用于數(shù)字音頻信號(hào)的多頻帶信號(hào)處理器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及多頻帶信號(hào)處理器。
【背景技術(shù)】
[0002]聽覺儀器或聽覺輔助典型地包含麥克風(fēng)放大組件，其包括一個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)，用于接收進(jìn)入的聲音諸如語(yǔ)音和音樂。該進(jìn)入的聲音轉(zhuǎn)換為電麥克風(fēng)信號(hào)或在聽覺儀器的控制和處理電路根據(jù)一個(gè)或多個(gè)當(dāng)前監(jiān)聽程序被放大和處理的信號(hào)。該監(jiān)聽程序已典型地從例如音頻圖中表達(dá)的用戶的特定聽覺缺陷或損失中計(jì)算。聽覺儀器的輸出放大器將處理的麥克風(fēng)信號(hào)通過可連同麥克風(fēng)包括于聽覺儀器的外殼或單獨(dú)在耳塞中的小型揚(yáng)聲器或接收器遞送至用戶的耳道。
[0003]聽覺受損者典型地遭受聽覺靈敏度的損失，該損失依賴于被討論的聲音頻率和等級(jí)。因此聽覺受損者可像正常聽覺人一樣能夠聽到特定頻率(例如，低頻)，但無法在其他頻率(例如，高頻)與非聽覺受損者以同一靈敏度聽到聲音。類似地，聽覺受損者可能感知較吵的聲音，例如90dB SPL以上，具有與非聽覺受損者相同的強(qiáng)度，但無法像非聽覺受損者以相同的靈敏度聽到輕柔聲音。因此，在后一種情況，聽覺受損者遭受到了特定頻率或頻帶的動(dòng)態(tài)范圍的損失。多種現(xiàn)有的模擬和數(shù)字聽覺輔助已被設(shè)計(jì)以減輕以上標(biāo)識(shí)的具有動(dòng)態(tài)范圍損失的聽覺缺陷。為補(bǔ)償動(dòng)態(tài)范圍損失，現(xiàn)有技術(shù)的聽覺儀器使用了所謂多頻帶動(dòng)態(tài)范圍壓縮器，以壓縮進(jìn)入的聲音的動(dòng)態(tài)范圍，以使壓縮輸出信號(hào)更緊密匹配目標(biāo)用戶的動(dòng)態(tài)范圍。輸入動(dòng)態(tài)范圍與由多頻帶動(dòng)態(tài)范圍壓縮器輸出的動(dòng)態(tài)范圍的比率稱為壓縮比率。典型地，多頻帶動(dòng)態(tài)范圍壓縮器配置以不同地執(zhí)行，例如在不同的頻帶中不同的壓縮比率和/或不同的攻擊和釋放時(shí)間常量，以解決頻率相關(guān)的目標(biāo)聽覺受損用戶動(dòng)態(tài)范圍損失。
[0004]US2003/0081804公開了基于快速傅里葉變換(FFT)的用于多頻帶動(dòng)態(tài)范圍壓縮器的所謂側(cè)分支體系結(jié)構(gòu)。多頻帶動(dòng)態(tài)范圍壓縮器使用側(cè)分支用于音頻輸入信號(hào)的頻率分析。FFT計(jì)算于來自應(yīng)用于音頻輸入信號(hào)的第一級(jí)全通濾波器的級(jí)聯(lián)的引出接頭的彎曲頻率標(biāo)量。相同的引出延遲線同時(shí)用于FFT分析和時(shí)變FIR壓縮濾波器。基于FFT的頻率分析結(jié)果用于生成設(shè)置于信號(hào)路徑的FIR壓縮濾波器的系數(shù)。
[0005]所公開的多頻帶動(dòng)態(tài)范圍壓縮器的彎曲頻率標(biāo)量和側(cè)分支體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了多個(gè)所需要的屬性，諸如最小時(shí)間延遲，因?yàn)橹苯有盘?hào)路徑僅包含短輸入緩沖器和FIR壓縮濾波器。其他值得注意的優(yōu)點(diǎn)是，不存在混淆和分析頻帶的自然的對(duì)數(shù)縮放，良好地符合基于Bark的人類聽覺頻率標(biāo)量。然而，公開的基于FFT的多頻帶動(dòng)態(tài)范圍壓縮器存在特定不希望的屬性。特別地，基于FFT的所有頻帶的信號(hào)頻譜值的分析更新于相同塊速率或頻率，其可導(dǎo)致輸入聲音的高頻組件的下采樣。高頻組件的下采樣總體上是不希望的，因?yàn)槠淇蓪?dǎo)致在分析頻帶中頻譜等級(jí)估計(jì)的混淆并且產(chǎn)生失常和扭曲，引起壓縮增益因素或系數(shù)。
