数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组及设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于可重构滤波器组技术领域，尤其涉及一种数字助听器基于非线性变换 的可重构滤波器组及设计方法。
【背景技术】
[0002] 助听器的主要目标是为听力损伤患者提供听力补偿，这包含两个重要的内容：一 个是选择一种合适的分解方式，把整个语音分解到不同的频率通道，这个可以通过滤波器 组来实现；另一个是根据听力损失特性，把分解的子信号选择性放大。
[0003] 目前，滤波器组通常可以分为两类：均匀滤波器组和非均匀滤波器组。由于人耳滤 波的非均匀特性，均匀的滤波器组不能为听损患者提供令人满意的声音补偿方案。因此很 多学者致力于非均匀滤波器组的设计。现有的多数滤波器组只能提供一种声音补偿方案， 但是每个听损患者的听力损失特性都是不同的，因此使用起来极不方便。
[0004] 为不同的听损患者提供不同的听力补偿意味着滤波器组必须具有可重构的特性。 其中，"可重构"特性是指：不改变滤波器组的基础结构，通过一些控制开关从而提供多种声 音补偿方案。现有方法中提出了一种具有27个子带的可重构滤波器组的设计方法，该方法 结合了FRM技术，内插和抽取，大大降低了滤波器组的复杂度。但是该可重构滤波器组的群 时延太大，不能满足助听器的实时要求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种数字助听器基于非线性变换的 可重构滤波器组及设计方法，首先通过离散余弦调制把低通FIR滤波器变为均匀滤波器 组。然后经非线性变化把均匀滤波器组映射为非均匀滤波器组，最后通过控制开关实现滤 波器组的可重构性。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组，其特征是，包括：依次连接的 遮蔽模块和通带形成模块；
[0008] 所述遮蔽模块用于分别提取映射频率空间的低频通带和高频通带；所述通带形成 模块用于通过离散余弦调制把低通FIR滤波器变为均匀滤波器组，然后经非线性变化把均 匀滤波器组映射为非均匀滤波器组；
[0009] 通过改变设定参数的值，所述通带形成模块能够产生四种不同的子带分布方案：
[0010] 方案1:非均匀子带分布，频率越低时，子带带宽越窄；
[0011] 方案2 :非均匀子带分布，频率越高时，子带带宽越窄；
[0012] 方案3:非均匀子带分布，频率越趋于中频区，子带带宽越窄；
[0013] 方案4:均匀子带分布。
[0014] 所述遮蔽模块包括：原型半带滤波器〃原型滤波器凡户）以及端口选择模 块；所述原型半带滤波器尽》,?和原型滤波器凡#)并联连接，所述原型半带滤波器凡) 和原型滤波器?〃,"#)的输出端分别与端口选择模块连接。
[0015] 所述原型半带滤波器有两个输出端口 ："〇"为原型滤波器的输出，"c"为原 型滤波器输出的补；
[0016] 所述原型滤波器&(-~)有四个输出端口 ："〇"为原型滤波器的输出，"C"为原型滤 波器的互补滤波器的输出，"h"为原型滤波器的镜像滤波器的输出，"he"为原型滤波器的镜 像滤波器的补的输出。
[0017] 所述端口选择模块的输出由1比特的控制参数U决定，当U等于0时，端口Pt被 选中，位于低频区的各个子带被提取出来；当U等于1时，端口pK被选中，位于高频区的各 个子带被提取出来；
[0018] 不同方案下的输出端口具体为：
[0019]
【主权项】
1. 一种数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组，其特征是，包括：依次连接的 遮蔽模块和通带形成模块； 所述遮蔽模块用于分别提取映射频率空间的低频通带和高频通带；所述通带形成模块 用于通过离散余弦调制把低通FIR滤波器变为均匀滤波器组，然后经非线性变化把均匀滤 波器组映射为非均匀滤波器组； 通过改变设定参数的值，所述通带形成模块能够产生四种不同的子带分布方案： 方案1 :非均匀子带分布，频率越低时，子带带宽越窄； 方案2 :非均匀子带分布，频率越高时，子带带宽越窄； 方案3 :非均匀子带分布，频率越趋于中频区，子带带宽越窄； 方案4:均匀子带分布。
2. 如权利要求1所述的一种数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组，其特征 是，所述遮蔽模块包括：原型半带滤波器見,,W、原型滤波器化.#)以及端口选择模块；所述 原型半带滤波器凡?和原型滤波器疋2(--)并联连接，所述原型半带滤波器疋,(=)和原型滤 波器W的输出端分别与端口选择模块连接。
3. 如权利要求2所述的一种数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组，其特征 是，所述原型半带滤波器夂W有两个输出端口 为原型滤波器的输出，"c"为原型滤波 器输出的补； 所述原型滤波器夂?,⑷有四个输出端口 为原型滤波器的输出，"c"为原型滤波器 的互补滤波器的输出，"h"为原型滤波器的镜像滤波器的输出，" he"为原型滤波器的镜像滤 波器的补的输出。
