用于听力装置的无失真滤波器组的制作方法
本申请涉及听力装置如助听器领域。本发明涉及滤波器组，尤其涉及dft调制的滤波器组的变型，其使能效率高的实施，即低计算和存储成本，这些是小型化听力装置如助听器的重要参数。
背景技术：
us8532319b2描述了一种用于听力装置的滤波器组构造，其具有分析滤波器组中的滤波器和合成滤波器组中的对应滤波器，这些滤波器逐对连接以在每一情形下形成通道。为补偿听力损失，子频带信号在乘法器的帮助下在各个通道中放大。在处理中，因相邻通道的乘法器的放大因数之间的差引起的滤波器组构造的输出信号y的听得见的失真应被防止。在此，至少一通道改变其传输的子频带信号的相位，使得该滤波器组构造的群时延和规定的参考值之间的差对至少一预定频率减小。该滤波器组构造特别适合助听器。
us8532319b2描述了两种使相位失真最小化的解决方案：
-相位补偿滤波器f用在子频带中以补偿由滤波器组引入的相位失真。换言之，这些滤波器组从一开始就未设计成无相位失真；
-分析滤波器组中的相位失真通过使合成滤波器组的原型滤波器时间反转而进行补偿。换言之，分析滤波器组并非无相位失真，而是总响应无相位失真。
技术实现要素：
本发明提出一种有利的解决方案，其中分析滤波器组和滤波器组整体均无相位失真，因此不需要另外的处理来使相位失真最小化。
本发明的各个方面涉及调制序列的时间位移。其它方面涉及原型滤波器的约束条件。
滤波器组用在听力装置如助听器中，以提供按频带进行信号处理的可能性，如空间滤波、降噪和动态范围压缩。不同的处理类型对在其中执行处理的频道有不同要求。
数字助听器处理中，滤波器组的重要参数为频率分解(频带重叠/分离和频带间隔)、群时延、失真和计算复杂性。滤波器组还应提供按频道进行信号分析的可能性，其基于滤波器组子频带构建。
本发明提出具有下述关键性质的滤波器组：
-真正的线性相位、恒定的群时延、无相位失真，在分析阶段及分析-合成组合(总响应)中均是如此；
-可选择的时延(与频带重叠/分离平衡)，独立于频带间隔；
-无振幅失真和最小混淆失真；
-使用现有多相dft调制的滤波器组结构的低复杂性。
滤波器组
在本申请的一方面，提供用于音频处理装置如助听器的滤波器组。该滤波器组包括：
-包括m个第一滤波器hm(n)的分析滤波器组，其中m＝0,1,…,m-1为频带指数，第一滤波器的脉冲响应从具有第一预定调制序列ms1的第一线性相位原型滤波器h(n)进行调制，n为时间指数，第一原型滤波器h(n)具有第一滤波器长度lh；
-包括m个第二滤波器gm(n)的合成滤波器组，m＝0,1,…,m-1，第二滤波器的脉冲响应从具有第二预定调制序列ms2的第二线性相位原型滤波器g(n)进行调制，第二原型滤波器g(n)具有第二滤波器长度lg；
-多个第一和第二滤波器按对设置，每一对形成频道；
-第一调制序列为时间n、频带指数m和第一原型滤波器时延τh的复数或实数函数；
-第二调制序列为时间n、频带指数m和第二原型滤波器时延τg的复数或实数函数；
-第一滤波器长度lh和第二滤波器长度lg均不均匀；及
第一原型滤波器时延τh等于(lh-1)/2及第二原型滤波器时延τg等于(lg-1)/2，及第一和第二原型滤波器时延τh和τg分别为分析滤波器组和合成滤波器组的常数。
从而提供改进的滤波器组。
在实施例中，第一滤波器长度lh等于第二滤波器长度lg，例如在25和250之间的范围中，例如等于125。在实施例中，第一滤波器hm和第二滤波器gm的数量m大于第一原型滤波器的第一滤波器长度lh和/或大于第二原型滤波器的第二长度lg。在实施例中，第一滤波器hm和第二滤波器gm的数量m小于第一原型滤波器的第一滤波器长度lh和/或小于第二原型滤波器的第二长度lg。在实施例中，m在从32到512的范围中，例如等于128。
在实施例中，第一调制序列ms1适于使第一原型滤波器h(n)移频，具有归一化频率f＝m/m；及第二调制序列ms2适于使第二原型滤波器g(n)移频，具有归一化频率f＝m/m。
在实施例中，第一调制序列ms1适于被时间位移第一原型滤波器时延τh，及第二调制序列ms2适于被时间位移第二原型滤波器时延τg。这确保当所有频带被总计在一起时，合成传递函数为纯时延，即线性相位和无振幅失真。
在实施例中，第一和第二原型滤波器h(n)和g(n)的中心频率均为零。
在实施例中，第一调制序列ms1等于
在实施例中，第一原型滤波器h(n)经受分析滤波器组的所有第一滤波器hm(n)的和等于δ(n-τh)的约束条件。分析滤波器组的所有第一滤波器hm(n)的和可表示为
在实施例中，对第一原型滤波器施加下面的约束条件：
-h(τh)＝1/m；
-h(τh+km)＝0,k∈z,k≠0。
在实施例中，总滤波器组响应t(n)，不包括混淆项，经受t(n)＝δ(n-τ)的约束条件，其中τ＝τh+τg。总滤波器组响应t(n)由下式给出：
其中d为下采样速率(或上采样速率)。总的来说，d≤m/2。在实施例中，m≥64，如m＝128。
在实施例中，对第二原型滤波器g(n)施加下面的约束条件：
在实施例中，第一滤波器
音频处理装置