[0006]此外，盡管相對(duì)高的塊速率可在基于FFT的多頻帶動(dòng)態(tài)范圍壓縮器中選擇，以適應(yīng)高頻組件，其將導(dǎo)致分析濾波器的低頻帶比正確采樣所需要的更快的更新，即低頻帶的過采樣。盡管后者過采樣屬性不引起混淆扭曲，也浪費(fèi)了執(zhí)行基于FFT的多頻帶動(dòng)態(tài)范圍壓縮器的聽覺儀器的信號(hào)處理器的計(jì)算資源。該過程由縮短電池壽命的聽覺儀器帶來了不必要的功耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]從上述問題的角度，改進(jìn)的多頻帶信號(hào)處理器，例如多頻帶動(dòng)態(tài)范圍壓縮器，其允許分析濾波器的獨(dú)立和彈性的頻帶更新速率將是有利的。該改進(jìn)的多頻帶信號(hào)處理器將在選擇分析濾波器的任何特定頻帶的塊更新速率時(shí)提供更多的可伸縮性。因此，以彈性方式允許改進(jìn)的多頻帶信號(hào)處理器與計(jì)算資源權(quán)衡的感知性能。
[0008]本公開第一方面涉及多頻帶信號(hào)處理器，包含信號(hào)輸入，用于接收數(shù)字音頻輸入信號(hào)，以及數(shù)字全通濾波器的級(jí)聯(lián)，配置用于接收數(shù)字輸入音頻信號(hào)并在數(shù)字全通濾波器之間插入的各引出節(jié)點(diǎn)生成M個(gè)延遲數(shù)字音頻信號(hào)樣本。多頻帶信號(hào)處理器包含信號(hào)卷積處理器，配置用于利用處理濾波器的M個(gè)時(shí)變?yōu)V波器系數(shù)卷積M個(gè)延遲數(shù)字音頻信號(hào)樣本以生成處理的數(shù)字輸出信號(hào)。頻域變換處理器配置用于將M個(gè)延遲數(shù)字音頻信號(hào)樣本轉(zhuǎn)換為頻域，表示生成預(yù)定義數(shù)量的頻帶N中的各信號(hào)頻譜值。電平估計(jì)器配置以基于各自的信號(hào)頻譜值計(jì)算預(yù)定義數(shù)量的頻帶中的各信號(hào)電平估計(jì)。多頻帶信號(hào)處理器的處理增益計(jì)算器配置用于對(duì)預(yù)定義數(shù)量的頻帶的每一個(gè)基于各信號(hào)電平估計(jì)和頻帶增益法則計(jì)算頻域增益系數(shù)。逆頻域變換處理器配置用于將N個(gè)頻域增益系數(shù)轉(zhuǎn)換為處理濾波器的M個(gè)時(shí)變?yōu)V波器系數(shù)。頻域變換處理器配置以計(jì)算在不同的頻帶更新速率至少兩個(gè)不同的頻帶的信號(hào)頻譜值。M和N的每一個(gè)為正整數(shù)。
[0009]頻域變換處理器在至少兩個(gè)不同的頻帶中利用不同的頻帶更新速率的能力為預(yù)定義數(shù)量的頻帶的兩個(gè)或多個(gè)提供了選擇獨(dú)立的更新速率的有利的靈活性。該特征使得當(dāng)前多頻帶信號(hào)處理器的感知性能與計(jì)算資源以彈性方式相權(quán)衡。該特征還提出并解決了以上討論的現(xiàn)有基于FFT的處理引起的使用同一更新速率對(duì)所有頻帶的問題。對(duì)所有頻帶相同的頻帶更新速率表示低頻帶的足夠的頻帶更新速率典型地導(dǎo)致比足夠的采樣所需的高頻帶更高的更新速率。同樣地，如果足夠的頻帶更新速率被選擇用于低頻帶，高頻帶將被下采樣，導(dǎo)致高頻帶中的混淆和錯(cuò)誤的電平估計(jì)。