제거된 고품질의 음성 신호만을 선택적으로 제공받을 수 있는 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법을 제공하는 것이다. Disclosure of the Invention An object of the present invention is a digital hearing aid having a noise and feedback signal canceling function capable of selectively receiving only a high-quality speech signal from which a howling is removed even in a noisy environment even if the hearing patient does not perform a separate operation or has a remote control device. And a signal processing method.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 디지털 보청기에 있어서, 외부의 소리를 입력받아 아날로그 사운드 신호를 생성하는 복수개의 마이크; 마이크 각각에 결합되어, 상기 아날로그 사운드 신호를 제1 디지털 사운드 신호로 변환하는 복수개의 A/D 컨버터; 상기 A/D 컨버터로부터 각각 전달받은 제1 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단하여, 궤환 신호가 포함된 경우 상기 제1 디지털 사운드 신호를 시간 지연 처리하여 제2 디지털 사운드 신호를 생성하는 궤환 신호 처리부; 상기 궤환 신호 처리부로부터 궤환 신호가 포함되지 않은 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호를 전달받아 신호처리 알고리즘을 이용하여 디지털 음성 신호를 추출하는 음성 신호 분리부; 상기 디지털 음성 신호를 청력 손실 특성에 상응하도록 미리 설정된 주파수별 증폭 조건에 따라 증폭하는 특성 주파수 증폭부; 상기 증폭된 디지털 음성 신호를 아날로그 음성 신호로 변환하는 D/A 컨버터; 및 상기 아날로그 음성 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 보청기가 제공된다.In order to achieve the above object, according to an aspect of the present invention, in the digital hearing aid, a plurality of microphones for receiving an external sound to generate an analog sound signal; A plurality of A / D converters coupled to each of the microphones to convert the analog sound signal into a first digital sound signal; It is determined whether the feedback signal is included in each of the first digital sound signals received from the A / D converter, and when the feedback signal is included, time delay processing of the first digital sound signal to generate a second digital sound signal is performed. A feedback signal processor; A voice signal separation unit configured to receive a first digital sound signal or the second digital sound signal not including the feedback signal from the feedback signal processor and extract a digital voice signal using a signal processing algorithm; A characteristic frequency amplifier for amplifying the digital voice signal according to amplification conditions for each frequency preset to correspond to a hearing loss characteristic; A D / A converter converting the amplified digital voice signal into an analog voice signal; And an output unit for outputting the analog voice signal.
상기 궤환 신호 처리부는 상기 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호를 논-가우시안(Non-Gaussian) 신호 특성을 가지는 디지털 사운드 신호로 변환하여 상기 음성 신호 분리부로 전달할 수 있다.The feedback signal processor may convert the first digital sound signal or the second digital sound signal into a digital sound signal having a non-Gaussian signal characteristic and transmit the converted digital sound signal to the voice signal separator.
상기 궤환 신호 처리부는 적응 노치 필터(Adaptive Notch Filter)를 이용하여 상기 제1 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되어있는지 여부를 판단할 수 있다.The feedback signal processor may determine whether the feedback signal is included in the first digital sound signal by using an adaptive notch filter.
상기 제2 디지털 사운드 신호는 상기 제1 디지털 사운드 신호가 1ms 내지 2ms 중 어느 하나의 지연 시간을 이용하여 시간 지연 처리될 수 있다.The second digital sound signal may be time delayed by using the delay time of any one of 1 ms to 2 ms.
상기 복수개의 마이크는 서로간에 상이한 지향 방향을 가지고, 각각의 마이크는 무지향성 소리 입력부, 지향성(directional) 소리 입력부 중 적어도 어느 하나를 구비할 수 있다.The plurality of microphones may have different directing directions from each other, and each microphone may include at least one of an omnidirectional sound input unit and a directional sound input unit.
상기 신호처리 알고리즘은 독립 요소 분석(ICA : Independent Component Analysis) 알고리즘일 수 있다.The signal processing algorithm may be an independent component analysis (ICA) algorithm.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 디지털 보청기가 음성 신호만을 추출하여 출력하는 방법에 있어서, 외부의 소리를 입력받아 아날로그 사운드 신호를 생성하는 단계; 상기 아날로그 사운드 신호를 제1 디지털 사운드 신호로 변환하는 단계; 상기 제1 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단하는 단계; 상기 궤환 신호가 포함된 경우, 상기 제1 디지털 사운드 신호를 시간 지연 처리하여 제2 디지털 사운드 신호로 변환하는 단계; 독립 요소 분석(ICA : Independent Component Analysis) 알고리즘을 이용하여 상기 궤환 신호가 포함되지 않은 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호에서 디지털 음성 신호를 추출하는 단계; 상기 디지털 음성 신호를 청력 손실 특성에 상응하도록 미리 설정된 주파수별 증폭 조건에 따라 증폭하는 단계; 상기 증폭된 디지털 음성 신호를 아날로그 음성 신호로 변환하는 단계; 및 상기 아날로그 음성 신호를 출력하는 단계를 포함하는 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법이 제공되고, 당해 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법의 수행을 가능하게 하는 시스템, 장치 및 기록매체가 제공된다. 이때, 상기 외부의 소리는 서로 상이한 지향 방향을 가지는 복수개의 마이크를 통해 입력될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a method of extracting and outputting only a voice signal by a digital hearing aid, the method comprising: generating an analog sound signal by receiving external sound; Converting the analog sound signal into a first digital sound signal; Determining whether the feedback signal is included in the first digital sound signal; If the feedback signal is included, converting the first digital sound signal into a second digital sound signal by performing time delay processing; Extracting a digital voice signal from the first digital sound signal or the second digital sound signal not including the feedback signal using an independent component analysis (ICA) algorithm; Amplifying the digital voice signal according to a frequency-specific amplification condition corresponding to a hearing loss characteristic; Converting the amplified digital voice signal into an analog voice signal; And outputting the noise and feedback signal of the digital hearing aid, the method comprising: outputting the analog voice signal, and a system, apparatus, and a recording medium for enabling the method of removing the noise and feedback signal of the digital hearing aid are provided. . In this case, the external sound may be input through a plurality of microphones having different directing directions.