一方面，还提供包括上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的、图中所示的及权利要求中限定的滤波器组的音频处理装置。
在实施例中，音频处理装置包括助听器、头戴式耳机、耳麦、耳朵保护装置或其组合。
在下面，音频处理装置通过助听器例示，但其中的特征可更一般地用在音频处理装置中。
在实施例中，助听器包括用于增强输入信号并提供处理后的输出信号的信号处理单元。在实施例中，信号处理单元适于提供随频率而变的增益和/或随电平而变的压缩和/或一个或多个频率范围到一个或多个其它频率范围的移频(具有或没有频率压缩)以补偿用户的听力受损。
在实施例中，助听器包括用于基于处理后的电信号提供由用户感知为声学信号的刺激的输出单元。在实施例中，输出单元包括耳蜗植入物的多个电极或者骨导听力装置的振动器。在实施例中，输出单元包括输出变换器。在实施例中，输出变换器包括用于将刺激作为声学信号提供给用户的接收器(扬声器)。在实施例中，输出变换器包括用于将刺激作为颅骨的机械振动提供给用户的振动器(如在附着在骨头上的听力装置中或在骨锚式听力装置中)。
在实施例中，助听器包括用于提供表示声音的电输入信号的输入单元。在实施例中，输入单元包括用于将输入声音转换为电输入信号的输入变换器如传声器。在实施例中，输入单元包括无线接收器，用于接收包括声音的无线信号及用于提供表示所述声音的电输入信号。在实施例中，助听器包括定向传声器系统，其适于对来自环境的声音进行空间滤波，从而增强佩戴助听器的用户的局部环境中的多个声源之中的目标声源。在实施例中，定向系统适于检测(如自适应检测)传声器信号的特定部分源自哪一方向。这可以如现有技术中描述的多种不同方式实现。
在实施例中，助听器为便携装置，例如包括本机能源如电池例如可再充电电池的装置。
在实施例中，助听器包括输入变换器(传声器系统和/或直接电输入(如无线接收器))和输出变换器之间的正向或信号通路。在实施例中，信号处理单元位于该正向通路中。在实施例中，信号处理单元适于根据用户的特定需要提供随频率而变的增益。在实施例中，助听器包括具有用于分析输入信号(如确定电平、调制、信号类型、声反馈估计量等)的功能件的分析通路。在实施例中，分析通路和/或信号通路的部分或所有信号处理在频域进行。在实施例中，分析通路和/或信号通路的部分或所有信号处理在时域进行。
在实施例中，表示声信号的模拟电信号在模数(ad)转换过程中转换为数字音频信号，其中模拟信号以预定采样频率或采样速率fs进行采样，fs例如在从8khz到48khz的范围中(适应应用的特定需要)以在离散的时间点tn(或n)提供数字样本xn(或x[n])，每一音频样本通过预定的ns比特表示声信号在tn时的值，ns例如在从1到16比特的范围中。数字样本x具有1/fs的时间长度，如50μs，对于fs＝20khz。在实施例中，多个音频样本按时间帧安排。在实施例中，一时间帧包括64个或128个音频数据样本。根据实际应用可使用其它帧长度。
在实施例中，助听器包括模数(ad)转换器以按预定的采样速率如20khz对模拟输入进行数字化。在实施例中，助听器包括数模(da)转换器以将数字信号转换为模拟输出信号，例如用于经输出变换器呈现给用户。
在实施例中，助听器包括用于提供输入信号的时频表示的(tf)转换单元。在实施例中，时频表示包括所涉及信号在特定时间和频率范围的相应复值或实值的阵列或映射。在实施例中，tf转换单元包括用于对(时变)输入信号进行滤波并提供多个(时变)输出信号的滤波器组，每一输出信号包括截然不同的输入信号频率范围。在实施例中，tf转换单元包括用于将时变输入信号转换为频域中的(时变)信号的傅里叶变换单元。在实施例中，助听器考虑的、从最小频率fmin到最大频率fmax的频率范围包括从20hz到20khz的典型人听频范围的一部分，例如从20hz到12khz的范围的一部分。在实施例中，助听器的正向通路和/或分析通路的信号拆分为ni个频带，其中ni例如大于5，如大于10，如大于50，如大于100，如大于500，至少部分频带个别地处理。在实施例中，助听器适于在np个不同频道处理正向和/或分析通路的信号(np≤ni)。频道可以宽度一致或不一致(如宽度随频率增加)、重叠或不重叠。
在实施例中，助听器包括多个检测器，其配置成提供与助听器的当前物理环境(如当前声环境)有关、和/或与佩戴助听器的用户的当前状态有关、和/或与助听器的当前状态或运行模式有关的状态信号。作为备选或另外，一个或多个检测器可形成与助听器(如无线)通信的外部装置的一部分。外部装置例如可包括另一助听装置、遥控器、音频传输装置、电话(如智能电话)、外部传感器等。在实施例中，多个检测器中的一个或多个对全带信号起作用(时域)。在实施例中，多个检测器中的一个或多个对频带拆分的信号起作用((时-)频域)。
在实施例中，助听器还包括用于所涉及应用的其它适宜功能，如压缩、降噪、反馈抑制等。
用途
此外，本发明提供上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的听力装置的用途。在实施例中，提供在包括音频分布的系统中的用途。在实施例中，提供在包括一个或多个听力仪器、头戴式耳机、耳麦、有源耳朵保护系统等的系统中的用途，例如免提电话系统、远程会议系统、广播系统、卡拉ok系统、教室放大系统等。
