[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung eines Störgeräusches in einem
akustischen System, wobei das akustische System wenigstens ein Mikrofon und wenigstens
einen Lautsprecher umfasst, und wobei das wenigstens eine Mikrofon ein Eingangssignal
erzeugt, wobei der wenigstens eine Lautsprecher ein akustisches Signal erzeugt, welches
teilweise auf das wenigstens eine Mikrofon rückkoppelt.
[0002] In einem akustischen System der oben beschriebenen Art, wie es beispielsweise durch
ein Hörgerät gegeben sein kann, können durch Rückkopplung bedingte Störgeräusche auftreten.
Eine akustische Rückkopplung kann dadurch entstehen, dass das durch den Lautsprecher
erzeugte akustische Signal teilweise vom Mikrofon wahrgenommen wird, und hierdurch
erneut Eingang in das akustische System findet. Das vom Mikrofon erzeugte Eingangssignal
wird im akustischen System verstärkt, so dass innerhalb der geschlossenen Schleife,
welche durch den Lautsprecher, das durch diesen erzeugte akustische Signal, das Mikrofon,
und die Signalverarbeitung innerhalb des akustischen Systems gebildet wird, ein Signalanteil
durch die Rückkopplung immer weiter zu einem pfeifenden Störgeräusch verstärkt wird,
wenn die Verstärkung bei der Signalverarbeitung innerhalb des akustischen Systems
einen bestimmten Grenzwert übersteigt.
[0003] Derartige Störgeräusche können durch sog. Rückkopplungs-Unterdrückungsverfahren ("feedback
cancellers") reduziert oder sogar eliminiert werden. Hierfür werden nach Stand der
Technik oftmals adaptive feedback-cancellation-Methoden verwendet, in welchen ein
adaptives Filter mit Filterkoeffizienten h die zeitabhängige Impulsantwort des akustischen
Rückkopplungspfades modelliert. Ein oft verwendetes Beispiel für eine Vorschrift zur
Anpassung der Filterkoeffizienten h ist durch den "normalized least mean square" Algorithmus
(NLMS) gegeben:

[0004] Hierbei ist k der diskrete Zeitindex, x der Input in das System zur Auslöschung der
Rückkopplung, e = m-c das Fehlersignal, welches definiert ist als die Differenz zwischen
dem vom Mikrofon erzeugten Eingangssignal m und dem Kompensationssignal c zur Kompensation
der Rückkopplung. µ ist die Schrittweite, über welche die Geschwindigkeit der Anpassung
bzw. der Konvergenz gesteuert wird, und * bezeichnet die komplexe Konjugation.
[0005] In einem realistischen akustischen System wird dabei das Eingangssignal m oftmals
zunächst mit einer vergleichsweise hohen Abtastrate digitalisiert und hierdurch in
zeitdiskrete Abtastwerte umgewandelt. Anschließend wird jeweils eine Vielzahl, beispielsweise
128, von aufeinander folgenden Abtastwerten zu einem sogenannten Frame zusammengefasst.
Innerhalb eines Frames kann nun anhand der den Frame bildenden Abtastwerte mittels
Fouriertransformation eine spektrale Analyse des Eingangssignals durchgeführt werden.
Für die Erzeugung bzw. die Analyse eines nächsten Frames wird das zu betrachtende
Fenster um einige Abtastwerte, beispielsweise 32, in Richtung der Zeitachse verschoben,
sodass die Fenster der jeweils für einen Frame zu berücksichtigenden Abtastwerte sich
für benachbarte Frames teilweise deutlich überlappen. Der Zeitindex kann in diesem
Fall als ein Frame-Index aufgefasst werden, wobei das adaptive Filter auch im Frequenzraum
verwendet werden kann. In diesem Fall sind die Filterkoeffizienten h Vektoren, deren
Einträge jeweils einem spektralen Subband entsprechen. Die Anwendung ist jedoch nicht
auf diesen Fall beschränkt. Einzelheiten hierzu finden sich beispielsweise in
S. Haykin, "Adaptive Filter Theory" (Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1996) oder
T. v. Waterschoot & M. Moonen, "Fifty years of acoustic feedback control: state of
the art and future challenges" (Proc. IEEE, Bd. 99, Nr. 2, Feb. 2011, Seiten 288-327).
[0006] Es ist nun ein bekanntes Problem, dass korrelierte Eingangssignale, wie sie beispielsweise
durch die Aufnahme von Musik oder auch von gesprochener Sprache erzeugt werden können,
in einem adaptiven Filter zu einer Divergenz führen können, was zu einer mindestens
teilweisen Auslöschung eines Zielsignals führen kann. Dies kann im Ausgangssignal
deutlich wahrnehmbare Signal-Artefakte produzieren, was zu einer erheblichen Verschlechterung
der Klangqualität führt. Die durch eine akustische Rückkopplung erzeugten pfeifenden
Störgeräusche weisen in den betreffenden Signalen ebenfalls eine hohe Korrelation
auf, insbesondere, wenn ein korreliertes Zielsignal vorliegt, welches aufgenommen
und nach der Wiedergabe durch einen Lautsprecher rückgekoppelt wird. Soll nun zur
Unterdrückung der hierdurch erzeugten Störgeräusche ein adaptives Filter verwendet
werden, so können bei der Unterdrückung des Störsignals der Rückkopplung auch Signalanteile
des Zielsignals zumindest teilweise ausgelöscht werden, was sich negativ auf die Klangqualität
des Ausgangssignals auswirkt.