상기 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법은 상기 독립 요소 분석(ICA) 알고리즘을 이용하여 상기 디지털 음성 신호를 추출하는 단계 이전에 상기 제1 디지털 사운드 신호 또는 상기 제2 디지털 사운드 신호를 논-가우시안(Non-Gaussian) 신호 특성을 가지는 디지털 사운드 신호로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for removing noise and feedback signals of the digital hearing aid may include a non-Gaussian method for extracting the first digital sound signal or the second digital sound signal before extracting the digital voice signal using the independent element analysis (ICA) algorithm. The method may further include converting into a digital sound signal having a non-Gaussian signal characteristic.
상기 제2 디지털 사운드 신호는 상기 제1 디지털 사운드 신호가 1ms 내지 2ms 중 어느 하나의 지연 시간을 이용하여 시간 지연 처리될 수 있다.The second digital sound signal may be time delayed by using the delay time of any one of 1 ms to 2 ms.
상기 복수개의 마이크는 무지향성 소리 입력부, 지향성(directional) 소리 입력부 중 적어도 어느 하나를 각각 구비할 수 있다.The plurality of microphones may each include at least one of an omnidirectional sound input unit and a directional sound input unit.
본 발명은 주변 잡음이 강한 환경내에서나 하울링 현상(또는 피드백 잡음)이 발생된 경우에도 청력 환자가 어음을 보다 더 잘 들을 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이며, ICA 알고리즘을 디지털 보청기에 탑재하여 적어도 두개 이상의 마이크에 의해 입력된 음성 신호와 주변 잡음 신호를 분리하여 잡음 환경 속에서도 높은 노이즈 감쇄 효과를 얻을 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 단순히 난청자의 비선형적인 라우드니스 증가를 보상하는 것에 그치지 않고, 신호원 분리 기술(Source Separation)을 적용하여 원천적인 노이즈 감쇄(Noise Reduction)를 수행한 후 환자의 청각 손실 특성에 맞게 신호 처리를 수행하는 디지털 보청기에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for allowing hearing patients to hear speech better even in a high ambient noise environment or when a howling phenomenon (or feedback noise) occurs. The present invention relates to a method and an apparatus for separating a voice signal input by two or more microphones and an ambient noise signal to obtain a high noise reduction effect even in a noisy environment. In other words, the present invention not only compensates for the nonlinear increase in loudness of the hearing loss, but also applies the source separation technique to perform the original noise reduction and then the signal according to the hearing loss characteristics of the patient. A digital hearing aid for performing processing.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, the same reference numerals will be used for the same means regardless of the reference numerals in order to facilitate the overall understanding.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기의 블록 구성도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 보청기의 외형을 나타낸 도면이다.3 is a block diagram of a digital hearing aid with a noise and feedback signal cancellation function according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a view showing the appearance of a digital hearing aid according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 보청기(300)는 2개 이상의 마이크(310a, 310b - 마이크의 수량은 둘 이상으로 구현될 수 있으나, 여기서는 두개로 구성된 경우를 가정하여 제1 마이크(310a), 제2 마이크(310b)라 칭함), 각각의 마이크(310a, 310b)와 각각 결합된 전-증폭기(315a, 315b), 각각의 전-증폭기(315a, 315b)와 각각 결합된 A/D 컨버터(320a, 320b), 복수의 A/D 컨버터(315a, 315b)와 결합된 궤환 신호 처리부(330), 음성 신호 분리부(345), 저장부(350), 특성 주파수 증폭부(355), D/A 컨버터(360), 후-증폭기(365) 및 리시버(370)를 포함한다. Referring to FIG. 3, the digital hearing aid 300 according to the present invention may be implemented with two or more microphones 310a and 310b-the number of microphones may be two or more. Here, it is assumed that two digital microphones are provided. ), The second microphone 310b), the pre-amplifiers 315a and 315b coupled with the respective microphones 310a and 310b respectively, and the A / Ds coupled with the respective pre-amplifiers 315a and 315b respectively. A feedback signal processor 330 coupled to the converters 320a and 320b, a plurality of A / D converters 315a and 315b, a voice signal separator 345, a storage 350, a characteristic frequency amplifier 355, D / A converter 360, post-amplifier 365 and receiver 370.
제1 마이크(310a)와 제2 마이크(310b)는 각각 전방향과 후방향으로 독립하여 구비되어 외부의 아날로그 사운드 신호를 입력받는다. 제1 마이크(310a)와 제2 마이크(310b)가 각각 상이한 방향으로 구비된 경우의 외형도가 도 4에 예시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 마이크(310a)와 제2 마이크(310b)는 각각 상이한 지향 방향을 가지며, 각각의 마이크는 지향성 소리 입력부와 무지향성 소리 입력부 중 어느 하나를 구비하거나 양자를 모두 구비할 수 있다. The first microphone 310a and the second microphone 310b are provided separately in the forward direction and the rear direction, respectively, to receive an external analog sound signal. The outline of the case where the first microphone 310a and the second microphone 310b are provided in different directions is illustrated in FIG. 4. As shown in FIG. 4, the first microphone 310a and the second microphone 310b each have different directing directions, and each microphone has either or both of a directional sound input unit and an omnidirectional sound input unit, or both. It can be provided.
제1 마이크(310a)와 제2 마이크(310b)를 통해 입력된 아날로그 사운드 신호는 각각 제1 전-증폭기(315a)와 제2 전-증폭기(315b)로 입력되며, 제1 전-증폭기(315a)와 제2 전-증폭기(315b)는 입력된 아날로그 사운드 신호를 미리 지정된 크기로 증폭한다. The analog sound signal input through the first microphone 310a and the second microphone 310b is input to the first pre-amplifier 315a and the second pre-amplifier 315b, respectively, and the first pre-amplifier 315a. ) And the second pre-amplifier 315b amplify the input analog sound signal to a predetermined magnitude.
그리고, 증폭된 아날로그 사운드 신호는 각각 제1 A/D 컨버터(320a)와 제2 A/D 컨버터(320b)로 전달되어 디지털 사운드 신호로 변환된다. 변환된 각각의 디지털 사운드 신호는 궤환 신호 처리부(330)로 전달된다. The amplified analog sound signal is transferred to the first A / D converter 320a and the second A / D converter 320b, respectively, and converted into a digital sound signal. Each converted digital sound signal is transmitted to the feedback signal processor 330.
