CN101218850A - 消除听力装置中的反馈和噪声的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及合成听力装置的音频输入信号的系统(100)和方法。系统(100)包括：用于将音频输入信号转换为电信号的传声器单元(102)、用于去除电信号的所选频带并通过滤波信号的滤波器单元(110)、基于滤波信号合成电信号的所选频带从而产生合成信号的合成器单元(118)、组合滤波信号及合成信号从而产生组合信号的组合器单元(120)、及将组合信号转换为音频输出信号的输出单元(122、124、126)。
Description
技术领域
本发明涉及消除听力装置如助听器、头戴式耳机或头戴受话器中的声反馈和噪声的系统及方法。具体地，本发明涉及助听器如耳后式(BTE)助听器、耳内式(ITE)助听器、深耳道式(CIC)助听器，其中从扬声器到传声器的不合需要的声反馈连同噪声均被消除。
背景技术
助听器中的声反馈和外部噪声均是问题，其在现有技术中已以多种方式进行补偿。
关于声反馈，几种已知的方法用于减少由声反馈在助听器中引起的负影响，这包括陷波滤波、频率压缩、相位响应的修改及反馈抵消，如由Best L.C.1985年为怀俄明大学电气工程系所写的题为“助听器中的声反馈的数字抑制”的M.Sc.论文所公开的方法。
Best的论文描述了使用最小均方(LMS)滤波器技术估计外部声反馈的方法，估计量用于助听器中的反馈抵消。从输入信号减去所述估计量从而消除声反馈。
此外，在欧洲专利申请EP 1 216 598中，描述了试图消除助听器中的不稳定反馈的几种现有技术系统及其缺点。因此，欧洲专利申请提出了克服这些缺点的系统，该系统包括：处理包括与声反馈路径相关联的反馈分量的音频输入信号的信号处理器；检测反馈分量并向产生窄带试探信号的试探发生器发出反馈指示参数信号以探测声反馈路径的检测器。所述系统还包括由滤波器调节器根据检测器接收的反馈指示参数信号进行控制的反馈抑制滤波器。因此，所述系统使用高信噪比亚声频试探信号建立系统的声反馈程度并根据其调节反馈抑制滤波器。尽管该系统减少了声反馈的影响，但为去除声反馈而对输入信号进行的滤波使将呈现给助听器用户的声音失真，因为反馈抑制滤波器在处理中去除了一些原始信号，且其不可恢复。此外，该反馈抵消技术依赖于可能的动态外部声反馈的高准确度的估计。声反馈的错误估计将由于扣减而导致原始输入信号的音频失真。
此外，由Hellgren J为Linkping Studies in Science andTechnology所写的题为“数字助听器中的听力损失补偿及声反馈抵消”的博士论文揭示了使用输入信号和输出信号估计声反馈路径的反馈抵消技术均对关联在输入之间的信号敏感。例如，具有音调输入的音乐可导致反馈抵消系统试图抵消音乐的音调部分，从而使给助听器用户的声音质量降级。
根据上面提及的现有技术，需要更多地消除声反馈、理想情况下完全消除声反馈的反馈抵消系统和方法，这些系统和方法应避免导致音频失真。
关于降噪，由Donald Schum著写并于2003年4月在奥迪康新闻中公开的“Noise reduction in hearing aids：What works and why”提供了听力装置中降噪技术发展水平的回顾。市场上几种基于数字信号处理器(DSP)的装置实施不同的调制检测以将输入分类为语音或噪声。根据该方案，监视输入信号的正在进行的振幅调制。平静语音公知在大约3-10Hz级具有相对深(15dB或更大)的调制。这种调制模式反映语音的音节结构：3-6个音节每秒。相反地，某些环境声音在正在进行的振幅方面趋于更稳定。对于非语音噪声源具有与语音类似的调制率和深度是例外情形。
如助听器中所实施的，输入被分为多个信道。每一信道中的调制行为均被监视。如果调制率和深度与语音相似，则该信道被无增益降低地通过。如果信道中的调制行为更稳定，则假定该信道受控于稳态噪声并降低增益。然而，这可能导致存在噪声的原始语音信号失真，因为噪声处于支配地位的信道/带在其分类为有噪声信道/带时被衰减。因此，需要在已分类为有噪声信道的信道中降噪但不衰减语音部分的系统和方法。
发明内容
本发明的目标是提供克服结合现有技术描述的问题的系统和方法。具体地，本发明的目标是提供其中声反馈被消除而不是减少的听力装置。
本发明的另一目标是提供减少呈现给听力装置用户的输出中的噪声的听力装置。
本发明的具体优点是提供再合成所有或部分输入信号的方法，因而输入信号可在传给听力装置用户之前重新建立。
本发明的具体特征是提供用于检测输入信号中的噪声并将其去除的噪声检测方法。