方法
一方面，还提供实施用于音频处理装置的滤波器组的方法。该方法包括：
-提供包括m个第一滤波器hm(n)的分析滤波器组，其中m＝0,1,…,m-1为频带指数，第一滤波器的脉冲响应从具有第一预定调制序列ms1的第一线性相位原型滤波器h(n)进行调制，n为时间指数，第一原型滤波器h(n)具有第一滤波器长度lh；
-提供包括m个第二滤波器gm(n)的合成滤波器组，m＝0,1,…,m-1，第二滤波器的脉冲响应从具有第二预定调制序列ms2的第二线性相位原型滤波器g(n)进行调制，第二原型滤波器g(n)具有第二滤波器长度lg；
-将多个第一和第二滤波器按对设置，每一对形成频道；
-将第一调制序列设置为时间n、频带指数m和第一原型滤波器时延τh的复数或实数函数；
-将第二调制序列设置为时间n、频带指数m和第二原型滤波器时延τg的复数或实数函数；
-将第一滤波器长度lh和第二滤波器长度lg均设置为不均匀；及
使得第一原型滤波器时延τh等于(lh-1)/2及第二原型滤波器时延τg等于(lg-1)/2，及第一和第二原型滤波器时延τh和τg分别为分析滤波器组和合成滤波器组的常数。
当由对应的过程适当代替时，上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的或权利要求中限定的装置的部分或所有结构特征可与本发明方法的实施结合，反之亦然。方法的实施具有与对应装置一样的优点。
在实施例中，该方法包括使得第一调制序列ms1适于被时间位移第一原型滤波器时延τh，及第二调制序列ms2适于被时间位移第二原型滤波器时延τg。
计算机可读介质
本发明进一步提供保存包括程序代码的计算机程序的有形计算机可读介质，当计算机程序在数据处理系统上运行时，使得数据处理系统执行上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的至少部分(如大部分或所有)步骤。
作为例子但非限制，前述有形计算机可读介质可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁性存储装置，或者可用于执行或保存指令或数据结构形式的所需程序代码并可由计算机访问的任何其他介质。如在此使用的，盘包括压缩磁盘(cd)、激光盘、光盘、数字多用途盘(dvd)、软盘及蓝光盘，其中这些盘通常磁性地复制数据，同时这些盘可用激光光学地复制数据。上述盘的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。除保存在有形介质上之外，计算机程序也可经传输介质如有线或无线链路或网络如因特网进行传输并载入数据处理系统从而在不同于有形介质的位置处运行。
数据处理系统
一方面，本发明进一步提供数据处理系统，包括处理器和程序代码，程序代码使得处理器执行上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的方法的至少部分(如大部分或所有)步骤。
听力系统
另一方面，本发明提供包括上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求中限定的音频处理装置及包括辅助装置的听力系统。
在实施例中，该听力系统适于在听力装置和辅助装置之间建立通信链路以使信息(如控制和状态信号，可能音频信号)能在其间进行交换或从一装置转发给另一装置。
在实施例中，辅助装置是或包括音频网关设备，其适于(如从娱乐装置例如tv或音乐播放器，从电话装置例如移动电话，或从计算机例如pc)接收多个音频信号，及适于选择和/或组合所接收音频信号(或信号组合)中的适当信号以传给听力装置。在实施例中，辅助装置是或包括遥控器，用于控制听力装置的功能和运行。在实施例中，遥控器的功能实施在智能电话中，该智能电话可能运行使能经智能电话控制音频处理装置的功能的app(听力装置包括适当的到智能电话的无线接口，例如基于蓝牙或一些其它标准化或专有方案)。
在实施例中，辅助装置为另一助听器。在实施例中，听力系统包括适于实施双耳听力系统如双耳助听器系统的两个助听器。
定义
在本说明书中，“助听器”指适于改善、增强和/或保护用户的听觉能力的装置如听力仪器或有源耳朵保护装置或其它音频处理装置，其通过从用户环境接收声信号、产生对应的音频信号、可能修改该音频信号、及将可能已修改的音频信号作为可听见的信号提供给用户的至少一只耳朵而实现。“助听器”还指适于以电子方式接收音频信号、可能修改该音频信号、及将可能已修改的音频信号作为听得见的信号提供给用户的至少一只耳朵的装置如头戴式耳机或耳麦。听得见的信号例如可以下述形式提供：辐射到用户外耳内的声信号、作为机械振动通过用户头部的骨结构和/或通过中耳的部分传到用户内耳的声信号、及直接或间接传到用户耳蜗神经的电信号。
助听器可构造成以任何已知的方式进行佩戴，如作为佩戴在耳后的单元(具有将辐射的声信号导入耳道内的管或者具有安排成靠近耳道或位于耳道中的扬声器)、作为整个或部分安排在耳廓和/或耳道中的单元、作为连到植入在颅骨内的固定结构的单元、或作为整个或部分植入的单元等。助听器可包括单一单元或几个彼此电子通信的单元。