[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Unterdrückung eines
durch akustische Rückkopplung bedingten Störgeräusches zu nennen, welches die Verwendung
eines adaptiven Filters erlaubt, und gleichzeitig eine möglichst hohe Klangqualität
im Ausgangssignal aufweist.
[0008] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Unterdrückung
eines Störgeräusches in einem akustischen System, wobei das akustische System wenigstens
ein Mikrofon und wenigstens einen Lautsprecher umfasst, wobei das wenigstens eine
Mikrofon ein Eingangssignal erzeugt und wobei der wenigstens eine Lautsprecher ein
akustisches Signal erzeugt, welches teilweise auf das wenigstens eine Mikrofon rückkoppelt,
wobei entlang eines Hauptsignalpfades in Abhängigkeit vom Eingangssignal ein erstes
Zwischensignal und aus dem ersten Zwischensignal durch eine Frequenzverzerrung ein
Ausgangssignal gebildet wird, wobei aus dem Hauptsignalpfad das Ausgangssignal in
einen Signal-Rückkopplungspfad ausgekoppelt wird, wobei im Signal-Rückkopplungspfad
aus dem Ausgangssignal durch eine Dekorrelierung ein zweites Zwischensignal gebildet
wird, das als Eingangsgröße für ein adaptives Filter herangezogen wird, welches ein
Kompensationssignal erzeugt, und wobei das Kompensationssignal dem Eingangssignal
zur Kompensation zugeführt wird, wobei aus dem Eingangssignal und/oder aus dem kompensierten
Eingangssignal ein drittes Zwischensignal gebildet wird, welches als Eingangsgröße
für das adaptive Filter herangezogen wird, und wobei das Ausgangssignal dem wenigstens
einen Lautsprecher zur Wiedergabe zugeführt wird. Vorteilhafte und teils für sich
gesehen erfinderische Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden
Beschreibung dargelegt.
[0009] Insbesondere kann auch das Ausgangssignal als weitere Eingangsgröße für das adaptive
Filter herangezogen werden, wobei das zweite Zwischensignal und das dritte Zwischensignal
im adaptiven Filter zur Bestimmung von Filterkoeffizienten herangezogen werden, mittels
derer das Ausgangssignal gefiltert und hierdurch das Kompensationssignal erzeugt wird.
[0010] Die Erfindung geht dabei von folgenden Überlegungen aus: Eine Verringerung der Schrittweite
µ eines verwendeten adaptiven Filters hätte zur Folge, dass im Fall eines korrelierten
Eingangssignals das Filter deutlich langsamer divergiert, so dass ungewünschte Artefakte
im Ausgangssignal reduziert werden könnten bzw. unhörbar werden. Die Reduktion der
Schrittweite könnte hierbei beispielsweise immer dann erfolgen, wenn ein korreliertes
bzw. tonales Eingangssignal registriert wird. Ein Nachteil eines solchen Vorgehens
ist jedoch, dass jede Veränderung des akustischen Rückkopplungspfades, während das
korrelierte Signal registriert wird, nicht schnell genug verfolgt werden kann, um
durch die Rückkopplung hervorgerufene Störgeräusche zu vermeiden, da infolge der verringerten
Schrittweite µ Beschränkungen an die Anpassungsfähigkeit des Filters gelegt werden.
Die Schrittweite ist daher immer zu sehen als ein Trade-off zwischen der Klangqualität
und der Fähigkeit, auf Veränderungen im akustischen Rückkopplungspfad zu reagieren.
[0011] Eine andere Möglichkeit, die Probleme eines adaptiven Filters für ein stark korreliertes
Eingangssignal zu beheben, liegt in einer möglichen Dekorrelierung des Eingangssignals
(sog. "pre-whitening"). Da im adaptiven Filter nur korrelierte Eingangssignale Probleme
mit der Anpassung hervorrufen, könnte eine derartige Dekorrelierung zunächst das Problem
lösen. Eine solche Dekorrelierung wird oftmals durch eine lineare Prädiktion ("linear
predictor") implementiert. Für ein korreliertes Eingangssignal wird dabei eine Vorhersage
für ein oder mehrere zukünftige Samples des Signals in Abhängigkeit von vergangenen
beobachteten Samples des Signals getroffen. Diese Vorhersage wird anschließend vom
eigentlichen Eingangssignal subtrahiert. Das Resultat dieser Subtraktion wird Prädiktions-Fehlersignal
("residual signal") genannt. So ist beispielsweise ein Sinussignal vollständig deterministisch
und daher perfekt vorhersagbar. In diesem Fall wäre für eine entsprechende Prädiktions-Ordnung
das residuale Signal null.