궤환 신호 처리부(330)는 궤환 신호 탐지부(335) 및 궤환 신호 제거부(340)를 포함할 수 있다. 물론, 궤환 신호 탐지부(335)와 궤환 신호 제거부(340)는 통합된 형태의 하나의 구성 요소일 수도 있음은 자명하다. 궤환 신호 탐지부(335)는 복수의 A/D 컨버터(320a, 320b)로부터 수신한 디지털 사운드 신호 내에 궤환 신호가 존재하는지 여부를 판단하고, 궤환 신호가 존재하는 경우에는 궤환 신호 제거를 위해 당해 디지털 사운드 신호를 궤환 신호 제거부(340)로 전달한다. 궤환 신호 제거부(340)는 궤환 신호 탐지부(335)로부터 수신한 디지털 사운드 신호에 전처리(시간 지연 처리 및 비선형 효과 부여)를 수행하고, 전처리된 디지털 사운드 신호를 음성 신호 분리부(345)로 전달함으로써 음성 신호 분리부(345)에서 음성 신호만을 추출할 수 있도록 한다. 궤환 신호 탐지부(335)는 전달받은 디지털 오디오 신호에 궤환 신호가 존재하지 않는 경우, 당해 디지털 사운드 신호를 음성 신호 분리부(345)로 전달한다. 이때, 궤환 신호 처리부(330)는 디지털 사운드 신호의 전처리 등을 위해 저장부(350)에 저장된 데이터를 이용할 수 있다. 궤환 신호 탐지부(335)는 적응 노치 필터(ANF : Adaptive Notch Filter)를 포함하여 구성될 수 있다.The feedback signal processor 330 may include a feedback signal detector 335 and a feedback signal remover 340. Of course, it is obvious that the feedback signal detector 335 and the feedback signal remover 340 may be an integrated component. The feedback signal detector 335 determines whether the feedback signal is present in the digital sound signals received from the plurality of A / D converters 320a and 320b, and if the feedback signal is present, removes the digital signal to remove the feedback signal. The sound signal is transmitted to the feedback signal removing unit 340. The feedback signal remover 340 performs preprocessing (time delay processing and nonlinear effect) on the digital sound signal received from the feedback signal detector 335, and transmits the preprocessed digital sound signal to the voice signal separator 345. By transmitting, the voice signal separation unit 345 can extract only the voice signal. The feedback signal detector 335 transmits the digital sound signal to the voice signal separator 345 when the feedback signal does not exist in the received digital audio signal. In this case, the feedback signal processor 330 may use data stored in the storage 350 for preprocessing the digital sound signal. The feedback signal detector 335 may include an adaptive notch filter (ANF).
음성 신호 분리부(345)는 저장부(350)에 저장된 신호 처리 알고리즘을 이용하여 궤환 신호 처리부(330)로부터 전달받은 디지털 사운드 신호 내에서 음성 신호만을 추출(또는 잡음 및 궤환 신호 제거)한다. 이때, 저장부(350)는 독립된 구성 요소로 존재하거나 음성 신호 분리부(345)의 일 구성 요소로 포함될 수 있다. The voice signal separator 345 extracts (or removes noise and feedback signals) only the voice signal from the digital sound signal received from the feedback signal processor 330 using a signal processing algorithm stored in the storage 350. In this case, the storage 350 may exist as an independent component or may be included as one component of the voice signal separator 345.
음성 신호 분리부(345)를 통해 분리된 디지털 음성 신호는 특성 주파수 증폭부(355)로 전달되고, 특성 주파수 증폭부(355)는 환자의 청각 손실 특성에 맞게 주파수별로 증폭한다. 이때, 특성 주파수 증폭부(355)는 당해 환자에 상응하는 청각 손실 특성이 저장부(350)에 저장되어 있는 경우 해당 정보를 이용하여 디지털 음성 신호를 증폭할 수 있을 뿐 아니라, 특성 주파수 증폭부(355)가 하드웨어 타입으로 동작하는 경우 설정된 동작 특성에 따라 디지털 음성 신호를 증폭할 수 있다. The digital voice signal separated by the voice signal separator 345 is transmitted to the characteristic frequency amplifier 355, and the characteristic frequency amplifier 355 amplifies for each frequency according to the hearing loss characteristic of the patient. In this case, when the hearing loss characteristic corresponding to the patient is stored in the storage 350, the characteristic frequency amplifier 355 may not only amplify the digital voice signal using the corresponding information, but also the characteristic frequency amplifier ( When the 355 operates in a hardware type, the digital voice signal may be amplified according to the set operating characteristic.
증폭된 디지털 음성 신호는 D/A 컨버터(360)로 전달되고, D/A 컨버터(360)는 전달받은 디지털 음성 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 후-증폭기(365)는 전달받은 아날로그 음성 신호를 증폭하여 리시버(370)로 전달한다. 리시버(370)는 전달받은 아날로그 음성 신호를 보청기 착용 환자의 귀에 출력한다.The amplified digital voice signal is transferred to the D / A converter 360, and the D / A converter 360 converts the received digital voice signal into an analog signal. The post-amplifier 365 amplifies the received analog voice signal and delivers it to the receiver 370. The receiver 370 outputs the received analog voice signal to the hearing aid wearing patient's ear.