更一般地，助听器包括用于从用户环境接收声信号并提供对应的输入音频信号的输入变换器和/或以电子方式(即有线或无线)接收输入音频信号的接收器、用于处理输入音频信号的(通常可配置的)信号处理电路、及用于根据处理后的音频信号将听得见的信号提供给用户的输出装置。在一些助听器中，放大器可构成信号处理电路。信号处理电路通常包括一个或多个(集成或单独的)存储元件，用于执行程序和/或用于保存在处理中使用(或可能使用)的参数和/或用于保存适合助听器功能的信息和/或用于保存例如结合到用户的接口和/或到编程装置的接口使用的信息(如处理后的信息，例如由信号处理电路提供)。在一些助听器中，输出装置可包括输出变换器，例如用于提供空传声信号的扬声器或用于提供结构或液体传播的声信号的振动器。在一些助听器中，输出装置可包括一个或多个用于提供电信号的输出电极。
在一些助听器中，振动器可适于经皮或由皮将结构传播的声信号传给颅骨。在一些助听器中，振动器可植入在中耳和/或内耳中。在一些助听器中，振动器可适于将结构传播的声信号提供给中耳骨和/或耳蜗。在一些助听器中，振动器可适于例如通过卵圆窗将液体传播的声信号提供到耳蜗液体。在一些助听器中，输出电极可植入在耳蜗中或植入在颅骨内侧上，并可适于将电信号提供给耳蜗的毛细胞、一个或多个听觉神经、听觉皮层和/或大脑皮层的其它部分。
“听力系统”可指包括一个或两个助听器或者包括一个或两个助听器和辅助装置的系统。“双耳听力系统”指包括两个助听器并适于协同地向用户的两只耳朵提供听得见的信号的系统。听力系统或双耳听力系统还可包括一个或多个“辅助装置”，其与助听器通信并影响和/或受益于助听器的功能。辅助装置例如可以是遥控器、音频网关设备、移动电话(如智能电话)、广播系统、汽车音频系统或音乐播放器。助听器、听力系统或双耳听力系统例如可用于补偿听力受损人员的听觉能力损失、增强或保护正常听力人员的听觉能力和/或将电子音频信号传给人。
本发明的实施例如可用在下述应用中：听力仪器、头戴式耳机、耳麦、耳朵保护系统或其组合。
附图说明
本发明的各个方面将从下面结合附图进行的详细描述得以最佳地理解。为清晰起见，这些附图均为示意性及简化的图，它们只给出了对于理解本发明所必要的细节，而省略其他细节。在整个说明书中，同样的附图标记用于同样或对应的部分。每一方面的各个特征可与其他方面的任何或所有特征组合。这些及其他方面、特征和/或技术效果将从下面的图示明显看出并结合其阐明，其中：
图1a示出了根据本发明的包括滤波器组的助听器的第一实施例。
图1b示出了根据本发明的包括滤波器组的助听器的第二实施例。
图2不同详细程度地示出了根据本发明的用于音频处理装置的滤波器组的实施例。
图3a示出了滤波器组的一般图示。
图3b示出了根据本发明的滤波器组的实施例。
图3c示出了图3b实施例的调制序列矩阵单元的详细示图，其分别示出了分析和合成滤波器组的映射和分布方案。
图4示出了根据本发明的分析滤波器组的实施例。
图5示出了根据本发明的实施滤波器组的方法的实施例的流程图。
通过下面给出的详细描述，本发明进一步的适用范围将显而易见。然而，应当理解，在详细描述和具体例子表明本发明优选实施例的同时，它们仅为说明目的给出。对于本领域技术人员来说，基于下面的详细描述，本发明的其它实施方式将显而易见。
具体实施方式
下面结合附图提出的具体描述用作多种不同配置的描述。具体描述包括用于提供多个不同概念的彻底理解的具体细节。然而，对本领域技术人员显而易见的是，这些概念可在没有这些具体细节的情形下实施。装置和方法的几个方面通过多个不同的块、功能单元、模块、元件、电路、步骤、处理、算法等(统称为“元素”)进行描述。根据特定应用、设计限制或其他原因，这些元素可使用电子硬件、计算机程序或其任何组合实施。
电子硬件可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑器件(pld)、选通逻辑、分立硬件电路、及配置成执行本说明书中描述的多个不同功能的其它适当硬件。计算机程序应广义地解释为指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件模块、应用、软件应用、软件包、例程、子例程、对象、可执行、执行线程、程序、函数等，无论是称为软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言还是其他名称。
