用于控制适配步幅的方法和听力装置制造方法
【专利摘要】在反馈抑制的情况下将能够更好地区分反馈啸叫和外部音调信号。因此提出了一种用于为了反馈抑制而控制听力装置的自适应滤波器的适配步幅的方法，方式是经由听力装置的麦克风的接收声信号和输出相应的麦克风信号，基于麦克风信号产生用于听力装置的听筒的听筒信号和通过自适应滤波器减弱麦克风信号中的反馈信号。为此，从麦克风信号的采样值中获得自相关值，在所述采样值之间有时间差，并且自适应滤波器的适配步幅被根据自相关值来控制。基于麦克风信号所获得的输出信号的频率在生成听筒信号时被移动并且用于获得自相关值的时间差根据麦克风信号的频率的移动来控制。还提出了一种听力装置。
【专利说明】用于控制适配步幅的方法和听力装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于为了反馈抑制而控制听力装置的自适应滤波器的适配步幅 的方法。在此，通过听力装置的麦克风接收声信号并且输出相应的麦克风信号。基于麦克 风信号生成用于听力装置的听筒的听筒信号，并且通过自适应滤波器减弱麦克风信号中的 反馈信号。除此以外，本发明还涉及到一种听力装置。所述听力装置在这里被理解为每一 种可在耳朵之内或附近佩戴的、产生声刺激的设备，尤其是助听器、头戴式送受话器、头戴 式耳机等。
【背景技术】
[0002] 助听器是可佩戴的听力装置，其用于照顾重听者。为了迎合众多的个体需求， 准备了不同的助听器的结构如置于耳后的助听器（HdO)、带有外部听筒的助听器（RIC: Receiver in the canal耳道式接收器）和置于耳内的助听器（IdO)，例如外耳助听器或耳 道助听器（ITE、CIC)。所述示例性列示的助听器在外耳处或在听管(Gehdrgang)内被佩 戴。除此以外在市场上也还提供有骨传导助听设备、可植入式或震动触觉式（vibrotaktil) 助听设备。在此机械地或电子地进行受损听觉的仿真。
[0003] 助听器拥有原则上作为基本组件的输入转换器、放大器和输出转换器。输入转换 器一般而言是声接收器，例如麦克风，和/或电磁接收器，例如感应线圈。输出转换器大多 数是作为电声转换器，例如微型扬声器，或作为电机械转换器，例如骨传导听筒，来实现。放 大器通常来说被集成于信号处理单元之内。该基础结构在图1的置于耳后的助听器示例中 被示出。在用于在耳后佩戴的助听器外壳1上安装了一个或多个用于从周边环境中接收声 的麦克风2。同样集成在助听器外壳1之内的信号处理单元3处理麦克风信号并且将其放 大。信号处理单元3的输出信号被传输到扬声器或听筒4,其发出声学信号。声在可能情况 下通过以耳塑固定在听道内的声管（Schallschlauch)传输到设备佩戴者的鼓膜。助听器的 供能和尤其是信号处理单元3的供能通过同样集成在助听器外壳1之中的电池5来进行。
[0004] 音频系统或听力装置，如对其重要的是，拥有至少一个用于接收环境声的麦克风、 连接在下游的用于处理麦克风信号(例如放大）的信号处理单元、以及扬声器或听筒，处理 过的麦克风信号被发送到其并且其向周边环境发送相应的声信号。此类听力装置的特别问 题在于，出现要消除的声学反馈。听力装置上的反馈一般而言通过干扰性反馈啸叫来表达。
[0005] 当从听筒发射的声通过麦克风再一次进入听力装置并且被放大时，出现声学反 馈。在此得出封闭循环：麦克风-放大器-听筒-麦克风-等等。当放大高于某阈值时，反 馈啸叫由此而产生。
[0006] 不被希望的啸叫可以通过反馈减弱单元被减弱或甚至被消除。至今公知这样的适 配性反馈减弱方法，在其之中自适应滤波器建模声学反馈路径的随时间变化的脉冲响应g。 用于更新滤波器系数h的适配规则的一个一般性示例是标准化的、最小平方误差的运算法 贝IJ(NLMS):
[0007] h (k+1) =h (k) + μ [ (e# (k) x (k)) / (x# (k) x (k))]
