[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Hörgerätes mit wenigstens
einem Eingangswandler zur Aufnahme eines Eingangssignals und Wandlung in ein elektrisches
Signal, einem A/D-Wandler zur Wandlung des elektrischen Signals in ein digitales Signal,
einer Signalverarbeitungseinheit zur Verarbeitung des digitalen Signals und einem
Ausgangswandler. Ferner betrifft die Erfindung ein Hörgerät zur Durchführung des Verfahrens.
[0002] Zur Wandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal werden A/D-Wandler verwendet.
Dabei sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Verfahren bekannt, nach denen
A/D-Wandler verfahren (z.B. aus Tietze U.; Schenk CH.: Halbleiter-Schaltungstechnik,
Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokio, Barcelona: Springer 1990). Der
Dynamikumfang (gemessen in dB) eines A/D-Wandlers ist das Verhältnis zwischen minimalem
und maximalem Pegel des analogen Signals, das mit dem A/D-Wandler in ein digitales
Signal gewandelt werden kann. Mit dem geforderten Dynamikumfang des A/D-Wandlers steigt
jedoch auch dessen Stromverbrauch, so dass A/D-Wandler, die einen großen Dynamikumfang
bieten, für den Einsatz in Hörgeräten ungeeignet sind. Bei Hörgeräten können wegen
der niedrigen Ausgangsspannung und der eng begrenzten Speicherkapazität der Spannungsquelle
lediglich A/D-Wandler mit einem eingeschränkten Dynamikumfang verwendet werden. Daher
ist es bei digitalen Hörgeräten erforderlich, geeignete Maßnahmen zu treffen, um ein
Übersteuern des A/D-Wandlers zu vermeiden. Übersteigt nämlich der Dynamikumfang des
analogen Eingangssignals den Dynamikumfang des A/D-Wandlers, so ist das digitale Abbild
des analogen Eingangssignals stark verzerrt.
[0003] Bei dem Hörgeräte-Modell "Prisma" der Siemens Audiologische Technik GmbH ist dem
A/D-Wandler ein High Level Compressor (HLC) vorgeschaltet. Dieser soll die Übersteuerung
des A/D-Wandlers und der nachfolgenden Schaltung verhindern. Der HLC besitzt einen
hohen Regelschwellen-Pegel, ab dem die Regelung anspricht und das Eingangssignal komprimiert.
Die Komprimierung hat jedoch starke Verzerrungen des digitalen Abbildes des analogen
Eingangssignals zur Folge, die schließlich zu deutlich hörbaren und störenden Verzerrungen
des Ausgangssignals führen. Weiterhin nachteilig sind die Ein- und Ausschwingzeiten
des HLC. Durch diese kann es trotz des HLC kurzzeitig zum Übersteuern des A/D-Wandlers
kommen. Außerdem haben ungünstige Eingangssignale, z.B. kurz aufeinanderfolgende,
laute Schallereignisse, zwischen denen Ruhepausen liegen, eine Art "Pumpeffekt" aufgrund
der Regelschaltung zur Folge, die für den Benutzer ebenfalls sehr unangenehm sind.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, den Dynamikumfang bei einem digitalen Hörgerät zu vergrößern
und Signalverzerrungen zu vermeiden.
[0005] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Hörgerätes mit wenigstens
einem Eingangswandler zur Aufnahme eines Eingangssignals und Wandlung in ein elektrisches
Signal, einem A/D-Wandler zur Wandlung des elektrischen Signals in ein digitales Signal,
einer Signalverarbeitungseinheit zur Verarbeitung des digitalen Signals und einem
Ausgangswandler, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Komprimieren des elektrischen Eingangssignals vor der A/D-Wandlung nach Maßgabe einer
Kompressionskennlinie,
- A/D-Wandlung des komprimierten Signals zum erzeugen eines komprimierten digitalen
Signals,
- Expandieren des komprimierten digitalen Signals oder eines daraus hervorgehenden Signals
nach der A/D-Wandlung nach Maßgabe einer wenigstens näherungsweise zu der Kompressionskennlinie
inversen Expansionskennlinie.