图1a示出了根据本发明的包括滤波器组的助听器ha的实施例。助听器ha例如适于位于用户的左和右耳之处或之中，或者适于完全或部分植入在用户头部中。助听器例如适于补偿特定用户的听力受损。助听器包括正向通路，其包括用于提供表示多个(nfp个)频带中的音频信号的第一和第二电输入信号in1,in2的第一和第二输入单元iu1,iu2、用于处理第一和第二电输入信号in1,in2并基于其提供处理后的信号out的信号处理单元spu、及用于将处理后的信号转换为可由用户感知为声音的输出刺激的输出单元ou。第一和第二输入单元iu1,iu2中的每一个包括相应的第一和第二输入变换器it1,it2及第一和第二分析滤波器组fba1,fba2。第一和第二输入变换器it1,it2例如第一和第二传声器例如适于从助听器环境拾取声音s1,s2并将其转换为表示该声音的相应第一和第二电信号。第一和第二电信号s’1,s’2被提供为数字音频样本(例如通过形成第一和第二输入变换器的一部分的相应模数转换器)。第一和第二分析滤波器组fba1,fba2为根据本发明的分析滤波器组，配置成将相应的数字化电信号提供为nfp个频带中的频带信号in1,in2。信号处理单元例如配置成处理多个频带如nfp个(或更少)频带中的电输入信号in1,in2并提供nfp个(或更少)频带中的处理后的信号out。输出单元ou包括根据本发明的合成滤波器组fbs，配置成将处理后的频带信号out转换为电(时域、全频带)输出信号。输出单元还包括输出变换器如扬声器或者用于刺激骨导的振动器或者用于电刺激听觉神经的多个电极，以提供可由用户感知为声音的输出刺激。助听器ha还包括分析和控制单元ana，适于分析输入信号和/或来自一个或多个检测器的信号并提供用于影响或控制信号处理单元spu的处理(如第一和第二输入信号in1,in2的组合)的一个或多个控制信号cnt。分析和控制单元ana包括第一和第二频带抽取单元bdec1,bdec2，用于将第一和第二电输入信号in1,in2的频带数nfp大幅减少为ncp(ncp<nfp)以节能(这是便携式、相对小的电子装置如助听器的关键参数)。由于本发明的分析滤波器组fba1,fba2的性质，频带可组合(如求和或求平均或者其它处理)以提供更小数量的频带而没有相位失真。分析和控制单元ana还包括控制单元cont，用于基于输入信号in1和in2的ncp频带抽取版本提供ncp频带抽取控制信号。分析和控制单元ana还包括频带分布单元bdis，配置成将ncp个频带信号分布到nfp个频带信号(ncp<nfp)，在此为控制信号cnt，其馈给信号处理单元spu以影响其如输入信号x1,x2的处理。助听器例如可包含两个以上输入单元(如包括传声器和/或无线电音频输入)，例如如图1b中所示。
图1b示出了图1a中的助听器ha的实施例，但包括m个输入单元，及其中进一步细化了信号处理单元。正向通路包括输入单元iu1,…iunm、降噪系统nrs、用于提供随电平和频率而变的增益的处理器hag、及输出单元ou。图1a的信号处理单元spu在图1b中由降噪系统nrs和处理器hag表示。
图1b的助听器ha包括多个输入单元iui,i＝1,…,nm，nm大于或等于2，用于转换相应声音信号si或接收相应音频信号si及提供对应的时变电输入信号xi,i＝1,…,nm。每一相应的输入单元iu1,…,ium提供时变电输入信号xi的时频表示xim(m＝1,2,…,m＝nfp)，每一个表示第i个输入单元在m＝nfp个频带和多个时刻的电输入信号xi，m为频带指数。
多输入单元降噪系统nrs包括多通道波束形成器滤波单元(“波束形成器”，如mvdr波束形成器)，其提供波束成形信号ybf(m)(如多频带电输入信号x1(m),…,xnm(m),m＝1,2,…,m的加权组合)。该降噪系统nrs另外包括单通道后处理滤波器单元sc-nr，其提供增强的(波束形成的和降噪的)信号
助听器ha例如还可包括用户接口，配置成与另一装置如遥控器或双耳助听器系统的对侧助听器通信，从而使用户能影响该助听器的功能。
图2示出了根据本发明的用于音频处理装置如助听器的滤波器组的实施例。图2的滤波器组以三个不同的层级示出(记为1、2和3，如图2的中间具有对应的数字1、2、3的灰色阴影椭圆所示)。滤波器组的信号在z变换域进行描述。作为备选，滤波器组可在时域、时频域(或任何其它适当的域)进行描述。
如图2的第一层级(层级1)处所示，滤波器组包括分析滤波器组fba，用于将表示音频信号的时变输入信号x(z)转换为多个时变频带信号xm(z),m＝0,1,…,m-1，每一时变频带信号表示输入信号的总频率范围的子频带。滤波器组还包括合成滤波器组fbs，用于将多个时变频带信号ym(z),m＝0,1,…,m-1转换为表示音频信号或其处理后版本的时变输出信号y(z)。
分析和合成滤波器组可独立于彼此使用，但可有利地设置在一起以提供正向通路的多个频道，用于传播(和处理)音频处理装置如助听器中的音频信号。时变输入信号x(z)例如可对应于如图1a或1b中描述的助听器的电输入信号s’i(i＝1,2,…,或nm)(之一)。时变输出信号y(z)例如可对应于图1b中的时变(全频带)输出信号out(图1a及图1b中的输出变换器ot的输入信号)。