[0012] Im Fall einer linearen Prädiktion kann das Prädiktions-Fehlersignal geschrieben werden
als

wobei s(k) das Sample des Input-Signals für die Prädiktion zum Zeitpunkt k darstellt,
a(i) den Filterkoeffizienten der Dekorrelierung bezeichnet, und P die Ordnung der
Prädiktion. Das so erzeugte Prädiktions-Fehlersignal ist dabei im Allgemeinen komplexwertig.
[0013] Durch eine Rückkopplung verursachte Störgeräusche weisen ebenfalls erheblich korrelierte
Signalanteile auf. Wendet man nun eine Dekorrelierung auf ein solches Signal an, so
ist die Signalstärke des daraus resultierenden Prädiktions-Fehlersignals sehr gering.
Für eine Weiterverwendung in einem adaptiven Filter würde dies bedeuten, dass das
adaptive Filter an der Frequenz des durch die Rückkopplung erzeugten Störgeräusches
nicht angeregt ist. Somit kann das Filter an dieser Frequenz keine Anpassung an den
akustischen Rückkopplungspfad vornehmen, wodurch das Störgeräusch solange verbleibt,
bis der akustische Rückkopplungspfad sich verändert.
[0014] Zum Abschätzen der Filterkoeffizienten für die Dekorrelierung mittels linearer Prädiktion
existieren verschiedene Methoden, beispielsweise der NLMS-Algorithmus und die Lewinson-Durbin-Rekursion.
Bei letzterer wird folgende matrixwertige Gleichung rekursiv gelöst:

wobei der Vektor a die Koeffizienten a(i) enthält, und die Matrix R und der Vektor
r die Autokorrelationsmatrix bzw. den Autokorrelationsvektor bezeichnet. Beide Größen
werden gebildet durch die Autokorrelationen

wobei für stationäre Signale der Erwartungswert E nur von der Zeitverschiebung j
abhängt. Der Erwartungswert kann dabei z.B. durch rekursives Mitteln approximiert
werden.
[0015] Für nicht stationäre Signale, wie z.B. Sprache, sind die Autokorrelationswerte zeitabhängig,
und daher bevorzugt wiederholt zu ermitteln. Die meisten nicht stationären Signale
können jedoch innerhalb eines Zeitfensters einer bestimmten Dauer als nahezu stationär
betrachtet werden. Die Länge dieses Zeitfensters hängt dabei vom Grad ab, in welchem
das Signal nicht stationär ist. Die Anpassungsgeschwindigkeit eines Filters bzw. Schätzers,
welcher die Autokorrelationswerte eines Input-Signals berechnet, spielt hierbei eine
wichtige Rolle: Je schneller der Schätzer, desto besser können nicht stationäre Signale
verfolgt werden, wodurch sich eine Dekorrelierung eines Input-Signals verbessert.
Um also ein nicht stationäres Signal für eine Dekorrelierung innerhalb eines kurzen
Zeitfensters als stationär behandeln zu können, bedarf es eines möglichst schnellen
Schätzers. Dies gilt auch für jene Dekorrelierungen, welche sich eines anderen Verfahrens
bedienen. So wird beispielsweise im NLMS-Algorithmus die Anpassungsgeschwindigkeit
und damit die Fähigkeit, nicht stationäre Signale zu dekorrelieren, über die Schrittweite
geregelt.
[0016] Das Problem, dass ein korreliertes Zielsignal für das adaptive Filter zum Auslöschen
eines durch Rückkopplung bedingten Störgeräusches vorher bevorzugt zu dekorrelieren
ist, jedoch durch eine Dekorrelierung das adaptive Filter bei den Frequenzen des durch
Rückkopplung hervorgerufenen Störgeräusches nicht mehr angeregt ist, könnte nun dadurch
umgangen werden, dass in einem ersten Schritt ein derartiges Störgeräusch detektiert
wird, und in Abhängigkeit einer solchen Detektion in einem zweiten Schritt in diesem
Fall die Dekorrelierung unterbleibt. Dies hat jedoch mehrere praktische Nachteile:
Zum einen ist eine solche Detektion in der Praxis stets fehlerbehaftet. Insbesondere,
wenn durch die akustische Rückkopplung mehrere nahe beieinander liegende Frequenzen
angeregt werden, können diese gegebenenfalls aufgrund einer unzureichenden spektralen
Auflösung bei der Detektion nicht hinreichend unterdrückt werden. Überdies erfordert
ein solches Vorgehen zunächst immer eine wenigstens ansatzweise Entwicklung eines
durch die Rückkopplung bedingten Störgeräusches, um bei dessen Detektion den entsprechenden
Signalverarbeitungsblock der Dekorrelierung zu umgehen. Dies bedeutet, dass ein internes
Signal im akustischen System nie gänzlich rückkopplungsfrei ist, sondern Signalanteile
des Störgeräusches bis zum Schwellwert der Detektion enthält. Dies ist jedoch aus
Gründen der Klangqualität unerwünscht.
