使用耳间信号传输减少助听器中的声反馈的系统及方法

技术领域

本发明涉及听音装置中的反馈抵消。本发明尤其涉及包括第一和第二空间上分开的助听器的助听器系统，该系统适于处理输入声音以根据用户需要输出声音。

本发明还涉及用于在包括第一和第二助听器的助听器系统中减少声反馈的方法，每一助听器处理声音以根据用户需要和助听器系统的使用输出声音。

例如，本发明可用在如听音装置的应用中，听音装置如助听器、头戴式耳机或有源耳塞。

背景技术

下面的现有技术说明涉及本发明的应用领域之一即助听器。

从助听器(具体为传声器和接收器彼此间距离较短的助听器)的接收器到传声器的声泄漏在助听器增益增大到高于某点时可导致反馈不稳定性或振荡。不稳定性条件由Nyquist准则给出，该准则规定振荡将在环路周围的相位变化为360度的多倍且环路增益大于1时的任何频率出现。

在传统反馈抵消算法中，试图通过自适应滤波器模拟声反馈路径然后产生反馈信号的估计量。有几种更新自适应滤波器的方法。一种常用的方法使用输出信号(从处理单元到接收器)作为参考信号及在(来自传声器的输入信号)抵消之后使用残留信号作为误差信号，并连同使误差信号的能量最小化的滤波器系数更新方法一起使用这些信号，如最小均方(LMS)算法。这种方案称为“闭环标识的直接方法”，并在图4的助听器中示出。

直接方法的好处在于，如果输出信号不与输入信号关联，则不必使用参考信号中的探针噪声信号。然而，不幸的是，在助听器应用中，输出和输入信号通常关联，因为输出信号实际上是输入信号的延时(及处理)版本；因此，输入信号中的自相关导致输出信号和输入信号之间的关联。如果这两个信号之间存在关联，反馈抵消滤波器不仅将减少反馈效应，而且还消除输入信号的分量，从而导致信号失真及可懂度(在输入信号是语音的情况下)和声音质量(在音频输入信号的情况下)的可能损失。

US 2007/0076910 A1涉及操作听音装置系统的方法，该系统包括位于人两耳处的第一和第二听音装置，其中每一听音装置的传声器信号无线传输给另一听音装置并在那里进行处理以降低从接收器到给定听音装置的传声器的声反馈风险。

WO 99/43185 A1涉及双耳助听器系统，该系统包括位于人两耳处的第一和第二听音装置，其中每一听音装置的传声器信号无线传输给另一听音装置，及其中每一助听器装置包括信号处理装置，其处理来自其自身传声器的传声器信号及从另一助听器装置无线接收的传声器信号。

发明内容

本发明的目的在于提供用于减少助听器系统中的声反馈效应的备选方案。

在本发明中，减少声反馈的新方案通过使用耳间信号传输提出，及可选使用二进位增益图提出。本发明方法需要两个空间上分开的听音装置，如两个助听器，如一只耳朵一个。

本发明的目标通过附图及下面描述的发明实现。

本发明的目标通过包括第一和第二空间上分开的助听器的助听器系统实现，该系统适于处理输入信号以根据用户需要输出声音，第一助听器包括：

-用于将第一输入声音转换为第一电输入信号的第一输入变换器；及

-用于将第一已处理的电输出信号转换为第一输出声音的第一输出变换器；

第二助听器包括：

-用于将第二输入声音转换为第二电输入信号的第二输入变换器；及

-用于将第二已处理的电输出信号转换为第二输出声音的第二输出变换器；

-该系统适于实现：源自第一助听器的第一电输入信号的第一Tx信号被传给第二助听器并按第二已处理的电输出信号的形式使用；及源自第二助听器的第二电输入信号的第二Tx信号被传给第一助听器并按第一已处理的电输出信号的形式使用。