上述目标、优点和特征连同众多其它目标、优点和特征将从下面的详细描述明显看出，并可根据本发明的第一方面获得。本发明的第一方面为合成听力装置的音频输入信号的系统，其包括：适于将所述音频输入信号转换为电信号的传声器单元、适于去除所述电信号的所选频带并通过滤波信号的滤波器单元、适于基于所述滤波信号合成所述电信号的所述所选频带从而产生合成信号的合成器单元、适于组合所述滤波信号及所述合成信号从而产生组合信号的组合器单元、及适于将所述组合信号转换为音频输出信号的输出单元。
在本说明书中，术语“听力装置”解释为助听器、头戴式耳机、头戴受话器及类似的传声器-放大器-扬声器装置。
在本说明书中，术语“处理”解释为目的在于增强输入信号以根据个体用户需要提供输出信号的任何信号处理。具体地，这可包括信号内任何频带中的恒定增益或随输入水平而变的增益(振幅压缩)。在本说明书中，术语“振幅压缩”(或仅“压缩”二字)解释为执行随水平而变的增益。具体地，在具有耳蜗起点的听力损伤中，最弱可检测声音(听力阈值)和最高声音(令人不舒服的音量水平)之间的动态范围通常小于正常听力人群的范围。通常，动态范围的这种缩小也随频率而变。此外，相较令人不舒服的音量水平，听力阈值更多受听力损伤影响。因此，相较高的声音，需要更多放大弱的输入声音，因而将输入水平动态范围“压缩”到输出动态范围。
通过去除输入电信号中的所选频带，输出单元和传声器之间的声反馈或特定频带中的噪声被有效消除。合成信号可声学上反馈回传声器，但由于其已由滤波器单元从电信号去除，其不相干。可以说所选频带在听力装置中被静音及合成从而恢复原始音频输入。
实际上，通过选择趋于成为有噪声的频带，系统还通过切除有噪声频率及合成这些频率而有利地消除该外部噪声。这种解决方案提供了在有倾向存在这些问题的音频装置如助听器中完全避免声反馈及噪声的独特方法。
根据本发明第一方面的滤波器单元可构造为低通、高通、带通、陷波滤波器或其任何组合。因此，任何频率或频带均可去除。滤波器单元还可构造为n阶有限或无限冲激响应(IIR)滤波器(如2、3或4阶Chebychev或Butterworth)、波数字滤波器或其任何组合。或者，滤波器单元可构造为使频率变换的所选频点静音的滤波器组，所述频率变换如快速傅立叶变换(FFT)、离散傅立叶变换(DFT)或离散余弦变换(DCT)。在本说明书中，术语“使…静音”解释为衰减或消除信号。因而，滤波器单元可被构造为切掉任何频率或频带，而在通过的频带中不产生重大错误。
根据本发明第一方面的系统还可包括放大器单元，其使组合器单元和输出单元相互连接，并适于在将组合信号传给输出单元之前处理所述组合信号。或者，所述系统可包括使滤波器单元和组合器单元相互连接的放大器单元，其适于在将滤波信号传给组合器单元和/或合成器单元之前处理所述滤波信号。因此，在传给组合器单元之前，放大器单元可直接处理组合信号或可处理滤波信号并依赖合成器单元处理合成信号。
根据本发明第一方面的放大器单元可包括数字信号处理器。数字信号处理器可包括适于选择滤波信号的处理频带的频率选择器件及适于增加或压缩处理频带增益的调节器件。频率选择器件可包括适于将电信号分为多个随时间变化的电学子信号的滤波器组元件。因而，调节器件可根据预定设置单独增加或压缩多个随时间变化的电学子信号中的每一个的增益。因此，放大器单元可包括一系列功能如借助于滤波器组将输入信号滤波为多个频带、根据特定音频需要或处理设置平衡滤波信号或组合信号，即放大某些频带及压缩其它频带。
根据本发明第一方面的系统还可包括使传声器单元和滤波器单元相互连接的编码器单元，并可适于将电信号编码为代码信号。编码器单元可包括适于将电信号从模拟转换为数字形式的转换器元件，并可包括适于将电信号从时域变换到频域的编码元件。编码器元件可包括时-频变换器如快速傅立叶变换(FFT)元件、离散傅立叶变换(DFT)元件、或离散余弦变换(DCT)元件。因而，合成电信号可包括代表电信号的频率分量的编码信号。通过将电信号变换到频域，放大器单元可精细地操纵信号。时-频变换器的输出馈送给合成器单元和放大器单元。
显然，编码器单元可根据考虑信号的精细处理的多种不同编码方案编码电信号。也就是说，编码器可将电信号编码为任何形式的数字信号，其具有任何数量的比特并依照任何参数描述电信号，这可由信号处理器处理，所述参数定义如时域或频域中的频率、振幅、跃迁等。
分析滤波器组的宽度或编码器中频点的数量可根据个体用户的听力损伤量确定。
根据本发明第一方面的输出单元可包括适于将组合信号解码为解码信号的解码器单元。解码器单元可包括适于将编码信号从数字形式转换为模拟形式的转换器元件，并可包括适于将组合信号从频域变换到时域的解码元件。解码元件可包括适于将组合信号从频域变换到时域的频-时变换器如逆FFT、DFT或DCT，及包括适于驱动扬声器以提供音频输出信号的驱动器。
如前关于编码器单元所述，解码器单元可根据用于信号的精细处理的多种不同编码方案解码组合信号。也就是说，解码器可将组合信号解码为任何形式的数字信号，其具有任何数量的比特并依照任何参数描述电信号，这可由信号处理器处理，所述参数定义如时域或频域中的频率、振幅、跃迁等。
编码器可使用滤波器组分析、调制到零频率及取样率抽选，编码器单元可使用复合带移获得复合子频带。解码器可使用滤波器组合成和内插法进行转换以从子频带信号重构输出信号，及重构可包括复合带移。
根据本发明第一方面的合成器单元可包括适于计算滤波信号的所定义频带中的所选参考频率的所选频带中的谐频的计算元件，及适于将所定义频带换位到所选频带中的谐频从而产生合成信号的发生器单元。滤波信号可包括任何数量的所定义频带，每一频带相对于相关联的所选参考频率换位。所选参考频率可以是所定义频带的中心频率、或者低于或高于所定义频带的截止频率。通过预定义滤波信号中的多个频带并使用相关联的参考频率将频带换位到更高的相关联参考频率谐波，合成器单元可有利地重构滤波信号及合成信号的组合信号。因此，通过使用滤波信号中暗中存在的信息用于计算滤波信号中所选参考频率的第二或更高阶谐波，从原始音频输入信号切除的所选频带的信号部分可被合成。合成器单元有利地使用换位作为频谱复制过程，从而在合成信号中避免与非谐振有关的人为因素。
在本说明书中，术语“换位”解释为频带的带移或分音从一频谱位置转移到另一位置同时保持分音的频比。即，将第一频带的内容移到更高或更低的频区。
合成器单元还可使用外插法确定滤波信号的频谱包络。例如，合成器单元可通过使用多项式及建立源数据的一套规则进行推断。所述一套规则可包括关于电信号的整个频谱的增益传递函数的信息。也就是说，所述一套规则可包括合成信号是否需要放大的信息。
或者，根据本发明第一方面的合成器单元可包括适于从来自滤波器单元的互补信号计算所选频带的估计频率响应的计算元件，互补信号包括滤波信号的滤出部分。估计的频率响应可对系统的整个频带宽度中的频率响应求平均或对所选频带的频率响应求平均进行计算。合成器单元还可包括适于产生由估计的频率响应表示的合成信号的发生器元件。
根据本发明的数字信号处理器可与合成器单元合为一体，所述系统还可包括适于根据预定设置控制放大器单元和合成器单元的控制器处理器。在本说明书中，术语“设置”解释为用于处理数据的程序、过程或方法。控制器处理器因而可确保放大器单元和合成器单元根据用户的听力损伤及实际的声环境运行。
根据本发明第一方面的系统还可包括检测器单元，其具有适于监视适于识别声反馈的抗反馈单元的声反馈检测器，及具有适于对滤波器单元产生控制信号从而控制所选频带的控制信号发生器。声反馈检测器可包括一个或多个纯音检测器。因而，检测器单元可从抗反馈单元取回关于系统中的声反馈的信息并产生给滤波器单元的控制信号从而确定所选频带，进而切除电信号中趋于产生声反馈的频率。或者或另外，检测器单元可包括其中听力装置更易于声反馈的预定频带，及还可将控制信号传给控制器处理器从而根据控制信号选择设置。因此，保存在连接到控制器处理器的存储器中的设置可与其中系统更易于声反馈的频带相关联。因此，系统通过滤掉频谱中出现声反馈的所选部分而消除声反馈。随后，合成器单元可使用滤波信号在切除的频带中恢复滤波信号的第二及更多谐波。
根据本发明第一方面的检测器单元还可包括适于识别外部噪声的噪声检测器，其中控制信号发生器还可适于根据外部噪声产生给滤波器单元的控制信号。噪声检测器可使用给定频带的调制行为将频带分类为有噪声频带。因而，噪声检测器通过消除所选频带中的电信号部分并随后按如上所述在所选频带中合成滤波信号的第二或更多谐波频带而合成信号来提供消除特定频带中的噪声的独特方式。因而，外部噪声被完全消除，从而为听力装置的用户提供全面提高的声音质量。
根据本发明第一方面的检测器单元可包括适于检测电信号中的音乐的音乐检测元件。音乐检测元件可基于调和性检测器元件、周期性计算、倒谱通量的计算、频谱矩心估计或颤音检测器。音乐检测元件可有利地用于在检测到音乐时停用普通声反馈抵消技术及使能滤波器和合成器单元从而确保没有声反馈。由于音频信号的音调部分在一些情况下被抗反馈单元认作声反馈，其后抗反馈单元寻求从所处理的音频信号消除该音调部分，因而音乐通常可引起普通声反馈抵消。
上述目标、优点和特征连同众多其它目标、优点和特征将从下面的详细描述明显看出，并可根据本发明的第二方面获得。在本发明的第二方面中，合成器单元基于根据本发明第一方面的系统中使用的滤波信号合成电信号的所选频带。
上述目标、优点和特征连同众多其它目标、优点和特征将从下面的详细描述明显看出，并可根据本发明的第三方面获得。本发明的所述第三方面为合成听力装置的音频输入信号的方法，包括：借助于传声器单元将所述音频输入信号转换为电信号；借助于滤波器单元去除所述电信号的所选频带并通过滤波信号；借助于合成器单元基于所述滤波信号合成所述电信号的所述所选频带从而产生合成信号；借助于组合器单元使所述滤波信号与所述合成信号组合从而产生组合信号；及借助于输出单元将所述组合信号转换为音频输出信号。
上述目标、优点和特征连同众多其它目标、优点和特征将从下面的详细描述明显看出，并可根据本发明的第四方面获得，其为在根据本发明第一方面的系统上运行的计算机程序并包括根据本发明第二方面的方法的步骤。
根据本发明第二方面的合成器单元、根据第三方面的方法及根据第四方面的计算机程序可包括根据本发明第一方面的系统的任何特征。
附图说明
本发明的上述及另外的目标、优点和特征通过下面结合附图对本发明优选实施例的说明性及非限制性详细描述将可更好地理解，其中：
图1为根据本发明第一实施例的用于合成听力装置音频输入信号的系统。
图2a-2f为参考根据本发明第一实施例及图1所示的系统描述的信号曲线图。
图3a和3b为信号处理单元的备选实施例。
图4为根据本发明第二实施例的用于合成听力装置音频输入信号的系统。
图5为根据本发明第三实施例的用于合成听力装置音频输入信号的系统。
图6a-6d为频域中的换位效果图。
图7为根据本发明第三实施例的用于合成听力装置音频输入信号的系统。
图8为根据本发明第四实施例的用于合成听力装置音频输入信号的系统。
具体实施方式
在下面对不同实施例的描述中，参考附图，通过说明展示了怎样实施本发明。应当理解，也可使用其它实施方式，在不背离本发明范围的情况下可进行结构和功能修改。
图1为根据本发明第一实施例的用于合成音频输入信号的系统，该系统整体由附图标记100指示。系统100包括将声压转换为随时间变化的电信号的传声器102，所述随时间变化的电信号例如如图2a中所示。关于图2a-2f的描述结合在关于图1的描述中。
显然，系统100可包括任何数量的用于确定方向性功能的传声器如两个或两个以上。然而，为简单起见，下面的描述和附图均仅示出一个传声器102。
声压形成音频输入信号，其由传声器102转换为电信号并传给编码器104。在本说明书中，术语“编码器”解释为变换、编码和/或转换元件。
根据本发明第一实施例的编码器104包括：用于将低频部分从电信号滤掉的低通滤波器元件；用于将电信号从模拟形式转换为数字形式的模数转换器元件；及用于将如图2a中所示的时域电信号变换到如图2b中所示的频域编码信号的离散傅立叶变换元件(DFT)。应注意，图2a-2f完全用于说明系统100的运行，即，来自传声器102的时域电信号变换为来自编码器104的如图2b中所示的编码信号是借助于离散傅立叶变换的精确结果。
根据本发明第一实施例的编码器104还包括用于将如图2a和2b中所示的电或编码信号或其间的任何中间信号与来自抗反馈单元108的可能存在的反馈信号组合的第一组合器元件。也就是说，第一组合器元件向电信号、低通后的电信号、转换后的电信号或依赖于反馈信号格式的编码信号提供可能存在的反馈信号。
根据本发明第一实施例的抗反馈单元108识别声反馈并通过产生反馈信号模拟声反馈，所述反馈信号在第一组合器元件中被从电信号、低通后的电信号、转换后的电信号或编码信号减去，从而抵消向前信号路径中的声反馈。然而，本发明的特定优点在于抗反馈单元108还产生抗反馈信号，其被传给检测器112。因此，抗反馈单元108不完全用于产生反馈信号，而是还用于识别目的。因而，当抗反馈单元108检测声反馈时，其产生抗反馈信号，该信号转发给检测器112。
根据本发明第一实施例的抗反馈单元108包括用于在第一运行模式、第二运行模式及第三运行模式之间进行切换的切换元件。在第一运行模式下，当识别到声反馈时抗反馈单元108将反馈信号传给编码器104的第一组合器元件；在第二运行模式下，当识别到声反馈时抗反馈单元108将抗反馈信号传给检测器112；及在第三运行模式下，当识别到声反馈时抗反馈单元108将反馈信号传给第一组合器及将抗反馈信号传给检测器112。
编码信号传给滤波器单元110，其由在抗反馈单元108识别声反馈114时从抗反馈单元108接收声反馈信号的检测器112控制。检测器112包括用于确定编码信号是否包括包含外部噪声的频带的噪声元件。当噪声元件检测到有噪声频带时，其产生噪声信号。检测器112使用抗反馈信号和噪声信号产生给滤波器单元110的控制信号。控制信号确定滤波器单元110的频带宽度，因而从编码信号去除所述频带以产生如图2c中所示的滤波信号。
如图2c中所示的滤波信号传给整体由附图标记115指示的信号处理单元。信号处理单元115包括将滤波信号细分为多个频带并单独处理每一频带以一个一个单独地成形信号的放大器单元116。因此，在本说明书中，术语“放大器单元”解释为能够放大、平衡和/或压缩输入信号的多频带振幅压缩单元。这使能提供总增益传递函数，其按用户需要如听力损伤进行调整。显然，增益传递函数在整个频带中也可保持不变，这通常可应用于头戴式耳机或头戴受话器。放大器单元116产生如图2d中所示的成形信号。
信号处理单元115还包括用于从滤波器单元110接收滤波信号的合成器单元118。合成器单元118使用滤波信号将第二或更高阶谐波带换位到已由滤波器单元110去除的频带宽度。进行谐波换位使得滤波后频区和合成频区不重叠。
如结合图4a-4e所述，合成器单元118使用来自滤波后输入信号的一组定义频带调和地换位到已在滤波信号中切掉的频带宽度，作为被截谐波系列的延续。
之后，必须调节换位后的频带的振幅，使得它们与如图2b中所示的原始编码信号的频谱包络适度匹配。为该目的，合成器单元118包括用于估计滤波信号的匹配包络的估计器元件。之后，该估计量被外插到换位后的频带，因而调节换位后的频带的振幅。外插法可使用多项式及建立源数据的一组规则。所述一组规则可包括关于电信号的整个频谱的增益传递函数的信息。
或者，滤波器单元110将来自反滤特征的互补信号提供给估计器元件，互补信号使估计器元件能够根据互补信号的频带宽度内的信号的历史值估计换位后的频带的振幅。历史值可通过对相应频带求平均或定时记录进行建立。此外，频谱包络也可结合如上所述的外推振幅从互补信号进行估计。
根据本发明第一实施例的估计器元件按助听器的特定用户需要有权使用增益传递函数，以使估计器元件能够根据特定用户的听力损伤调节估计量。
合成器单元118可使用本领域技术人员已知的任何数量的换位滤波信号的方案。例如，在美国专利US 6,680,972中描述的换位技术，其通过引用组合于此。
类似于放大器单元116，合成器单元118还放大合成信号使得合成信号与成形信号匹配。合成器单元118的备选构造将参考图3a、3b、4和5描述。
根据本发明第一实施例的信号处理单元115还包括第二组合器元件120，其使成形信号与合成信号组合从而提供如图2f中所示的处理信号。处理信号传给解码器122，解码器122包括用于将频域中的处理信号变回到时域的逆离散傅立叶变换元件及用于将随时间变化的数字信号转换为随时间变化的模拟信号的数模转换器，从而产生如图2g中所示的随时间变化的处理后输出信号。随时间变化的处理后输出信号转发给驱动扬声器126的驱动器124以产生音频输出信号。
由于因用户的听力损伤而补偿成形信号和合成信号，如图2f中所示的处理信号的频率响应与如图2b中所示的编码信号的频率响应不同。例如，高频区的听力损伤将导致高频区中的处理信号的振幅相对于低频区增加。
编码器104和解码器122显然必须相互匹配。因而，当编码器104被构造为在将模拟电信号转换为数字形式之前对其执行快速傅立叶变换(FFT)时，解码器122构造为在执行逆快速傅立叶变换之前将信号转换为模拟形式。类似地，根据或数字或模拟输入信号，可实施多种编码技术，如离散余弦变换(DCT)。
抗反馈单元108包括连接到编码器104的啸声检测元件。啸声检测元件通过识别大的峰化正弦信号确定向前信号路径中是否存在声反馈。当啸声检测元件确定在向前信号中存在声反馈音调时，抗反馈单元108从处理信号、解码信号或转换信号产生反馈信号并将反馈信号传给编码器104中的组合器元件。抗反馈单元108还包括检测反馈信号的效果的反馈变化检测元件。抗反馈单元108相移反馈信号直到声反馈减少为止。
图3a示出了上面结合图1所述的信号处理单元115的另一结构。信号处理单元115在指示为“A”和“B”的端子上接收滤波信号。端子“A”连接到合成单元116，其向第二组合器元件120提供合成信号，第二组合器元件在放大器单元116成形组合信号之前使滤波信号与合成信号组合。
图3b示出了上面结合图1和3a描述的信号处理单元115的另一结构。信号处理单元115在指示为“A”和“B”的端子上接收滤波信号，“A”和“B”端子均连接到放大器单元116。来自放大器单元116的成形信号传给合成单元118及第二组合器单元120。组合器单元120使成形信号与合成信号组合。
图4示出了根据本发明第二实施例的用于合成音频输入信号的系统，该系统整体由附图标记400指示。与图1、3a和3b中相同的元件和单元均由相同的附图标记指示。
系统400包括产生给处理单元402的电信号的传声器102，所述处理单元根据与其通信的存储器404中保存的设置处理电信号。处理单元402产生处理信号，其被转发给驱动扬声器126的驱动器124以产生音频输出信号。
处理单元402包括编码器104、抗反馈单元108、滤波器单元110和检测器112，及信号处理单元115按如上结合图1、3a或3b所述运行。检测器112控制滤波器单元110并将频带宽度信息转发给处理单元402的控制器处理器406。控制器处理器406使用频带宽度信息如所选带宽的上频和下频控制信号处理单元115中的放大器单元116放大从滤波器单元110接收的滤波信号。控制器处理器406根据存储器404中的设置控制放大器单116，从而产生成形信号。所述设置可提供对滤波信号的放大的控制(增加或压缩增益)及提供匹配用户需要的频率响应。所述设置还包括与用户可在其中操作的特定声环境的关联。
控制器处理器406还控制信号处理单元115中的合成器单元118接收成形信号及从控制器接收频带宽度信息。合成器单元118基于该信息按结合图1、2e、3a或3b所述产生合成信号。最后，合成信号与如图2d中所示的成形信号如结合图1所述在第二组合器120中组合并由解码器122解码。
此外，控制器处理器406控制抗反馈单元108以在运行模式之间切换。即，控制器处理器406控制抗反馈单元108是否向编码器104提供反馈信号、是否向检测器112提供抗反馈信号、或者两种情况同时存在。例如，在系统用户听音乐时，如果存在声反馈，抗反馈单元108易于反应，因此，通过控制器处理器406的程序选择，抗反馈单元108被设定为在仅向检测器112提供抗反馈信号的模式下运行。
此外，检测器112包括用于检测向前信号中的音乐的音乐检测元件。音乐检测器优选使用调和性检测器、周期性计算、倒谱通量计算、频谱矩心估计或颤音检测器。如果音乐检测元件检测到音乐，检测器112将音乐标识信号转发给控制器处理器406，其控制抗反馈单元108停止产生反馈信号并完全产生给检测器112的抗反馈信号。因而，现有技术反馈抵消被关掉，代之使用根据本发明的抗反馈消除。
存储器404还可包括关于特定频带的数据，其倾向于为噪声。控制器处理器406在存储器404中检查控制器处理器406使用的设置是否包括相关噪声警告。
合成器单元118还可用于合成音频输入信号的部分，所述部分在从传声器102到组合器120的信号路径均被切除。例如，放大器单元的带宽限制可导致音频信号的较高频率被去除。因而，合成器单元118可有利地在成形信号基础上恢复这些较高频率的部分以产生第二或更高阶谐波带。
图5示出了根据本发明第三实施例的系统，该系统整体由附图标记500指示。与图1、3a、3b和4中相同的元件和单元均由相同的附图标记指示。
系统500按结合图4所述运行，然而，系统500包括处理单元502，其中不是具有产生抗反馈信号或反馈信号的抗反馈单元，处理单元502而是包括具有啸声元件的检测器112，其从编码器104中的信号确定向前信号路径中是否存在声反馈。因此，系统500完全使用信号处理单元115用于消除声反馈，即通过频带宽度的去除和合成。
图6a示出了源频带2.0-2.5、2.5-3.0、3.0-3.5和3.5-4.0kHz换位到4.0和7.5kHz之间的频带宽度中的四个合成频带的第一例子的图形。在该第一例子中，源频带的较低截止频率即2.0、2.5、3.0和3.5kHz用作将源频带换位到相应合成频带的第一阶谐频参考，所述相应合成频带具有确定为源频带的较低截止频率的第二阶谐波的较低截止频率。因而，合成频带为4.0-4.5、5.0-5.5、6.0-6.5及7.0-7.5kHz。
合成频带具有振幅，根据本发明优选实施例，其通过应用本领域技术人员已知的任何外插技术使用信号的未滤掉源部中的信息确定，在图6a中示作变化ΔA。根据本发明另一实施例，合成频带的振幅通过外插技术使用原始信号的滤掉部分中的信息确定，然而，使用该方法应注意避免将信号重建为导致滤波器110切掉信号的一部分的形式，所述信号的一部分如声反馈或外部噪声。
图6b为图示在换位期间引起的误差Δ的第一例子的第二曲线图。由于在源频带的带宽和理想合成频带的带宽之间的关系，基于源频带中的单一参考频率的频带换位导致所述误差Δ。第二阶合成频带的带宽是源频带带宽的两倍，第三阶合成频带是源带宽的三倍。
如图6b中所示，源频带2.25kHz的第一中心频率换位到第二阶合成频带导致250Hz的误差Δ，因为源频带的中心频率理想状态下应换位到第二阶谐波4.5kHz，但其实际上被换位到4.25kHz。然而，听力装置的用户对该误差Δ的敏感性大大改变，例如，听力受损对误差Δ不太敏感，因而该换位例子可在助听器中实施。众所周知，如果两个音的频率差低于临界带宽的5％，则健康的听觉系统不能识别这两个音，因此可使用近似精确换位，其中选择带宽使得误差Δ不超出换位后带区中的临界带宽的5％。
这种近似可根据听力装置的用户的听力损失进行，因为对于感觉神经听力受损的人临界带宽较宽。听力损伤可使临界频带滤波器增宽高达正常临界带宽的6倍的量。因而，根据听力损失，误差Δ可被选择为高达换位后带区中的临界带宽的约30％。
任意数量的调和相关的频带可从未滤过频区内的一个频带产生。例如，第二、第三和第四谐波可从频带之一产生。
进行谐波外插使得滤波后频区和合成频区不重叠。
显然，源参考频率可选择在源频带内的任何地方以尽可能降低误差Δ。例如，通过将源频带的中心频率用作频带换位的参考频率，误差Δ分摊到合成频带的两侧。
图6c为在2.0和2.5kHz之间的源频带换位的第二例子的曲线图，其使用较低截止频率作为第一阶谐频参考。源频带换位到参考频率的第二和第三谐波，即换位到频带4.0-4.5和6.0-6.5kHz。换位后频带的振幅根据本领域技术人员已知的任何外插法进行确定，并可包括对与客户有关的特定选择的补偿，如用户的听力损伤。振幅变化由ΔA1和ΔA2指示。
该换位例子表明在带宽限制由系统组件的频率限制引起的情况下延伸带宽的有利方法，因为除了抗反馈和噪声消除之外带宽还可被延伸到整个系统。
图6d示出了源频带换位到频带宽度区域的另一例子，其已被滤波器110去除。该例子说明了源频带怎样通过第二、第三、第四、第五和第六谐波带与滤出区域中的合成频带重叠而相互重叠。
频带的结构在整个滤出区域是连续的，因而使更高阶的源频带能向下进行频率变换以变换为更低阶的合成频带，如图6d中所示，第四阶谐波源频带向下换位为第三和第二阶谐波合成频带。
上述的任何换位例子及其组合均可在结合图1、3a、3b、4和5所述的系统中实施。
图7示出了根据本发明第四实施例的合成音频输入信号的系统，该系统整体由附图标记700指示。与图1、3a、3b、4和5中相同的元件和单元均由相同的附图标记指示。
系统700包括产生给信号处理单元702的电信号的传声器102，所述信号处理单元根据设置处理电信号。信号处理单元702产生处理信号，其被转发给驱动扬声器126的驱动器124以产生音频输出信号。
信号处理单元702包括在时域中将电信号从模拟形式转换为数字形式的第一转换器单元704。在备选实施例中，第一转换器为使传声器102和信号处理单元702相互连接的外部单元。
信号处理单元702还包括按如上结合图1所述运行的第一组合器106、抗反馈单元108和检测器112。检测器112控制滤波器组706将电信号分为多个频带。检测器112将频带宽度信息如将要阻止的所选带宽的上、下频率转发给滤波器组706，其基于频带宽度信息控制通过哪些频带及阻止哪些频带。
滤波器组706将频带信息转发给合成器单元118。合成器单元118基于复合正弦信号的乘积(即复合带移、换位，如上所述)产生合成信号。与上面描述的本发明实施例相反，合成器单元118使用复合到真实数据转换，例如1987年由San Diego的Academic Press Inc.的D.F.Elliot所著的“数字信号处理手册”中所述。
合成器单元118将合成信号转发给加法器单元708，其将来自滤波器组706的通过频带与来自合成器单元118的合成频带相加。由加法器单元708产生的组合信号转发给放大器单元116，其处理组合信号的每一频带以向第二转换器510提供成形信号，第二转换器510将成形信号转换回模拟形式从而对驱动器124提供处理信号。
图8示出了根据本发明第五实施例的系统，该系统整体由附图标记800指示。该系统800包括：用于从系统800的用户的耳朵804的外部区域接收外部音频信号802的第一传声器102；及用于从耳朵的内部区域即系统800的用户的耳道810接收内部音频信号808的第二传声器806。第一和第二传声器102、806连接到切换单元812，其由信号处理单元814控制在第一切换位置和第二切换位置之间切换。在第一切换位置时，第一传声器102连接到信号处理单元814的输入；在第二切换位置时，第二传声器806连接到信号处理单元814的输入。
信号处理单元814包括按结合图1、3a、3b、4、5和7中之任一所述构造的编码器/转换器、滤波器单元/组、放大器单元、合成器单元及解码器/转换器。因此，信号处理单元814可以结合系统100、400、500和700任一所述或其组合的方式运行。
因而，信号处理单元814确定外部或内部音频信号802、808是否为给信号处理单元814的电信号输入。当外部音频信号802输入到信号处理单元814时，信号处理单元814按结合系统100、400、500和700所述运行。然而，当内部音频信号808作为电信号输入到信号处理单元814时，信号处理单元814的合成器单元基于电信号合成第二及更高阶谐波。即，由第二传声器806记录的原始音频信号用作进一步产生新的更高阶谐波的基础，因而提高音频保真度。
内部音频信号808包括通过组织和骨头传送的音频声音。因此，内部音频信号808通常是通过空气传送的相同音频信号的低通版。因而，信号处理单元814的合成器单元可有利地重构通过用户组织和骨头传送的用户自己的声音的高频部分，因而助听器用户被呈现以其自己的声音，这更适合用户。
系统800还包括用于将声音呈现给用户的驱动器124和扬声器126，及包括用于封装系统800的外壳816。
应当理解，根据本发明第一、第二、第三和第四实施例的系统的任一特征可被互换，以实现任何需要的结构。因此，图1、3a、3b、4、5和7中所示的合成器单元118的任何特定结构可在系统100、400、500和700中的任一系统中使用。
类似地，应当理解，根据本发明第一、第二和第三实施例的任何系统可包括图4和5中所示的控制器处理器及存储器。
Claims (28)
1.合成听力装置的音频输入信号的系统，其包括：适于将所述音频输入信号转换为电信号的传声器单元、适于去除所述电信号的所选频带并通过滤波信号的滤波器单元、适于基于所述滤波信号合成所述电信号的所述所选频带从而产生合成信号的合成器单元、适于组合所述滤波信号及所述合成信号从而产生组合信号的组合器单元、及适于将所述组合信号转换为音频输出信号的输出单元。
2.根据权利要求1的系统，其中所述滤波器单元可构造为低通、高通、带通、陷波滤波器或其任何组合。
3.根据权利要求1或2的系统，其中所述滤波器单元可构造为n阶有限或无限冲激响应IIR滤波器(如2、3或4阶Chebychev或Butterworth)、波数字滤波器或其任何组合。
4.根据权利要求1或2的系统，其中所述滤波器单元可构造为使频率变换的所选频点静音的滤波器组，所述频率变换如快速傅立叶变换FFT、离散傅立叶变换DFT或离散余弦变换DCT。
5.根据权利要求1-4任一所述的系统，还包括：放大器单元，其使所述组合器单元和所述输出单元相互连接，并适于在将所述组合信号传给所述输出单元之前处理所述组合信号。
6.根据权利要求1-4任一所述的系统，还包括：使所述滤波器单元和所述组合器单元相互连接的放大器单元，其适于在将滤波信号传给所述组合器单元和/或所述合成器单元之前处理所述滤波信号。
7.根据权利要求5-6任一所述的系统，其中：所述放大器单元包括数字信号处理器，数字信号处理器包括适于选择所述滤波信号的处理频带的频率选择器件及适于增加或压缩所述处理频带增益的调节器件。
8.根据权利要求7的系统，其中所述频率选择器件包括适于将所述电信号分为多个随时间变化的电学子信号的滤波器组元件。
9.根据权利要求1-8任一所述的系统，还包括：使所述传声器单元和所述滤波器单元相互连接的编码器单元，其适于将所述电信号编码为代码信号。
10.根据权利要求9的系统，其中所述编码器单元包括适于将所述电信号从模拟转换为数字形式的转换器元件，并包括适于将电信号从时域变换到频域的编码元件。
11.根据权利要求9-10任一所述的系统，其中所述编码器元件包括时-频变换器如快速傅立叶变换FFT元件、离散傅立叶变换DFT元件、或离散余弦变换DCT元件。
12.根据权利要求1-11任一所述的系统，其中所述输出单元包括适于将所述组合信号解码为解码信号的解码器单元。
13.根据权利要求12的系统，其中所述解码器单元包括适于将所述编码信号从数字形式转换为模拟形式的转换器元件，并包括适于将所述组合信号从频域变换到时域的解码元件。
14.根据权利要求13的系统，其中所述解码元件包括适于将所述组合信号从频域变换到时域的频-时变换器如逆FFT、DFT或DCT元件。
15.根据权利要求1-14所述的系统，其中所述合成器单元包括适于计算所述滤波信号的所定义频带中的所选参考频率的所述所选频带中的谐频的计算元件，及适于将所定义频带换位到所述所选频带中的谐频从而产生所述合成信号的发生器单元。
16.根据权利要求1-14任一所述的系统，其中所述合成器单元包括适于从来自所述滤波器单元的互补信号计算所述所选频带的估计频率响应的计算元件，互补信号包括滤波信号的滤出部分。
17.根据权利要求16的系统，其中所述估计的频率响应对所述系统的整个频带宽度中的频率响应求平均或对所述所选频带的频率响应求平均进行计算。
18.根据权利要求16-17任一所述的系统，其中所述合成器单元还包括适于产生由所述估计的频率响应表示的合成信号的发生器元件。
19.根据权利要求7-18任一所述的系统，其中所述数字信号处理器与所述合成器单元合为一体。
20.根据权利要求1-19任一所述的系统，还包括适于根据预定设置控制所述放大器单元和所述合成器单元的控制器处理器。
21.根据权利要求1-20任一所述的系统，还包括检测器单元，其具有适于监视适于识别声反馈的抗反馈单元的声反馈检测器，及具有适于对所述滤波器单元产生控制信号从而控制所选频带的控制信号发生器。
22.根据权利要求21的系统，其中所述声反馈检测器包括一个或多个纯音检测器。
23.根据权利要求21或22的系统，其中所述检测器单元包括预定频带，及还将所述控制信号传给所述控制器处理器从而根据所述控制信号选择设置。
24.根据权利要求21-23任一所述的系统，其中所述检测器单元还包括适于识别外部噪声的噪声检测器，其中所述控制信号发生器还适于根据所述外部噪声产生给所述滤波器单元的所述控制信号。
25.根据权利要求21-24任一所述的系统，其中所述检测器单元还包括适于检测所述电信号中的音乐的音乐检测元件。
26.用于在根据权利要求1-25任一所述的系统中使用的滤波信号的基础上合成电信号的所选频带的合成器单元。
27.合成听力装置的音频输入信号的方法，包括：借助于传声器单元将音频输入信号转换为电信号；借助于滤波器单元去除所述电信号的所选频带并通过滤波信号；借助于合成器单元基于所述滤波信号合成所述电信号的所述所选频带从而产生合成信号；借助于组合器单元使所述滤波信号与所述合成信号组合从而产生组合信号；及借助于输出单元将所述组合信号转换为音频输出信号。
28.在根据权利要求1-25任一所述的系统上运行的计算机程序，包括根据权利要求27所述的方法的步骤。
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