[0017] Eine weitere Möglichkeit könnte darin bestehen, die Filterkoeffizienten für die Dekorrelierung
in einem weiteren akustischen System zu bestimmen, und diese Filterkoeffizienten zwischen
den beteiligten akustischen Systemen kontinuierlich zur Anpassung zu übermitteln.
Diese Möglichkeit wäre insbesondere bei einem binauralen Hörgerätesystem gegeben.
Der genannten Idee läge die Annahme zugrunde, dass die von den beteiligten akustischen
Systemen jeweils aufgezeichneten Schallsignale aus der Umgebung eine hohe Ähnlichkeit
aufweisen, durch Rückkopplung in einem einzelnen System hervorgerufene Störgeräusche
jedoch nur das einzelne akustische System betreffen. Da ein durch Rückkopplung hervorgerufenes
Störgeräusch bei einer bestimmten Frequenz unter hoher Wahrscheinlichkeit nur in einem
akustischen System auftreten wird, können die Filterkoeffizienten für die Dekorrelierung,
welche in einem anderen akustischen System ermittelt werden, als ein guter Schätzwert
für die Dekorrelierung eines Zielsignals im von Rückkopplung betroffenen akustischen
System herangezogen werden. Hierfür ist jedoch zunächst das Vorhandensein eines weiteren
akustischen Systems erforderlich, was oft nicht gegeben ist. Überdies kann infolge
der Übertragung auch eine Zeitverzögerung der Filterkoeffizienten auftreten, sodass
diese beim Empfang im jeweils anderen akustischen System nicht mehr aktuell sind,
oder aufgrund der räumlichen Anordnung der beteiligten akustischen Systeme stellen
die jeweiligen Filterkoeffizienten keine hinreichend gute Abschätzung für das jeweils
andere System dar. Dies kann beispielsweise bei einem binauralen Hörgerätesystem aufgrund
von durch den Kopf des Anwenders bedingte Abschattungseffekte auftreten.
[0018] Demgegenüber schlägt nun die Erfindung vor, ein Ausgangssignal des akustischen Systems,
welches in einen Signal-Rückkopplungspfad einzuspeisen ist, zunächst einer Frequenzverzerrung
zu unterziehen, und daraufhin zu dekorrelieren. Insbesondere kann hierbei eine zeitabhängige
Frequenzverzerrung verwendet werden. Durch eine Rückkopplung hervorgerufene Störgeräusche
weisen im Normalfall ein nahezu perfekt sinusförmiges Signal auf. Durch die Frequenzverzerrung
geht diese Form verloren. Wird beispielsweise für die Frequenzverzerrung eine zeitabhängige
Frequenzverschiebung gewählt, folgen die Signale der Störgeräusche dieser Frequenzverschiebung.
[0019] Die Autokorrelationswerte von frequenzverzerrten Signalen nehmen mit zunehmendem
Zeitabstand ab, sodass das Zeitfenster, währenddessen das durch Rückkopplung hervorgerufene
Störsignal als stationär betrachtet werden kann, verkürzt wird. Somit ist es möglich,
einen Dekorrelierer derart zu implementieren, dass sich dieser nicht an das Störsignal
der Rückkopplung anpasst. Das Zeitfenster, in welchem Signale als stationär betrachtet
werden können, ist dabei bevorzugt so zu wählen, dass durch die Frequenzverzerrung
das Störsignal der Rückkopplung nicht als stationär betrachtet wird, die eigentlich
nicht stationären Signalanteile eines Zielsignals schon. Somit wird die Dekorrelierung
nicht an das Störsignal, sondern nur an die Signalanteile des Zielsignals angepasst,
welche dekorreliert werden. Im dekorrelierten Signal sind nun die nicht stationären
korrelierten Signalanteile entfernt, wie sie bei der Aufzeichnung von gesprochener
Sprache auftreten, nicht jedoch die durch die Rückkopplung hervorgerufenen Signalanteile.
Das dekorrelierte Signal wird nun als ein Zwischensignal dem adaptiven Filter zugeführt,
welches basierend auf dem durch Rückkopplung hervorgerufenen Störsignal ein Kompensationssignal
erzeugen kann, welches zur Unterdrückung der Störgeräusche in den Hauptsignalpfad
zurückgeführt wird.
[0020] Günstigerweise wird das Eingangssignal zeitdiskretisiert, wobei als adaptives Filter
ein "least mean square"-Algorithmus (LMS) verwendet wird. Bevorzugt wird dabei das
Ausgangssignal als das Referenzsignal verwendet, und das Fehlersignal des LMS-Filters
durch die Differenz aus dem Eingangssignal und dem Kompensationssignal gebildet. Das
angegebene Verfahren ist insbesondere bei der Verwendung eines LMS-Algorithmus im
adaptiven Filter vorteilhaft, da durch die Frequenzverzerrung des Ausgangssignals
die Divergenz-Probleme, welche bei der Verwendung eines LMS-Algorithmus zur adaptiven
Filterung von durch Rückkopplung bedingten Störsignalen auftreten, gelöst werden.