相反，當(dāng)前頻域變換處理器的能力對(duì)預(yù)定義數(shù)量的頻帶的兩個(gè)或多個(gè)應(yīng)用獨(dú)立的頻帶更新速率表示每個(gè)頻帶可被提供以最佳的頻帶更新速率，一方面避免混淆扭曲而另一方面避免過采樣和浪費(fèi)計(jì)算資源。特定頻帶的更新速率可還基于多頻帶信號(hào)處理器的特定感知性能標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化，諸如語(yǔ)音智能。以這種方式，頻帶更新速率在對(duì)所討論的感知性能標(biāo)準(zhǔn)或準(zhǔn)則有較大影響的頻帶可相對(duì)較高，并且頻帶更新速率在對(duì)感知性能標(biāo)準(zhǔn)有較小影響的頻帶可相對(duì)較低。因此，頻域變換處理器的計(jì)算資源，電平估計(jì)器和處理增益計(jì)算器可分配至對(duì)感知性能標(biāo)準(zhǔn)重要的頻帶。
[0010]多頻帶信號(hào)處理器優(yōu)選地被設(shè)計(jì)以使延遲數(shù)字音頻信號(hào)樣本的數(shù)量，M，對(duì)聽覺儀器應(yīng)用而言為8和64之間的偶數(shù)。其對(duì)應(yīng)于M-1數(shù)字全通濾波器。頻帶的預(yù)定義數(shù)量，N，被優(yōu)選地選擇以使N= (M/2)+l。在該實(shí)施例，對(duì)由頻域變換處理器生成的每個(gè)頻帶存在單個(gè)頻域增益系數(shù)。換言之，盡管有總的M個(gè)時(shí)變?yōu)V波器系數(shù)來處理M個(gè)延遲濾波器接頭，僅該M個(gè)時(shí)變?yōu)V波器系數(shù)的(M/2)+l是唯一的。剩余的(M/2)-1時(shí)變?yōu)V波器系數(shù)由導(dǎo)致向量濾波器系數(shù)的對(duì)稱組的實(shí)值增益向量的(逆)傅里葉變換來確定。該變換的細(xì)節(jié)描述于US2003/0081804。
[0011]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，如果頻域變換處理器配置以將離散傅里葉變換(DFT)應(yīng)用于計(jì)算頻帶的信號(hào)頻譜值，設(shè)置N= (M/2)+l特別地方便。然而，頻帶的數(shù)量，N，可大于或小于(M/2) +1例如N = M/2。總體上，當(dāng)頻域變換處理器(分析濾波器)和逆頻域變換處理器(合成濾波器)被合適地匹配時(shí)，任何數(shù)量的N <= M可根據(jù)當(dāng)前多頻帶信號(hào)處理器的特定應(yīng)用的需求來使用。
[0012]當(dāng)前多頻帶信號(hào)處理器的信號(hào)卷積處理器既可逐樣本地更新也以塊來更新。在前者的情況下，信號(hào)卷積處理器的更新速率對(duì)應(yīng)于數(shù)字音頻輸入信號(hào)的采樣率，即采樣頻率的倒數(shù)。采樣頻率將典型地根據(jù)由多頻帶信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)的處理的特定類型的特性變化。數(shù)字音頻輸入信號(hào)的采樣頻率在多頻帶信號(hào)處理器的聽覺儀器應(yīng)用中優(yōu)選地在16kHz和48kHz之間。如果信號(hào)卷積處理器以塊被更新，每個(gè)塊可包含復(fù)數(shù)個(gè)數(shù)字音頻信號(hào)樣本，諸如4和64之間的數(shù)字音頻信號(hào)樣本。特定頻帶的頻帶更新速率確定該頻帶的信號(hào)頻譜值多久由頻域變換處理器計(jì)算一次。最大頻帶更新速率，其可應(yīng)用于一個(gè)頻帶或預(yù)定義數(shù)量的頻帶的頻帶子集，對(duì)應(yīng)于信號(hào)卷積處理器的更新速率。該最大頻帶更新速率可為信號(hào)卷積處理器的采樣率或塊速率。當(dāng)頻帶或頻帶子集的信號(hào)頻譜值被計(jì)算或更新時(shí)，對(duì)應(yīng)信號(hào)電平估計(jì)和頻域增益系數(shù)優(yōu)選地被計(jì)算以使信號(hào)頻譜值的改變反映于處理濾波器的M個(gè)時(shí)變?yōu)V波器系數(shù)的值。另一方面，在信號(hào)頻譜值未被計(jì)算或更新用于信號(hào)卷積處理器的特定更新或時(shí)間步驟的剩余的頻帶，最近計(jì)算的信號(hào)頻譜值被保持。其還表示對(duì)應(yīng)信號(hào)電平估計(jì)和頻域增益系數(shù)優(yōu)選地被保持。