本发明的优点在于提供减少或有效消除一对助听器中的声反馈的方案。

在本说明书中，术语“源自电输入信号”意为信号基于或源自输入变换器的电输入信号(如衰减或放大版)，如来自输入变换器的模拟输出信号或其数字化版本(如来自连接到输入变换器的A/D转换器)，或电输入信号的已处理版本，例如其中方向信息已被提取，或最终地，电输入信号已在数字信号处理器中进行处理并适于用户听力情况(例如，作为转发给输出变换器的已处理输出信号的形式)。总的来说，术语“源自信号2的信号1”表明信号1基于或源自信号2(如衰减、放大或修改版本)。术语“源自信号2的信号1”表明信号1的源(如功能模块或部件的输出)电连接到信号2的目的地(如功能模块或部件的输入)。术语“源自”可表示“等于”(如信号实质上一样)。

术语“按......形式使用”在此理解为与初始信号“相加”、与初始信号“相减”、与初始信号“相乘”或与初始信号结合以形成所提及的信号(如包括初始信号的进一步处理)。术语“信号1按信号2的形式使用”可表明信号1的源电连接到信号2的目的地。术语“按......形式使用”可表示“等于”(即信号一样)。

在本说明书中，术语“助听器”意为包括听音装置，该听音装置包括传声器，传声器信号的随频率而变的增益将由接收器(扬声器)呈现给用户。

术语“空间上分开”意为间隔开一定物理距离，如至少分开0.1m。在实施例中，如果第一和第二助听器位于人体的不同部分上，如一个在耳朵处而另一个在脖子附近或在口袋中，或在用户头部的每一侧，或在用户的各个耳朵处，则两个助听器“空间上分开”。在实施例中，第一(第二)输入变换器与第二(第一)输出变换器空间上分开，因为当系统处于运行中时其之间的距离大于0.05m，如在从0.05m到0.2m的范围中。在实施例中，第一(第二)输入变换器与第二(第一)输出变换器空间上分开，因为当系统处于运行中时其之间的距离小于1m，如小于0.5m。

在优选实施例中，第一和/或第二Tx信号包括助听器考虑的全部音频频率范围，例如20Hz和12kHz之间的频率范围。或者，第一和/或第二Tx信号包括助听器考虑的全部音频频率范围的一部分，如一个或多个特定频率范围或频带，例如相对低的频率范围(如低于1500或1000Hz)或相对高的频率范围(如高于2000或4000Hz的频率)。

在优选实施例中，第一助听器包括第一信号处理单元(SPU-1)，其处理第一SPU-1输入信号、提供第一随频率而变的正向增益G-11、及提供相应的已处理G-11输出信号，及其中本发明系统适于实现第一SPU-1输入信号源自第二Tx信号(如参考图5、6)。因此，在第一助听器中处理的信号已在空间上分开的第二助听器中拾取。

在具体实施例中，第一信号处理单元(SPU-1)适于处理第二SPU-1输入信号、提供第二随频率而变的正向增益G-12、及提供相应的已处理G-12输出信号，及其中本发明系统适于实现第二SPU-1输入信号源自第一电输入信号(如参考图5、6)。这提供了处理源自助听器2的输入信号及源自助听器1的输入信号的选择。所得到的两个已处理G-11和G-12输出信号可被进一步处理，如比较或结合(如参考图6)。

在具体实施例中，本发明系统适于实现：第一Tx信号(实质上)等于由第一输入变换器提供的第一(优选数字化)电输入信号(如参考图6中的信号第一Tx)。

在具体实施例中，第二助听器包括第二信号处理单元(SPU-2)，其处理第一SPU-2输入信号、提供第一随频率而变的正向增益G-21、及提供相应的已处理G-21输出信号，及其中本发明系统适于实现第一SPU-2输入信号源自第一Tx信号(如参考图5、6)。因此，在第二助听器中处理的信号已在空间上分开的第一助听器中拾取。

在具体实施例中，第二信号处理单元(SPU-2)适于处理第二SPU-2输入信号、提供第二随频率而变的正向增益G-22、及提供相应的已处理G-22输出信号，及其中本发明系统适于实现第二SPU-2输入信号源自第二电输入信号(如参考图5、6)。这提供了处理源自助听器1的输入信号及源自助听器2的输入信号的选择。所得到的两个已处理G-21和G-22输出信号可被进一步处理，如比较或结合(如参考图6)。