[0021] Als weiter vorteilhaft erweist es sich hierbei, wenn die Schrittweite im LMS-Algorithmus
über das zweite Zwischensignal normalisiert wird. Dieses Vorgehen wird auch bezeichnet
als "Normalized least mean square" (NLMS). Durch eine solche Normalisierung werden
die Konvergenzeigenschaften des Algorithmus verbessert. Die optimalen Filterkoeffizienten
sind im Allgemeinen gegeben durch die Lösung der Filtergleichung mittels eines Wiener-Filters.
Dieses kann jedoch aufgrund der statischen Eigenschaften und der begrenzten Umsetzungszeit
meist nicht angewandt werden, weswegen Abschätzungen für die durch das Wiener-Filter
gegebenen Filterkoeffizienten verwendet werden, wobei die Abschätzungen im Idealfall
gegen die Wiener-Lösung konvergieren. Im Falle eines LMS-Algorithmus zur Abschätzung
der im Sinne eines Wiener-Filters optimalen Filterkoeffizienten kann eine zu große
Schrittweite µ in der Nähe der optimalen Lösung die Konvergenz verschlechtern, da
im Lösungsraum durch die Iterationsschritte eine relativ grobe Bewegung um die optimale
Lösung stattfindet. Durch die Normalisierung der Schrittweite und damit durch den
Übergang zum NLMS wird in der Nähe der optimalen Filterkoeffizienten die Bewegung
verfeinert, wodurch in den einzelnen Iterationsschritten ein übermäßiges Entfernen
von der optimalen Lösung im Lösungsraum unterbunden wird.
[0022] Zweckmäßigerweise wird die Frequenzverzerrung zur Bildung des Ausgangssignals aus
dem ersten Zwischensignal durch eine Frequenzverschiebung erreicht. Insbesondere wird
dabei eine zeitabhängige Frequenzverschiebung verwendet. Dies bietet die Möglichkeit,
die Anpassungsgeschwindigkeit des Dekorrelierers auf die Frequenzverschiebung abzustimmen,
und somit die frequenzverschobenen Signalanteile des durch die akustische Rückkopplung
hervorgerufenen Störgeräusches von der Dekorrelierung wirksam auszunehmen. Jedoch
kann eine Frequenzverzerrung auch durch eine Phasenmodifikation, eine Frequenztransposition
oder eine nicht-lineare Transformation erfolgen. Auch in diesem Fall ist die Anpassungsgeschwindigkeit
des Dekorrelierers bevorzugt auf den jeweiligen Grad der Frequenzverzerrung abzustimmen.
[0023] Als weiter vorteilhaft erweist sich, wenn das Ausgangssignal zur Bildung des zweiten
Zwischensignals mittels eines linearen Prädiktionsfilters dekorreliert wird. Die Filterkoeffizienten
des linearen Prädiktionsfilters sind dabei bevorzugt mittels einer Levinson-Durbin-Rekursion
oder mittels eines LMS- bzw. NLMS-Algorithmus zu bestimmen. Der Vorteil eines linearen
Prädiktionsfilters besteht darin, dass hierfür nur lineare Gleichungssysteme zu lösen
sind, was die numerische Komplexität für das jeweilige Filterproblem begrenzt. Insbesondere
kann auch das Eingangssignal oder das kompensierte Eingangssignal mittels eines linearen
Prädiktionsfilters dekorreliert werden, und zur Bildung des dritten Zwischensignals
herangezogen werden, welches als Eingangsgröße dem adaptiven Filter zugeführt wird.
[0024] Bevorzugt werden dabei für die Filterkoeffizienten des linearen Prädiktionsfilters
zeitabhängige Autokorrelationswerte des Ausgangssignals und/oder eines auf dem Eingangssignal
basierenden Fehlersignals herangezogen. Insbesondere können die Autokorrelationswerte
dabei für einen Levinson-Durbin-Algorithmus verwendet werden. Die Berücksichtigung
der Zeitabhängigkeit der Autokorrelationswerte ermöglicht eine Abstimmung der Dekorrelierung
an den Grad der Frequenzverzerrung über die geeignete Wahl eines entsprechenden Zeitfensters,
nach welchem jeweils die Autokorrelationswerte erneut ermittelt werden.
[0025] Besonders bevorzugt werden die Filterkoeffizienten des, insbesondere jedes linearen
Prädiktionsfilters in Abhängigkeit von der Dekorrelierungsstärke der Frequenzverzerrung
angepasst. Dies bedeutet insbesondere, dass das Zeitfenster, in welchem Signale als
stationär betrachtet werden können, von der Dekorrelierungsstärke der Frequenzverzerrung
abhängt. Im Fall eines Levinson-Durbin-Algorithmus kann dies beispielsweise über eine
wiederholte Anpassung der Autokorrelationswerte in den genannten Zeitabständen erfolgen,
aus welchen die Filterkoeffizienten erneut zu ermitteln sind. Im Fall eines NLMS-Algorithmus
kann stattdessen entsprechend die Schrittweite in den genannten Zeitabständen angepasst
werden.