[0013]如前所述，頻帶更新速率優(yōu)選地適用于頻帶的位置，以使低頻帶總體上比高頻帶具有更低的頻帶更新速率。低頻帶可例如具有10Hz和500Hz之間的中心頻率，而高頻帶可具有3kHz和SkHz之間的中心頻率。因此，一個(gè)頻域變換處理器的實(shí)施例配置以在第一頻帶更新速率計(jì)算至少第一頻帶的信號(hào)頻譜值并且在比第一頻帶更新速率更低的更新速率計(jì)算至少第二頻帶的信號(hào)頻譜值，諸如第一頻帶更新速率的0.5，0.33或0.25倍。第一頻帶的中心頻率高于第二頻帶的中心頻率。
[0014]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，當(dāng)前多頻帶信號(hào)處理器可適用于在多個(gè)類型的固定和便攜式音頻使能裝置諸如聽覺儀器，耳機(jī)，公共地址系統(tǒng)，智能電話，平板等執(zhí)行數(shù)字音頻信號(hào)的多種信號(hào)處理功能。當(dāng)前多頻帶信號(hào)處理器可適用于由處理增益計(jì)算器的一個(gè)或多個(gè)頻帶增益法則的合適的設(shè)計(jì)執(zhí)行信號(hào)處理功能，如音頻輸入信號(hào)的多頻帶動(dòng)態(tài)范圍壓縮，音頻輸入信號(hào)的多頻帶動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展，音頻輸入信號(hào)的噪聲降低等。
[0015]對(duì)于信號(hào)卷積處理器的每個(gè)更新，頻域變換處理器可配置用于更新各預(yù)定義數(shù)量的頻帶子集的信號(hào)頻譜值，電平估計(jì)器可配置用于更新各頻帶子集的信號(hào)電平估計(jì)，處理增益計(jì)算器可配置用于更新各頻帶子集的頻域增益系數(shù)和用于保持剩余頻帶的頻域增益系數(shù)；并且逆頻域變換處理器可配置用于將更新和保持的頻域增益系數(shù)轉(zhuǎn)換為處理濾波器的M個(gè)時(shí)變?yōu)V波器系數(shù)。
[0016]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，頻域變換處理器可配置以在恒定速率更新預(yù)定義數(shù)量的頻帶中每個(gè)頻帶的信號(hào)頻譜值。該恒定頻帶更新速率可由重復(fù)頻帶更新調(diào)度定義，如下文更詳細(xì)地描述。雖然每個(gè)頻帶有恒定的頻帶更新速率，但頻帶更新速率可在所有頻帶之間不同，或可存在多個(gè)頻帶子集，具有不同的更新速率。在另一頻域變換處理器的實(shí)施例，每個(gè)頻帶的頻帶更新速率基于預(yù)測(cè)的需求獨(dú)立地修改。預(yù)測(cè)需求可基于數(shù)字音頻輸入信號(hào)的特定信號(hào)特性確定，如預(yù)測(cè)的變化率。自適應(yīng)更新速率可帶來當(dāng)前多頻帶信號(hào)處理器的計(jì)算負(fù)載與性能權(quán)衡的進(jìn)一步改進(jìn)。
[0017]如上述，頻域變換處理器優(yōu)選地配置以根據(jù)預(yù)定義重復(fù)頻帶更新調(diào)度更新預(yù)定義數(shù)量的頻帶中各自的信號(hào)頻譜值。頻域變換處理器可包含帶選擇器，其選擇要在卷積處理器的每個(gè)樣本更新或塊更新中更新的特定頻帶。