用于数字音频信号的多频带信号处理器的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及多频带信号处理器。
【背景技术】
[0002]听觉仪器或听觉辅助典型地包含麦克风放大组件，其包括一个或多个麦克风，用于接收进入的声音诸如语音和音乐。该进入的声音转换为电麦克风信号或在听觉仪器的控制和处理电路根据一个或多个当前监听程序被放大和处理的信号。该监听程序已典型地从例如音频图中表达的用户的特定听觉缺陷或损失中计算。听觉仪器的输出放大器将处理的麦克风信号通过可连同麦克风包括于听觉仪器的外壳或单独在耳塞中的小型扬声器或接收器递送至用户的耳道。
[0003]听觉受损者典型地遭受听觉灵敏度的损失，该损失依赖于被讨论的声音频率和等级。因此听觉受损者可像正常听觉人一样能够听到特定频率(例如，低频)，但无法在其他频率(例如，高频)与非听觉受损者以同一灵敏度听到声音。类似地，听觉受损者可能感知较吵的声音，例如90dB SPL以上，具有与非听觉受损者相同的强度，但无法像非听觉受损者以相同的灵敏度听到轻柔声音。因此，在后一种情况，听觉受损者遭受到了特定频率或频带的动态范围的损失。多种现有的模拟和数字听觉辅助已被设计以减轻以上标识的具有动态范围损失的听觉缺陷。为补偿动态范围损失，现有技术的听觉仪器使用了所谓多频带动态范围压缩器，以压缩进入的声音的动态范围，以使压缩输出信号更紧密匹配目标用户的动态范围。输入动态范围与由多频带动态范围压缩器输出的动态范围的比率称为压缩比率。典型地，多频带动态范围压缩器配置以不同地执行，例如在不同的频带中不同的压缩比率和/或不同的攻击和释放时间常量，以解决频率相关的目标听觉受损用户动态范围损失。
[0004]US2003/0081804公开了基于快速傅里叶变换(FFT)的用于多频带动态范围压缩器的所谓侧分支体系结构。多频带动态范围压缩器使用侧分支用于音频输入信号的频率分析。FFT计算于来自应用于音频输入信号的第一级全通滤波器的级联的引出接头的弯曲频率标量。相同的引出延迟线同时用于FFT分析和时变FIR压缩滤波器。基于FFT的频率分析结果用于生成设置于信号路径的FIR压缩滤波器的系数。
[0005]所公开的多频带动态范围压缩器的弯曲频率标量和侧分支体系结构产生了多个所需要的属性，诸如最小时间延迟，因为直接信号路径仅包含短输入缓冲器和FIR压缩滤波器。其他值得注意的优点是，不存在混淆和分析频带的自然的对数缩放，良好地符合基于Bark的人类听觉频率标量。然而，公开的基于FFT的多频带动态范围压缩器存在特定不希望的属性。特别地，基于FFT的所有频带的信号频谱值的分析更新于相同块速率或频率，其可导致输入声音的高频组件的下采样。高频组件的下采样总体上是不希望的，因为其可导致在分析频带中频谱等级估计的混淆并且产生失常和扭曲，引起压缩增益因素或系数。
[0006]此外，尽管相对高的块速率可在基于FFT的多频带动态范围压缩器中选择，以适应高频组件，其将导致分析滤波器的低频带比正确采样所需要的更快的更新，即低频带的过采样。尽管后者过采样属性不引起混淆扭曲，也浪费了执行基于FFT的多频带动态范围压缩器的听觉仪器的信号处理器的计算资源。该过程由缩短电池寿命的听觉仪器带来了不必要的功耗。
【发明内容】
[0007]从上述问题的角度，改进的多频带信号处理器，例如多频带动态范围压缩器，其允许分析滤波器的独立和弹性的频带更新速率将是有利的。该改进的多频带信号处理器将在选择分析滤波器的任何特定频带的块更新速率时提供更多的可伸缩性。因此，以弹性方式允许改进的多频带信号处理器与计算资源权衡的感知性能。
[0008]本公开第一方面涉及多频带信号处理器，包含信号输入，用于接收数字音频输入信号，以及数字全通滤波器的级联，配置用于接收数字输入音频信号并在数字全通滤波器之间插入的各引出节点生成M个延迟数字音频信号样本。多频带信号处理器包含信号卷积处理器，配置用于利用处理滤波器的M个时变滤波器系数卷积M个延迟数字音频信号样本以生成处理的数字输出信号。频域变换处理器配置用于将M个延迟数字音频信号样本转换为频域，表示生成预定义数量的频带N中的各信号频谱值。电平估计器配置以基于各自的信号频谱值计算预定义数量的频带中的各信号电平估计。多频带信号处理器的处理增益计算器配置用于对预定义数量的频带的每一个基于各信号电平估计和频带增益法则计算频域增益系数。逆频域变换处理器配置用于将N个频域增益系数转换为处理滤波器的M个时变滤波器系数。频域变换处理器配置以计算在不同的频带更新速率至少两个不同的频带的信号频谱值。M和N的每一个为正整数。