이외에도, 도 3에는 도시되지 않았으나 전원 공급부 및 제어 신호 입력부 등이 더 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 디지털 보청기(300)는 후크(Ear hook)(410), 푸쉬 버튼(Push Button)(415), 배터리 소켓(Battery Socket)(420) 등을 포함할 수 있다.In addition, although not shown in FIG. 3, a power supply unit and a control signal input unit may be further included. For example, as shown in FIG. 4, the digital hearing aid 300 according to the present invention includes an ear hook 410, a push button 415, a battery socket 420, and the like. It may include.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 궤환 신호의 탐지 및 제거 방법을 나타낸 순서도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 궤환 신호가 제거된 음성 신호를 예시한 도면이다.5 is a flowchart illustrating a detection and removal method of a feedback signal according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram illustrating a voice signal from which a feedback signal is removed according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 궤환 신호 탐지부(335)는 디지털 사운드 신호가 입력되면, 단계 510에서 입력된 디지털 사운드 신호에 상응하여 전 대역 주파수를 검색한다. 앞서 설명한 바와 같이, 궤환 신호 탐지부(335)는 적응 노치 필터(ANF)를 포함하여 구성될 수 있다. 일반적으로 보청기에서의 궤환 잡음은 임의의 주파수에서 궤환 신호가 발생되고, 당해 궤환 신호가 구멍(vent)을 통해 밖으로 나간 후 다시 마이크를 통해 입력되어 증폭되고, 해당 궤환 신호가 다시 구멍(vent)을 통해 밖으로 나간후 다시 마이크를 통해 입력되는 과정이 반복되어 발생된다. 이와 같은 궤환 잡음은 보청기 착용 환자에게 불쾌감을 줄 수 있는 정도의 큰 소리로 발생된다. 그러나, 궤환 잡음이 언제 발생할지는 사실상 예측이 불가능하다. 이러한 궤환 신호가 마이크를 통해 입력된 디지털 사운드 신호 내에 포함되었는지를 판단하기 위해 궤환 신호 탐지부(335)는 디지털 사운드 신호에 상응하는 전 대역의 주파수를 서치(search)하여야 한다. 적응 노치 필터를 포함하여 궤환 신호 탐지부(335)를 구성한 경우, 적응 노치 필터는 전 대역 주파수를 서치하기 위해 필터 계수를 갱신하게 된다. 이는, 임의의 주파수를 서치하기 위해 적응 노치 필터는 해당 주파수에 상응하는 필터 계수가 필요하기 때문이다. 만일 해당 주파수에서 궤환이 발생되면 궤환 신호 탐지부(335)는 갱신된 필터 계수를 당해 디지털 사운드 신호에 곱해준다. 이를 통해 궤환 신호 탐지부(335)는 노치 필터의 기능, 즉 해당 주파수 신호를 제거하는 역할을 수행한다. 이와 같이, 궤환 신호 탐지부(335)는 필터 계수를 지속적으로 갱신하여 전 대역 주파수에 대해 서치가 가능하도록 한 후, 임의의 주파수에서 궤환이 발생되면 해당 시점에서의 필터 계수를 디지털 사운드 신호에 곱해준다.Referring to FIG. 5, when a digital sound signal is input, the feedback signal detector 335 searches for a full band frequency corresponding to the digital sound signal input in step 510. As described above, the feedback signal detector 335 may include an adaptive notch filter (ANF). In general, the feedback noise in the hearing aid generates a feedback signal at an arbitrary frequency, and the feedback signal is amplified by being inputted through the microphone again after being exited through the vent, and the feedback signal is returned to the vent. After exiting through the microphone, input through the microphone is repeated. Such feedback noise is generated as loud as it may cause discomfort to a patient wearing a hearing aid. However, it is virtually impossible to predict when feedback noise will occur. In order to determine whether the feedback signal is included in the digital sound signal input through the microphone, the feedback signal detector 335 needs to search the frequencies of all bands corresponding to the digital sound signal. When the feedback signal detector 335 is configured to include the adaptive notch filter, the adaptive notch filter updates the filter coefficients to search the full band frequency. This is because, in order to search for an arbitrary frequency, the adaptive notch filter needs a filter coefficient corresponding to that frequency. If feedback occurs at the corresponding frequency, the feedback signal detector 335 multiplies the updated filter coefficient by the digital sound signal. Through this, the feedback signal detector 335 performs a function of the notch filter, that is, removes a corresponding frequency signal. As described above, the feedback signal detector 335 continuously updates the filter coefficients to enable search for all band frequencies, and multiplies the filter coefficients at that time by the digital sound signal when the feedback occurs at an arbitrary frequency. Do it.
그리고, 궤환 신호 탐지부(335)는 단계 520에서 입력된 디지털 사운드 신호의 입력 신호 레벨이 미리 설정된 역치값을 초과하는지 여부를 판단한다. 즉, 디지털 사운드 신호의 입력 신호 레벨이 미리 지정된 역치값을 초과하는 경우에는 당해 디지털 사운드 신호 내에 궤환 신호가 포함되었다고 판단하는 것이다. 일반적으로 궤환 신호가 발생되면 반복적으로 증폭이 이루어지기 때문에 궤환 신호의 데시벨(dB)은 상당히 높다. 역치값은 예를 들어, 실험에 의해 궤환 신호가 발생된 경우로 판단할 수 있는 최소 궤환 신호 세기로 결정할 수 있다. The feedback signal detector 335 determines whether the input signal level of the digital sound signal input in step 520 exceeds a preset threshold value. That is, when the input signal level of the digital sound signal exceeds the predetermined threshold value, it is determined that the feedback signal is included in the digital sound signal. In general, the decibel (dB) of the feedback signal is quite high because the feedback signal is repeatedly amplified. The threshold value may be determined as, for example, the minimum feedback signal strength that can be determined as the case where the feedback signal is generated by the experiment.
당해 디지털 사운드 신호의 입력 신호 레벨이 미리 지정된 역치값을 초과하지 않으면, 궤환 신호 탐지부(335)는 단계 530에서 입력된 디지털 사운드 신호를 음성 신호 분리부(345)로 전달한다. If the input signal level of the digital sound signal does not exceed a predetermined threshold value, the feedback signal detector 335 transmits the digital sound signal input in step 530 to the voice signal separator 345.
그러나, 당해 디지털 사운드 신호의 입력 신호 레벨이 미리 지정된 역치값을 초과하는 경우, 궤환 신호 탐지부(335)는 당해 디지털 사운드 신호를 궤환 신호 제거부(340)로 전달한다.However, when the input signal level of the digital sound signal exceeds a predetermined threshold value, the feedback signal detector 335 transfers the digital sound signal to the feedback signal remover 340.