在图2的第二层级(层级2)，分析滤波器组fba和合成滤波器组fbs被拆分为多个功能单元。分析滤波器组fba包括m个第一滤波器hm(z)(或时域中的hm(n))，其中m＝0,1,…,m-1为频带指数，其脉冲响应从具有第一预定调制序列ms1(参见图2中的单元ms1)的第一线性相位原型滤波器h(n)(参见图2中的单元1stpf)调制，其中n为时间指数。第一原型滤波器h(n)具有第一滤波器长度lh，如从第一原型滤波器单元1stpf到第一调制序列单元ms1的子频带信号上指明的。第一调制序列单元ms1从来自第一原型滤波器1stpf的lh原型滤波的频带信号提供m个第一频带信号xm(z),m＝0,1,…,m-1。对应地，合成滤波器组fbs包括m个第二滤波器gm(z)(或时域中的gm(n))，其中m＝0,1,…,m-1，其脉冲响应从具有第二预定调制序列ms2(参见图2中的单元ms2)的第二线性相位原型滤波器g(n)(参见图2中的单元2ndpf)调制。第二原型滤波器g(n)具有第二滤波器长度lg，如从第二调制序列单元ms2到第二原型滤波器单元2ndpf的子频带信号上指明的。第二调制序列单元ms2基于m个第二频带信号ym(z),m＝0,1,…,m-1向第二原型滤波器2ndpf提供lg调制序列频带信号。ym(z)例如可表示xm(z)的处理后版本。ym(z)例如可对应于图1a和1b的助听器中的信号out。多个第一和第二滤波器hm(z)和gm(z)分别按对(xm,ym)设置，每一对形成频道。
第一和第二调制序列分别为时间(指数)n、频带指数m及第一和第二原型滤波器时延τh和τg的复数或实数函数。第一和第二原型滤波器时延τh和τg分别为分析滤波器组fba和合成滤波器组fbs的常数。第一滤波器长度lh和第二滤波器长度lg均不均匀。第一原型滤波器时延τh等于(lh-1)/2。第二原型滤波器时延τg等于(lg-1)/2。第一原型滤波器h(n)通常不同于第二原型滤波器g(n)，每一原型滤波器具有为0的中心频率。
在图2的第二层级(层级2)所示的滤波器组实施例中，分析滤波器组fba和合成滤波器组fbs还包括相应的缓冲单元buf和无缓冲单元unbuf。分析滤波器组fba的缓冲单元buf提供时变输入信号x(z)的长度为lh的缓冲。缓冲单元buf的输出包括输入信号x(z)的lh个(可能下采样的)连续时间样本，其馈给第一原型滤波器单元1stpf的相应lh个输入。合成滤波器组fbs的无缓冲单元unbuf从第二原型滤波器单元2ndpf的lg个输出提供输出信号y(z)。
在图2的第三层级(层级3)所示的滤波器组实施例中，分析滤波器组fba和合成滤波器组fbs的功能单元拆分为另外的多个功能单元。在分析滤波器组fba中，缓冲单元buf通过延迟线del结合下采样单元↓d实施。延迟线del向输入信号提供lh-1个个别时延τh从而(在给定时间)提供输入信号x(z)的lh个不同样本。输入信号的lh值馈给下采样单元↓d，其中它们以共同的下采样速率d进行下采样(d≤m)。d的选择例如在功耗(小d)和混淆问题(大d)之间权衡。输入信号的lh下采样值馈给第一原型滤波器单元1stpf。在合成滤波器组fbs中，无缓冲单元unbuf通过上采样单元↑d结合延迟和求和线del+实施。来自第二原型滤波器2ndpf的lg原型滤波的子频带信号中的每一个在上采样单元↑d中以共同的上采样速率d进行上采样。通常(如在助听器的正向通路中)，上采样速率与下采样速率一样(等于d)，但并非必须如此。相应的lg上采样的值馈给延迟和求和线del+，其中每一个用独特的多个时延τg延迟(n·τg，其中n＝0,1,…,lg-1)。在一些应用中，τg＝τh。然而，并非必须如此。从而，合成时变输出信号y(z)被提供为延迟和求和线del+的输出。
在图2的第三层级(层级3)所示的滤波器组实施例中，分析滤波器组fba的第一调制序列单元ms1通过映射单元map和反傅里叶变换单元ifft-xsc1实施。映射单元map配置成将来自第一原型滤波器单元1stpf的lh个输入映射到m个输出，其馈给反傅里叶变换单元ifft-xsc1。该映射方案在下面结合图3a、3b、3c和图4进一步描述。反傅里叶变换单元ifft-xsc1对来自映射单元map的m个输入进行反(mxm矩阵)快速傅里叶变换并提供m个子频带信号xm(z)。反傅里叶变换单元ifft-xsc1无缩放地执行反傅里叶变换(如名为xsc的单元指明的)。对应地，合成滤波器组fbs的第二调制序列单元ms2提供反傅里叶变换单元ifft-xsc2和分布单元dis实施。反傅里叶变换单元ifft-xsc2对m个子频带信号ym(z)进行反(mxm矩阵)快速傅里叶变换(再次地，无缩放)并向分布单元dis提供m个变换后的信号。分布单元dis根据预定方案将m个输入信号分布到lg个信号(分析滤波器组的映射方案的相反)。来自分布单元dis的lg个信号馈给第二原型滤波器单元2ndpf。
图2的多个不同功能模块的内容的实施例在下面结合图3a、3b和3c进一步描述。
无失真dft调制的分析滤波器组
参考图3b和3c，分析滤波器组描述如下。分析滤波器组将时变(全频带)输入信号x(z)拆分为m个子频带。分析滤波器的脉冲响应通过下式描述：
如图3b和3c中所示(参见图3b中的[mxlh]模块调制序列矩阵和图3c中的无缩放[mxm]ifft)。在上面的表达式中，h(n)例如为低通fir原型滤波器(实值)，其被限制具有奇数长度，其中n为时间指数，n＝0,1,…,lh-1，m为频带指数，m＝0,1,…,m-1，其中m为子频带数。该原型滤波器的群时延为τh＝(lh-1)/2，其为整数。滤波器长度lh不受限或者与频带数有关。
调制序列
调制序列被时间位移τh。这确保当所有频带被总计在一起时，合成传递函数为纯时延，即线性相位和无振幅失真。