[0026] Durch die beschriebene funktionale Abhängigkeit der Zeitabstände bzw. des stationären
Zeitfensters kann beeinflusst werden, welche Signalanteile vom Dekorrelierer noch
als stationär wahrgenommen werden, so dass die von der Frequenzverzerrung betroffenen
Signalanteile des Störsignals nicht mit dekorreliert werden. Ein Dekorrelierer, welcher
ein zu kurzes "stationäres Zeitfenster" aufweist, könnte auch Signalanteile eines
frequenzverzerrten ursprünglich monofrequenten Signals als stationär auffassen und
daher mit dekorrelieren. Dies wird dadurch umgangen, dass die Anpassungsgeschwindigkeit
der Dekorrelierung an den Grad der Frequenzverzerrung, insbesondere an die dieser
eigenen Dekorrelierungsstärke, angepasst wird. wird beispielsweise eine zeitabhängige
Frequenzverschiebung gewählt, so ist diese bevorzugt schneller durchzuführen, als
im Zeitfenster für die Dekorrelierung Signale als stationär betrachtet werden.
[0027] In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Filterkoeffizienten
des, insbesondere jedes linearen Prädiktionsfilters in Abhängigkeit von einer Transferfunktion
eines Modells des akustischen Systems angepasst, welches das wenigstens eine Mikrofon
und wenigstens einen das korrigierte Ausgangssignal wiedergebenden Lautsprecher umfasst.
Insbesondere können dabei die Zeitabstände für die Anpassung der Filterkoeffizienten
zusätzlich auch von der Dekorrelierungsstärke der Frequenzverzerrung abhängen. Die
Transferfunktion kann hierbei die spezifischen Kenndaten des akustischen Systems enthalten,
wie z.B. Verstärkungswerte in einzelnen Sub-Bändern. In ein solches Modell kann dabei,
wenigstens implizit über Koeffizienten der Transferfunktion, auch die Wahrscheinlichkeit
eingehen, dass eine Rückkopplung Störgeräusche bei einer bestimmten Frequenz hervorruft.
Ist eine Anregung durch Rückkopplung sehr wahrscheinlich bzw. oberhalb eines vorher
festgelegten Grenzwertes für die Wahrscheinlichkeit, kann die Anpassungsgeschwindigkeit
der Dekorrelierung verringert werden, um sicherzustellen, dass die frequenzverzerrten
Anteile des ursprünglich monofrequenten Störsignals nicht als stationär betrachtet
und mit dekorreliert werden. Ist eine Rückkopplung unwahrscheinlich, kann das Zeitfenster
für die Anpassung des Dekorrelierers verkürzt werden, so dass tonale Signalkomponenten,
welche z.B. durch Sprachaufnahme erzeugt wurden, schnell erkannt werden, und dekorreliert
werden.
[0028] Die Erfindung nennt weiter ein akustisches System, welches umfassend wenigstens ein
Mikrofon zur Erzeugung eines Eingangssignals, wenigstens einen Lautsprecher zur Wiedergabe
eines Ausgangssignals, und eine Steuereinheit umfasst, welche dazu eingerichtet ist,
ein Störgeräusch, das durch Rückkopplung des über den wenigstens einen Lautsprecher
wiedergegebenen Ausgangssignals in das vom wenigstens einen Mikrofon erzeugte Eingangssignal
hervorgerufen wird, durch das vorbeschriebene Verfahren unterdrücken. Insbesondere
ist das akustische System dabei als ein Hörgerät, und vorteilhaft als ein Hörhilfegerät
ausgebildet. Die für das Verfahren und seine Weiterbildungen angegebenen Vorteile
können dabei sinngemäß auf das akustische System übertragen werden.
[0029] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher
erläutert. Hierbei zeigen jeweils schematisch:
- FIG 1
- in einem Blockdiagramm der Ablauf eines Verfahrens zur Unterdrückung eines Störgeräusches
in einem akustischen System, und
- FIG 2
- in einem Blockdiagramm eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des Verfahrens nach
FIG 1.
[0030] Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren jeweils mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
[0031] In FIG 1 ist schematisch in einem Blockdiagramm der Ablauf eines Verfahrens 1 zur
Unterdrückung eines Störgeräusches g in einem akustischen System 2 dargestellt. Das
akustische System 2, welches hier gegeben ist durch ein Hörgerät 3, beispielsweise
ein Hörhilfegerät, umfasst dabei ein Mikrofon 4 und einen Lautsprecher 6. Das vom
Mikrofon 4 aufgezeichnete Mikrofonsignal m wird in einem Hauptsignalpfad 8 einer Signalverarbeitungseinheit
10 zugeführt, wo es unter anderem verstärkt wird. Am Ende des Hauptsignalpfads 8 wird
ein Ausgangssignal xs an das Mikrofon 4 ausgegeben, welches aus dem Ausgangssignal
xs ein akustisches Signal p erzeugt. Ein Teil des vom Lautsprecher 6 erzeugten akustischen
Signals p wird als Rückkopplung fb erneut vom Mikrofon 4 aufgezeichnet, und findet
somit Eingang in das Mikrofonsignal m. Durch die Rückkopplung fb werden Signalanteile
des akustischen Signals p im Mikrofonsignal m erneut der Signalverarbeitungseinheit
10 zugeführt und dort weiter verstärkt. Durch die wiederholte Verstärkung, Wiedergabe
und Aufnahme in einem geschlossenen Prozess entstehen Störgeräusche g in der Form
von nahezu monofrequenten Pfeiftönen. Zur Unterdrückung der Störgeräusche g ist der
Signal-Rückkopplungspfad 16 vorgesehen.