在具体实施例中，本发明系统适于实现：第一已处理电输出信号源自已处理G-11输出信号(参考图5、6中的G-11输出)。鉴于声反馈，这具有优点：第一输出声信号基于在空间上分开的位置(即助听器2)中拾取的输入声信号。

在具体实施例中，本发明系统适于实现：第一已处理电输出信号源自已处理G-11输出信号和已处理G-12输出信号的结合。这具有优点：第一输出声信号可由源自任一助听器或两个助听器的信号组成，如基于第一助听器的、在声反馈或具有声反馈的风险可以忽略的频率范围中的输入声信号及基于第二助听器的、声反馈或具有声反馈的风险相当大的频率范围中的输入声信号。或者，第一输出声信号可以是两个已处理输出信号(图6中的G-11、G-12)的和(可能为加权和)。

在具体实施例中，本发明系统适于实现：第二已处理电输出信号源自已处理G-21输出信号(参考图6中的G-21输出)。鉴于声反馈，这具有优点：第二输出声信号基于在空间上分开的位置(即助听器1)中拾取的输入声信号。

在具体实施例中，本发明系统适于实现：第二已处理电输出信号源自已处理G-21输出信号和已处理G-22输出信号的结合。这具有针对第一助听器的第一已处理电输出信号的相应特征概括的优点。

在具体实施例中，本发明系统适于实现：第一Tx信号源自已处理的G-12输出信号。在实施例中，第一Tx信号电连接到第二输出变换器。在实施例中，已处理的G-12输出信号等于第二已处理电输出信号。在具体实施例中，本发明系统适于实现：第二已处理电输出信号等于第一Tx信号。这具有优点，即第二助听器可实施为稍简单的装置，例如没有信号处理部分(参考图5的实施例)。

在“正常”单助听器中，避免反馈振荡的条件是对于所考虑频率范围中的所有频率f，环路增益LG＝|H(f)·G(f)|＜1，其中H是声传递函数，G是助听器的正向传递函数，及f是频率(或者，当假定反馈增益(FBG)和正向增益(FwG)的对数表达式时，LG[dB]＝FBG+FwG＜0)。

在实施例中，在频域中分析电输入信号，即信号路径包括时间-频率(t-＞f)转换单元，例如滤波器组或傅立叶变换单元的形式或任何其它适当的t-＞f转换单元。优选地，电输入信号通过以预定采样频率(f_s)采样模拟电输入信号的采样单元变换为数字信号。优选地，数字化电输入信号排列成帧，帧包括代表预定时间中的信号(N_s/f_s)的电输入信号的多个(N_s)数字化值。

术语“随频率而变的增益”表明增益G(f)与频率f具有函数相关性。原则上，该函数相关性可由任何连续或不连续函数表示，并可在所考虑的整个频率范围中的一个或多个局部频率范围内恒定不变。在实践中，单一助听器或助听器系统考虑的频率范围Δf＝[f_min；f_max]限定为人类正常听得见的频率范围，如20Hz≤f≤20kHz(或者通常具有更低的上限，如8kHz或12kHz)，及通常分为N个频带(FB)，(FB₁，FB₂，....，FB_N)，例如N＝16；及对于第i(i＝1，2，...，N)频带中的所有频率f，对每一频带，环路增益表达为LG_i(f)＝FBG_i(f)+FwG_i(f)。优选地，在每一频带中使用环路增益的最大值LG_i，max＝(FwG_i+FBG_i)_max，i＝1，2，...，N。频带N的数量可取为适于所涉及应用的任何适当的值。各个频带可具有相等的频宽或可具有变化的频宽。