4. 如权利要求2所述的一种数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组，其特征 是，所述端口选择模块的输出由1比特的控制参数U决定，当U等于O时，端口 Pli被选中， 位于低频区的各个子带被提取出来；当U等于1时，端口 ρκ被选中，位于高频区的各个子带 被提取出来； 不同方案下的输出端口具体为：
〇
5. 如权利要求1所述的一种数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组，其特征 是，所述通带形成模块包括：依次连接的非线性变换模块、可重构模块G(z，和余弦调制模 块； 所述非线性变换模块将原始的坐标系统非线性变换映射为新的坐标系统，非线性变换 如下·
其中，Z和Z分别为原始空间和变换空间的Z变换符号，G(Z，为级联的二级全通滤波 器， 假设Θ为原始空间的频率点，ω为Θ在变换空间的映射频率点，其中-π < Θ < <ω< JT ;把 z = ejf^PZ = e "带入上式，得到 -,a +A Ρ ^ d2-e-j2i0 +dx-e-m +1 解方程得到 2p 其中， p = %d^ cos Θ - Α - Adl q = Adl (l-d2) · sin Θ s = 2(1+(^+(?) (I-CiJd2) (1-cos Θ ) 如果把a表;^为 α = Γ·οο$φ-\-y-r-sin^, (0<r <1,0<ζ3<^·) 则 dx =-{a + a)=-2-r-cmp d2= a · a r 2 其中，a为全通滤波器的一个极点、？为a的共轭、d Pd2分别为IIR滤波器系统函数因 子、P为a的相位、:r为a的模。
6. 如权利要求5所述的一种数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组，其特征 是，通过改变a的值形成四种不同的子带分布方案；不同方案对应的a值具体为：
其中，@为a的相位、r为a的模。
7. 如权利要求5所述的一种数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组，其特征 是，所述余弦调制模块的输出具体为： M-I k=0 其中，
rn (k) = x (n-k) · hL (k)； 其中，O)为遮蔽模块的输出，M为调制因子，hjk)为原型滤波器的系数、n为输出序 列索引值、i为余弦调制通道索引值、k为滤波器卷积索引值。
8. 如权利要求5所述的一种数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组，其特征 是，可重构模块G (f)包括：并联连接的单刀双掷开关S1、开关S2和开关S 3，通过输入不同 的控制参数，控制开关S1, SjPS3的状态，从而产生四种不同的子带分布方案，实现滤波器 组的重构；各个方案下开关的状态具体为：
〇
9. 一种如权利要求1所述的数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组的设计方 法，其特征是，包括： (1) 通过离散余弦调制把低通FIR滤波器变为均匀滤波器组； (2) 经非线性变化把均匀滤波器组映射为非均匀滤波器组； (3) 通过改变设定参数的值，产生四种不同的子带分布方案： 方案1 :非均匀子带分布，频率越低时，子带带宽越窄； 方案2 :非均匀子带分布，频率越高时，子带带宽越窄； 方案3 :非均匀子带分布，频率越趋于中频区，子带带宽越窄； 方案4:均匀子带分布； (4) 通过输入不同的控制参数W(W2W1Wtl),控制开关SpSjP S3的状态，从而产生四种不 同的子带分布方案，实现滤波器组的重构； (5) 构建代价函数，对子带增益进行优化，获得可重构滤波器组的输出与听力图之间的 匹配误差最小的最优增益系数。
10. 如权利要求9所述的一种数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组的设计方 法，其特征是，所述步骤（5)中，构建的代价函数E具体为： E = max \himI (Gi, ) - Mj (Wi )| 使得代价函数E最小的增益系数Gi为可重构滤波器组的输出与听力图之间的匹配误 差最小的最优增益系数；通过把模拟频率fi转换为数字频率ω i，其中4是采样频 率； 其中，Gi为第i个子带的增益，Htotal (Gi, Qi)助听器的幅度响应函数、Md(Qi)为通过线 性内插后的增益系数。
【专利摘要】本发明公开了一种数字助听器基于非线性变换的可重构滤波器组及设计方法，包括：依次连接的遮蔽模块和通带形成模块；遮蔽模块用于分别提取映射频率空间的低频通带和高频通带；通带形成模块用于通过离散余弦调制把低通FIR滤波器变为均匀滤波器组，经非线性变化把均匀滤波器组映射为非均匀滤波器组；通过改变设定参数的值，通带形成模块能够产生四种不同的子带分布方案。本发明有益效果：基于余弦调制滤波器组合非线性变换，通过调节控制参数可以在不改变基本结构的情况下提供四种不同类型的子带分配方案，从而灵活的对语音进行放大补偿。与之前的设计方法相比，该设计方法具有较好的匹配性和较低的群时延。
【IPC分类】H03H17-02
【公开号】CN104734667
【申请号】CN201510148431
【发明人】魏莹, 黄绍广, 田岚
【申请人】山东大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月31日