[0032] Für den Signal-Rückkopplungspfad 16 wird aus dem Hauptsignalpfad 8 das Ausgangssignal
xs ausgekoppelt und einem Dekorrelierer 18 zugeführt. Der Dekorrelierer 18 wird hierbei
gebildet durch ein lineares Prädiktionsfilter 20.
[0033] Im Hauptsignalpfad 8 gibt die Signalverarbeitungseinheit 10 ein erstes Zwischensignal
x aus, welches durch eine Frequenzverzerrung 22 in das Ausgangssignal xs umgewandelt
wird. Die Frequenzverzerrung 22, welche im vorliegenden Fall durch eine Frequenzverschiebung
23 erreicht wird, hat zur Folge, dass das lineare Prädiktionsfilter 20 nicht die den
Störgeräuschen g entsprechenden Signalanteile dekorreliert, sondern nur Signalanteile
eines Zielsignals. Vom linearen Prädiktionsfilter 20 wird ein zweites Zwischensignal
xw als Eingangsgröße an ein adaptives Filter 24 ausgegeben. Das adaptive Filter 24
erzeugt aus dem Ausgangssignal xs ein Kompensationssignal c, welches zur Kompensation
der Störgeräusche g vom Mikrofonsignal m subtrahiert wird. Hierdurch wird der Signal-Rückkopplungspfad
16 geschlossen.
[0034] Für die Erzeugung des Kompensationssignals c wird dem adaptiven Filter 24 ein weiteres
Zwischensignal ew als Eingangssignal zugeführt. Dieses dritte Zwischensignal ew wird
gebildet aus dem Fehlersignal e, welches sich aus dem um das Kompensationssignal c
kompensierten Mikrofonsignal m ergibt. Das Fehlersignal e wird nun ebenso durch ein
lineares Prädiktionsfilter 26 dekorreliert und das dekorrelierte Fehlersignal ew als
zweite Eingangsgröße dem adaptiven Filter 24 zugeführt. Aus dem dekorrelierten Fehlersignal
ew und dem zweiten Zwischensignal xw werden nun in einem Filterblock 28 des adaptiven
Filters 24 die Koeffizienten h berechnet, aus welchen ein Signalblock 30 des adaptiven
Filters zusammen mit dem Ausgangssignal xs das Kompensationssignal c erzeugt.
[0035] Durch die Frequenzverschiebung 23 wird hierbei sichergestellt, dass das lineare Prädiktionsfilter
20 keine den Störgeräuschen g zugehörige Signalanteile dekorreliert, wodurch das adaptive
Filter 24 diese nicht mehr mit dem Kompensationssignal c kompensieren würde. Die Länge
des stationären Zeitfensters T der linearen Prädiktionsfilter 20, 26, und damit ihre
Anpassungsgeschwindigkeit, wird dabei in Abhängigkeit der Frequenzverschiebung 23
gesteuert. Eine Steuereinheit 32 im Hörgerät 3 führt dabei alle angegebenen Verfahrensschritte
durch.
[0036] In FIG 2 ist in einem Blockdiagramm eine leichte Abwandlung des in FIG 1 dargestellten
Verfahrens 1 gezeigt. Hier wird im akustischen System 2, also insbesondere in einem
Hörgerät 3, beispielsweise in einem Hörhilfegerät, das dekorrelierte Fehlersignal
ew, welches als Eingangsgröße dem adaptiven Filter zugeführt wird, aus einem im linearen
Prädiktionsfilter 26 dekorrelierten Eingangssignal mw und einem dekorrelierten Kompensationssignal
cw gebildet. Das dekorrelierte Kompensationssignal cw wird dabei im Filterblock 28
des adaptiven Filters aus dem im linearen Prädiktionsfilter 26 dekorrelierten Fehlersignal
ew und dem zweiten Zwischensignal xw gebildet, welches durch das im linearen Prädiktionsfilter
20 dekorrelierten Ausgangssignal xs gegeben ist. Die Länge des stationären Zeitfensters
T der linearen Prädiktionsfilter 20, 26, und damit ihre Anpassungsgeschwindigkeit,
wird hierbei durch eine Anpassungsregelung 34 bestimmt, in welche der Grad df der
Frequenzverschiebung 23, der Gain n der Signalverarbeitungseinheit 10 in einzelnen
Sub-Bändern, und eine nicht näher dargestellte Transferfunktion des akustischen Systems
2 Eingang finden und zur Bestimmung des Zeitfensters T herangezogen werden. Ebenso
kann dabei auch ein durch die Filterkoeffizienten h bestimmtes Modell des akustischen
Rückkopplungspfades fb mit herangezogen werden, so dass die Anpassungsgeschwindigkeit
der Dekorrelierung in den linearen Prädiktionsfilter 20, 26 auch in Abhängigkeit der
durch dieses Modell geschätzten Rückkopplung bestimmt werden. Die Verwendung einer
derartigen Anpassungsregelung 34 ist dabei nicht auf die in FIG 2 dargestellte Form
des Signal-Rückkopplungspfades 16 beschränkt, sondern kann prinzipiell in verschiedenen
Ausführungsvarianten, insbesondere im in FIG 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, Verwendung
finden.