在本发明的实施例中，本发明系统适于实现：对于本发明系统考虑的正常人听得见的频率范围中的所有频率f，f_min≤f≤f_max，环路增益小于1，即LG＝|H₁(f)·G₂(f)·H₂(f)·G₁(f)|＜1，其中f_min如为20Hz，及f_max如为12kHz，其中H_k为声反馈传递函数，及G_k为助听器k(k＝1，2)的正向传递函数。在实施例中，本发明系统适于实现：在本发明系统考虑的频带FB_i(i＝1，2，...，N)的至少一(如第q个)频带中，对于第q个频带中的所有频率f，环路增益小于1，即LG_q(f)＝|H₁(f)·G₂(f)·H₂(f)·G₁(f)|＜1(即意味着LG_q，max＜1)。在实施例中，本发明系统适于确定最可能产生反馈振荡的频带。在实施例中，本发明系统适于动态确定最可能产生反馈振荡的频带。在实施例中，本发明系统适于在其使用之前(如在验配过程期间)确定最可能产生反馈振荡的频带。在实施例中，本发明系统适于实现：对于检测为最可能产生反馈振荡的频带(在此为第q个频带)中的所有频率f，LG_q(f)＝|H₁(f)·G₂(f)·H₂(f)·G₁(f)|＜1。最可能产生反馈振荡的频带的动态确定可基于正向通路的信号处理器在给定时间t_n请求的正向增益FwG_req(FB_q)(t_n)(基于用户需要及所涉及输入信号的当前水平，可能考虑预置压缩方案)，与所涉及频带的预定(pd)最大环路增益值LG_max(FB_q)(pd)比较的估计反馈增益FBG_est(FB_q)(t_n)(如使用具有自适应滤波器的电反馈环路)。

在本发明的实施例中，本发明系统适于提供已处理输出信号的时间频率图。在实施例中，本发明系统适于使各个频带的增益操纵基于输入信号的信号表示的时间频率图。在具体实施例中，输入信号的信号表示在特定时间瞬间t_n的时间-频率块在第一和第二助听器之间交换。在具体实施例中，包括在特定时间瞬间t_n的一个或多个所选频带的块的一部分在第一和第二助听器之间交换。在实施例中，本发明系统适于根据输入信号、正向增益、环路增益等中的一个或多个随时改变交换策略。在第一和第二助听器(HI)之间进行交换意为HI₁的所涉及帧或该帧的部分被复制到HI₂，及HI₂的所涉及相应(初始)帧或该帧的部分被复制到HI₁。时间频率映射的各个方面在P.P.Vaidyanathan于1993年在Prentice Hall Signal Processing Series的Multirate Systems and Filter Banks中描述。

在具体实施例中，第一和第二助听器之间的传输基于有线传输或无线传输，如基于感应耦合(近场)或辐射场。

在具体实施例中，助听器系统适于保留给第一和第二助听器的输入声音信号的方向提示。在本说明书中，术语“方向提示”意为耳间时间和/或电平差等，如正常听力的人感知声音时所经受的那样。这具有避免用户大脑混淆的优点。例如，这可通过使本发明系统适于利用预先记录的、分别从左耳到右耳及从右耳到左耳的传递函数H_LR(ω，α)和H_RL(ω，α)的制表而实现，以保留给第一和第二助听器的输入声音信号的方向提示。在具体实施例中，助听器系统还适于针对目标信号的不同到达方向α将声反馈传递函数H_LR(ω，α)和/或H_RL(ω，α)制成表，其中α是目标声信号在水平面中的入射角。在具体实施例中，助听器系统适于针对目标信号的不同到达方向将声反馈传递函数和/或制成表，其中是目标声信号相对于水平面的仰角。总的来说，助听器系统适于：对于左耳经补偿方向提示，及对于右耳经补偿方向提示。在具体实施例中，助听器系统适于通过以对应于的脉冲响应如的逆傅立叶变换对左耳中从给定角度拾取的信号卷积而补偿方向提示，对于右耳反之亦然。参照球面坐标系统，其具有与地面平行并穿过所涉及的站立在地面上的人的耳朵的水平面。α是声音源与水平面中人鼻子定义的方向的角度，及为声音源与水平面的角度。