[0006] Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Hörgerät zur Durchführung des Verfahrens
mit einem Eingangswandler mit komprimierendem Signalübertragungsverhalten zum Komprimieren
des Eingangssignals sowie durch ein Hörgerät zur Durchführung des Verfahrens mit einer
Kompressionseinheit zum Komprimieren des Eingangssignals vor der A/D-Wandlung.
[0007] Die Erfindung sieht vor, zur Verbesserung des Dynamikumfangs des von dem Hörgerät
übertragbaren analogen Eingangssignals das analoge Eingangssignal vor der A/D-Wandlung
zu komprimieren und nach der A/D-Wandlung zu expandieren. Dabei erfolgt die Komprimierung
bzw. Expandierung unmittelbar, permanent und stetig, d.h. anders als bei dem bekannten
HLC, der erst oberhalb einer bestimmten Regelschwelle des analogen Eingangssignals
einsetzt, erfolgt die Übertragung des Signalpegels bei der Erfindung kontinuierlich
nach Maßgabe einer Kompressionskennlinie. Diese ist im Bereich niedriger Signalpegel
vorzugsweise linear mit der Steigung 1 und kann sich für sehr hohe Eingangspegel asymptotisch
einem Maximum nähern, wobei der Übergang zwischen diesen Extremen fließend verläuft.
Das komprimierte analoge Eingangssignal ist schließlich dem A/D-Wandler zugeführt.
Nach der A/D-Wandlung durchläuft das digitale Signal eine Expansionseinheit, die im
Wesentlichen eine zu der Kompressionskennlinie inverse Übertragungskennlinie realisiert.
[0008] Das Hörgerät gemäß der Erfindung weist einen vergrößerten Dynamikumfang auf im Vergleich
zu einem Hörgerät, das keine Komprimierung des Eingangssignals vorsieht. Ferner treten
bei einem Hörgerät gemäß der Erfindung bei großen Signalamplituden des Eingangssignals
in der Regel keine hörbaren Verzerrungen auf, da die Kompression und Expansion unmittelbar
und kontinuierlich erfolgen. Weiterhin wird die Kompression in Abhängigkeit der Signalstärke
permanent durchgeführt, d.h. der Kompressor wird nicht erst oberhalb einer bestimmten
Regelschwelle aktiv. Er besitzt daher auch keine Ein- bzw.
[0009] Ausschwingzeit, womit insbesondere bei Eingangssignalen mit wiederkehrenden großen
Amplitudensprüngen "Pumpeffekte" vermieden werden.
[0010] Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Kompression bereits durch
den Eingangswandler bewirkt wird. Ist der Eingangswandler z.B. als akustisch-elektrischer
Wandler ausgebildet, so kann diese Wirkung durch eine besondere Ausgestaltung in dem
akustisch- mechanischen Teil des Wandlers ausgeführt sein, etwa durch eine unterschiedlich
dicke Wandlermembran.
[0011] Eine andere Ausführungsform sieht eine elektrische Schaltungseinheit zur Kompression
vor, die zwischen dem Eingangswandler und dem A/D-Wandler geschaltet ist und die gewünschte
komprimierte Übertragungsfunktion realisiert.
[0012] Bei beiden oben genannten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Signalverarbeitung
eine Schaltungseinheit umfasst, die hinsichtlich der Signalpegel im Wesentlichen die
inverse Übertragungsfunktion des Kompressors realisiert. Diese Schaltungseinheit ist
in analoger, vorzugsweise jedoch in digitaler Schaltungstechnik ausgeführt.
[0013] Bei der schaltungstechnischen Realisierung des Kompressors bzw. Expanders steht eine
Vielzahl unterschiedlicher Möglichkeiten offen. Z.B. kann der Kompressor als analoger
Logarithmierer und der Expander als digitaler Delogarithmierer ausgebildet sein. Es
sind jedoch auch andere Übertragungsfunktionen als Logarithmus bzw. inverser Logarithmus
möglich. Weiterhin kann eine Übertragungsfunktion auch in Form einer Wertetabelle
hinterlegt sein. Vorzugsweise ist die Übertragungsfunktion einstellbar und durch Programmierung
des betreffenden Hörgerätes veränderbar. So kann bei einem Wand-ler mit komprimierender
Übertragungskennlinie (Wandlerkennlinie) diese gemessen werden und bei dem Expander
exakt die hierzu inverse Kennlinie eingestellt werden.