[0009]频域变换处理器在至少两个不同的频带中利用不同的频带更新速率的能力为预定义数量的频带的两个或多个提供了选择独立的更新速率的有利的灵活性。该特征使得当前多频带信号处理器的感知性能与计算资源以弹性方式相权衡。该特征还提出并解决了以上讨论的现有基于FFT的处理引起的使用同一更新速率对所有频带的问题。对所有频带相同的频带更新速率表示低频带的足够的频带更新速率典型地导致比足够的采样所需的高频带更高的更新速率。同样地，如果足够的频带更新速率被选择用于低频带，高频带将被下采样，导致高频带中的混淆和错误的电平估计。相反，当前频域变换处理器的能力对预定义数量的频带的两个或多个应用独立的频带更新速率表示每个频带可被提供以最佳的频带更新速率，一方面避免混淆扭曲而另一方面避免过采样和浪费计算资源。特定频带的更新速率可还基于多频带信号处理器的特定感知性能标准优化，诸如语音智能。以这种方式，频带更新速率在对所讨论的感知性能标准或准则有较大影响的频带可相对较高，并且频带更新速率在对感知性能标准有较小影响的频带可相对较低。因此，频域变换处理器的计算资源，电平估计器和处理增益计算器可分配至对感知性能标准重要的频带。
[0010]多频带信号处理器优选地被设计以使延迟数字音频信号样本的数量，M，对听觉仪器应用而言为8和64之间的偶数。其对应于M-1数字全通滤波器。频带的预定义数量，N，被优选地选择以使N= (M/2)+l。在该实施例，对由频域变换处理器生成的每个频带存在单个频域增益系数。换言之，尽管有总的M个时变滤波器系数来处理M个延迟滤波器接头，仅该M个时变滤波器系数的(M/2)+l是唯一的。剩余的(M/2)-1时变滤波器系数由导致向量滤波器系数的对称组的实值增益向量的(逆)傅里叶变换来确定。该变换的细节描述于US2003/0081804。
[0011]本领域技术人员将理解，如果频域变换处理器配置以将离散傅里叶变换(DFT)应用于计算频带的信号频谱值，设置N= (M/2)+l特别地方便。然而，频带的数量，N，可大于或小于(M/2) +1例如N = M/2。总体上，当频域变换处理器(分析滤波器)和逆频域变换处理器(合成滤波器)被合适地匹配时，任何数量的N <= M可根据当前多频带信号处理器的特定应用的需求来使用。
[0012]当前多频带信号处理器的信号卷积处理器既可逐样本地更新也以块来更新。在前者的情况下，信号卷积处理器的更新速率对应于数字音频输入信号的采样率，即采样频率的倒数。采样频率将典型地根据由多频带信号处理器实现的处理的特定类型的特性变化。数字音频输入信号的采样频率在多频带信号处理器的听觉仪器应用中优选地在16kHz和48kHz之间。如果信号卷积处理器以块被更新，每个块可包含复数个数字音频信号样本，诸如4和64之间的数字音频信号样本。特定频带的频带更新速率确定该频带的信号频谱值多久由频域变换处理器计算一次。最大频带更新速率，其可应用于一个频带或预定义数量的频带的频带子集，对应于信号卷积处理器的更新速率。该最大频带更新速率可为信号卷积处理器的采样率或块速率。当频带或频带子集的信号频谱值被计算或更新时，对应信号电平估计和频域增益系数优选地被计算以使信号频谱值的改变反映于处理滤波器的M个时变滤波器系数的值。另一方面，在信号频谱值未被计算或更新用于信号卷积处理器的特定更新或时间步骤的剩余的频带，最近计算的信号频谱值被保持。其还表示对应信号电平估计和频域增益系数优选地被保持。
[0013]如前所述，频带更新速率优选地适用于频带的位置，以使低频带总体上比高频带具有更低的频带更新速率。低频带可例如具有10Hz和500Hz之间的中心频率，而高频带可具有3kHz和SkHz之间的中心频率。因此，一个频域变换处理器的实施例配置以在第一频带更新速率计算至少第一频带的信号频谱值并且在比第一频带更新速率更低的更新速率计算至少第二频带的信号频谱值，诸如第一频带更新速率的0.5，0.33或0.25倍。第一频带的中心频率高于第二频带的中心频率。
[0014]本领域技术人员将理解，当前多频带信号处理器可适用于在多个类型的固定和便携式音频使能装置诸如听觉仪器，耳机，公共地址系统，智能电话，平板等执行数字音频信号的多种信号处理功能。当前多频带信号处理器可适用于由处理增益计算器的一个或多个频带增益法则的合适的设计执行信号处理功能，如音频输入信号的多频带动态范围压缩，音频输入信号的多频带动态范围扩展，音频输入信号的噪声降低等。
[0015]对于信号卷积处理器的每个更新，频域变换处理器可配置用于更新各预定义数量的频带子集的信号频谱值，电平估计器可配置用于更新各频带子集的信号电平估计，处理增益计算器可配置用于更新各频带子集的频域增益系数和用于保持剩余频带的频域增益系数；并且逆频域变换处理器可配置用于将更新和保持的频域增益系数转换为处理滤波器的M个时变滤波器系数。
[0016]本领域技术人员将理解，频域变换处理器可配置以在恒定速率更新预定义数量的频带中每个频带的信号频谱值。该恒定频带更新速率可由重复频带更新调度定义，如下文更详细地描述。虽然每个频带有恒定的频带更新速率，但频带更新速率可在所有频带之间不同，或可存在多个频带子集，具有不同的更新速率。在另一频域变换处理器的实施例，每个频带的频带更新速率基于预测的需求独立地修改。预测需求可基于数字音频输入信号的特定信号特性确定，如预测的变化率。自适应更新速率可带来当前多频带信号处理器的计算负载与性能权衡的进一步改进。
[0017]如上述，频域变换处理器优选地配置以根据预定义重复频带更新调度更新预定义数量的频带中各自的信号频谱值。频域变换处理器可包含带选择器，其选择要在卷积处理器的每个样本更新或块更新中更新的特定频带。