在具体实施例中，助听器系统适于实现：第一和第二助听器的至少部分(如大部分或全部)频带FB_i1和FB_i2的正向增益G_i1和G_i2彼此互补(i＝1，2，...，N)。

在本说明书中，与两个(子)频带的正向增益有关的术语“彼此互补”意为一个比另一个大，例如一个至少为另一个的两倍，如至少为另一个的10倍，如至少为另一个的100倍以确保当一个相对大时另一个相对小。当提及优选实施例时，术语G₁和G₂“彼此互补”意为|G₁·G₂|＜1/|H₁·H₂|。在实施例中，|G₁·G₂|＜0.1，如|G₁·G₂|＜0.05，如|G₁·G₂|＜0.01，如|G₁·G₂|＜0.005。G₁和G₂为正向传递函数，及H₁和H₂分别为第一(下标1)和第二(下标2)助听器的声传递函数。在实施例中，上面提及的正向传递函数的积关系逐频带实现，|G_i1·G_i2|＜0.1等，i＝1，2，...，N。在实施例中，上面提及的关系对至少一频带实现，如助听器系统考虑的频率范围的大部分或所有频带。在实施例中，上面提及的关系仅针对最可能产生反馈振荡的频带进行检查和/或实现。

在具体实施例中，助听器系统适于实现：第一助听器的给定频带FB_i1的子范围SB_i1j被设定为相对低的值G_low，i1j，及第二助听器的相应频带FB_i2的相应子范围SB_i2j被设定为相对高的值G_high，i2j，反之亦然。

在本说明书中，术语相对低和相对高意为相对高的值比相对低的值大，例如相对高的值至少为相对低的值的两倍，如至少为相对低的值的10倍，如至少为相对低的值的100倍。

在具体实施例中，助听器系统适于实现：第一助听器的给定频带FB_i1的子范围SB_i1j被设定为相对低的值G_low，i1j，及第一助听器的同一频带FB_i1的相邻子范围SB_i1(j+1)被设定为相对高的值G_{high，i1(j+1)}；及第二助听器的相应频带FB_i2的相应子范围SB_i2j被设定为相对高的值G_high，i2j，及第二助听器的同一频带FB_i2的相邻子范围SB_i2(j+1)被设定为相对低的值G_{low，i2(j+1)}；反之亦然。因此，在该频带的任何频率处的环路增益均保持低增益，且反馈不稳定性得以降低，如得以实质上避免。

在具体实施例中，助听器系统适于实现：第一和第二助听器的频带FB_i1、FB_i2的正向增益的相对低的值G_low，i1j、G_{low，i2(j+1)}分别被设定为理论上的零(即物理上尽可能接近)。因此，该频带的任何频率处的环路增益均保持接近于零，且反馈不稳定性得以避免。

在具体实施例中，助听器系统适于实现：大部分如全部频带(i＝1，2，...，N)符合上面概述的互补正向增益方案。

总的来说，第一和第二助听器的一个或多个频带FB_i1、FB_i2(i＝1，2，...，N)可分别再分为M_i个子频带SB_i1j、SB_i2j(j＝1，2，...，M_i)。在实施例中，一个或多个相应频带FB_i1、FB_i2在其子频带SB_i1j、SB_i2j(j＝1，2，...，M_i)中具有交变的相对高的值和相对低的值，如果SB_i11相对低，则SB_i21相对高，反之亦然。

在具体实施例中，助听器系统适于实现：第一和第二助听器的一个或多个(如大部分或全部)相应频带FB_i1、FB_i2中的每一个分别包括两个子频带SB_i11、SB_i12及SB_i21、SB_i22，例如，每一个构成该频带的频率范围的一半。

