СПОСОБ АДАПТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ В СЛУХОВЫХ АППАРАТАХ Российский патент 1995 года по МПК H04R25/00 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для реабилитации слуха у людей с тугоухостью различного вида, а также для улучшения восприятия речи людьми, общающимися в условиях внешних помех.

Известен способ обpаботки сигналов в слуховых аппаратах, заключающийся в том, что сигнал разделяется на несколько частотных составляющих с помощью набора полосовых фильтров, выходные сигналы которых усиливаются в усилителях с управляемыми коэффициентами усиления и после сложения в сумматоре усиливаются в выходном усилителе мощности и поступают на электроакустический преобразователь. Коэффициент усиления каждого из усилителей с управляемым коэффициентом усиления автоматически изменяется в соответствии с управляющими сигналами, вырабатываемыми в процессоре в соответствии с заложенной в нем программой. Входными сигналами для процессора служат уровни энергии составляющих сигнала, выделенных полосовыми фильтрами. Таким образом, в зависимости от спектрального состава сигнала, поступающего на вход слухового аппарата, с помощью изменения коэффициентов передачи усилителей с регулируемым усилением формируется частотная характеристика слухового аппарата, оптимальная по определенному критерию, например, по критерию наибольшей разборчивости речи. Так, в случае наличия низкочастотного шума, автоматически уменьшается увеличение в усилителях, соединенных с выходами низкочастотных фильтров. При наличии сильных сосредоточенных помех соответствующий частотный канал может автоматически полностью отключиться. Тем самым слуховой аппарат с описанным выше способом обработки сигналов обладает способностью автоматической адаптации своей частотной характеристики к виду помех, на фоне которых предъявляется полезный сигнал, и в максимальной степени отфильтровать их [1]
Недостатком такого способа является возможность адаптации частотной характеристики слухового аппарата к стационарным внешним помехам, имеющим существенно неравномерный спектр. В том случае, если помеха является белым шумом, адаптация частотной характеристики при данном методе оказывается затруднительной.

Известны также способы обработки сигналов в слуховых аппаратах, обеспечивающие адаптацию к квазистационарным типам помех и предусматривающие введение цифрового программного фильтра, обеспечивающего установку оптимальной амплитудной компрессии в разных частотных каналах, автоматическую регулировку усиления в них и автоматическую коррекцию общей частотной характеристики в зависимости от изменяющейся помеховой обстановки [2]
Общим недостатком описанных выше адаптивных программируемых слуховых аппаратов является возможность оптимизации приема сигнала, если оценка помеховой ситуации дает возможность отделения помех от сигнала. Такая возможность затруднена, если спектры сигналов и помех перекрываются, что практически имеет место в большинстве случаев.

Указанный выше недостаток может быть уменьшен, если процесс адаптации частотных характеристик слухового аппарата дополнить учетом структурных свойств принимаемого сигнала, в частности речи. При этом частотная характеристика слухового аппарата может деформироваться в соответствии с известными спектральными характеристиками элементов речи, тем самым обеспечивая их оптимальный прием на фоне помех.

Известен способ, который является прототипом предлагаемого, акустический сигнал после его преобразования в электрический разделяют на частотные диапазоны, осуществляют раздельное регулируемое усиление сигналов в каждом частотном диапазоне, суммирование усиленных сигналов всех частотных диапазонов и преобразование суммарного электрического сигнала, в котором после разделения его на частотные диапазоны выделяют огибающие, осуществляют их раздельное регулируемое усиление и суммируют с исходным сигналом, и полученный суммарный сигнал прибавляют к суммарному усиленному сигналу всех частотных диапазонов. Особенность описанного способа обработки сигналов в слуховом аппарате состоит в том, что огибающие усиленных частотных составляющих электрического эквивалента акустического сигнала складываются с сигналом и получившийся в результате в кольце нелинейной обратной связи сложный сигнал после электроакустического преобразования подается на ухо человека [3]
Достоинством описанного выше способа обработки сигналов в слуховых аппаратах является автоматическая адаптация частотной характеристики канала усиления к свойствам элементов речевого сигнала. Так, для гласных и сонорных звуков в кольце нелинейной обратной связи создаются условия положительной обратной связи, что ведет к повышению степени фильтрации составляющих дискретного спектра сонорных звуков из помех, что непосредственно ведет к повышению разборчивости речи на фоне помех.