[0008] 在此k代表离散的时间索引，x代表对于反馈减弱单元的输入信号，e=m-c代表作 为麦克风信号m和反馈补偿信号c之间的差而定义的误差信号，μ代表控制适配速度步幅 参数和#代表共轭的复数运算。在这里使用的参量通常是复数值且尤其表示频率范围参 量。
[0009] 图2示出用于在助听器情况下减弱反馈的公知技术的框图。麦克风2接收声信号 并且由此生成相应的麦克风信号m。该麦克风信号m被输送到信号处理装置3。信号处理 装置3的输出信号X被输送到听筒4。该听筒产生输出声信号s，该输出声信号对于助听器 佩戴者的耳朵或听力装置的用户而确定。输出声信号s的一部分作为反馈信号r被反馈到 助听器或听力装置的输入端。反馈路径具有传输函数g。在输入侧将有用信号η与反馈信 号r相加，而和信号n+r构成对于麦克风2的输入声信号。
[0010] 在信号处理装置3中借助加法器6从麦克风信号m减去补偿信号c，其方法是将负 的信号_c加到麦克风信号m之上。由此产生误差信号e，其被输送到中央处理单兀7(CSP)， 所述中央处理单元生成输出信号X。所述输出信号X被输送到反馈补偿器8 (FBC)。这(补 偿器)拥有传输函数h，其适用于作为反馈路径的传输函数g的估计量。反馈补偿器8的输 出信号是补偿信号c，其由此为：c=h*x，其中*描述了卷积运算。此外反馈补偿器8借助误 差信号e被控制。总体来说由此反馈信号r通过补偿信号c被补偿，从而干扰性的反馈啸 叫被消除。
[0011] 关于此类带有反馈抑制或反馈减弱的听力装置的作用原理和结构的细节在 S. Haykin 的书《Adaptive Filter Theory》Englewood Cliffs, NJ:Prentice Hall, 1999, 第六章 "Normalized Least-Mean-Square Adaptive Filters"，320 到 324 页中被描 述。除此以外还参见于 Toon Van Waterschoot 和 Marc Moonen 的文章 "Fifty years of acoustic feedback control: state of the art and future challenges，'，Proc. IEEE, vol. 99, no. 2, 2011 年 2 月，288 到 327 页。
[0012] 反馈补偿器8通常而言作为自适应滤波器来实现。可以借助也被称作步幅的参数 μ来控制滤波器的适配速度。步幅μ的时间相关的合适控制对于高效和稳定的反馈补偿 行为是必须的。当步幅μ较大时，滤波器迅速地适配到声学反馈路径g的新情况，由此阻 止了反馈啸叫。另一方面较大的步幅μ导致明显的错误适配，其在关联输入信号时招致不 受欢迎的伪迹(Artefakt)，也即是说自相关函数不为零。这尤其在声音输入信号中成立。
[0013] 与之相反如果步幅μ较小，该伪迹可以基本被阻止或减弱。然而为此的代价是极 其受限的、对反馈路径的变化做出反应的能力。
【发明内容】
[0014] 由此，本发明要解决的技术问题在于，提出一种用于控制听力装置的自适应滤波 器的适配步幅的方法，借助该方法在反馈路径变化的情况下改进输出声的声质量是可能 的。除此以外，还将说明一种相应的听力装置。
[0015] 根据本发明通过为了反馈减弱而控制听力装置的自适应滤波器的适配步幅的方 法来解决所述技术问题：
[0016] -经由听力装置的麦克风接收声信号和输出相应的麦克风信号，
[0017] -基于麦克风信号产生用于听力装置的听筒的听筒信号，和
[0018] -通过自适应滤波器进行麦克风信号中的反馈信号的减弱，
[0019] -获得麦克风信号的采样值的自相关值，在所述采样值之间有时间差，
[0020] -借助自相关值控制自适应滤波器的适配步幅，
[0021] -在生成听筒信号时移动基于麦克风信号所获得的输出信号的频率，和
[0022] -根据麦克风信号的频率的移动来控制用于获得自相关值的时间差。
[0023] 除此以外，根据本发明提供一种听力装置，具有：
[0024] -麦克风，用于接收声信号和输出相应的麦克风信号，