调制序列的时间位移为设计无振幅和相位失真滤波器组及使可能无相位失真地进行子频带信号的线性组合的解决方案的重要部分。
所有分析滤波器的和为：
由于
对h(n)施加下面的约束条件。等式(1)仅在h(τh)＝1/m和h(τh+km)＝0,k∈z,k≠0时有效。h(n)的其它值被优化以使混淆失真最小化。
施加在原型滤波器上的这几个约束条件构成所述解决方案的次要部分。
无失真dft调制的合成滤波器组
类似的定义和程序用于合成滤波器组：
在此，τg＝(lg-1)/2为合成滤波器组时延。总滤波器组时延为τ＝τh+τg。再次注意调制序列的时间位移。
同样，在此，调制序列的时间位移为设计无振幅和相位失真滤波器组的解决方案的主要部分。
对g(n)的约束条件与总滤波器组响应有关(不包括混淆项)：
其中*指卷积。总滤波器组响应t(n)＝δ(n-τ)无振幅和相位失真且为纯时延。这仅在满足下式时成立：
(3)的左手边对于n的所有其它值为0，这是分别从其原型滤波器调制的分析和合成滤波器的定义固有的。
施加在原型滤波器上的这几个约束条件为上述解决方案的次要部分。
原型滤波器设计的迭代法
迭代受限最小平方或者二次规划方法可用于设计原型滤波器以满足约束条件并使输出信号中的混淆失真最小化。
由于滤波器组用在助听器中，在子频带中具有时变增益，在滤波器组中常见的完美重构的观念在此无效。完美重构(其还包括滤波器组输出信号无混淆现象)仅对其中处理本质上为附加的滤波器应用例如信号编码成立。
原型滤波器设计
滤波器组的总脉冲响应由下式给出
其表明，由于分析和合成原型滤波器的调制，对于n≠τh+τg+km,k∈n，t(n)＝0。对于任何给定的分析原型滤波器，合成原型滤波器可设计成使输出信号混淆最小化，具有约束条件t(τ)＝1和t(n)＝0,n＝τh+τg+km,k∈n+。
混淆项脉冲响应由下式描述
混淆通过使二次价值函数最小化而最小化
因此，设计问题对于合成原型滤波器(给定分析原型滤波器)可用公式表示为
设计问题对于分析原型滤波器(给定合成原型滤波器)可用公式表示为
这些优化方法可迭代地使用以达到最小混淆程度。
效率高的滤波器组实施
该部分展现根据本发明的滤波器组的实施例子。
使用这些分析和合成滤波器的下采样滤波器组在图3a中图示。
这可使用多相实施(数学运算和下/上采样器的顺序相反)效率高地实施。使用分析/合成滤波器被调制的事实，数学运算可实施为乘以原型滤波器权重及矩阵乘以复数权重。
图3a示出了滤波器组的一般图示，其包括分析滤波器组(图3a的左边部分)和合成滤波器组(图3a的右边部分)。分析滤波器组包括m个滤波器hm(z)(在时域中，hm(n))，m＝0,1,…,m-1，其将包括音频信号的时变输入信号x(z)转换为时变频带信号xm(z),m＝0,1,…,m-1，每一时变输入信号以下采样速率d进行下采样以提供m个时变频带信号，每一时变频带信号表示输入信号x(z)的总频率范围的子频带。合成滤波器组包括m个用于对时变频带信号ym(z),m＝0,1,…,m-1进行上采样的上采样单元、m个用于将m个上采样的时变频带信号转换为m个滤波后信号的滤波器gm(z)(或时域中的gm(n))、及用于提供表示音频信号或其处理后版本(例如已经受空间滤波和/或随电平和/或频率而变的整形，例如以补偿用户的听力受损)的合成时变输出信号y(z)的(延迟和)求和单元+。
图3b示出了根据本发明的滤波器组的实施例。在分析滤波器组中，来自lh个原型滤波器h(n)的信号在调制序列矩阵单元中与调制序列ej2πm(n-τh)/m进行矩阵相乘。该矩阵相乘继而可使用如图3c(的左边部分)中所示的映射程序和快速傅里叶变换(实际上，在分析和合成滤波器组中均使用无缩放的ifft)效率高地实施。在合成滤波器组中，m个输入信号ym在调制序列矩阵单元中与调制序列ej2πm(n-τg)/m进行矩阵相乘，从而向lg个原型滤波器提供lg个信号。矩阵相乘继而可使用如图3c(的右边部分)中所示的无缩放反傅里叶变换和随后的分布程序效率高地实施。
图3c示出了图3b实施例中的调制序列矩阵单元的详细图，其分别示出了分析和合成滤波器组的映射和分布方案。
下面的表达式描述了lh个输入怎样连接到分析滤波器组侧的映射模块(例如参见图2中的map模块，图3c和图4中最左边的模块)的m个输出。同样，m个输入怎样连接到合成侧的lh个输出(其刚好相反)。
图3c中由记为“添加以位移τh的m为模(未画出所有箭头)”的最左边模块符号表示的映射函数为：
m＝mod(n–τh,m)
其中，
m＝输出指数；
n＝输入指数；
τh＝(lh-1)/2；
m＝ifft大小；
及mod为模数运算。
模数运算mod可由下式阐释：
mod(x,y)为x-k*y，其中如果y≠0，k＝floor(x/y)。
其中floor提供x除以y的整数部分。
在合成滤波器组中类似地安排将m个ifft输出分布到分布模块的lg个输出的过程。实际上，该关系对于合成滤波器组中的分布模块完全一样(例如参见图2中的dis及图3c中最右边的模块)。在dis模块中，输出指数n从m＝mod(n–τg,m)映射。应注意，合成滤波器组时延τg为可不同于τh的特定参数。