Основным недостатком описанного выше способа обработки сигналов в слуховых аппаратах является использованный в нем нелинейный метод фильтрации. В силу своей нелинейности получившийся адаптивный фильтр имеет относительно пониженную помехоустойчивость.

Другим недостатком описанного выше способа обработки сигналов в слуховых аппаратах является наличие противоречия между помехоустойчивостью кольца нелинейной обратной связи по огибающей и обеспечением условий положительной обратной связи в этом кольце.

Действительно, для увеличения помехоустойчивости обратной связи по огибающей последняя должна выделяться наиболее узкополосной цепью частотной селекции на выходе выделителя огибающей. Сужение полосы пропускания соответствующих фильтров ведет к увеличению длительности процесса установления в них, что приводит к запаздыванию сигнала по цепи обратной связи и соответственно к нарушению условия осуществления положительного знака обратной связи. Нахождение компромисса между обеспечением помехоустойчивости кольца нелинейной обратной связи по огибающей и соблюдением положительного знака этой обратной связи уменьшает степень выигрыша, достигаемого описанным способом обработки сигналов, и усложняет схемы его реализации, а также их настройку. Как следует из вышеизложенного, причиной указанного выше недостатка является совмещение процессов выделения огибающей сигнала и обеспечения требуемых фазовых соотношений по цепи обратной связи в одном и том же кольце нелинейной обратной связи по огибающей.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является ликвидация указанного выше противоречия и соответственно улучшение помехоустойчивости восприятия речи человеком на фоне помех.

Решение этой задачи достигается тем, что в озвученных участках электрического эквивалента речевого сигнала определяется текущее значение периода основного тона и формируется управляющий сигнал, устанавливающий соответствующий шаг пиков амплитудно-частотной характеристики гребенчатой фильтрации, которая производится над сигналом после его временной задержки, компенсирующей время, затраченное на помехоустойчивое выделение текущего периода основного тона, причем после гребенчатой фильтрации сигнал складывается с задержанным сигналом после его полосовой фильтрации, а полученный суммарный сигнал после усиления и электроакустического преобразования поступает на слуховую систему слушателя.

На чертеже изображена блок-схема слухового аппарата, реализующего предлагаемый способ.

По предлагаемому способу речевой сигнал преобразуется в его электрический эквивалент, на озвученных участках последнего определяется текущее значение периода основного тона, которое используется для установки параметров процесса гребенчатой фильтрации сигнала, задержанного на время, равное времени, необходимого для определения текущего значения периода основного тона и изменения параметров процесса фильтрации, причем после фильтрации сигнал складывается с сигналом, прошедшим полосовую фильтрацию, а полученный суммарный сигнал усиливается и преобразуется в акустический сигнал.

Слуховой аппарат реализующий предлагаемый способ, содержит источник 1 сигнала, акустоэлектрический преобразователь 2, устройство 3 задержки, определить 4 периода основного тона, полосовой фильтр 5, гребенчатый фильтр 6 с управляемым шагом пиков частотной характеристики, сумматор 7, усилитель 8 мощности, электроакустический преобразователь 9.

При этом источник 1 сигнала соединен с входом акустоэлектрического преобразователя 2, выход которого соединен одновременно со входом определителя 4 текущего периода основного тона и устройством 3 задержки, выход которого соединен одновременно с входом полосового фильтра 5, и входом гребенчатого фильтр 6 с управляемым шагом пиков частотной характеристики, выход которого соединен с входом сумматора 7, другой вход которого соединен с выходом полосового фильтра 5, а выход сумматора соединен с входом усилителя 8 мощности, выход которого соединен со входом электроакустического преобразователя 9. Практическая реализация предлагаемого способа обработки сигналов в слуховых аппаратах осуществляется с помощью серийно выпускаемых микросхем. Так, электроакустические и акустоэлектрические преобразователи реализуются с помощью микрофонов и телефонов, широко применяемых в существующих слуховых аппаратах, например МС, МКЭ-3, ВТУ-2, ВТУ-5 и др. Сумматор, полосовой фильтр реализуются по типовым схемам на основе операционных усилителей типа 1407УД-4 и др. В качестве усилителя мощности может быть использована микросхема типа 548УНЗ. Гребенчатый фильтр с управляемым шагом пиков частотной характеристики строится с помощью операционного усилителя с управляемой линией задержки в цепи обратной связи.