[0025] -听筒，
[0026] -信号处理装置，用于基于麦克风信号输出用于听筒的听筒信号，和
[0027] -自适应滤波器，用于减弱麦克风信号中的反馈信号，
[0028] 以及包括：
[0029] -自相关单元，用于从麦克风信号的采样值中获得自相关值，在所述采样值之间有 时间差，和
[0030] -控制装置，用于借助自相关值控制自适应滤波器的适配步幅，其中
[0031] -可以由信号处理装置在生成听筒信号时移动基于麦克风信号所获得的输出信号 的频率，和
[0032] -在自相关单元中，可以根据输出信号的频率的移动来控制用于获得自相关值的 时间差。
[0033] 按照具有优势的方式通过频率移动来进行麦克风-和输出信号的去关联。由此， 反馈引起的啸叫仅仅还有微小的音调特性，这反应在小的自相关值上。然后根据自相关值 控制自适应滤波器的步幅。由此得出用于步幅μ的新的控制方案，所述步幅必要时在子带 中最优地控制适配速度，以便尤其在音调信号中达到不带伪迹的好的声质量，而在所有其 它情况中获得对于反馈路径的变化迅速做出反应的可能性。
[0034] 例如通过中央信号处理单元从麦克风信号中生成听筒信号、即用于听筒的输出信 号可以带有时间延迟地进行，所述时间延迟被考虑以控制用于获得自相关值的时间差。由 此考虑用于步幅控制的内部的信号处理条件。
[0035] 优选如此进行用于获得自相关值的时间差的控制，即在反馈引起的啸叫的情况下 自相关值低于预先给定的阈值。所述阈值有利地低于最大自相关值的60%。由此，反馈信号 可以明确地与音调信号相区分，后者通过更高的自相关值被表明特征。
[0036] 除此以外，可以如此进行用于获得自相关值的时间差的控制，即自相关值在反馈 啸叫的情况下取得最小值。由此可以实现在反馈信号和音调信号之间的特别清晰的区分可 能性。
[0037] 更进一步，用于获得自相关值的时间差的控制可以动态地借助麦克风信号的频率 移动的变化进行。在此可变的频率移动可以依据情况要么被降低要么被增高。由此，当为 了避免频率移动伪迹而暂时放弃频率移动时，根据本发明的方法也是可以使用的。
[0038] 特别具有优势的是，用于控制适配步幅的方法在多个频率子带中并行地、分别相 互独立地被执行。由此，滤波器的适配可以在所有频率区域中最优地实现。
[0039] 另外可以将从起始值出发的适配步幅只有在如下情况下才减弱，S卩，自相关值在 借助在时间差为零时得出的标准相关值进行标准化之后位于围绕/接近1的预先给定范围 之内。当自相关值在频率移动的去关联作用的情况下仍然接近1时，必须存在音调的输入 信号。在这样的情况下有益的是，适配步幅被减小以便避免错误适配。
[0040] 根据另一构造，自相关值不是从麦克风信号的采样值，而是从误差信号的采样值 中获得，所述误差信号对应于在麦克风信号和自适应滤波器的校正信号或补偿信号之间的 差。这表示了用于从麦克风信号的采样值中获得自相关值的、信号技术的变量。
[0041] 根据本发明的听力装置尤其可以作为助听器来构造。
[0042] 上面所描述的方法特征也可以借助相应的手段在听力装置中实现。在所述方法如 也在所述听力装置中，可以将上面描述的特征(只要合理）相互组合，但是也可以单独使用。 相同地适用于对于接下来联系附图描述的实施例的特征。
【专利附图】
【附图说明】
[0043] 本发明结合附图进一步被解释，其中：
[0044] 图1示出了根据现有技术的助听器的基本结构；
[0045] 图2示出了带有反馈抑制的公知助听器的框图；
[0046] 图3示出了带有用于根据本发明的反馈抑制的步幅控制的助听器的框图；和
[0047] 图4示出了一个子带内的反馈信号的、关于两个信号采样值之间的时间差的自相 关。
【具体实施方式】
[0048] 接下来详细描述的实施例表示本发明的优选实施例。
[0049] 基本上存在有两种原理，其在步幅控制的情况下涉及相关输入信号的问题。