궤환 신호 제거부(340)는 단계 520에서 전달받은 디지털 사운드 신호에 대해 시간 지연을 수행한다. 이는 디지털 사운드 신호에 시간 지연 효과를 부여함으로써 궤환 신호의 코릴레이션(correlation, 상관성)을 낮추기 위한 것이다. 일반적으로 시간 지연은 적응 필터의 수렴 속도를 느리게 하는 단점은 있으나, 코릴레이션(correlation)을 감소시키는 장점을 가진다. 따라서, 본 발명은 수렴 속도를 낮추는 단점을 최소화할 수 있고, 청력 환자가 청각에 불편이 없도록 하기 위해 시간 지연 수치로서 1.25msec를 적용한다. 또한, Siqueira(Marcio G. Siqueira and Abeer Alwan, "Steady-State Analysis of Continuous Adaptation in Acoustic Feedback Reduction Systems for Hearing-Aids", IEEE Trans. Speech Audio Processing, Vol. 8, No. 4, July 2000)는 입력 신호와 출력 신호의 상관성을 줄이는데 효과적인 최소의 시간 지연이 1.25msec라고 제안한바 있다.The feedback signal remover 340 performs a time delay on the digital sound signal received in step 520. This is to reduce the correlation of the feedback signal by giving a time delay effect to the digital sound signal. In general, the time delay has the disadvantage of slowing down the convergence rate of the adaptive filter, but has the advantage of reducing the correlation. Therefore, the present invention can minimize the disadvantage of lowering the convergence speed, and applies 1.25 msec as a time delay value in order to prevent hearing impairment in hearing patients. Siqueira (Marcio G. Siqueira and Abeer Alwan, "Steady-State Analysis of Continuous Adaptation in Acoustic Feedback Reduction Systems for Hearing-Aids", IEEE Trans.Speech Audio Processing, Vol. 8, No. 4, July 2000) It has been suggested that the minimum time delay effective for reducing the correlation between the input and output signals is 1.25msec.
적응 필터링 기술을 궤환 신호를 제거하는 방법으로 본 발명은 상술한 시간 지연 방법(연속적 방법) 외에 백색 잡음(white noise)을 이용하는 방법(불연속적 방법)을 이용할 수도 있다. As a method of removing the feedback signal by the adaptive filtering technique, the present invention may use a method using a white noise (discontinuous method) in addition to the time delay method (continuous method) described above.
즉, 백색 잡음을 이용하는 방법은 보청기에서 궤환 신호가 발생한 경우에만 백색 잡음(white noise)을 뿌려주는 방법이다. 즉, 궤환 신호가 발생하면 그 궤환 신호가 반복 증폭되기 때문에 입력 신호는 매우 코릴레이션(correlation)이 높다. 이러한 코릴레이션(correlation)을 낮추어 주면 궤환 신호가 제거된다. 이는 코릴레이션(correlation)을 낮추어 준다는 것은 그 궤환 신호의 성분 비율을 전체 신호에 비해 감소시킨다는 것이기 때문이다. 이를 위해 궤환 신호가 탐지되면 궤환 신호만 반복 증폭되는 궤환 현상을 감소시키기 위해 백색 잡음을 뿌려주는 것이다. That is, the method using white noise is a method of spraying white noise only when a feedback signal occurs in the hearing aid. That is, when the feedback signal occurs, the feedback signal is repeatedly amplified, so the input signal has a high correlation. Lowering this correlation removes the feedback signal. This is because lowering correlation reduces the component ratio of the feedback signal compared to the entire signal. To this end, when the feedback signal is detected, white noise is sprayed to reduce the feedback phenomenon in which only the feedback signal is repeatedly amplified.
이후, 궤환 신호 제거부(340)는 단계 525에서 시간 지연 처리된 디지털 사운드 신호에 대해 비선형 효과를 부여한다. 예를 들어, 궤환 신호 제거부(340)는 디지털 사운드 신호에 비선형 효과를 부여하기 위해 전대역 필터링(All-pass filtering)을 수행할 수 있다.Thereafter, the feedback signal removing unit 340 gives a nonlinear effect to the digital sound signal subjected to the time delay processing in step 525. For example, the feedback signal remover 340 may perform all-pass filtering to give a nonlinear effect to the digital sound signal.
단계 520 및 단계 525는 음성 신호 분리부(345)가 궤환 잡음이 포함된 디지털 사운드 신호에서 음성 신호만을 추출할 수 있도록 하기 위한 전처리 과정이라 할 수 있다. 즉, 단계 520 및 단계 525는 음성 신호 분리부(345)의 성능을 최적화하기 위한 것이라 할 수 있다. 이를 간략히 설명하면 다음과 같다. Steps 520 and 525 may be referred to as preprocessing so that the voice signal separator 345 can extract only the voice signal from the digital sound signal including the feedback noise. That is, steps 520 and 525 may be referred to to optimize the performance of the voice signal separator 345. Briefly described as follows.
예를 들어, 두 개의 소스 시그널(source signal)과 두 개의 센서(예를 들어, 마이크)가 존재하는 경우, 음성 신호 분리부(345)에서 이용되는 독립 요소 분석(Independent Component Analysis) 알고리즘은 두 개 센서에서 받은 신호만을 이용하여 원래의 소스 시그널(original source Signal)을 얻어내는 기법이다. 이 때 독립 요소 분석 알고리즘 수행을 위해서는 입력된 신호가 논-가우시안(non-Gaussian) 신호이어야 한다. For example, if two source signals and two sensors (eg, microphones) are present, two independent component analysis algorithms used in the voice signal separation unit 345 are two. It is a technique to obtain the original source signal using only the signal received from the sensor. In this case, in order to perform the independent element analysis algorithm, the input signal should be a non-Gaussian signal.
그러나, 만일 입력 신호와 궤환 신호가 아무런 처리 없이 음성 신호 분리부(345)로 입력되면, 두 개 신호가 가우시안(Gaussian) 특성을 가지기 때문에 독립 요소 분석 알고리즘을 수행할 수 없다. 따라서, 본 발명은 단계 525에서 디지털 사운드 신호에 비선형 효과를 부여(예를 들어, All pass filtering)하여 논-가우시안 특성을 해당 신호에 제공한 것이다. 이로써, 음성 신호와 궤환 신호간에 위상(phase) 정보가 변환된다. 이러한 전처리 과정에 의해 음성 신호 분리부(345)는 독립 요소 분석 알고리즘을 이용하여 검출되어진 두개의 신호에서 각각의 원래 소스 시그널(riginal source signal)을 분리한 후, 궤환 신호는 제거하여 음성 신호만을 추출할 수 있다. 도 6에 궤환 신호가 포함된 신호(610)가 궤환 신호가 제거된 신호(620)로 변환된 결과 그래프가 도시되어 있다. However, if the input signal and the feedback signal are input to the voice signal separator 345 without any processing, the independent signal analysis algorithm cannot be performed because the two signals have Gaussian characteristics. Accordingly, the present invention provides a non-Gaussian characteristic to the signal by applying a nonlinear effect (eg, all pass filtering) to the digital sound signal in step 525. In this way, phase information is converted between the audio signal and the feedback signal. By this preprocessing process, the speech signal separator 345 separates each original source signal from the two signals detected using the independent element analysis algorithm, and then extracts only the speech signal by removing the feedback signal. can do. FIG. 6 is a graph showing a result of the signal 610 including the feedback signal converted to the signal 620 from which the feedback signal is removed.