В качестве управляемой линии задержки может использоваться цепочечная RLC-линия задержки с отводами, подключенными в цепи обратной связи с помощью коммутатора (например, типа КН90) в соответствии с управляющим сигналом, поступающим от определителя основного тона. Сама линия задержки может выполняться как на пассивных элементах RLC, так и на активных RC ячейках, которые легче поддаются миниатюризации. Устройства определения частоты основного тона широко используются в технике вокодерной связи.

Из сказанного следует, что производимые преобразования позволяют осуществлять реализацию слухового аппарата в соответствии с предлагаемым способом обработки сигналов на основе средств микроэлектроники и интегральной технологии. Это дает возможность построения таких слуховых аппаратов в габаритах аппаратов карманного типа или заушин.

Слуховой аппарат с блок-схемой работает следующим образом.

Акустический сигнал источника 1 преобразуется в электрический эквивалент с помощью электроакустического преобразователя 2. Выходной сигнал электроакустического преобразователя поступает одновременно на вход определителя текущей частоты основного тона и на вход устройства задержки. В определителе периода основного тона в соответствии с описанием таких устройств, приведенных например в [3] производится выделение импульсов основного тона на озвученных участках речевого сигнала и определяется длительность межимпульсных интервалов, что и является длительностью периода основного тона. Величина текущей длительности основного тона преобразуется в управляющий сигнал, устанавливающий, с помощью коммутируемой линии задержки в гребенчатом фильтре с управляемым шагом пиков частотной характеристики, значение задержки, соответствующее измененному в данный момент времени периоду основного тона сигнала.

Так как шаг пиков частотной характеристики гребенчатого фильтра определяется длительностью задержки в цепи обратной связи, то после установки задержки, равной периоду основного тона, частотная характеристика гребенчатого фильтра оказывается оптимальной для фильтрации данного участка речевого сигнала.

На неозвученных участках речевого сигнала управляющий сигнал не вырабатывается и гребенчатый фильтр устанавливается в исходное состояние с разомкнутой обратной связью, чему соответствует апериодическое усиление с малым коэффициентом передачи. В этом случае сигнал проходит по устройству задержки и через полосовой фильтр на усилитель мощности, с выхода которого поступает в электроакустический преобразователь. Полоса пропускания полосового фильтра выбирается в области частот, занимаемых глухими звуками речи, и тем самым обеспечивается максимально помехоустойчивое их воспроизведение на выходе слухового аппарата.

При появлении озвученного участка речи описанным выше способом формируется оптимальная для данного звонкого звука частотная характеристика гребенчатого фильтра и сигнал с выхода гребенчатого фильтра поступает на сумматор, где и складывается с исходным сигналом, приходящим с выхода полосового фильтра.

Так как устройство определения периода основного тона вырабатывает управляющий сигнал с задержкой, постоянной для данного устройства, то для обеспечения синхронности перестройки гребенчатого фильтра с моментом начала озвученного участка речи, вводится устройство постоянной задержки сигнала между выходом акустоэлектрического преобразователя и входом полосового фильтра. Величина этой задержки подбирается при настройке таким образом, чтобы начало озвученного участка речевого сигнала поступило на вход гребенчатого фильтра к тому моменту, когда его частотная характеристика уже установлена в соответствии с управляющим сигналом, поступившим от устройства определения текущего периода основного тона.

В результате действия описанного выше устройства, реализующего предложенный способ обработки сигналов, озвученные участки речевого сигнала пройдут через автоматически согласованный с их спектром гребенчатый фильтр, а глухие участки речи пройдут через фильтр, полоса пропускания которого соответствует частотному диапазону, в котором расположена основная доля их энергии.

Тем самым адаптация частотной характеристики слухового аппарата происходит таким образом, чтобы различные звуки речевого сигнала фильтровались наиболее оптимальным образом, что и обуславливает повышенную помехоустойчивость слуховых аппаратов, построенных в соответствии с предлагаемым способом обработки сигналов.