[0037] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert
und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt.
Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang
der Erfindung zu verlassen.
1. Verfahren (1) zur Unterdrückung eines Störgeräusches (g) in einem akustischen System
(2),
wobei das akustische System (2) wenigstens ein Mikrofon (4) und wenigstens einen Lautsprecher
(6) umfasst, wobei das wenigstens eine Mikrofon (4) ein Eingangssignal (m) erzeugt
und wobei der wenigstens eine Lautsprecher (6) ein akustisches Signal (p) erzeugt,
welches teilweise auf das wenigstens eine Mikrofon (4) rückkoppelt,
wobei entlang eines Hauptsignalpfades (8) in Abhängigkeit vom Eingangssignal (m) ein
erstes Zwischensignal (x), und aus dem ersten Zwischensignal (x) durch eine Frequenzverzerrung
(22) ein Ausgangssignal (xs) gebildet wird,
wobei aus dem Hauptsignalpfad (8) das Ausgangssignal (xs) in einen Signal-Rückkopplungspfad
(16) ausgekoppelt wird,
wobei im Signal-Rückkopplungspfad (16) aus dem Ausgangssignal (xs) durch eine Dekorrelierung
(18) ein zweites Zwischensignal (xw) gebildet wird, das als Eingangsgröße für ein
adaptives Filter (24) herangezogen wird, welches ein Kompensationssignal (c) erzeugt,
und wobei das Kompensationssignal (c) dem Eingangssignal (m) zur Kompensation zugeführt
wird,
wobei aus dem Eingangssignal (m) und/oder aus dem kompensierten Eingangssignal (e)
ein drittes Zwischensignal (ew) gebildet wird, welches als Eingangsgröße für das adaptive
Filter herangezogen wird, und
wobei das Ausgangssignal (xw) dem wenigstens einen Lautsprecher (4) zur Wiedergabe
zugeführt wird.
2. Verfahren (1) nach Anspruch 1,
wobei das Eingangssignal (m) zeitdiskretisiert wird, und wobei als adaptives Filter
ein "least mean square"-Algorithmus (LMS) verwendet wird.
3. Verfahren (1) nach Anspruch 2,
wobei die Schrittweite im LMS-Algorithmus über das zweite Zwischensignal (xw) normalisiert
wird.
4. Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Frequenzverzerrung (22) zur Bildung des Ausgangssignals (xs) aus dem ersten
Zwischensignal (x) durch eine Frequenzverschiebung (23) erreicht wird.
5. Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Ausgangssignal (xs) zur Bildung des zweiten Zwischensignals (xw) mittels
eines linearen Prädiktionsfilters (20) dekorreliert wird.
6. Verfahren (1) nach Anspruch 5,
wobei für die Filterkoeffizienten des linearen Vorhersage-Filters (20) zeitabhängige
Autokorrelationswerte des Ausgangssignals (xs) und/oder eines auf dem Eingangssignal
(m) basierenden Fehlersignals (e) herangezogen werden.
7. Verfahren (1) nach Anspruch 5 oder Anspruch 6,
wobei die Filterkoeffizienten des linearen Prädiktionsfilters (20) in Abhängigkeit
von der Dekorrelierungsstärke der Frequenzverzerrung (22) angepasst werden.
8. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
wobei die Filterkoeffizienten des linearen Prädiktionsfilters (20) in Abhängigkeit
von einer Transferfunktion eines Modells des akustischen Systems (2) angepasst werden,
welches das wenigstens eine Mikrofon (4) und wenigstens einen das korrigierte Ausgangssignal
(xs) wiedergebenden Lautsprecher (6) umfasst.
9. Akustisches System (2), umfassend wenigstens ein Mikrofon (4) zur Erzeugung eines
Eingangssignals (m), wenigstens einen Lautsprecher (6) zur Wiedergabe eines Ausgangssignals
(xs), und eine Steuereinheit (32), welche dazu eingerichtet ist, ein Störgeräusch
(g) durch Rückkopplung des über den wenigstens einen Lautsprecher (6) wiedergegebenen
Ausgangssignals (xs) in das vom wenigstens einen Mikrofon (4) erzeugte Eingangssignal
(m) durch ein Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu unterdrücken.
10. Akustisches System (2), welches als Hörgerät (3), insbesondere als ein Hörhilfegerät,
ausgebildet ist.