TW479435B

TW479435B - Hearing aid digital filter

Info

Publication number: TW479435B
Application number: TW089110476A
Authority: TW
Inventors: Walter P Sjursen
Original assignee: Sarnoff Corp
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2002-03-11
Also published as: DK1208722T3; DE60024280D1; EP1208722A2; EP1208722B1; ATE311082T1; DE60024280T2; WO2000074438A3; WO2000074438A2; JP2003501914A; US6292571B1; AU5172200A

Description

479435 A7 B7 五、發明說明u ) [發明背景] 本發明係槪括關於助聽器之數位濾波器，且尤指具有減少功率消耗與散失的一種助聽器之數位濾波器。習知使用於迄今之助聽器系統的數位訊號處理器（ DSP，digital signal processor)已經強調速度與性能，且係已經爲習用上之設計，其需有大量之功率。基本上，於 DSP之重大功率消耗係因爲其構件以及互相連接方式。本發明係針對一種用於助聽器之DSP，其中之功率消耗係最小化並且具有經濟性以及尺寸之優點，而不會損及性能。於習用之助聽器，一麥克風係轉換入射之聲波爲一類比電氣訊號，其係接著作處理以瀘出不想要之雜訊等、係放大、且係耦接至一接收器或者喇叭，其將該電氣訊號轉換回聲波。該電氣訊號處理器係可爲一類比處理器，其直接作業於一類比電氣訊號。或者係，該類比訊號係可轉換爲一數位訊號且係由數位訊號處理器（DSP)所處理。目前’大部分之助聽器均使用類比訊號處理。訊號處理模式包括頻率無關之線性放大、頻率補償之線性放大（典型爲升壓高頻者）、頻率無關之自動增益控制（AGC) 系統、以及最後爲訊號位準相依之頻率補償系統。助聽器之此最後類別包括訊號處理演算法，即助聽器業界標示爲二通道系統、三通道系統、與多通道系統。此等系統將音訊頻帶分離爲高達二或多段，並且可彼此獨立地控制各段之增益。來自於Etymotic硏究所之K-Amp®電路以及來自 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-----1---訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 479435 A7 B7___ 五、發明說明（/ ) 於Gennum公司之DynamEQ-I®電路係傳統二通道系統之實例。

DynamEQ-I®具有二個放大器段，一者係處理低頻而另一者係處理局頻。以傳統而言，此係爲一個二通道系統。 K-Amp®僅含有一個放大器，以實現頻率響應爲輸入位準之函數。雖然此二電路係以不同之方式，但均實施一第一階類比濾波器。因此，當運用辭語“二通道系統”時係必須留意。複數頻率轉移函數（以s域所寫成）之說明係更爲適合以敘述類比濾波器。類比濾波器之準確度與可重複性係取決於實際構件（例如電阻器與電容器）之容許度。此等構件係具有初始之容許度，其隨溫度而變化，且亦可隨濕度、電壓、與年份而變化。當操作於一範圍之環境條件時，欲設計一類比濾波器以達成其所意圖之需求，將係爲一相當大之挑戰。另一方面，數位濾波器係以其處理數字之數位電子電路所實施。數位濾波器係由運算法所描述，且係以數學表示於z域。各個電路之數位濾波器的可重覆性係視取樣頻率之準確度而定。此取樣頻率係通常出自具有典型爲百分之0.01準確度的一晶體控制振盪器。該振盪器頻率之精密度係相較於類比濾波器所使用之電阻器與電容器的典型1% 、5%、與10%容許誤差爲好甚多。數位濾波器之準確度、失真、與雜訊特性係視精密度而定，訊號與濾波器係數乃由其所表示。關於助聽器技術，係存在數件先前技術之美國專利。 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2】〇χ297公釐） I---------- - Μ-----.f---^---------^ , (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) V· 94 47 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制取 A7 _____B7__ __ 五、發明說明) 授與Dillon之標題爲“助聽器放大方法及裝置”的美國專利第4,803,732號，其辨識不同之聲音頻帶且係獨立處理其等。不同之頻帶係獨立放大，以配合使用者之聽力需求與損失樣態。在放大之前’麥克風訊號係通過一選用之濾波器。因此，對於使用者之訊號區別係提高。授與Nunley等人之美國專利第4,791，672號係針對一種助聽器，其包括用以即時處理類比訊號之數位取樣的一種可配戴、可程式之數位訊號處理器。儲存於訊號處理器中之一助聽器程式係連續執行，引入雜訊抑制。先前技術係充斥於美國專利，其係以某一方式或其他方式而運用不同配置或者技術，針對不同程度的雜訊抑制。該等先前技術之實例係包括美國專利:授與Franklin等人之第5,794，187號、授與Lindemami等人之第5,651，071號、授與Graupe等人之第4，185，168號、授與Arcos等人之第 5,306,560 號、授與 Goodings 等人之第 5,259,033 號、以及授與Engebretson等人之第5,412,735號。槪括而言，前述之專利係針對達成供使用者之聽力淸楚或者聽力加強，並無對於放大器與有關電路中所消耗的功率之任何參考〇一般用以描述數位濾波器於數位訊號上的作用之一種方法係Z轉換方法。 Z 轉換（Z-Transform): 於此之Z轉換的一簡要說明係相信可有助於提供本發明之較佳的瞭解。 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公复可 ---------· ____________ ----l·---^ 0 I I I — — — I- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 479435 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（士）令X (k)係一數位訊號，其對於k<0係爲零。由X# (z)表示之其z轉換係定義爲z之函數·· X* (z) =x (0) +χ (1) zf + X (2) z'2+... =X X (k) zk k=0 因爲其係針對移位乘法之性質，Z將具有如同相量（ phaso〇理論之相同解釋。即，當z係於複數z平面中之單位圓上時，其角度係解釋爲一頻率變數。但問題不在於 z係如何解釋，而是z係如何定義。答案爲:z係一獨立之複數變數，其具有極爲同於取樣數k之狀況。一訊號係定義爲k之函數，而其z轉換係定義爲z之函數。因此，z 係一訊號的z轉換之域（domain)。事實上，z轉換係可視爲如同由時域至頻域之一轉變。以下之符號表示係可用於z轉換： F (k) F+ (z) 於箭號上之符號係指示轉換之名稱。於此點應係注意的是，一數位濾波器係可視爲同於z轉換之相同方式的一種轉換。舉例而言，若X係至一濾波器Η之輸入，且Y係輸出，一關係式可被表示爲： X (k) Y (k) 7 ------------ --------^---------線、« (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 479435 A7 五、發明說明（f ) (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁} 因此，一濾波器係將k之一個函數轉換爲k之另〜個函數，而Z轉換則係將k之一個函數轉換爲Z之另一個函數。 Z轉換具有某些性質，類似於處理相量之理論，使得其可能藉由乘法而表示移動平均之濾波器以及其他線性非時變濾波器。對於一側（one-sided)之數位輸入訊號，該輸出訊號之z轉換係可藉由將該輸入訊號之z轉換乘以轉移函數Η (z)而得到。 ζ轉換具有一個性質，其致使能夠由時域至頻域之容易且自由的移轉。於時域之濾波係可如同對應於ζ轉換域中之乘法而視之。對於以上所述者之較爲完整的理解係可得自於美國普林斯敦大學之Kenneth Steglitz所著的“離散系統之簡介” （John Wiley & Sons, Inc· 1974 年）。濃、波器係數：經濟部智慧財產局員工消費合作社印製一數位濾波器係由一組實數（即其係數）所描述特徵。改變此等數値，將改變濾波器之特性。欲評估一係數値的任何變化於一給定濾波器特性（即頻率響應）上之影響，可關於該係數而微分| H (ejwt) I，且使用該導數値作爲對於特定係數變化的頻率響應之靈敏度指示。於瀘波器特性上之係數選取的一較詳細分析，係可見於由Abraham Peled與Bede Liu所著之“數位訊號處理”的第二章“數位濾波器之設計”（第45頁）。一數位濾波器H ( f)係可表示爲一傅立葉級數： 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 479435 A7 B7 五、發明說明（L) H (f) =X h (n) ei2;rnf

k=Q 其中，h (n)係濾波器係數。受到濾波器係數h (n) 之選取所影響之一種對稱有限脈衝響應（FIR)相位移的詳細分析係敘述於R· Higgins所著之”超大型積體電路中之數位訊號處理”第 182 至 191 頁（Prentice Hall，Englewood Cliffs，NJ，1990 年）。濾波器係數h (n)係於頻域與時域之H (z)的z轉換，其選擇將大爲影響濾波器之特性。於設計數位濾波器之設計考量的詳細分析’尤其是由乘法器係數選取之觀點，可係見於由A· G· Dempster與M. D· Macleod於1998年六月所發表在IEEE期刊（關於“電路、系統II、類比與數位訊號處理”之期刊，第45冊，第 6號，第761至763頁）之文獻“運用最少加法器乘法器方塊之IIR數位濾波器設計”。該文獻係詳述對於乘法器係數所選取之特定値如何影響濾波器性能之詳情。該文獻亦解說一數位濾波器所需之係數字元長度（位元數）如何關於係數靈敏度，且指出不同濾波器架構將可需有廣爲不同的字元長度以符合所需之濾波器規格。於該文獻中，係論及高成本之係數乘法器。通用目的之數位訊號處理器係可取得。摩托羅拉（ Motorola)、德州儀器（Texas Instruments)與類比裝置（ Analog Devices)係製造此等裝置之製造商的三個實例。此 9 張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -----··---^---------線經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 479435

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（C| ) 等處理器之目標係欲爲快速且彈性，俾使大量之不同型式的訊號處理係可實施。對於此速度與彈性所須付出的代® 係電力與積體電路之尺寸。此外，此等裝置具有傳統操作於+ 5伏特之電源供應。潮流係朝著較低之操作電壓，旦目前係有操作於+3.3伏特之數個裝置。用於助聽器之電源係一般爲鋅-空氣電池，其提供+ 1.3伏特。視製造商而定，對於鋅-空氣電池之壽命終止電壓係通常指定爲+0.9伏特、 + 1·〇伏特、或+ 1.1伏特。助聽器積體電路係典型指定以操作於低至+ 1.1伏特之規格內。欲運用數位訊號處理於助聽器，則必須該DSP晶片操作於低到至少+ 1.1伏特，且較佳爲+ 1.0伏特。欲使電池壽命爲最大化，電流涉漏係須爲極低。舉例而言，對於675-電池，額定於550mAh (每小時毫安培）以持續連續31天（每天24小時），於電池之平均電流渉漏係必須爲不大於740 // A (微安培）（即 0-74mA)。此電流包括用於麥克風、類比至數位轉換器（ ADC)、數位訊號處理（DSP)電路、數位至類比轉換器 (DAC)、音頻功率放大器、與接收器（喇叭）之電流。欲保存電池電流，音頻功率放大器係可實施爲一]D類放大器。Knowles電子公司提供具有內建式d類放大器之數種接收器。一 Knowles電子公司之麥克風消耗約爲20 v a之平均電流’而D類放大器與接收器消耗約爲550 //A之平均電流’視訊號位準而定。此係保留大約17〇V A之電流，其可供其餘之電子電路（ADC、DSP、與DAC)所用。欲保存電力之另一嘗試係免除由數位返回類比之轉換，而 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------ --------訂----I----« c請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 479435 A7 ________ B7 五、發明說明（2) 是使用一種數位至數位轉換器（舉例而言，如於Widex Senso®數位助聽器）。此數位至數位轉換器（DDC)驅動於D類設計之接收器，但運用數位字元以直接控制被施加至接收器之訊號的工作週期。通用目的DSP晶片係提供彈性之架構。一般DSP裝置係由包括累加器、加法器/減法器、乘法器、暫存器、資料記憶體、與程式記憶體之各種功能方塊所組成。此等功能方塊係多工化，以使得所需的方塊數目爲最小化。當二個數係需相乘時’該二數係由記憶體所找取且係鎖存於乘法器之輸入暫存器。乘法器之輸出係含有該結果，其係接著被儲存於另一個暫存器或者於記憶體中。 [發明槪論] 本發明運用一種數位濾波器，達成最小化之功率消耗，伴隨之優點爲低成本與尺寸小，而無需明顯犧牲性能。本發明之一個目的係提出一種運用數位濾波器之助聽器，其中之功率消耗係最小化，因而得到尺寸上之優點以及成本之經濟性。於一個形式中，本發明係屬於一種用於助聽器之數位訊號處理器，運用一訊號位準相依之頻率補償系統於一數位濾波器之中，該種數位訊號處理器包含: 一通用目的之乘法器，以控制頻率響應作爲一預定參數（例如輸入訊號位準）之函數；及一無限脈衝響應（IIR， infinite impulse response)數位濾波器，使用作爲一數位濾波器，該數位濾波器具有濾波器係數，其係槪括關於2" ’ 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------I--------I I I ^ · I I------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 479435 Α7 Β7 發明說明（1 ) η係一整數，藉以使得於該數位訊號處理器中之功率消耗爲最小化。於一第二個形式中，本發明提出一種用於助聽器之數位訊號處理器，運用一訊號位準相依之頻率補償系統於一數位濾波器之中，該種數位訊號處理器包含:一通用目的之乘法器，以控制頻率響應作爲一預定參數（例如輸入訊號位準）之函數；及一非遞迴有限脈衝響應（FIR，finite impulse response )數位濾波器，使用作爲一數位'濾波器’ 該數位濾波器具有濾波器係數，其係槪括關於2η，η係一整數，藉以使得於該數位訊號處理器中之功率消耗爲最小本發明係專注於使得一數位助聽器之DSP運算法部分之功率消耗爲最小化，運用其可係以最小量的專用電路而實施之訊號處理運算法。正常而言，此電路係可含於一積體電路。於本發明之第一較佳實施例中，電路係以三種方式而最小化··第一，僅有一個通用目的乘法器係使用以改變頻率響應作爲訊號位準之函數;第二，該等濾波器係數係由 2之升局至第η次方所表示之値;及第三，係使用一非遞迴 (有限脈衝響應）濾波器。僅有一個通用目的乘法器:於本發明中，單一個通用目的乘法器係使用，且該等係數爲固定且限定爲關於2之次方的數字;若該等係數爲其可表示爲2η之値，該等係數乘法器成爲移位器。於本發明中，一係數乘法器作用爲一移位器而非爲一乘法器。不同於一係數乘法器之情形，移位 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------- ^-----^---^---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 479435 A7 ________ B7 五、發明說明（V。）器作用無需額外量之電力支出的消耗。由於通用目的乘法器係相較於諸如加法器之其他功能方塊而需有較多的電路，令人合意的是使得該等乘法器之數目爲最小化。若係需有多個通用目的乘法器，則諸如於DSP裝置所使用者之一多工乘法器係更符所需。然而，若係僅需有一個通用目的乘法器，則可使用一專用乘法器而免除一多工乘法器。是以，於本發明中，僅係運用單一個通用目的乘法器。县方（冪）値的濾波器係數:於數位濾波器中，如前文所述，濾波器係數被選擇以達成所期望之濾波器特性。此等係數被乘以時間延遲之資料値。一般而言，此係以通用目的乘法器所實行。藉著限制濾波器係數爲2之次方，該乘法器係成爲一個簡單的移位器。相較於乘法器，移位硬體之實施係較爲簡單。然而，由於本發明僅提供專用之訊號處理功能，該等係數爲固定，且該乘法器係僅藉著將正確位元遞送至其目的而實施。下文將顯示，具有所需特徵之濾波器可係以限制爲二之次方的係數而達成。於本發明之另一個實施例中，濾波器係數爲本身並非2之次方，而是其均爲2之次方的二數之和。欲實施所需之乘法，資料訊號係移位，然後係由未移位之訊號所加上（或減去）。僅僅單一個加法器係須用以達成所需之乘法。乘以2之次方的乘法係由電路連接所實施，而無需任何之硬體，且因此並未由電池使用任何電力。非遞迴瀘波器之運用：非遞迴或有限脈衝響應(FIR) 濾波器具有優於遞迴或無限脈衝響應（IIR)濾波器之數個 13 艮尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------^-----^------------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 479435 A7 __— B7 五、發明說明（η) 優點。FIR濾波器確具有極（p〇ie)，因而可變爲不穩定及振盪。由於僅係使用有限數目之過去輸入取樣，FIR濾波器將不會累積誤差。另一方面，IIR濾波器使用有限數目之過去輸入取樣與過去輸出取樣。因此，誤差將會累積，且極限循環之振盪將成爲一個問題。鑒於16位元可係適用於FIR濾波器，24位元將係於nR濾波器所需，以處理捨項誤差與捨入誤差。雖然本發明較佳實施例之說明係運用 FIR濾波器，本發明亦可係以HR濾波器所實施。 [圖式簡單說明] 由以下如隨附圖式所示之本發明較佳實施例的較爲特定說明，本發明之上述及其他目的、特點與優點將係更爲顯明，其中相同之元件符號係指不同圖式中之相同元件。該等圖式係無須標出尺寸，而係強調在說明本發明之主旨〇第1圖係本發明之數位訊號濾波器的槪括方塊圖；第2圖係不具有低頻升壓之第一階濾波器的方塊圖；第3圖係第2圖之濾波器於不同λ 5的頻率響應圖；第4圖係具有低頻升壓之第一階濾波器的方塊圖；第5圖係第4圖之濾波器於不同λ 8的頻率響應圖；第6圖係本發明之第一較佳實施例的方塊圖；第7圖係一組頻率響應曲線，其中斜率或者s參數係針對第6圖之實施例而變化；第8圖係如於第7圖之頻率響應曲線圖，其中1， 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2.10 X 297公釐） ----------I ^-----··---^---------線 1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 479435 A7 B7 五、發明說明（yy) r = 16且λ之範圍爲0至16; 第9圖係如於第8圖之圖，其中r = 3; 第10圖係如於第8圖之圖，其中s= 2，r = 16以及 λ 二 0 至 16; 第11圖係如於第8圖之圖，其中s= 2，r = 4以及λ =0 至 16; 第12圖係如於第8圖之圖，其中s= 2，r = 3以及λ =0 至 16; 第13圖係如於第8圖之圖，其中2，r = 2以及λ =0 至 16; 第14圖係一組頻率響應曲線，針對s= 3，τ = 16以及λ = 0至16; 第15圖係一組頻率響應曲線，針對^ 3，r = 3以及 λ = 0 至 16; 第16圖係本發明之最佳實施例的方塊圖；第17圖係一族頻率響應曲線圖，針對17，々二0 以及二1; 第18圖係一族頻率響應曲線圖，針對7? = 1，6 = 0 以及α之範圍爲0至16; 第19圖係一族頻率響應曲線圖，針對0.125以及 α之範圍爲0至16; 第20圖係一族頻率響應曲線圖，針對π = 2，/?= 0 以及α之範圍爲0至16; 第21圖係一族頻率響應曲線圖，針對^ = 2，/5二 15 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------- ^---------^---------線 . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 479435 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 —_____B7 _ 五、發明說明（0) 0.125以及α之範圍爲0至16; 弟22圖係一*方矢頻率響應曲線圖，針對3，/5 = 〇以及α之範圍爲0至16;及第23圖係一族頻率響應曲線圖，針對々=3，万二 0.125以及α之範圍爲0至16。 [較佳實施例詳細說明] 雖然本發明係參照其較佳實施例而特定顯示及說明，凡熟悉此技術之人士均將可理解的是，在未偏離由隨附申請專利範圍所界定之本發明的精神或範疇之下，於其形式與細節上之修改係均可作出。根據本發明，適用於低電壓、低功率助聽器應用的一槪括之數位訊號處理演算法係欽述於本文。較佳實施例係可構成，視所期望的訊號處理而定。本發明之數個實施例將係作描述，且將說明本發明之固有特點。數位訊號處理演算法:於前文指出:>限制內，本發明提出槪括之數位訊號處理演算法，其係由以下之系統函數方程式而於ζ域作描述：轉移函數 Η ( ζ) = σ + 入·〔 2_ τ σ · ζ— 5 + G(ζ) 〕 (1) 其中 G ( ζ) = a〇+ a, · ζ_ 1 + a2 · ζ_ 2+ a3 · ζ_ 3+ ·.· + an · ζ'η (2) 其中ζ— 1係一單位延遲，aQ...an係濾波器係數，且G ( ζ)係FIR濾波器。參數σ係取決於所實施之實際濾波器而 16 ------------- I-----------------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） 479435 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（\lV) 取爲+ 1或者-1之一常數値，而6定義延遲線之輸出接點。參數r定義低頻響應，而λ係控制該訊號位準相依頻率響應之一參數。於助聽器應用中，λ將係由以下數個訊號之一者的位準所控制，諸如：（ι)輸入訊號，（2)輸出訊號，（3)於至λ乘法器之輸入的訊號，或者於至λ乘法器之輸出的訊號。第1圖係本發明之槪括的訊號處理方塊圖，其顯示一數位濾波器之電路略圖，其中X (i)顯示輸入而y (i)顯示在通過濾波器之後的訊號。Z- 1係一單位延遲，而aQ、ai 、a?、…an係濾波器係數，其依照式（2)而係用以乘以對應之一單位延遲、二單位延遲等而高達一 η單位延遲。該略圖顯示λ，其係控制訊號位準相依之頻率響應的一參數。如前所述，λ係可由數個訊號之一者的位準所控制，該數個訊號係諸如輸入訊號、或至λ乘法器之輸入的訊號、或於λ乘法器之輸出的訊號。5顯示不同之可選擇的接點，以得到不同之延遲位準。如於式（1)之前後關係所示，視所實施之實際瀘波器而定，參數σ係取爲+ i或―1之一常數値。王县有低頻增益之_第一階濾波器:第2圖顯示本發明之第一階實施例的方塊圖。其並無低頻增益（γ = 〇〇 )。當 λ = 0，頻率響應係平坦。隨著Α係增大，高頻係升壓。高頻升壓之最大率係每八度（octave)爲6dB。第3圖顯示針對λ之軺圍爲0至32的頻率響應。取樣率係每秒4〇,〇〇〇取樣。 17 ------------- 裝------------訂---------線' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 479435 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（) 县有低頻增益之第一階濾波器:第4圖顯示本發明之第一階實施例的方塊圖。低頻增益係由r參數所控制。當入二〇，頻率響應係平坦。隨著λ係增大，高頻與低頻係均升壓。然而，低頻之升壓係較高頻者爲少。低頻升壓量係由 r與λ參數二者所影響。高頻升壓之最大率係每八度（ octave)爲6dB。第5圖顯示針對r = 4以及λ之範圍爲0 至32的頻率響應。取樣率係每秒40,000取樣。於助聽器應用中，具有每八度爲6、12、與18dB之斜率的濾波器係常爲所需。欲達成此，第6圖之濾波器架構提供一可易於選擇之斜率，僅運用一般之乘法器，且具有二之次方的濾波器係數。以該資料，訊號處理係可表示如下：轉移函數Η (ζ) = ζ_2+λ ·〔2_ 7 · z-2 + G (z) s〕 (3) G(z)= (05+05 ·ζ_1+〇·125·ζ_2) · (1+025 ·ζ-1) · (l-z—1) (4) 其中λ係一位準相依之增益參數，7控制低頻放大之量，且1、2、或3而選擇每八度爲6、12、或18dB之斜率。應係注意的是，數位濾波器G (z)係運用僅爲二之次方的濾波器係數。然而，G (z)係可重新排列如下： G (z) - 0.5+0.125 · 2^-0.375 · ζ 2-021875 · ζ 3-〇.〇3125 · z 4 (5) 式（4)與（5)係等效，即使於式（5)係並非均爲 18 本細度適用中國國家標準（CNS)A4^格（21〇 X 297公爱i -----------t---------訂---------線 . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 479435 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 發明說明（vV ) 二之次方。此並不違反本發明之精神，由於該濾波器係以二之次方的係數（式（4 ))而實施。濾波器G ( z )係亦選擇爲具有接近1之峰値增益（理想而言將係爲一），俾使係升高爲s次方之濾波器G (z)的峰値增益（式（3) )亦具有約爲一之峰値增益。一使用者可規劃之助聽器則可係以每八度爲6、12、或18dB之可選擇的斜率而實施，同時維持相同之最大增益。對於此較佳實施例之功率耗損的估測，現將係基於第 6圖之方塊圖而作成。首先，閘計數之估測係針對各功能構件所作成:延遲暫存器、加法器、與乘法器。假設的是，資料之寬度係20位元，閘計數係基於類似CD4000系列 CMOS邏輯元件之閘計數所作成，如後：延遲·暫存器—某於CD4174六（hex)型式之D型正反器。CD4174具有43.5閘之等效閘計數，或者每位元7.25 聞。一 20位元之暫存器則係具有145閘。加法基於CD4008之4位元全加法器。CD4008具有40閘之等效閘計數。因此，一 2〇位元之加法器係具有 200 閘。乘益器基於一陣列乘法器〔A· Peled與B· Liu所著之“數位訊號處理、理論、設計、與實施”，John Wiley &

Sons lnc·，紐約，1976年；R· Higgins所著之“於超大型積體電路之數位訊號處理”，prentice Hall，Englewood Cliffs， NJ，1990〕’對於一 nXm乘法器之等效閘數係由下式所估測： 19 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） ------------- -^-----^---^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 43 9 47 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ___ B7___ 五、發明說明（1 ) (w-2) 聞數=η · m+10 · (2 ·乞 i+ (n—m+1) · (m—1) +1) (6) /=0 其中，n與m係各個被乘數之位元數，n>m，且m-2。接著，由式（6)，一 20位元乘以2〇位元之乘法器係需有4020個等效閘。於第6圖所示之數位濾波器的槪略量度之閘計數，現將可係作成如後：構件閘數數量於第16圖之實施例中的總閘數延遲暫存器 145 12 1740 加法器 200 1 14 2800 乘法器 4020 1 4020 8560 欲估測功率耗損，係需每閘之耗損的估測。低電壓、低功率之CMOS製程已經達成對於0.5-V MT CMOS之 0.05//\¥/]\41^/閘的功率耗損量〔1\0〇11561<:丨，8.811丨86111&1311， J. Yamada，M. Harada，H· Inokawa，與 T. Tsuchia 所著之“ 0.5-V MT CMOS/SIMOX邏輯閘”，IEEE固態電路期刊，第 32冊，第10號，第1604至1609頁，1997年〕。對於1.3伏特之操作，則係可假定爲0.34//W/MHz/閘。對於操作在取樣率爲40kHz (千赫茲）之數位濾波器，總功率耗損係由下式所給定： ‘ 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------ ^-----^---^---------線- . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 479435 A7 B7_____ 五、發明說明（)

Pdiss (功率耗損）=(0.34 // W/MHz/閘）· （ 0·04 MHz) · ( 8560 閘） -116.4//W ⑺ 於+ 1.3伏特之一電壓，電池電流將係僅爲90//A (微安培）。額外之功率節省係可得到，藉著運用較有效率之乘法器、或者藉著運用較低之取樣率。舉例而言’於取樣率爲32kHz時，電池電流將係72//A而非爲90//A。若係使用一 20X10乘法器（20位元資料及10位元控制訊號），係達成一 2100個等效閘之節省。於1.3伏特及40kHz取樣率時，此舉係造成29“ W (22//A )或者百分之24的節省。運用一 20 X 10乘法器，電流係成爲68// A (於40kHz 之取樣時）以及54//A (於32kHz之取樣時）。如所展示，此濾波器架構係消耗電池極低之功率位準。較佳賓施例之頻率響應：由式（3)所述之較佳數位濾波器的頻率響應係視參數λ、r、與s而定。λ參數係控制該濾波器之增益。r參數係控制相對於高頻增益之低頻增益。最後，s參數係選擇6、12、或18dB/oct之一最大標稱斜率。第7至IS圖顯示其可藉著改變不同參數所達成之典型的頻率響應。第7圖顯示選擇不同斜率之效果。針對ι6, τ = 16且1、2、與3之一族頻率響應曲線係顯示。無論所選擇之斜率爲何，峰値增益係由λ所設定且係約爲24dB。低頻增益係OdB (即增益爲一），且係由設定γ爲約16或更大者所設定。高於7.5kHz之增益係減小，以針對助聽器 21 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮1 - ----------- ^------------^---------線' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 479435 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 A7 B7 發明說明（d) 應用而使得高頻雜訊爲最小。第8圖顯示一族頻率響應曲線，針對1，r = 16且 λ之範圍爲0至16。對於高位準訊號（即喧囂之聲音）， λ將可係驅使朝向於零，且頻率響應係變爲平坦。對於低位準訊號（即柔和之聲音），λ係朝向於16而增大，且高頻增益係亦增大。由於r係設定爲16，並無低頻放大。第9圖顯示使用於第8圖之相同濾波器，除了 r二3 之外。此時，隨著λ係朝向於16而增大，於低頻之增益係亦增大，雖然其並未增大如同於高頻之增益般。第10至13圖顯示具有2且λ之範圍爲0至16之一濾波器的頻率響應曲線。不同圖式係展示改變r之效果。於第10圖中，16，並無低頻增益。於第11圖中， T = 4。於第12圖中，7 = 3。最後，於第13圖中，y = 2 。第11至13圖具有低頻增益爲，最大低頻增益係隨著r 係由4、至3、至2而步進式增大6dB。第14與15圖顯示具有s= 3且λ之範圍爲0至16之一濾波器的頻率響應曲線。於第14圖中，r = 16;而於第 15 圖中，τ 二 3。其他之濾波器架構係於本發明之範疇內爲可行。此等濾波器係相較於本文所揭示之較佳實施例而大致較爲複雜。此揭示內容係揭示用以使得實施數位濾波器所需之電路爲最少，且因此使得功率耗損與電池電流爲最小。第16圖顯示本發明之另一較佳實施例的方塊圖，其相較於先前實施例而使用較少的電路，且因此係更佳。運用 22 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 479435 經濟部智慧財產局員工消費合作社印也衣 A7 B7 五、發明說明（户）於第16圖中之訊號處理係可描述於z域’如後·· Η (ζ) = (ι + α ·冷）·υ (z) - (1 + α) · V (z)⑻ U (z) - 0.5+0.5 ·ζ2 (9) V(z)- (0.5-0.5 ·ζ2)η (10) 其中，所使用之參數係先前關聯於式（1 )所定義。對於此較佳實施例之功率耗損的估測’現將係基於第 16圖之電路而作成。首先，閘計數之估測係針對各功能構件所作成:延遲暫存器、加法器、與乘法器。如同前文，基於一假設爲，資料之寬度係20位元，閘計數係基於類似 CD4000系列CMOS邏輯元件之閘計數，如後·· 延遲暫存器-某於CD4174六（hex)型式之D型正反器。CD4174具有43.5閘之等效閘計數，或者每位元7.25 閘。一 20位元之暫存器則係具有145閘。加法器-某於CD4008之4位元全加法器。CD4008具有40閘之等效閘計數。因此，一 20位元之加法器係具有 200 閘。乘法器-某於一陣列乘法器〔A· Peled與B. Liu所著之“數位訊號處理、理論、設計、與實施”，John Wiley & Sons Inc·，紐約，1976年；R. Higgins所著之“於超大型積體電路之數位訊號處理”，Prentice Hall, Englewood Cliffs， 23 ----------- -裝-----^---訂---------線 1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2]〇 X 297公釐） 479435 A7 B7 五、發明說明) NJ，1990〕，對於一 nXm乘法器之等效閘數係由下式所估測： m—2 閘數=n* m+ 1〇 ( 2* i+ ( n—m) * ( m — 1 ) + 1 /=0 )如於前式（6) 其中n與m係各個被乘數之位元數，n>m，且m^2 。接著’由式（4) ’ 一 2〇 ill兀乘以20位兀之乘法器係需有4020個等效閘。構件數量於第16圖之實施例中的總閘數延遲暫存器 145 6 870 加法器 200 7 1400 _乘法器 4020 1 4020 6290 欲估測功率耗損’係需每閘之耗損的估測。低電壓、低功率之CMOS製程已經達成對於0.5-V MT CMOS之 0.05 # W/MHz/閘的功率耗損量〔T. Douseki，S. Shigematsu， J· Yamada，M. Harada，Η· Inokawa，與 Τ· Tsuchia 所著之“ 0.5-V MT CMOS/SIMOX邏輯閘”，IEEE固態電路期干[J，第 32冊，第10號，第1604至1609頁，1997年〕。對於1.3伏特之操作，則係可假定爲0.34//W/MHz/閘。對於操作在取樣率爲32kHz之數位濾波器，總功率耗損係由下式所給定: Pdiss (功率耗損）=(0.34// W/MHz/閘）·（0.032 MHz) · ( 6290 閘） =68.4/z W ( 11 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-----.·---訂---------線經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 479435 Α7 Β7 五、發明說明（？7/) 於+1.3伏特之一*電壓’電池電流將係僅爲5 3 // A。此係相較於先前揭示之第6圖實施例的8560閘計數及72//A 電池電流。額外之功率節省係可得到，藉著運用一 2〇Xl〇乘法器（20位元資料及10位元控制訊號）以取代20X20 乘法器。此舉將係節省約2100個等效閘。由式（11)，功率耗損係計算且係45.6//W。於1.3伏特，此將係僅爲35 //A之電池電流。如所展示，此濾波器架構係消耗電池極低之功率位準。第16圖之較佳奮施例的頻率響應：由式（8)至式（1〇)所述之較佳數位濾波器的頻率響應係視參數α、Θ、與而定。α參數係控制該濾波器之高頻增益。Θ參數係控制相對於高頻增益之低頻增益。最後，7?參數係選擇6、12、或18dB/oct之一最大標稱斜率。第17至23圖顯示其可藉著改變不同參數所達成之典型的頻率響應。第17圖顯示選擇不同斜率之效果。針對17,厶二〇以及?? = 1之一族頻率響應曲線圖係作顯示。無論所選擇之斜率爲何，峰値增益係由α = 17所設定且係約爲 24dB。低頻增益係OdB (即增益爲一），且係由設定万爲零所設定。高於8kHz之增益係由25dB之峰値增益減小爲於16kHz之OdB，以針對助聽器應用而使得高頻雜訊爲最小0 第18圖顯示針對77 = 1，= 0以及α之範圍爲〇至 16之一族頻率響應曲線圖。對於高位準訊號（即喧囂之聲音），α將可係驅使朝向於零，且頻率響應係變爲平坦。 25 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM4規格（210 x 297公釐） ----------- 裝-----r---訂---------線 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 479435 A7 ___ B7 _ 五、發明說明（乃）對於低位準訊號（即柔和之聲音），〇：係朝向於16而增大，且高頻增益係亦增大。由於/5係設定爲零，並無低頻放大。第19圖顯示用於第18圖之相同濾波器，除了 /5 = 0.125之外。此時，隨著α係朝向於16而增大，於低頻之增益係亦增大，雖然其並未增大如同於高頻之增益般。第20至23圖顯示針對= 2與3，/3 = 0.125以及α 範圍爲〇至16之頻率響應。等效者儘管本發明係已經關於其較佳實施例而特定顯示及說明，凡熟悉此技術之人士均將可瞭解的是，在未偏離由隨附申請專利範圍所涵蓋的本發明範疇之下，於形式與細節上之各種變化均係可行。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 26 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims

479435 經濟部智慧財.4局員工消費合作社印製 Λ8 B8 (:8 D8 六、申請專利範圍 1.一種用於助聽器之數位訊號處理器，運用一訊號位準相依頻率補償系統於一數位濾波器之中，該種數位訊號處理器包含：一通用目的之乘法器，具有一輸入與一輸出，且係提供以控制頻率響應作爲一預定參數之函數;及一非遞迴有限脈衝響應（FIR)數位濾波器，該FIR 數位濾波器運用係數乘法器且具有濾波器係數，其係槪括關於2°，η係一整數，其中該等係數乘法器成爲簡單移位器，且於該數位訊號處理器中之功率消耗係最小化。 2·如申請專利範圍第1項之數位訊號處理器，其中該預定參數係選自下列各者： (i ) 一輸入訊號； (ii) 一輸出訊號； (iii) 至該通用目的乘法器之一輸入訊號;及 (iv) 於該通用目的乘法器之一輸出的一訊號。 3·如申請專利範_丨項之數位訊號處理器，其中該數位濾波器具有其係爲2之整數次方的濾波器係數。 4·如申請專利範_丨項之數位識處理器，其中該數位濾波器包括一濾波器係數，其係均爲2之次方的二個數目之總和。 5·如申g轉獅_丨項之數位訊號_器，其中該 FIR濾波器具有16位元。 6·如申專獅_ 5項之數位訊號處理器，其包括選擇用於該隱濾波器之〜斜率的麵，選出由複數個預 --- - I- n n i-i ( n .11 » - -: I -1、^T (請先閱讀背而之注达事項再堉寫本頁) 本紙張尺度適州中國國家標準（CNS ) Λ4規 479435 Λ8 B8 C8 L)8 六、申請專利範圍定斜率之一者。 7·如申請專利範圍第1項之數位訊號處理器，其中該等預定斜率包括每八度爲6、12、與18dB之斜率。 , f 8·—種用於助聽器之數位訊號處理器，運用一訊號位準相依頻率補償系統於一數位濾波器之中，該種數位訊號處理器包含：一通用目的之乘法器，具有一輸入與一輸出，且係提供以控制頻率響應作爲一預定參數之函數;及一無限脈衝響應（IIR)數位濾波器，使用作爲一數位濾波器，該數位濾波器運用係數乘法器且具有濾波器係數，其係槪括關於2η，η係〜整數，其中該等係數乘法器成爲簡單移位器，且於該數位訊號處理器中之功率消耗係最小化。 9·如申請專利範圍第8項之數位訊號處理器，其中該預定參數係選自下列各者： (i) 一輸入訊號; (ii) 一輸出訊號； (iii) 至該通用目的乘法器之一輸入訊號;及 (iv) 於該通用目的乘法器之一輸出的一訊號。 1〇·如申請專利範圍第8項之數位訊號處理器，其中該數位濾波器具有其係自身爲2之次方的濾波器係數。 Π·如申請專利範圍第8項之數位訊號處理器，其中該數位濾波器包括一濾波器係數，其係均爲2之次方的二個數目之總和。 2 請1閱讀背面之/1意事項再％寫本頁) 、1 經濟部智1^4^員工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4坭格（2l〇x:M7公緣） 479435 8 8 8 8 Λ BCD 經濟部智慧时4局員工消費合作社印製六、申請專利範圍 I2·如申請專利範圍第8項之數位訊號處理器，其中該 IIR濾波器具有16位元。 13.如申請專利範圍第8項之數位訊號處理器，其包括選擇用於g亥數位濾波器之一斜率的機構，選出由複數個預定斜率之一者。 H.如申請專利範圍第13項之數位訊號處理器，其中該等預定斜率包括每八度爲6、12、與18dB之斜率。 I5·-種處麵位之方法，職聽器之數位訊號處理器，運用-訊號位準相依頻率補償系統於一數位濾波器之中，該種方法包含步驟：將該數位訊號以一通用目的乘法器相乘，以控制該數位訊號之頻率響應作爲一預定參數之函數;及將該訊號作濾波，以一非遞迴有限脈衝響應（FIR) 數位濾波器，其運用係數乘法器且具有濾波器係數，其係槪括關於2n，其中n係一整數，藉此該等係數乘法器成爲簡單移位器，且於該數位訊號處理器中之功率消耗係最小化。 16·如申請專利範圍第15項之方法，其包括選擇用於該數位濾波器之一斜率的步驟，選自複數個預定斜率之一者。 17.如申請專利範圍第15項之方法，其中該等預定斜率包括每八度爲6、12、與igdB之斜率。 18·如申請專利範圍第ls項之方法，其中該FIR濾波器具有16位元。 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) AiS7l7〇x 2M7公續)~ ~ 訂 (請先閱讀背而之注意事項再埼·4本頁) 479435 8 8 8 8 ABCD 六、申請專利範圍 19.一種處理數位訊號之方法，用於助聽器之數位訊號處理器，運用一訊號位準相依頻率補償系統於一數位濾波器之中，該種方法包含步驟：將該訊號以一通用目的乘法器相乘，以控制該訊號之頻率響應作爲一預定參數之函數;及將該訊號作濾波，以一無限脈衝響應（IIR)數位濾波器，其運用係數乘法器，該數位濾波器具有濾波器係數，其係槪括關於Y，其中η係一整數，藉此該等係數乘法器成爲簡單移位器，且於該數位訊號處理器中之功率消耗係最小化。 20·如申請專利範圍第19項之方法，其中該等預定斜率包括每八度爲6、12、與18dB之斜率。 21·如申請專利範圍第19項之方法，其中該IIR濾波器具有16位元。 22·—種助聽器，其納入如申請專利範圍第1項之數位訊號處理器，其中該預定參數係輸入訊號位準。 23.—種助聽器，其包括如申請專利範圍第8項之數位訊號處理器，其中該預定參數係輸入訊號位準。經濟部智慈时4局員工消費合作社印製 24· —種處理數位訊號之方法，用於助聽器之數位訊號處理器，運用一訊號位準相依頻率補償系統於一數位濾波器之中，該種方法包含步驟：將該數位訊號以一通用目的乘法器相乘，以控制該訊號之頻率響應作爲一預定參數之函數，該預定參數係選自一輸入訊號、一輸出訊號、一至該通用目的乘法器之輸入 4 本紙張尺度適用中國國家榡( CNS ) Λ4規格（210X 2W公等)~ ~ -- 479435 Λ8 B8 C8 _— _ ____^__ 六、申請專利範圍訊號、與一自該通用目的乘法器之輸出訊號；將該訊號作濾波，以一非遞迴有限脈衝響應（FIR) 數位濾波器，其運用係數乘法器，該數位濾波器具有濾波器係數，其係槪括關於2n，其中n係一整數;及自複數個預定斜率之一者而選出用於該數位濾波器之一斜率，藉此該等係數乘法器成爲簡單移位器，且於該數位訊號處理器中之功率消耗係最小化。 25·如申請專利範圍第24項之方法，其中該等預定斜率包括每八度爲6、12、與18dB ；£ΪΓϊ。 26·如申請專利範圍第24項;，其中該FIR濾波器具有16位元。 ----------I I I ----訂 (請先間讀背而之注意事項4填寫本页) 經濟部智慧时4局員工消費合作社印製度一榡