图4示出了根据本发明的分析滤波器组的实施例。图4用于例示由图2中的map单元和图3c中记为“添加以位移τh的m为模”的对应单元应用的映射方案。图4示出了结合图3b和3c描述的分析滤波器组。图4示出了m大于lh(和lg)的情形，而图3c例示了lh大于m的情形。
图4中的映射分为两个步骤d1和d2，由分别从原型滤波器h(τh)(参见从n＝τh到m＝0的实线)和h(τh-1)(参见从n＝τh-1到m＝m-1的虚线)的输出开始的灰色阴影箭头符号表示。
步骤d1：映射通过将原型滤波器的对应于时间指数n＝τh的输出分配到对应于频带指数m＝0的无缩放ifft单元的顶部输入而开始。继续将输出n＝τh+1分配到m＝1，n＝τh+2分配到m＝2，直到达到原型滤波器的对应于n＝lh-1的最后输出为止，其分配到m＝τh-1。
步骤d2：映射通过将原型滤波器的对应于时间指数n＝τh-1的输出分配到对应于频带指数m＝m-1的无缩放ifft单元的底部输入而开始。继续将输出n＝τh-2分配到m＝m-2等，直到达到原型滤波器的对应于n＝0的第一输出为止，其分配到m＝m-τh。
在图4的m>lh的情形下，单元的其余((m-τh)-(τh)-1＝m-lh，中间)输入没有来自原型滤波器(图3b、3c中的h(n)，图2中的1stpf)的输入。这些“未连接的”输入例如被分配逻辑“0”。
在lh大于m的情形下，额外输入被循环地添加到已经分配的输入，如上面定义的映射方案定义的及如图3c中作为求和单元+的、记为“添加以位移τh的m为模”单元指明的。
对应地，合成滤波器组的分布方案通过将无缩放ifft单元的对应于频带指数m＝0到m＝m-1的输出分配到分布以位移的m为模单元的对应于时间指数n＝0到n＝lg-1的输出而进行，如图3c的右边所示。
图5示出了根据本发明的实施用于音频处理装置的滤波器组的方法的实施例的流程图。该方法包括如下概述的步骤s1-s7：
s1，提供包括m个第一滤波器hm(n)的分析滤波器组，其中m＝0,1,…,m-1为频带指数，第一滤波器的脉冲响应从具有第一预定调制序列ms1的第一线性相位原型滤波器h(n)进行调制，n为时间指数，第一原型滤波器h(n)具有第一滤波器长度lh；
s2，提供包括m个第二滤波器gm(n)的合成滤波器组，m＝0,1,…,m-1，第二滤波器的脉冲响应从具有第二预定调制序列ms2的第二线性相位原型滤波器g(n)进行调制，第二原型滤波器g(n)具有第二滤波器长度lg；
s3，将多个第一和第二滤波器按对设置，每一对形成频道；
s4，将第一调制序列设置为时间n、频带指数m和第一原型滤波器时延τh的复数或实数函数；
s5，将第二调制序列设置为时间n、频带指数m和第二原型滤波器时延τg的复数或实数函数；
s6，将第一滤波器长度lh和第二滤波器长度lg均设置为不均匀；及
s7，使得第一原型滤波器时延τh等于(lh-1)/2及第二原型滤波器时延τg等于(lg-1)/2，及第一和第二原型滤波器时延τh和τg分别为分析滤波器组和合成滤波器组的常数。
在实施例中，给出lh个原型滤波器输出h(n),n＝0-lh-1到m个频带m＝0到m-1的映射(n到m映射)：
m＝mod(n–τh,m)
其中，m＝输出指数，n＝输入指数，τh＝(lh-1)/2，m＝ifft大小，及mod为模数运算。
当由对应的过程适当代替时，上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的和/或权利要求中限定的装置的结构特征可与本发明方法的步骤结合。
除非明确指出，在此所用的单数形式“一”、“该”的含义均包括复数形式(即具有“至少一”的意思)。应当进一步理解，说明书中使用的术语“具有”、“包括”和/或“包含”表明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。应当理解，除非明确指出，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，可以是直接连接或耦合到其他元件，也可以存在中间插入元件。如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个列举的相关项目的任何及所有组合。除非另行指明，在此公开的任何方法的步骤不精确限于相应说明的顺序。
应意识到，本说明书中提及“一实施例”或“实施例”或“方面”或者“可”包括的特征意为结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一实施方式中。此外，特定特征、结构或特性可在本发明的一个或多个实施方式中适当组合。提供前面的描述是为了使本领域技术人员能够实施在此描述的各个方面。各种修改对本领域技术人员将显而易见，及在此定义的一般原理可应用于其他方面。
权利要求不限于在此所示的各个方面，而是包含与权利要求语言一致的全部范围，其中除非明确指出，以单数形式提及的元件不意指“一个及只有一个”，而是指“一个或多个”。除非明确指出，术语“一些”指一个或多个。
因而，本发明的范围应依据权利要求进行判断。
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