이후, 궤환 신호 제거부(340)는 단계 530에서 상술한 과정을 통해 전처리된 디지털 사운드 신호를 음성 신호 분리부(345)로 전달한다. Thereafter, the feedback signal removing unit 340 transmits the preprocessed digital sound signal to the voice signal separating unit 345 through the above-described process in step 530.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법을 나타낸 순서도이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 음성 신호와 잡음 신호를 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잡음 제거된 음성 신호를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 본 발명에 따른 신호 처리 방법과 종래의 스펙트럼 차감 방법에 의한 신호 처리시의 신호 대 잡음비(SNR : Signal-to-Noise Ratio)의 향상비를 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a flowchart illustrating a method for removing noise and a feedback signal of a digital hearing aid according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 8 is a diagram illustrating a voice signal and a noise signal according to an exemplary embodiment of the present invention. 10 is a diagram illustrating a noise canceled speech signal according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a signal processing method and a conventional spectrum subtraction method according to the present invention according to an exemplary embodiment of the present invention. Is a graph showing an improvement ratio of a signal-to-noise ratio (SNR).
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 보청기(300)는 2개 이상의 마이크(310a, 310b)를 통해 외부의 아날로그 사운드 신호를 입력받고, 입력된 아날로그 사운드 신호는 전-증폭기(315a, 315b)를 통해 증폭된다(단계 710). Referring to FIG. 7, the digital hearing aid 300 according to the present invention receives an external analog sound signal through two or more microphones 310a and 310b, and the input analog sound signal is pre-amplifiers 315a and 315b. Is amplified (step 710).
단계 715에서 디지털 보청기(300)는 두개 이상의 A/D 컨버터(320a, 320b)를 이용하여 복수의 전-증폭기(315a, 315b)를 통해 증폭된 아날로그 사운드 신호를 디지털 사운드 신호로 변환한다.In operation 715, the digital hearing aid 300 converts the analog sound signal amplified by the plurality of pre-amplifiers 315a and 315b into digital sound signals using two or more A / D converters 320a and 320b.
단계 720에서 디지털 보청기(300)의 궤환 신호 처리부(330)는 당해 디지털 사운드 신호에 궤환 신호가 포함되었는지 여부를 판단한다. 궤환 신호가 포함되지 않은 경우에는 단계 730으로 진행한다. 그러나, 궤환 신호가 포함된 경우에는 단계 725로 진행하여 당해 디지털 사운드 신호를 하여 궤환 신호가 포함된 경우, 전처리 작업(예를 들어, 시간 지연 및 논-가우시안 특성 신호로 변환)을 수행한다. In operation 720, the feedback signal processor 330 of the digital hearing aid 300 determines whether the feedback signal is included in the digital sound signal. If the feedback signal is not included, the process proceeds to step 730. However, if the feedback signal is included, the process proceeds to step 725 in which the digital sound signal is used to perform the preprocessing operation (eg, a time delay and a non-Gaussian characteristic signal).
단계 730에서 디지털 보청기(300)의 음성 신호 분리부(345)는 독립 요소 분석(ICA : Independent Component Analysis) 알고리즘을 이용하여 음성 신호만을 추출한다. 음성 신호 분리부(345)가 ICA 알고리즘을 이용하여 음성 신호만을 추출하는 방법을 구체적으로 설명하면 아래와 같다.In operation 730, the voice signal separator 345 of the digital hearing aid 300 extracts only the voice signal using an independent component analysis (ICA) algorithm. Hereinafter, a method of extracting only a voice signal using the ICA algorithm by the voice signal separator 345 will be described below.
독립 요소 분석(ICA)이란 선형적으로 혼합된(Mixing) 신호들로부터 통계적으로 상호 독립적인 신호들을 분리해내는 기술이다.Independent element analysis (ICA) is a technique for separating statistically independent signals from linearly mixed signals.
2개의 마이크(310a, 310b)를 통해 입력된 신호원들은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.Signal sources input through the two microphones 310a and 310b may be expressed by Equation 1 below.
여기서, s1(t), s2(t)는 독립적인 신호들로서 각각의 마이크(310a, 310b)를 통해 입력받은 신호원들을 의미하고, x1(t), x2(t)는 a11, a12, a21, a22의 가중치에 의해 선형적인 조합으로 만들어진 신호들을 의미한다. 즉, 각각의 신호원들은 음향 필드(acoustic field)에서 임의로 섞여서 마이크로 입력되는데, 이러한 과정을 가중치를 각 신호원에 곱하여 표시한 것이다.Here, s 1 (t) and s 2 (t) are independent signals and mean signal sources input through the microphones 310a and 310b, and x 1 (t) and x 2 (t) are a 11 , signals of linear combination by weights of a 12 , a 21 , and a 22 . In other words, each of the signal sources are randomly mixed into the acoustic field and input into the microphone. This process is expressed by multiplying each signal source by a weight.
예를 들어, 2개의 마이크가 존재하고, 남성, 여성 두 명의 목소리 신호가 있다고 가정한다. For example, suppose there are two microphones and two male and female voice signals.