[0050] a.)基础步幅被保持微小，以避免错误适配，由此保持声质量于较高的水平。当反 馈啸叫被探测到时，增高步幅，从而滤波器可以迅速与情况适配。在这样的方式中存在两种 问题：（1)滤波器仅仅在发生反馈啸叫时可以被适配，但这意味着，听力装置或助听器的佩 戴者察觉到不舒服的反馈啸叫，直至滤波器被足够地适配。（2)在没有其它辅助工具情况下 实际上是不可能在反馈啸叫和外部音调声信号之间区分的，因此步幅在音调输入声信号的 情况下经常被增高。这通常会导致滤波器的错误适配和严重的伪迹。其它用于区分反馈声 信号和外部音调信号的辅助工具可以是听筒信号的(非可听见的)相位调制。当该调制在输 入信号中被探测到时，这有较高的可能性是指向反馈啸叫。这样的方法需要数百毫秒，以便 有效探测到调制。此种长期持续的反馈啸叫对于助听器佩戴者是不可接受的。
[0051] b.)基础步幅被提升，从而几乎不能够发生反馈啸叫。当音调的声信号被探测到 时，步幅总是被减小，因为音调的声信号导致错误适配。当尽管有大的步幅而仍然发生反馈 啸叫时，这样的方式带来关于缓慢地对反馈进行适配的危险，因为步幅在反馈啸叫的情况 下(不正确地）被减小。为了抵抗这样不希望的行为，反馈啸叫的可靠和迅速的探测是必须 的。
[0052] 反馈啸叫探测器可以以不同的形式被实现。在简单构造的情况下其寻找输入频谱 中的尖峰。其它方法是，推测输入信号的自相关函数（ACF)。较高的自相关在采样值之间的 时间差不为零的情况下指示音调信号。但是两种方法都不能在外部的音调输入信号和反馈 啸叫之间进行区分。
[0053] 这样的困境通过接下来描述的根据本发明的方式来解决。该新的方式基于例如在 频率区域中的子带处理，例如通过短期傅立叶变换或多相滤波器组来实现。基础步幅被保 持为高，从而滤波器可以迅速对反馈路径的变化进行适配。在音调的输入信号情况下降低 步幅。音调的输入信号通过输入信号的高的自相关值（ACF-值)被表明。输入信号的ACF-值 在每个子带中被估计。在时间点η的（复）信号X (η)的ACF-值对于时间差k被定义为： ACF (n, k) =E {x (n) x (n-k) #} 〇
[0054] 在此E {}表示期望值运算符而x#表示x的共轭复数。符号x (n)在这里被看做 任意信号的代表并且非强制性地与图2中的听筒信号X等同。更确切而言，在本示例中信 号X (η)对应于麦克风信号m。
[0055] 在实践中期望值通过关于时间的平均值来近似，这也可以递归地进行。在此具有 优势的是，ACF-值通过每个值除以在采样值之间的时间差为零时的值被标准化。由此，所 有值位于[_1，1]的范围内。在整个待处理的频带的子带中的音调的输入信号或输入声信 号可以足够准确地作为该子带中的正弦振动被描述。在频率范围中该正弦振动对应于复数 Α#'其中A表示振幅而φ表示相位。该正弦振动的标准化ACF-值的绝对值在任意时间 差k情况下始终为1，因为振幅被标准化为1，和两个复数的指数值的乘积始终具有绝对值 1。因此接近1的值指示音调的输入信号。
[0056] 具有优势的是，在每个单个的频率子带中单独地控制反馈补偿器的步幅。然后在 所有不含音调信号的子带中存有对于反馈路径的变化迅速做出反应的可能性。
[0057] 借助图3现在对助听器的具体结构进行示例性解释，该助听器带有根据本发明的 用于反馈补偿的自适应滤波器的步幅控制。该示例同样适用于其它听力装置。图3中的框 图也象征性表现了在具体示例中的相应的根据本发明的方法。
[0058] 为了区分外部的音调信号和反馈啸叫，将中央信号处理单元7的输出信号X以一 定的差频率在频率范围中移动。所述频率移动对于反馈抑制是有益的，因为它将听力装置 的输入信号和输出信号去关联。为此目的现在通过频率移动单元9 (FS)来补充在中央信 号处理单元7和听筒4之间的主信号路径。在此听力装置的结构基于图2中的结构。为此 要参考那里的描述。
[0059] 中央信号处理单元7的输出信号X于是首先被输送到频率移动单元9。所产生的 信号V于是是用于听筒4的听筒信号。该听筒信号V被传输到反馈补偿器8,其输出信 号现在代表变化了的补偿信号c' =h*x'。如同图2的情况，补偿信号c'借组加法器6 也会被负地加到麦克风信号m上，也就是说从麦克风信号减去，以便获得误差信号e。
[0060] 反馈补偿器8现在拥有不是如图2的示例中的用于适配的固定步幅，而是可变的 步幅μ。该可变步幅μ由信号处理装置3的步幅控制单元?ο (ssc)动态地适配。为此， 步幅控制单元10从同样集成于信号处理装置3的自相关单元11 (ACF)获得自相关值a。 所述自相关值a根据上面的公式由麦克风信号m形成。其尤其由这样的采样值形成，S卩，所 述采样值以时间差k在时间上彼此间隔。该时间差k由信号处理装置3的时间控制单元12 (LC)提供。为此，所述时间控制单元12获得频率移动单元9的数据(尤其是用于频率移动 的移动绝对值或者说差频)。如果这些参量是先验地已知和不随时间变化的，时间差k也可 以以优化的方式被固定地设置。可选地，为了确定用于自相关的时间差k也可以示例性地 考虑中央信号处理单元7的延迟值d。这样也意味着，根据移动频率确定用于自相关的时间 差。然后从自相关值a中确定用于反馈减弱单元8的自适应滤波器的步幅μ。
[0061] 如果现在发生反馈啸叫，该啸叫会通过麦克风被再次接收和在频率中移 动。被移动的啸叫音调会再次被接收和重新移动。由此得出始终重复波谱图模式 (Spektrogrammmuster)的过高频率。所述频率移动导致指向上部或下部的谱线。
[0062] 这样的信号的自相关值a的振幅对于不同的时间差一般而言不接近1。它仅仅是 如同从图4中获悉的那样对于一定的、具有周期性间隔的时间差比较高(接近1)。该图中 自相关值a在反馈的情况下关于时间差k绘出。对于纯正弦音调（如其也通过没有频率移 动的反馈啸叫而产生)作为麦克风信号m根据直线13得出恒定的自相关值a=l。如果现在 输出信号X以频率Π 移动，得出曲线14的自相关值a。在频率移动f2的情况下得出曲线 15,其中 fl〈f2。
[0063] 每条曲线14、15的周期时间通过由信号处理给出的延迟，但是也通过反馈路径和 移动频率来确定。步幅现在仅仅在如下情况下才会被减小，即当自相关值a的振幅接近1 时，这对于特定的时间差k成立。为了判断，是否自相关值"接近1"，可以考虑阈值。例如 当自相关值a在0. 6或60%之上时，该判断为肯定。时间差k取决于移动频率和处理延迟 如此被选择，使得反馈啸叫在相应的时间差k的情况下不提供接近1的自相关值a。优选选 择这样的时间差k，在其情况下自相关值很小且尤其取得最小值。由此控制方法不再相对于 反馈啸叫敏感，且即使将出现反馈啸叫，较高的适配率(较大的步幅）也被保留。
[0064] 在上面的实施例中根据图3从麦克风信号m中计算出自相关值a。在替代的实施 形式中从误差信号e中计算出自相关值a。
[0065] 根据上面的实施例的方法以具有优势的方式相对于基于调制探测的公知方法明 显更快地工作。根据本发明的方法此外还能够，非常迅速(仅仅数毫秒之内）做出反应。根 据配置，于是响应时间可以达到低于l〇ms。
[0066] 简单的如被用于探测音调信号的、仅仅寻找波谱的峰值的反馈探测器并不能够在 外部音调信号和反馈啸叫之间区分，因为上面描述的反馈啸叫的波谱图模式典型地具有微 小带宽和由此由于滤波器组受限的分辨率而通常无法通过纯粹的峰值搜寻被区分。
[0067] 在上面的实施例中，于是在频率范围中工作的反馈补偿器中，将AFC-调整的步幅 控制连同频率移动一起应用，所述频率移动实现了在反馈啸叫和外部音调信号之间进行区 分。此外考虑处理延迟和频率移动，以便在合适的时间差k的情况下确定自相关值。
[0068] 本发明实现了在带有非常高的反馈抑制性能的模式中使用反馈补偿器，其中可以 对反馈路径的变化做出极为迅速的反应。在外部音调信号的正确识别的情况下可以减小在 包含外部音调信号分量的时间-频率-范围中的适配速度。由此可以阻止反馈抑制滤波器 的错误适配，这带来相对于反馈补偿器而言的声质量的明显改进，所述反馈补偿器持续以 高的适配速度来运行。根据本发明的方式另外还是相对于反馈啸叫不敏感的。这是因为， 步幅在反馈啸叫的情况下不被减小，这带来相对于以缓慢模式工作的反馈补偿器而言的明 显更好的抑制性能。此外具有优势的是，根据本发明的步幅控制独立地在子频带中进行，以 便在不包含音调信号的时间频率范围内保持反馈抑制性能。
【权利要求】
1. 一种为了反馈抑制而控制听力装置的自适应滤波器（8)的适配步幅的方法，方式 是： -经由听力装置的麦克风（2)接收声信号和输出相应的麦克风信号（m)， -基于麦克风信号（m)生成用于听力装置的听筒（4)的听筒信号（X')，以及 -通过自适应滤波器（8)减弱麦克风信号（m)中的反馈信号（r)， 其特征在于： -从麦克风信号（m)的采样值中获得自相关值（a)，在所述采样值之间有时间差（k)， -借助自相关值（a)控制自适应滤波器（8)的适配步幅（μ )， -在生成听筒信号（X')时移动基于麦克风信号（m)所获得的输出信号（X)的频率，和 -根据输出信号（X)的频率的移动来控制用于获得自相关值（a)的时间差（k)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，带有时间延迟（d)地从麦克风信号（m)中生成听 筒信号（X')，所述时间延迟被考虑以控制用于获得自相关值（a)的时间差（k)。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，将用于获得自相关值（a)的时间差（k)控制 为使得自相关值（a)在反馈啸叫的情况下位于预先给定的阈值之下。
4. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，将用于获得自相关值（a)的时间差（k)控制 为使得自相关值（a)在反馈啸叫的情况下取得最小值。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助输出信号（X)的频率的移动的 改变来动态地控制用于获得自相关值（a )的时间差（k )。
6. 根据上述权利要求中任一项所述的方法，其在多个频率子带中并行地、分别相互独 立地被执行。
7. 根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，从起始值出发的适配步幅（μ )只有 在如下情况下才会被减弱，即，自相关值（a)在借助在时间差（k)为零时得出的标准相关值 进行标准化之后位于围绕1的预先给定的范围之内。
8. 根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，自相关值（a)不是从麦克风信号（m) 的采样值，而是从误差信号（e)的采样值中获得，该误差信号对应于在麦克风信号（m)和自 适应滤波器（8)的校正信号（c)之间的差异。
9. 一种听力装置，具有： -麦克风（2)，用于接收声信号和输出相应的麦克风信号（m)， -听筒（4)， -信号处理装置（3)，用于基于麦克风信号（m)生成用于听筒（4)的听筒信号（X')，和 -自适应滤波器（8)，用于减弱麦克风信号（m)中的反馈信号（r)， 其特征在于： -自相关单元（11)，用于从麦克风信号（m)的采样值中获得自相关值（a)，在所述采样 值之间有时间差（k)， -控制装置，用于借助自相关值（a)控制自适应滤波器（8)的适配步幅（μ )，其中 -信号处理装置（3)能够在生成听筒信号（X')时移动基于麦克风信号（m)所获得的 输出信号（X)的频率，和 -在自相关单元（11)中，用于获得自相关值（a)的时间差（k)是能够根据输出信号（X) 的频率的移动来控制的。
10.根据权利要求9所述的听力装置，其构造为助听器。
【文档编号】H04R3/00GK104125526SQ201410159335
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2013年4月24日
【发明者】T.D.罗森克兰茨, T.沃兹巴克 申请人:西门子医疗器械公司