在具体实施例中，助听器系统适于实现：第一和第二助听器的至少部分(优选大部分，如全部)频带FB_i1、FB_i2的频率范围根据听觉感知理论定义的临界频带进行安排(i＝1，2，...，N)，例如参见B.C.J.Moore在2004年于Elsevier Academic Press第三章的“An Introductionto the Psychology ofHearing”。通过确保高和低增益值均出现在每一临界频带内(参考图3，其中垂直虚线指示临界频带的界限，助听器1和2的每一临界频带FB_i1、FB_i2(i＝1，2，...，N)(在此)分别拆分为两个子频带SB_i11、SB_i12和SB_i21、SB_i22)，可以确保特定的合乎需要的信号功率出现在每一临界频带内同时还避免反馈问题。在此我们提出这样的看法：根据非常粗糙的听觉系统模型，只要每一临界频带内的能量总量正确，则对于感知质量而言每一临界频带内的能量精确分布不太重要。这样，减少了该进取型增益策略的可能负面感知结果(如定位给定声音源的能力的丧失及声音质量降级)。

在具体实施例中，助听器系统的每一助听器包括反馈抵消系统，该反馈抵消系统包括反馈通路估计单元如包括自适应滤波器。

减少包括第一和第二助听器的助听器系统中的声反馈的方法，适于处理输入声音以根据用户需要输出声音的系统也由本发明提供，所述方法包括：在所述第一和第二助听器中

-实现输入声音被分别转换为第一和第二电输入信号；

-实现第一和第二已处理电输出信号分别被转换为输出声音；及

实现：源自第一助听器的第一电输入信号的第一Tx信号被传给第二助听器并按第二已处理电输出信号的形式使用，及源自第二助听器的第二电输入信号的第二Tx信号被传给第一助听器并按第一已处理电输出信号的形式使用。

上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的、及权利要求书限定的系统的结构特征当由相应过程特征适当替代时可与本发明方法结合。本发明方法的实施例具有与相应系统一样的优点。

上面描述的系统和方法的至少部分特征可以软件实现并全部或部分通过执行信号处理器可执行指令而在助听器系统的信号处理单元上完成。指令可以是经(可能无线)网络或链路加载在内存如位于助听器或另一装置中的RAM或ROM中的程序代码。或者，所述特征可用硬件而不是软件实现，或用硬件与软件的组合实现。

上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求书限定的助听器系统的用途也由本发明提供。

另一方面，在助听器系统的信号处理器上运行的软件程序也由本发明提供。当实现上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求书限定的方法的至少部分步骤的软件程序在信号处理器上运行时，提供特别适于数字助听器的解决方案。

另一方面，指令保存于其上的介质也由本发明提供。这些指令当执行时导致上面描述的、“具体实施方式”中详细描述的及权利要求书限定的助听器系统的信号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书限定的方法的至少部分步骤。

本发明的进一步的目标通过从属权利要求和本发明的详细描述中限定的实施方式实现。

除非明确指出，在此所用的单数形式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，在说明书中使用的术语“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。此外，如在此使用的“连接”或“耦合”可包括无线连接或耦合。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。除非明确指出，在此公开的任何方法的步骤不必须精确按所公开的顺序执行。

附图说明

下面参考附图、结合优选实施例进一步详细阐释本发明，其中：

图1示出了所提出的系统设置。来自每一助听器的传声器信号被改道发送到另一侧。|G₁|(|G₂|)和|H₁|(|H₂|)分别为左(右)助听器的随频率而变的正向增益和反馈增益。

图2示出了现有技术传统的双耳助听器系统(图2a)及根据本发明的助听器系统的实施例(图2b、2c、2d)。

图3示意性地示出了根据本发明的助听器系统实施例的不同频带的示例性(理想化)相应正向增益值|G₁|和|G₂|。

图4示出了包括信号通路和反馈抵消通路的(现有技术)助听器的示意性表示，其中反馈抵消通路包括自适应滤波器。

图5示出了根据本发明的助听器系统的实施例，其中一个助听器实现两个助听器的处理。及

图6示出了根据本发明的助听器系统的实施例，其中每一助听器中的处理基于来自两个助听器的传声器信号。

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必要的细节，而省略其他细节。

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，因为，对于本领域的技术人员来说，通过这些详细说明在本发明精神和范围内做出各种变化和修改是显而易见的。