[0014] Die Erfindung kann bei allen bekannten Hörgeräte-Typen angewendet werden, beispielsweise
bei hinter dem Ohr tragbaren Hörgeräten, in dem Ohr tragbaren Hörgeräten, implantierbaren
Hörgeräten oder Taschenhörgeräten. Weiterhin kann das Hörgerät gemäß der Erfindung
auch Teil eines mehrere Geräte zur Versorgung eines Schwerhörigen umfassenden Hörgerätesystems
sein, z.B. Teil eines Hörgerätesystems mit zwei am Kopf getragenen Hörgeräten zur
binauralen Versorgung oder Teil eines Hörgerätesystem, bestehend aus einem am Kopf
tragbaren Gerät und einer am Körper tragbaren Prozessoreinheit.
[0015] Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 schematisch im Blockschaltbild ein Hörgerät mit einem HLC nach dem Stand der
Technik,
Figur 2 die Übertragungskennlinie des HLC in vereinfachter Darstellung,
Figur 3 schematisch im Blockschaltbild ein Hörgerät gemäß der Erfindung,
Figur 4 die Übertragungskennlinie der Kompressionseinheit und
Figur 5 die Übertragungskennlinie der Expansionseinheit.
[0016] In Figur 1 ist in schematischer Darstellung das Blockschaltbild eines Hörgerätes
mit einem als Mikrofon 1 ausgebildeten Eingangswandler dargestellt. Dieser nimmt ein
akustisches Eingangssignal auf und wandelt dieses in ein elektrisches Signal. Der
Dynamikumfang des Mikrofons 1, d.h. der Bereich von der kleinsten bis zu der größten
übertragbaren Signalamplitude des Eingangssignal, ist in der Regel wesentlich größer
als der Dynamikumfang, den das Hörgerät insgesamt bietet. Weiterhin ist bei dem bekannten
Hörgerät ein A/D-Wandler 2 zur Wandlung des elektrischen Signals in ein digitales
Signal vorgesehen. Das digitale Signal ist einer Signalverarbeitungseinheit 3 zugeführt,
in der die Aufbereitung des Signals zum Ausgleich der individuellen Schwerhörigkeit
eines Hörgeräteträgers erfolgt. Die Signalverarbeitung kann in mehreren parallelen
Kanälen der Signalverarbeitungseinheit 3 durchgeführt werden und neben einer frequenzabhängigen
Verstärkung auch weitere Funktionen, wie Störgeräuschunterdrückung oder besondere
Hervorhebung von Sprachsignalen, umfassen. Das verarbeitete Signal wird schließlich
durch den Ausgangswandler, im Beispiel als Hörer 4 realisiert, von einem elektrischen
Signal in ein akustisches Signal gewandelt und ausgegeben.
[0017] Der Dynamikumfang des mit dem Hörgerät übertragbaren Signals ist im Wesentlichen
durch den A/D-Wandler 2 bestimmt. Einer Vergrößerung des Dynamikumfangs könnte in
der Signalverarbeitungseinheit 3 durch eine Vergrößerung der Wortbreite des zu verarbeitenden
digitalen Signals Rechnung getragen werden. Dabei verändert sich die Stromaufnahme
der Signalverarbeitungseinheit 3 in etwa im Verhältnis mit der gewählten Wortbreite.
Anders hingegen beim A/D-Wandler 2, bei dem eine Vergrößerung des Dynamikumfangs eine
höhere Versorgungsspannung und damit einen überproportionalen Anstieg der Stromaufnahme
zur Folge hat.
[0018] Wegen der angestrebten Miniaturisierung bei Hörgeräten ist der für die Batterie bzw.
den Akku zur Spannungsversorgung zur Verfügung stehende Raum innerhalb des Hörgerätes
und damit deren Ausgangsspannung und Speicherkapazität begrenzt. Daher ist der realisierbare
Dynamikumfang des A/D-Wandlers 2 bei der Entwicklung eines Hörgerätes innerhalb enger
Grenzen vorgegeben. Um ein Übersteuern des A/D-Wandlers 2 bei großen Signalamplituden
des Eingangssignals zu vermeiden, ist bei dem Hörgerät gemäß Figur 1 ein zwischen
das Mikrofon 1 und dem A/D-Wandler 2 geschalteter HLC 5 (HLC =
High
Level
Compressor) vorgesehen. Dieser ist in analoger Schaltungstechnik aufgebaut und bewirkt
oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes S1 (vgl. Figur 2) der Signalamplitude des
Eingangssignals eine Kompression des Eingangssignals, bevor dieses dem A/D-Wandler
2 zugeführt ist. Dabei wird der HLC 5 erst aktiv, sobald die Signalamplitude den Schwellenwert
S1 für eine bestimmte Zeitdauer übersteigt. Ebenso wird die Schaltung erst dann wieder
inaktiv, wenn die Signalamplitude den Schwellenwert S1 für eine bestimmte Zeitdauer
unterschreitet. Der HLC 5 ist eine Regelschaltung und weist damit eine Ein- bzw. Ausschwingzeit
auf. Dadurch bewirkt er bei seinem Ansprechen eine für den Hörgeräteträger deutlich
hörbare und störende Veränderung des ursprünglichen Eingangssignals.
[0019] Figur 2 zeigt in vereinfachter Darstellung die Übertragungskennlinie des HLC 5 für
den jeweils eingeschwungenen Zustand. Dargestellt ist der Ausgangssignalpegel LO über
dem Eingangssignalpegel LI des HLC 5. Weiterhin dargestellt ist der Schwellenwert
S1, ab dem die Regelung einsetzt und der HLC 5 aktiv wird. Unterhalb S1 verläuft die
Kennlinie linear mit der Steigung 1. Oberhalb von S1 nähert sich die Übertragungskennlinie
für den eingeschwungenen Zustand des Reglers mit steigendem Eingangssignalpegel dem
Schwellenwert S2.
[0020] Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung das Blockschaltbild eines Hörgerätes gemäß
der Erfindung. Auch dieses sieht ein Mikrofon 1', einen A/D-Wandler 2', eine Signalverarbeitungseinheit
3' sowie einen Hörer 4' vor. Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt bei dem
Hörgerät gemäß der Erfindung mittels einer Kompressionseinheit 6 stets (und nicht
erst oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes) eine Kompression des analogen Eingangssignals
nach Maßgabe einer Kompressionskennlinie, bevor es dem A/D-Wandler 2' zugeführt ist.
Das Kompressionsverhältnis kann dabei in einem bestimmten Wertebereich des Eingangssignalpegels
auch gleich eins sein. Die Kompressionseinheit 6 ist in analoger Schaltungstechnik
ausgeführt und realisiert eine Steuerung mit der in Figur 4 dargestellten Übertragungskennlinie.
Im Unterschied zu dem HLC 5 gemäß Figur 1 besitzt die Kompressionseinheit 6 keinen
Schwellenwert hinsichtlich der Signalamplitude des Eingangssignals, der überschritten
werden muss, damit die Schaltung aktiviert wird. Vielmehr erfolgt die Anpassung des
analogen Eingangssignals unmittelbar, permanent und kontinuierlich. Die Kompressionseinheit
6 ist keine Regelschaltung und weist auch keine Ein- oder Ausschwingzeiten auf.
[0021] Die Kompressionseinheit 6 ist vorteilhaft schaltungstechnisch als analoger Logarithmierer
ausgebildet (vgl. Tietze U.; Schenk CH.: Halbleiter-Schaltungstechnik, Berlin, Heidelberg,
New York, London, Paris, Tokio, Barcelona: Springer 1990) und kann gleichzeitig auch
eine Signalvorverstärkung bewirken. Weiterhin kann die Kompressionseinheit 6 als eigenständige
Schaltungseinheit in dem Hörgerät implementiert sein, aber auch in das Mikrofon 1'
oder den A/D-Wandler 2' integriert sein.
[0022] Das Hörgerät gemäß Figur 3 umfasst weiterhin die Expansionseinheit 7. Diese ist in
die Signalverarbeitungseinheit 3' integriert und wie diese in digitaler Schaltungstechnik
realisiert. Die Expansionseinheit 7 dient der Expansion des in der Kompressionseinheit
6 komprimierten Signals. Dabei kann in der Signalverarbeitungseinheit 3' sowohl vor
als auch nach der Expansion eine weitere Signalverarbeitung stattfinden. Insgesamt
weist das so ausgebildete Hörgerät einen Dynamikumfang auf, der den Dynamikumfang
des A/D-Wandlers 2' deutlich übersteigt.
[0023] In Figur 4 ist die Übertragungskennlinie der Kompressionseinheit 6 als Funktion des
Ausgangssignalpegels LO über dem Eingangssignalpegel LI ausgeführt. Auch diese weist
bei niedrigen Signalpegeln des Eingangssignals zumindest näherungsweise einen linearen
Verlauf mit der Steigung 1 auf und flacht zu höheren Eingangssignalpegeln hin allmählich
ab. Die Übertragungskennlinie kann in dem interessanten Wertebereich des Eingangssignalpegels
in etwa durch eine Logarithmusfunktion beschrieben werden.
[0024] Figur 5 zeigt die zu der Kompressionskennlinie gemäß Figur 4 inverse Expansionskennlinie,
die von der Expansionseinheit 7 realisiert wird. Nach Maßgabe dieser Expansionskennlinie
wird in der Expansionseinheit 7 die in der Kompressionseinheit 6 erfolgte Komprimierung
des Eingangssignals zumindest näherungsweise wieder aufgehoben. Dadurch weist das
so ausgebildete Hörgerät einen größeren Dynamikumfang auf, als dies der A/D-Wandler
2' ohne die weitere Beschaltung gemäß der Erfindung ermöglichen würde.
[0025] Anders als bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3, das die Kompressionseinheit
6 umfasst, kann ein komprimierendes Signalübertragungsverhalten gemäß Figur 4 auch
direkt von dem Mikrofon 1' bewirkt werden. Das Mikrofon 1' weist hierfür einen akustisch-mechanischen
Kompressionsteil (nicht dargestellt) auf. Dessen Wirkung kann beispielsweise auf einer
besonderen Ausbildung der Mikrofonmembran beruhen (unterschiedlich dicke Membranbereiche).
[0026] Zum Realisieren der inversen Übertragungskennlinie in der Expansionseinheit 7 ist
diese vorzugsweise programmierbar ausgebildet. Dann kann der genaue Verlauf der Übertragungskennlinie
durch Programmierung des Hörgerätes variiert werden.
1. Verfahren zum Betrieb eines Hörgerätes mit wenigstens einem Eingangswandler zur Aufnahme
eines Eingangssignals und Wandlung in ein elektrisches Signal, einem A/D-Wandler (2,
2') zur Wandlung des elektrischen Signals in ein digitales Signal, einer Signalverarbeitungseinheit
(3, 3') zur Verarbeitung des digitalen Signals und einem Ausgangswandler,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Komprimieren des elektrischen Eingangssignals vor der A/D-Wandlung nach Maßgabe
einer Kompressionskennlinie,
- A/D-Wandlung des komprimierten Signals zum Erzeugen eines komprimierten digitalen
Signals,
- Expandieren des komprimierten digitalen Signals oder eines daraus hervorgehenden
Signals nach der A/D-Wandlung nach Maßgabe einer wenigstens näherungsweise zu der
Kompressionskennlinie inversen Expansionskennlinie.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression zumindest näherungsweise nach Maßgabe einer Logarithmusfunktion und
die Expansion zumindest näherungsweise nach Maßgabe einer inversen Logarithmusfunktion
erfolgen.
3. Hörgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Eingangswandler mit komprimierendem Signalübertragungsverhalten zum Komprimieren
des Eingangssignals.
4. Hörgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Kompressionseinheit (6) zum Komprimieren des Eingangssignals vor der A/D-Wandlung.
5. Hörgerät nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Expansionseinheit (7) zum Expandieren des komprimierten digitalen Signals.
6. Hörgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion der Kompressionseinheit (6) und/oder der Expansionseinheit
(7) einstellbar ist.