이 때, 마이크를 녹음 상태로 설정하고, 남성과 여성이 동시에 각자 말하기 시작하면, 결국 마이크 1과 마이크 2에서 각각 얻게 되는 신호는 남성과 여성의 목소리가 적당히 섞여 있는 음성 신호이다. 이와 같은 과정, 즉 음향 필드(acoustical field)에서 임의로 섞이는 과정을 통해 각각의 목소리가 마이크로 입력된다. ICA 알고리즘에서 고려하는 신호는 바로 센서에서 검출된(detected) 신호만을 가지고 위 남성과 여성 목소리를 각각 분리하고자 하는 개념입니다. 이 때, 음향 필드(acoustical field)에서 섞이는 과정을 a11, a12, a21, a22 라는 원소를 가진 행렬로 보는 것이다. 따라서, 수학식 1에 제시된 바와 같이 마이크에서 얻는 신호는 원래의 신호와 가중치 행렬의 곱으로 설명할 수 있다.At this time, if the microphone is set to the recording state and the male and the female begin to speak at the same time, the signal obtained in the microphone 1 and the microphone 2, respectively, is a voice signal in which the male and female voices are properly mixed. Each voice is input into the microphone through such a process, that is, a process of random mixing in the acoustic field. The signal considered in the ICA algorithm is to separate the male and female voices with only the signals detected by the sensor. In this case, the mixing process in the acoustic field is regarded as a matrix having elements a 11 , a 12 , a 21 , and a 22 . Therefore, as shown in Equation 1, the signal obtained by the microphone can be described as the product of the original signal and the weight matrix.
이와 같이, 아날로그 사운드 신호는 신호원들과 가중치들의 곱의 합의 형태로 마이크(310a, 310b)를 통해 전-증폭기(315a, 315b)로 전달된다. 이러한 과정을 일반화시켜 하나의 통계적인 모델로 정립하면 하기의 수학식 2와 같이 표시할 수 있다.As such, the analog sound signal is transmitted to the pre-amplifiers 315a, 315b through the microphones 310a, 310b in the form of the sum of the signal sources and the weights. If this process is generalized and established as a statistical model, it can be expressed as Equation 2 below.
여기서, A는 미지의 가역 행렬로 혼합 행렬이라 한다. ICA 알고리즘은 마이크 등의 입력 장치를 통해 측정한 신호 X만을 이용하여 혼합 행력 A의 역행렬을 찾음으로써 음원 신호를 복원한다. 따라서, 혼합 행렬 A의 역행렬인 분리 행렬 W가 추정(estimation)되어야 하며, 이는 하기의 수학식 3과 같이 표시할 수 있다.Here, A is an unknown reversible matrix and is called a mixing matrix. The ICA algorithm recovers the sound source signal by finding the inverse of the mixed action A using only the signal X measured through an input device such as a microphone. Therefore, the separation matrix W, which is the inverse of the mixing matrix A, must be estimated, which can be expressed as Equation 3 below.
여기서, 분리 행렬 W를 추정하기 위해서 신호원들은 서로 독립이라고 가정한다. 즉, 하나의 음원에서 나오는 원신호가 다른 음원에서 나오는 원신호에 상호 영향을 주지않는다고 가정한다. Here, it is assumed that the signal sources are independent of each other in order to estimate the separation matrix W. That is, it is assumed that the original signal from one sound source does not mutually affect the original signal from another sound source.
상술한 분리 행렬 W를 추정하기 위해 현재까지 다양한 방법들이 제시되고 있다. 이러한 방법으로는 예를 들어, 엔트로피 최대화 방법, Information Maximization 방법, Negentrophy maximization 방법, Mutual Information Minimization 방법, Maximum Likelihood Estimation 방법 등이 있다. 이중 엔트로피 최대화 방법으로 분리 행렬 W를 추정하는 방법은 하기 수학식 4와 같다. 물론, 분리 행렬 W를 추정하는 방법이 엔트로피 최대화 방법으로 제한되지 않음은 자명하다.Various methods have been proposed to date to estimate the aforementioned separation matrix W. Such methods include, for example, entropy maximization method, information maximization method, negentrophy maximization method, mutual information minimization method, and maximum likelihood estimation method. A method of estimating the separation matrix W by the double entropy maximizing method is given by Equation 4 below. Of course, it is obvious that the method of estimating the separation matrix W is not limited to the entropy maximizing method.
음성 신호 분리부(345)는 상술한 수학식 4를 이용하여 음성 신호와 잡음 신호가 혼합된 아날로그 사운드 신호로부터 음성 신호를 추출(즉, 음성 신호와 잡음 신호의 분리)할 수 있다. The voice signal separator 345 may extract the voice signal from the analog sound signal in which the voice signal and the noise signal are mixed (ie, separating the voice signal and the noise signal) using Equation 4 described above.
그리고, 음성 신호 분리부(345)에 의해 분리된 디지털 음성 신호는 특성 주파수 증폭부(355)로 전달되어 환자의 청각 손실 특성에 맞게 주파수별로 증폭된다(단계 735). The digital voice signal separated by the voice signal separator 345 is transferred to the characteristic frequency amplifier 355 and amplified for each frequency according to the hearing loss characteristic of the patient (step 735).
단계 740에서 디지털 보청기(300)의 D/A 컨버터(360)는 증폭된 디지털 음성 신호를 아날로그 음성 신호로 변환한다. In operation 740, the D / A converter 360 of the digital hearing aid 300 converts the amplified digital voice signal into an analog voice signal.
이후, 변환된 디지털 음성 신호는 후-증폭기(365)로 전달되고, 후-증폭기(365)는 전달받은 디지털 음성 신호를 미리 지정된 크기로 증폭한 후, 환자의 외이도에 연결되어 있는 리시버(370)를 통해 출력한다(단계 745). Thereafter, the converted digital voice signal is transmitted to the post-amplifier 365, and the post-amplifier 365 amplifies the received digital voice signal to a predetermined size and then receives the receiver 370 connected to the patient's ear canal. Output via (step 745).
도 8에는 음성 신호의 파형(810)과 잡음 신호의 파형(820)이 예시되어 있고, 도 9에는 본 발명에 따른 ICA 알고리즘에 의해 잡음 제거된 음성 신호의 파형(910)과 스펙트럼 차감법에 의해 잡음 제거된 음성 신호의 파형(920)이 예시되어 있다.In FIG. 8, the waveform 810 of the speech signal and the waveform 820 of the noise signal are illustrated. In FIG. 9, the waveform 910 of the speech signal noise removed by the ICA algorithm according to the present invention and the spectral subtraction method are used. A waveform 920 of a noise canceled speech signal is illustrated.