В процессе реализации предлагаемого способа построения слуховых аппаратов был сделан лабораторный макет аппарата, включающий в себя основные элементы, входящие в блок-схему, изображенную на чертеже.

В качестве источника речевого сигнала использовались тестовые слова, записанные в память ЭВМ и предъявлявшиеся аудиторам в случайном порядке на фоне помех.

В качестве тракта усиления слухового аппарата использовались микросхемы 548УНЗ, выход которой был соединен с телефоном.

Гребенчатый фильтp с управляемым шагом пиков частотной характеристики реализовался на ЭВМ Электроника 60М, имеющей двухканальный электрический ввод. Сигнал поступал на первый электрический ввод, с помощью аналого-цифрового преобразователя переводился в код и записывался в память ЭВМ. Программно реализовывалась цифровая линия задержки, величина задержки которой могла регулироваться с помощью указания числа использованных тактов. После задержки сигнал подавался в цифроаналоговый преобразователь, а с него после масштабного преобразователя снова на первый электрический ввод. Вся схема работала в реальном времени.

Частотная характеристика полученного гребенчатого фильтра управлялась с помощью второго электрического ввода в ЭВМ, на который подавались импульсы основного тона, выделенные из озвученных участков сигнала. Программным путем определялась величина текущего периода основного тона и ее значение использовалось для установки величины задержки цифровой линии задержки.

Для выделения импульсов основного тона из озвученных участков сигнала использовалась обычная схема выделителя сигналов основного тона. В лабораторном макете постоянная задержка сигнала не применялась, а в качестве фильтра использовался стандартный полосовой фильтр с полосой пропускания 300-3400 Гц. Суммирование сигналов с выхода полосового фильтра и гребенчатого фильтра осуществлялось на выходе усилителя мощности микросхемы 548УНЗ. Коррекция величины задержки производилась автоматически через каждые 10 мс. Точность установки величины задержки составляла не хуже 1%
В качестве критерия эффективности работы макета использовалось отношение сигнал/шум на входе устройства, при котором вероятность правильного опознания тестовых слоев уменьшается на 20% При испытаниях на помехоустойчивость использовались методика и таблицы речевой аудиометрии. Сравнивались макеты с выключенной цепью управляемого гребенчатого фильтра и с включенной цепью. Тем самым определялась эффективность использования предлагаемого способа обработки сигналов в слуховых аппаратах.

Из результатов эксперимента следует, что использование предлагаемого способа обработки сигналов в слуховом аппарате привело к увеличению помехоустойчивости распознавания человеком речевых сигналов не менее чем в два раза, что и доказывает полезность предлагаемого способа.

Использование: медицинская техника. Сущность изобретения: способ адаптивной фильтрации речевых сигналов в слуховых аппаратах включает звукоэлектрическое преобразование, полосовую фильтрацию, суммирование, усиление мощности, электроакустическое преобразование. В озвученных участках речевого сигнала определяют текущие значения периода основного тона и формируют управляющий сигнал, с помощью которого устанавливают соответствующий шаг пиков амплитудно-частотной характеристики гребенчатой фильтрации. Последнюю осуществляют над сигналом после его временной задержки, компенсирующей время, затраченное на помехоустойчивое выделение текущего периода основного тона. Причем после гребенчатой фильтрации сигнал складывают с задержанным сигналом после его полосовой фильтрации, а полученный суммарный сигнал после усиления и электроакустического преобразования подают на слуховую систему слушателя. 1 ил.

СПОСОБ АДАПТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ В СЛУХОВЫХ АППАРАТАХ, включающий акустоэлектрическое преобразование, полосовую фильтрацию, суммирование, усиление мощности, электроакустическое преобразование, отличающийся тем, что в озвученных участках речевого сигнала определяют текущее значение периода основного тона и формируют управляющий сигнал, с помощью которого устанавливают соответствующий шаг пиков амплитудно-частотной характеристики гребенчатой фильтрации, которую осуществляют над сигналом после его временной задержки, компенсирующей время, затраченное на помехоустойчивое выделение текущего периода основного тона, причем после гребенчатой фильтрации сигнал складывают с задержанным сигналом после его полосовой фильтрации, а полученный суммарный сигнал после усиления и электроакустического преобразования подают на слуховую систему слушателя.