在助听器系统中自适应地抑制风噪声的方法和处理单元以
及助听器系统
技术领域
[0001] 本
发明涉及用于在助听器系统中抑制风噪声的方法和处理单元。更具体地，本发明涉及用于在助听器系统中自适应地抑制风噪声的方法和处理单元。本发明进一步涉及具有用于自适应抑制风噪声的装置的助听器系统。
背景技术
[0002] 在本公开的背景下，助听器系统应被理解为用于减轻听
力受损使用者的听力损失的系统。助听器系统可以是单
耳的且仅包含一个助听器，或者可以是双耳的且包含两个助听器。
[0003] 在本公开的背景下，助听器应被理解为设计用于戴在听力受损使用者的人耳后或耳内的小的微
电子设备。在使用之前，根据指示由助听器适配员调节助听器。该指示基于听力受损使用者的独立听力表现的听力测试，其产生所谓的听力图(audiogram)。进行指示从而达到设置，此时通过对使用者经受听力不足的那部分声频范围中的
频率处的声音进行放大，助听器将减轻听力损失。助听器包含一个或多个麦克风、包含
信号处理器的微电子
电路和声学输出换能器。
信号处理器优选地是
数字信号处理器。助听器被封装在壳体内，该壳体适于配置在人的耳后或耳内。
[0004] 在本文背景下，风噪声被定义为由于
湍流气流而在助听器麦克风处产生压力
波动的结果。与此相反，由风产生的声学声音在本文不认为是风噪声，因为这类声音是自然环境的一部分。
[0005] US-B2-7127076公开了用于制造声学设备的方法，尤其是听力设备。设备
外壳被提供有具有电输出的声学/电气输入转换器布置。
音频信号处理单元根据设备的个体需要和/或目的建立设备的
音频信号处理。提供至少一个电气/机械输出转换器。带有可调节高通特性的
滤波器布置具有用于该特性的控制输入。建立以下可操作性连接：输入转换器布置的输出和滤波器布置的输入之间的可操作性连接、滤波器布置的输出和控制输入之间的可操作性连接、滤波器布置的所述输出和处理单元的输入之间的可操作性连接以及处理单元的输出和至少一个输出转换器的输入之间的可操作性连接。
[0006] US-B2-7127076也公开了一种基于来自两个麦克风的
输出信号的风噪声抑制方法。在第一步骤中，输出信号被变换到频域并且被施加到空间滤波器，例如波束形成器。在第二步骤中，维纳(Wiener)滤波器被用于从空间滤波器输出的信号。在最后步骤中，得到的谱被变换回时域，从而生成风噪声抑制信号。
[0007] 基于带有维纳滤波器的配置的系统的一个问题在于它需要噪声谱的估计。噪声谱是难以估计的，并且系统的可靠性和效率会因此受损害，尤其是当风噪声谱随时间变化时。
[0008] US-B2-6882736公开了一种基于若干麦克风的输入检测并随后抑制风噪声的方法。用于减小检测到的风噪声的措施之一是减法滤波器的应用。这类减法滤波器设法保证仅那些由所有麦克风同等发出的信号分量被进一步处理且供给到耳机。仅由一个麦克风发出的不相关风噪声被抑制。
[0009] 该系统的一个问题是麦克风输出信号的简单减法不能有效抑制风噪声。
[0010] 因此，本发明的一个特征至少克服这些
缺陷，并且提供更有效及可靠的用于助听器系统中自适应地抑制风噪声的方法和处理单元，同时保持声学声音的声音保真度。因此可以提高使用者舒适度以及对听力受损的可理解度。
[0011] 本发明的另一特征提供包含适于自适应地抑制风噪声的处理单元的助听器系统。
发明内容
[0012] 在本发明第一方面中，提供了根据
权利要求1所述的用于在助听器系统中自适应抑制风噪声的处理单元。
[0013] 这方面提供用于自适应抑制风噪声的处理单元，其既有效又提供高声音保真度。
[0014] 在本发明第二方面中，提供根据权利要求20所述的助听器。
[0015] 在本发明第三方面中，提供根据权利要求21所述的双耳助听器系统。
[0016] 这些方面提供有效抑制风噪声同时保持高声音保真度的助听器系统。
[0017] 在本发明第四方面中，提供根据权利要求22所述的用于在助听器系统中自适应抑制风噪声的方法。
[0018] 更多有益的特征体现在
从属权利要求中。
[0019] 依据详细解释本发明的以下说明，本发明的其它特征对于本领域技术人员是明显的。
附图说明
[0020] 通过举例，示出且说明了本发明的优选
实施例。如将意识到的，本发明能够有其它不同实施例，且它的若干细节能够有各种明显方面的
修改，而不偏离本发明。相应地，附图和说明被认为在本质上是示例说明性的，而非限制性的。在附图中：
[0021] 图1高度示意性示出根据本发明第一实施例适于在助听器系统中自适应地抑制风噪声的处理单元；
[0022] 图2高度示意性示出根据本发明第二实施例适于在助听器系统中自适应抑制风噪声的处理单元；
[0023] 图3高度示意性示出根据本发明第三实施例适于在助听器系统中自适应抑制风噪声的处理单元；
[0024] 图4高度示意性示出根据本发明第四实施例具有适于自适应抑制风噪声的处理单元的双耳助听器系统的部分；
[0025] 图5高度示意性示出根据本发明第五实施例适于助听器系统中自适应抑制风噪声的处理单元；
[0026] 图6高度示意性示出根据本发明第六实施例的双耳助听器系统。
具体实施方式
[0027] 由湍流气流引起的风噪声具有若干特有属性。首先，即使在风速相对低时风噪声的大小也可能是巨大的。Dillon、Roe和Katsch在1999年澳大利亚的Report National Acoustic Laboratories中的“Wind noise in hearing aids：mechanisms and measurements”显示风速为5米/秒时，测试的所有助听器麦克风由于风噪声变得饱和。其次，它显示在麦克风彼此隔开一到两厘米之间范围的一段距离时，引起的风噪声展示出低相关性。
[0028] 通常，助听器中两个麦克风之间的距离比声源和麦克风之间的距离小很多，因此用于声学声音的远场模型是适当的。助听器中麦克风之间的典型距离大约为10毫米，而且助听器中感兴趣的声学带宽大约在16kHz或更少。因此由两个助听器麦克风拾取的声学声音将是高度相关的。与此相反，由两个助听器麦克风拾取的风噪声将展示出非常低的相关性，因为湍流气流对麦克风的影响通常是近场过程。
[0029] 首先参考图1，其高度示意性示出根据本发明第一实施例的适于在助听器系统中自适应抑制风噪声的处理单元100。假设第一麦克风105和第二麦克风106拾取风噪声101和103以及声学声音102和104。来自第一麦克风的
模拟信号在第一
模数转换器(A/D转换器)113中被转换为第一数字信号107，并且来自第二麦克风的模拟信号在第二A/D转换器114中被转换为第二数字信号108。第一A/D转换器的输出可操作地连接到减法
节点111的第一输入。第二A/D转换器的输出可操作地连接到自适应滤波器109的输入。自适应滤波器109的输出是分支的，并且在第一分支可操作地连接到减法节点111的第二输入，在第二分支可操作地连接到助听器剩余信号处理(图中未示出)的输入。自适应滤波器109的输出由第三数字信号110表示。减法节点111的输出由第四数字信号112表示，第四数字信号112的值被计算为从第一数字信号107的值减去第三数字信号110的值。来自减法节点111的输出可操作地连接到自适应滤波器109的控制输入。
[0030] 在一个实施例中，A/D转换器为∑-Δ转换器。
[0031] 通过考虑线性预测理论，最佳地理解图1的自适应风噪声抑制处理单元。自适应滤波器109作为线性预测器运行，其把第二数字信号108的许多延迟样本视为输入，并且试图找到这些样本的线性组合，该线性组合最佳“预测”第一数字信号107的最近样本。因此，理想地，仅第一数字信号107和第二数字信号108的互相关部分从自适应滤波器109输出。第一数字信号107和第二数字信号108的风噪声部分基本上是不可预测的，因此理论上在自适应滤波器109输出的第三数字信号110中将不考虑该数字信号的风噪声部分。
[0032] 下面进一步说明自适应滤波器109，其中y1(n)和y2(n)表示在时间n处的第一数字信号107和第二数字信号108。H(n)是自适应滤波器的系数向量，且Y2(n)是第一数字信号的信号向量。自适应滤波器的预测误差u(n)由第四数字信号112表示，并且可以通过表达式(1)给出：
[0033] u(n)＝y1(n)-H(n)TY2(n) (1)
[0034] 为了最小化预测误差，价值函数J可以被建立为均方误差：
[0035] J＝E[u(n)2]＝E[(y1(n)-H(n)TY2(n))2] (2)
[0036] 如果信号是稳定的，则可以通过采用价值函数的梯度(gradient)并将其设定为零从而找到维纳Wiener解：
[0037] ▽J＝-2Ry1y2+2Ry2y2H(n)＝0 (3)
[0038] 因此：
[0039]
[0040] 其中Ry1y2是互相关向量，而Ry2y2是
自相关矩阵。
[0041] 关于线性预测的更多细节可以在以下书籍中找到，例如Simon Haykin在Prentice Hall(2001)出版的“Adaptive filter theory”或Saeed V.Vaseghi在John Wiley & Sons(2000)出版的“Advanced digital signal processing and noise reduction”。
[0042] 已知在本领域中使用维纳滤波器来进行风噪声抑制，但已知方法的明显缺点在于维纳滤波器系数的计算需要对噪声谱或期望的声学信号谱的估计。根据本发明，仅需要麦克风输出信号。
[0043] 通常，语音和风噪声两者都是波动的，并且所以滤波器109需要能够适应这些波动。在一个实施例中，滤波器109依照典型最小均方(LMS)
算法进行适应：
[0044] H(n+1)＝H(n)+μ▽J
[0045] H(n+1)＝H(n)+μ(2Y2(n)y1(n)-2Y2(n)Y2(n)TH(n))
[0046] H(n+1)＝H(n)+2μY2(n)(y1(n)-Y2(n)TH(n))
[0047] H(n+1)＝H(n)+2μY2(n)u(n) (5)
[0048] 其中μ表示适应的步长。
[0049] 在一个实施例中，适应的步长是自适应的且与表示预测误差的第四数字信号112的幅度成比例。
[0050] 执行典型LMS算法或标准形式LMS算法(NLMS算法)需要相对高复杂度的数字电路，其在功率消耗和制造成本方面是昂贵的。
[0051] 为了降低复杂度，根据另一个实施例，NLMS算法能够以子带(sub band)形式执行。现在参考图5，其高度示意性地示出根据本发明第五实施例的适于在助听器中自适应抑制风噪声的处理单元500。处理单元500构成自适应风噪声抑制处理单元的子带执行。假设通过第一麦克风505和第二麦克风506拾取风噪声101和103以及声学声音102和104。来自第一麦克风的模拟信号在第一模数转换器513中转换为第一数字信号507，而来自第二麦克风506的模拟信号在第二模数转换器514中转换为第二数字信号508。第一数字信号507和第二数字信号508分别被输入到第一带分离(band split)滤波器515和第二带分离滤波器516，因此提供N个频率子带，其中每一个数字信号具有第一数字子带信号517-1，
517-n，…517-N和第二数字子带信号518-1，518-n，…518-N。图5中仅示出一个示范的任意频带，为了清楚，提供剩余的频带。通常这将产生这样的窄子带频率带宽，即每个子带中的信号可以被视为
光谱白色，因此不需要第一数字信号507和第二数字信号508的预处理。每个子带进一步包含子带自适应滤波器509-1，…，509-n，…，509-N和子带减法节点
511-1，…，511-n，…，511-N。每个自适应子带滤波器的系数远小于相应宽频带自适应滤波器的系数。在一个实施例中，一个系数对于每个子带自适应滤波器是足够的。每个子带自适应滤波器的输出510-1，…，510-n，…，510-N可操作地连接到助听器中剩余信号处理的输入，其包含子带求和
块，这对于所有子带(未在图中示出)是公用的。
[0052] 在可替换的实施例中，可以执行符号-符号LMS(sign-sign LMS)算法来替代NLMS算法。
[0053] 在另一个实施例中，自适应滤波器是非
线性滤波器，且在又一个实施例中，自适应滤波器是非递归的。
[0054] 可在以下任一书籍中找到自适应滤波器的综述，Simon Haykin在Prentice Hall(2001)出版的“Adaptive filter theory”或Philipp A.Regalia在1995年出版的教科书“Adaptive IIR Filtering in Signal Processing and Control”。
[0055] 在另一个实施例中，适应步长的大小取决于预测误差和第二数字信号的符号。因此风噪声抑制能够在风噪声开始时快速反应并且在风噪声消失时较慢反应。这增加了收听舒适度并且在低频带尤其有益。
[0056] 在另一个实施例中，为风噪声支配语音的低频带固定适应的步长。因此，可以降低自适应风噪声抑制处理单元的复杂度。
[0057] 根据实施例，用于执行子带风噪声抑制处理单元的第一和第二带分离滤波器已经是助听器中标准信号处理的一部分，因此，不需要额外带分离滤波器来执行自适应风噪声抑制处理单元的子带形式。
[0058] 根据另一个实施例，仅在最低频带中应用子带自适应风噪声抑制处理单元，因为在高频带的风噪声是可以忽略的。因此，系统复杂度和功率消耗可以被降低。
[0059] 根据又一个实施例，仅响应风噪声的检测，激活自适应风噪声抑制处理单元。在一个实施例中，计算第一和第二数字信号的互相关，并将其与第一
阈值进行比较。如果互相关低于第一阈值，则采取风噪声的检测。在特别有利的实施例中，计算的互相关值也由助听器的其它部分使用。在该实施例中，可以短时间间隔执行风噪声检测，而只需要有限的额外功率消耗。
[0060] 在另一个实施例中，风噪声的检测也取决于第一和第二数字信号中功率
水平的估计是否高于第二阈值。
[0061] 在另一个实施例中，自适应风噪声抑制处理单元也用于抑制其它类型的不相关噪声。不相关噪声的一个示例是内部麦克风噪声。此类型噪声通常是仅当信号功率水平非常低时可听得见。因此在当第一和第二数字信号的互相关低于第三阈值且第一和第二数字信号的功率水平的估计分别低于第四阈值的情况下，风噪声抑制处理单元被激活。
[0062] 在另一个实施例中，仅响应风噪声事件的检测，激活自适应风噪声抑制处理单元。当激活后，在没有新检测到风噪声事件的情况下经过一个时间段之后，才停用自适应风噪声抑制处理单元。在一个实施例中，时间段大于10秒。在另一个实施例中，时间段小于两分钟。优选地，时间段为大约20秒。因此，可以实现几乎没有突变的平滑自适应风噪声抑制，因为能够避免自适应风噪声抑制处理单元过于频繁的激活和停用。当在给定时间段内没有检测到风噪声时，自适应风噪声抑制处理单元仍被停用以便减少功率消耗。
[0063] 现在参考图2，其高度示意性地示出根据本发明第二实施例的适于在助听器中自适应风噪声抑制的处理单元200。图2类似于图1，其假设通过第一麦克风205和第二麦克风206拾取风噪声101和103以及声学声音102和104。来自第一麦克风的模拟信号在第一A/D转换器213中转换为第一数字信号207，而来自第二麦克风的模拟信号在第二A/D转换器214中转换为第二数字信号208。无论第一数字信号207或第二数字信号208中的哪一个具有最低水平的风噪声，其均将被可操作地连接到自适应滤波器209的输入，且第一数字信号207或第二数字信号208中具有最高水平风噪声的那个将被可操作地连接到减法节点211的第一输入。第一
开关允许第一A/D转换器213的输出可操作地连接到自适应滤波器209的输入，图2中由箭头216-a表示，或连接到减法节点211的第一输入，图2中由箭头216-b表示。第二开关允许第二A/D转换器214的输出可操作地连接到自适应滤波器209的输入，图2中由箭头217-b表示，或连接到减法节点211的第一输入，图2中由箭头
217-a表示。通过单元215使用
控制信号218和219设定开关。当第一数字信号207的风噪声水平高于第二数字信号208中的风噪声水平时，开关将占据
位置216-b和217-b。可替换地，切换系统将占据位置216-a和217-a。
[0064] 在一个实施例中，开关/切换控制单元215估计和比较两个数字信号207和208的功率水平，以便确定风噪声的水平。估计的功率水平可以被计算为绝对平均值、百分位值或某些其它种类的信号水平估计。
[0065] 自适应风噪声抑制处理单元的剩余部分类似于图1，自适应滤波器209的输出是分支的，且在第一分支可操作地连接到减法节点211的第二输入，而在第二分支可操作地连接到助听器中剩余信号处理(图中未示出)的输入。自适应滤波器209的输出以第三数字信号210表示。减法节点211的输出可操作地连接到自适应滤波器209的控制输入。从减法节点211输出的第四数字信号212按照第一数字信号207的值减去第三数字信号210的值来计算。
[0066] 图2示出的根据实施例的风噪声抑制处理单元在风噪声抑制效率方面是有利的。
[0067] 很多当代的助听器包含固定的
指向性系统或者甚至包含自适应指向性系统。这类系统通常包括用于空间变换第一和第二数字麦克风输出信号的装置。空间变换的示例包括将两个数字信号相加，因此生成全向性信号或将两个数字信号相减，因此生成双向性信号。根据本发明的一个实施例，在空间变换之前，风噪声抑制处理单元把第一和第二数字麦克风输出信号用作输入，且提供风噪声已被抑制的仅单一数字信号作为输出。因此，根据本发明的实施例，风噪声抑制处理单元具有适于响应风噪声的检测来触发空间变换装置的旁路的装置。
[0068] 现在参考图3，其高度示意性地示出助听器300的部分，其包含输出两个数字信号的根据本发明第三实施例的风噪声抑制处理单元，其中风噪声已被抑制且两个数字信号之间的
相位信息被保存。图3类似于图1，假设通过第一麦克风305和第二麦克风306拾取风噪声101和103以及声学声音102和104。来自第一麦克风的模拟信号在第一A/D转换器313中被转换为第一数字信号307，且来自第二麦克风的模拟信号在第二A/D转换器314中被转换为第二数字信号308。第一A/D转换器313的输出是分支的，且在第一分支可操作地连接到第二自适应滤波器320的输入，而在第二分支可操作地连接到第一减法节点311的第一输入。以类似方式，第二A/D转换器314的输出是分支的，且在第一分支可操作地连接到第一自适应滤波器309的输入，而在第二分支可操作地连接到第二减法节点322的第一输入。第二自适应滤波器320的输出是分支的，并且在第一分支可操作地连接到第二减法节点322的第二输入，而在第二分支可操作地连接到助听器中剩余信号处理(图中未示出)的输入。以类似方式，第一自适应滤波器309的输出是分支的，并且在第一分支可操作地连接到第一减法节点311的第二输入，而在第二分支可操作地连接到助听器中剩余信号处理(图中未示出)的输入。第一减法节点311的输出可操作地连接到第一自适应滤波器309的控制输入，而第二减法节点322的输出可操作地连接到第二自适应滤波器320的控制输入。
[0069] 因此，提供了可以简单且有效的方式与指向性系统一起实现的风噪声抑制处理单元。
[0070] 另一个实施例中，风噪声抑制处理单元仅在低频率子带中实现，同时波束形成在剩余高频率子带中实现。
[0071] 很多当代助听器也包含除指向性系统之外的自适应反馈抑制处理单元。在这类助听器的一个实施例中，从展示出全向性特性的数字信号的值中减去第一反馈抑制信号的值，且从展示出双向性特性的数字信号的值中减去第二反馈抑制信号的值。在WO-A1-2007042025中进一步说明这类助听器。
[0072] 根据本发明的一个实施例，风噪声的检测触发空间变换装置的停用，且因此从第一数字麦克风输出信号的值中而不是从展示出全向性特性的数字信号的值中减去第一反馈抑制信号的值，并且从第二数字麦克风输出信号的值中而不是从展示出双向性特性的数字信号的值中减去第二反馈抑制信号的值。
[0073] 在另一个优选实施例中，响应风噪声的检测，反馈抑制信号与展示出双向性特性的数字信号的结合将被停用。因此，由于双向性信号分支中的反馈的自适应模型，避免了声音伪迹和无效/低效的风噪声抑制。
[0074] 现在参考图4，其高度示意性地示出根据本发明第四实施例的双耳助听器系统400的部分，其由第一助听器401和第二助听器402构成(为了清楚，仅示出助听器的第一部分)。每个助听器包含输入麦克风405和406、A/D转换器413和414、自适应滤波器409和420、减法节点411和412、天线423和424以及开关427和428，其中天线423和424连接到用于在两个助听器之间提供双向链路的适当的收发装置(未示出)。助听器开关允许以两种方式配置双耳助听器系统。在第一种情况中，通过将第一开关427设置在箭头425-2表示的位置并且将第二开关428设置在箭头426-1表示的位置，第一助听器中A/D转换器
413的输出可操作地连接到第二助听器中减法节点411的第一输入。在第二种情况中，通过将第一开关427设置在箭头425-1表示的位置并且将第二开关428设置在箭头426-2表示的位置，第二助听器中来自A/D转换器414的输出可操作地连接到第一助听器中减法节点
422的第一输入。在优选实施例中，助听器系统在两种切换配置之间循环，以便提供自适应滤波器的连续更新。
[0075] 在此提供双耳助听器系统，其改进了对于由低频湍流引起的风噪声的自适应抑制，因为该类型风噪声相比于由高频流引起的风噪声在更长的距离上保持相关性。此外，该类型噪声抑制针对源于非常靠近预期助听器使用者一只耳朵位置的噪声也是有效的。一个示例是由于放置助听器或对助听器操作控制的噪声。此外，即使当每个助听器仅包含一个麦克风时，也可以实现根据该实施例的双耳助听器系统。
[0076] 现在参考图6，其高度示意性地图示说明根据本发明第六实施例的双耳助听器系统600。双耳助听器系统600包含左助听器601-L和右助听器601-R。每个助听器包含自适应风噪声抑制处理单元602-L和602-R、用于在两个助听器之间提供双向链路的天线603-L和603-R、数字信号处理单元604-L和604-R以及声学输出换能器605-L和605-R。
[0077] 对于本领域技术人员来说结构和步骤的其它修改和变化是明显的。