즉, 음성 신호와 잡음 신호가 혼합되어 두개 이상의 마이크(310a, 310b)를 통해 입력된 경우, 본 발명에 따른 ICA 알고리즘에 의한 잡음 제거 파형(910)이 스펙트럼 차감법에 의한 잡음 제거 파형(920)의 경우보다 음성 신호의 정확한 추출이 가능함을 알 수 있다.That is, when the voice signal and the noise signal are mixed and input through two or more microphones 310a and 310b, the noise cancellation waveform 910 by the ICA algorithm according to the present invention is the noise removal waveform 920 by the spectral subtraction method. It can be seen that more accurate extraction of the speech signal is possible than.
도 10에는 다양한 잡음 환경 속에서 본 발명에 따른 ICA 알고리즘에 따른 신호 처리 결과와 스펙트럼 차감법에 따른 신호 처리 결과가 비교되어 표시되어 있다.In FIG. 10, a signal processing result according to the ICA algorithm according to the present invention and a signal processing result according to the spectrum subtraction method are compared and displayed in various noise environments.
도 10을 참조하면, Case A는 잡담 환경 속에서 남성 단음절 음성이 입력된 경우의 처리 결과를 비교한 것이고, Case B는 잡담 환경 속에서 여성 2음절 음성이 입력된 경우의 처리 결과를 비교한 것이며, Case C는 자동차 잡음 환경 속에서 여성 2음절 음성이 입력된 경우의 처리 결과를 비교한 것이고, Case D는 공장 잡음 환경 속에서 여성 2음절 음성이 입력된 경우의 처리 결과를 비교한 것이다. 그리고, Average는 Case A 내지 Case D의 평균치를 나타낸 것이다. 또한, 도표의 세로축은 신호 대 잡음비(SNR)를 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 ICA 알고리즘을 이용한 디지털 보청기가 종래의 스펙트럼 차감법에 의한 보청기에 비해 모든 경우에서 우수한 신호 대 잡음비(SNR)를 가짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 10, Case A is a comparison of the treatment results when a male single-syllable voice is input in a chat environment, and Case B is a comparison of the treatment results when a female two-syllable voice is input in a chat environment. In this case, Case C compares the processing results when the female two-syllable voice is input in the car noise environment and Case D compares the treatment results when the female two-syllable voice is input in the factory noise environment. And, Average represents the average value of Case A to Case D. In addition, the vertical axis of the diagram represents the signal-to-noise ratio (SNR). As shown in FIG. 10, it can be seen that the digital hearing aid using the ICA algorithm according to the present invention has an excellent signal-to-noise ratio (SNR) in all cases compared to the hearing aid by the conventional spectrum subtraction method.
상술한 바와 같이 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기 및 신호 처리 방법은 잡음 환경 내 및 하울링 현상이 발생된 시점에서도 보청기 착용 환자가 음성 신호만을 명확하게 제공받을 수 있도록 한다.As described above, the digital hearing aid and the signal processing method having the noise and feedback signal canceling function enable the hearing aid wearing patient to be clearly provided only the voice signal even in the noise environment and at the time of the howling phenomenon.
또한, 본 발명은 청력 환자가 별도의 동작을 수행하거나 리모콘 장치를 구비하지 않더라도 잡음 환경 내에서도 하울링 현상이 제거된 고품질의 음성 신호만을 선택적으로 제공받을 수 있다.In addition, according to the present invention, even if the hearing patient does not perform a separate operation or has a remote controller, only the high quality voice signal from which the howling is removed may be selectively provided even in a noisy environment.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below It will be appreciated that modifications and variations can be made.
도 1은 종래의 디지털 보청기 구성을 나타낸 블록 구성도.1 is a block diagram showing a conventional digital hearing aid configuration.
도 2는 보청기에서 궤환 잡음이 발생되는 개념을 나타낸 도면.2 is a view illustrating a concept in which feedback noise is generated in a hearing aid.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잡음 및 궤환 신호 제거 기능을 구비한 디지털 보청기의 블록 구성도.Figure 3 is a block diagram of a digital hearing aid with a noise and feedback signal cancellation function according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 보청기의 외형을 나타낸 도면.4 is a view showing the appearance of the digital hearing aid according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 궤환 신호의 탐지 및 제거 방법을 나타낸 순서도.5 is a flowchart illustrating a method for detecting and removing a feedback signal according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 궤환 신호가 제거된 음성 신호를 예시한 도면.6 is a diagram illustrating a voice signal from which a feedback signal is removed according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 보청기의 잡음 및 궤환 신호 제거 방법을 나타낸 순서도.7 is a flowchart illustrating a method for removing noise and a feedback signal of a digital hearing aid according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 음성 신호와 잡음 신호를 나타낸 도면.8 illustrates a voice signal and a noise signal according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잡음 제거된 음성 신호를 나타낸 도면.9 illustrates a noise canceled speech signal according to a preferred embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 본 발명에 따른 신호 처리 방법과 종래의 스펙트럼 차감 방법에 의한 신호 처리시의 신호 대 잡음비(SNR : Signal-to-Noise Ratio)의 향상비를 나타낸 도면.FIG. 10 is a view illustrating an improvement ratio of a signal-to-noise ratio (SNR) during signal processing by a signal processing method and a conventional spectrum subtraction method according to an embodiment of the present invention. .
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
300 : 디지털 보청기300: digital hearing aid
310a, 310b : 마이크310a, 310b: microphone
315a, 315b : 전-증폭기315a, 315b: pre-amplifier
320a, 320b : A/D 컨버터320a, 320b: A / D Converter
330 : 궤환 신호 처리부330: feedback signal processing unit
335 : 궤환 신호 탐지부335: feedback signal detector
340 : 궤환 신호 제거부340: feedback signal removal unit
345 : 음성 신호 분리부345: voice signal separation unit
350 : 저장부350: storage unit
355 : 특성 주파수 증폭부355: characteristic frequency amplifier
360 : D/A 컨버터360: D / A Converter
365 : 후-증폭기365: post-amplifier
370 : 리시버370: Receiver
Claims (10)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |