EP1653768A2

EP1653768A2 - Verfahren zur Reduktion von Störleistungen bei einem Richtmikrophon und entsprechendes Akustiksystem

Info

Publication number: EP1653768A2
Application number: EP05109462A
Authority: EP
Inventors: Eghart Fischer; Henning Puder
Original assignee: Siemens Audiologische Technik GmbH
Current assignee: Sivantos GmbH
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2006-05-03
Also published as: US8135142B2; DE102004052912A1; EP1653768A3; US20060104459A1

Abstract

Die Störleistungen bei Richtmikrophonen sollen so weit wie möglich unterdrückt werden. Hierzu ist vorgesehen, die Mikrophonsignale x 1 (k) und x 2 (k) mehrerer Mikrophone in Abhängigkeit mindestens eines Parameters adaptiv zu filtern. Die Richtwirkung des hierbei erhaltenen Richtmikrophons wird durch Verändern des mindestens einen Parameters derart eingestellt, dass die Summe von Störleistungen einschließlich Mikrophonrauschen reduziert bzw. minimal ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Störleistungen bei einem Richtmikrophon durch Bereitstellen von mindestens zwei Mikrophonsignalen und adaptives Filtern der mindestens zwei Mikrophonsignale zur Erzielung einer Richtwirkung, wobei mindestens ein Adaptionsparameter optimierbar ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Akustiksystem mit Richtmikrophon.
Grundsätzlich besteht der Bedarf bei Akustiksystemen und insbesondere bei Hörgeräten, mehrere Mikrophonsignale so kombiniert räumlich und spektral zu filtern, dass das Ausgangssignal möglichst geringe Störanteile enthält. Störungen werden dabei einerseits als die Signale definiert, die aus ungewünschten Richtungen, in diesem Fall außerhalb eines gewissen Winkelbereichs um die 0°-Richtung, z.B. +/- 60°, einfallen und andererseits als Mikrophonrauschen, das bei Ausbilden der Richtwirkung vor allem in tieffrequenten Bereichen verstärkt werden kann. Insbesondere besteht die Problematik, dass das Mikrophonrauschen steigt, wenn die Richtwirkung eines Richtmikrophons erhöht wird.
Ansätze zur Unterdrückung von Störsignalen gibt es für Richtmikrophone erster Ordnung. Diese behandeln jedoch nur den Aspekt, externe Störer durch Ausrichten von sogenannten Notches (Bereiche hoher Dämpfung) zu unterdrücken.
Entsprechend der Druckschrift WO 01/01731 A1 steht ferner ein Verfahren zur Verfügung, durch Parameterwahl eine Omni-Charakteristik mit geringem Mikrophonrauschen zu generieren. Eine Unterdrückung von Störsignalen ist hier jedoch nicht vorgesehen.
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist somit, dass kein einheitlicher Ansatz für die gleichzeitige Optimierung der Summenleistung von Mikrophonrauschen und Signalquellen, die aus ungewünschten Richtungen einfallen, zur Verfügung steht. Insbesondere existiert keine Lösung hierzu für Richtmikrophone zweiter Ordnung.
Aus der Patentschrift DE 103 27 889 B3 ist ein Hörhilfegerät mit einem Mikrofonsystem bekannt, bei dem unterschiedliche Richtcharakteristiken einstellbar sind. Ein höheres Maß an Richtwirkung vergrößert jedoch auch das durch das Mikrofonsystem verursachte Mirkofonrauschen. Es muss daher stets ein Kompromiss zwischen der Stärke der Richtwirkung und dem maximal in Kauf genommenen Mikrofonrauschen gefunden werden. Den Kompromiss muss der Hörgeräteträger jedoch selbst finden, zumindest muss er dabei mitwirken.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur Reduktion von Störleistungen bei einem Richtmikrophon vorzuschlagen, bei dem sowohl das Mikrophonrauschen als auch die Signalleistungen von Störquellen berücksichtigt werden. Darüber hinaus soll ein entsprechendes Akustiksystem angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zur Reduktion von Störleistungen bei einem Richtmikrophon durch Bereitstellen von mindestens zwei Mikrophonsignalen und adaptives Filtern der mindestens zwei Mikrophonsignale zur Erzielung einer Richtwirkung, wobei mindestens ein Adaptionsparameter optimierbar ist, sowie Einstellen der Richtwirkung durch Verändern des mindestens einen Adaptionsparameters derart, dass die Summe von Störleistungen reduziert ist. Die Störleistungen setzen sich, wie erwähnt, aus Mikrophonrauschen und Leistungen von unerwünschten Signalquellen zusammen. Somit können Stör- und Rauschquellen gleichermaßen berücksichtigt werden. Das Richtmikrophon ist hierbei in einer vorgegebenen Richtung, insbesondere in der 0°-Richtung ausgerichtet und Signalquellen gelten als unerwünscht, wenn sie außerhalb eines vorgegebenen Winkels um die vorgegebene Richtung liegen. Durch Einstellung der adaptiven Filter lassen sich somit Winkelbereiche definieren, in denen Schallquellen als Störquellen behandelt werden. Dabei wird der mindestens eine Adaptionsparameter der Filtereinrichtung derart verändert, dass die gesamte Ausgangssignalleistung minimiert wird, wobei jedoch das Signal aus der vorgegebenen bzw. 0°-Richtung nicht verändert wird. Mit der Reduzierung der Ausgangssignalleistung wird automatisch auch die Störleistung insgesamt reduziert, und dennoch bleibt die Verstärkung in der Haupteinfallsrichtung unbeeinflusst.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen ein entsprechendes Akustiksystem nach Anspruch 4.
In vorteilhafter Weise garantiert die Erfindung ein unbeeinflusstes Signal aus der 0°-Richtung in Kombination mit einem Adaptionsverfahren, das eine Minimierung der Summe der störenden Signale bewirkt.
Vorzugsweise sind die Filter der Filtereinrichtung adaptive FIR-Filter (Finit Impulse Response) erster oder zweiter Ordnung. Dadurch lässt sich ein adaptives Richtmikrophon hoher Qualität erzielen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Reduktion von Störleistungen in mehreren Teilbändern. Dadurch kann die Reduktion von Störleistungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen selektiv vonstatten gehen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1: ein Prinzipschaltbild eines Differenzialmikrophons erster Ordnung gemäß dem Stand der Technik;
FIG 2: ein äquivalentes Schaltbild zu FIG 1 mit zwei FIR-Filtern;
FIG 3: ein Richtdiagramm für das Differentialmikrophon von FIG 1;
FIG 4: die Abhängigkeit des Mikrophonrauschens von der Frequenz und der Richtwirkung;
FIG 5: ein Diagramm zur Optimierung des Adaptionsparameters;
FIG 6: ein Prinzipschaltbild eines Differentialmikrophons zweiter Ordnung gemäß dem Stand der Technik;
FIG 7: ein äquivalentes Schaltbild zu FIG 6 mit drei-FIR-Filtern;
FIG 8: ein Richtdiagramm des Differentialmikrophons von FIG 6; und
FIG 9: die Abhängigkeit des Mikrophonrauschens von der Frequenz und den Adaptionsparametern für das Differentialmikrophon zweiter Ordnung.

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei jedoch zunächst ein Differentialmikrophon erster Ordnung gemäß dem Stand der Technik anhand von FIG 1 erläutert. Zwei Mikrophone M1 und M2 nehmen ein zeitabhängiges Schallsignal s(t) auf. Zu den idealen Mikrophonsignalen mischt sich jeweils ein Mikrophonrauschsignal n1(t) bzw. n2(t). Die jeweiligen Summensignale werden mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert, so dass die Mikrophonsignale x₁(k) und x₂(k) resultieren. Ein Differentialmikrophon erster Ordnung subtrahiert die beiden Mikrophonsignale x₁(k) und x₂(k) kreuzweise, wie dies für Richtmikrophone bekannt ist. Dabei werden die Signale in den entsprechenden Pfaden mit Zeitgliedern T verzögert und ein Differenzsignal wird mit einem Adaptionsparameter a multipliziert. Die resultierenden Signale werden addiert und zur Entzerrung in Nutzsignalrichtung einem Equalizer EQO mit der Übertragungsfunktion $H (z) = \frac{1}{1 - z^{- 2}}$
zugeführt. Die Entzerrung liefert ein Monoausgangssignal y(k).
Das Differentialmikrophon erster Ordnung DM1 lässt sich durch zwei FIR-Filter FIR1 und FIR2 mit den Übertragungsfunktionen 1+az^-1 und -a-z^-1 realisieren. Dies ist in FIG 2 schematisch wiedergegeben. Die Filterkoeffizienten können dabei nicht frei gewählt werden, sondern hängen von dem Parameter a ab. Durch diese Abhängigkeit, die sich durch Umrechnung der Filter aus dem differentiellen Mikrophon DM1 ergibt, ist sichergestellt, dass das Ausgangssignal nach der Richtmikrophonverarbeitung das Signal aus der 0°-Richtung (Nutzsignalrichtung) unverändert enthält, unabhängig von der Wahl des Parameters a. Zur Optimierung des Parameters a muss dieser an die jeweilige akustische Situation angepasst werden.
FIG 3 zeigt die Wirkung des Parameters a in einem Richtdiagramm. Bei a=0 wird der Schall aus der Richtung 180° gedämpft. Mit größer werdendem a wandern die Notches (Richtungen stärkster Dämpfung) nach vorne.
Wie aus dem Diagramm von FIG 4 hervorgeht, steigt mit zunehmendem a auch das Mikrophonrauschen an.
Ziel ist es nun, die gesamte Störleistung eines Richtmikrophons so gering wie möglich zu halten. Deshalb ist zum einen die Richtwirkung des Richtmikrophons so einzustellen, dass der Schall einer Störquelle so weit wie möglich unterdrückt wird und zum anderen das Mikrophonrauschen möglichst gering ist. In FIG 5 ist hierzu die Leistung des Störsignals ST und das Mikrophonrauschen über dem Parameter a qualitativ aufgetragen. Ein Summensignal SUM aus den beiden Signalen ST und MR stellt die Gesamtstörleistung für das Richtmikrophon dar. Ziel ist es, das Minimum dieser Kurve zu finden und den entsprechenden Parameterwert a_min für das adaptive Filter einzusetzen.
Die Adaption des Richtmikrophons an eine konkrete Störquelle bzw. die Optimierung des Parameters a kann beispielsweise durch eine Gradientenmethode vergleichbar dem LMS-Verfahren (least mean squares) erfolgen. Es sind aber auch andere Ausführungsvarianten denkbar. Bei der Gradientenmethode ist die Adaptionsbedingung sehr einfach. Sie kann schlicht als Minimierung der mittleren Ausgangssignalleistung des Richtmikrophons notiert werden.
Zur Adaption des Richtmikrophons ist die Minimierung der mittleren Ausgangssignalleistung nur deshalb möglich, weil durch die spezielle Wahl der Filterkoeffizienten in Abhängigkeit des Parameters a sichergestellt ist, dass das Nutzsignal aus der 0°-Richtung nicht verändert wird. Die Minimierung der Gesamtleistung (Nutzsignal + Störung) ist somit äquivalent zur Minimierung der Leistung der Störung. Die Störung setzt sich dabei aus zwei Komponenten zusammen: Mikrophonrauschen und Störungen von Signalquellen, die aus unerwünschten Richtungen einfallen. Eine Dämpfung von richtungsabhängigen Signalquellen kann durch die Wahl des Parameters a > 0 erreicht werden. Durch die Begrenzung auf einen Maximalwert, z.B. 2, legt man den Bereich in der 0°-Richtung fest - in diesem Fall +/- 60° -, in dem einfallende Signalquellen nicht oder nur gering gedämpft werden. Erlaubt man dem adaptiven Verfahren zusätzlich, die Parameter auch kleiner als 0 zu wählen, wird zwar die Richtwirkung verringert, aber damit auch die Leistung des Mikrophonrauschens abgesenkt. Durch die Adaption des Parameters in einzelnen Frequenzbändern erreicht das Verfahren, das die Summe der Störleistungen, d.h. von Mikrophonrauschen und von Signalquellen aus unerwünschten Richtungen, in jedem Frequenzband minimiert wird.
Der Parameter a lässt sich durch Ermitteln des Minimums des mittleren quadratischen Fehlers finden. Dies bedeutet, dass der Erwartungswert des Ausgangssignals minimal sein soll, d.h. $E {{| y (k) |}^{2}} \overset{!}{=} \min$
Somit ist ein einfaches und robustes Verfahren zur adaptiven Richtmikrophonie erster Ordnung gegeben.
Ein Richtmikrophon zweiter Ordnung verfügt entsprechend FIG 6 neben den Mikrophonen M1 und M2 über ein drittes Mikrophon M3. Auch dessen Ausgangssignal wird durch Mikrophonrauschen n3(t) gestört und das entsprechende Summensignal zu einem Mikrophonausgangssignal x₃(k) digital gewandelt. Das Differentialmikrophon zweiter Ordnung DM2 erzeugt nach der üblichen Entzerrung EQO aus den drei Mikrophonsignalen x₁(k), x₂(k) und x₃(k) ein Ausgangssignal y(k). Dabei werden in einer ersten Stufe die Mikrophonsignale kreuzweise nach entsprechender Zeitverzögerung T subtrahiert und in zwei Teilzweigen findet eine Signalgewichtung mit dem Faktor a statt, so dass sich die beiden Zwischensignale z₁(k) und z₂(k) ergeben. Analog zu dem Differentialmikrophon erster Ordnung gemäß FIG 1 wird in einem zweiten Schritt aus den Zwischensignalen z₁(k) und z₂(k) für den Equalizer in 0°-Richtung, der hier die Übertragungsfunktion $H (z) = \frac{1}{1 - 2 z^{- 2} + z^{- 4}}$
besitzt.
Das Ausgangssignal des Equalizers EQO ist wiederum mit y(k) bezeichnet.
Das Differentialmikrophon zweiter Ordnung lässt sich analog zu dem Differentialmikrophon erster Ordnung durch drei FIR-Filter beschreiben, wie dies in FIG 7 dargestellt ist (vgl. auch FIG 2). Hierbei hat der erste FIR-Filter FIR1 die Übertragungsfunktion $1 + (a + b) z^{- 1} - a b z^{- 2}$
Der zweite Filter FIR2 hat die Übertragungsfunktion $- (a + b) - 2 (a b + 1) z^{- 1} - (a + b) z^{- 2}$
und der dritte Filter FIR3 die Übertragungsfunktion $a b + (a + b) z^{- 1} + z^{- 2}$
Für die Ermittlung der beiden Parameter a und b ist wiederum das Minimum des mittleren quadratischen Fehlers des Ausgangssignals zu berechnen, d.h. $E {{| y (k) |}^{2}} \overset{!}{=} \min$
Für eine konkrete Störsituation ergeben sich somit spezifische Parameter a und b, bei denen die Gesamtstörleistung minimiert ist. Die Auswirkungen der beiden Parameter a und b sind in dem Richtdiagramm von FIG 8 zu sehen. Die Werte a=-1 b=-1 führen nahezu zu einer Omnicharakteristik des Richtmikrophons, wie dies durch gepunktete Linie in FIG 8 angedeutet ist. Eine ausgeprägte Richtcharakteristik ergibt sich hingegen bei den Werten a=0,1 b=0,9 in 0°-Richtung. Auch bei dem Richtmikrophon zweiter Ordnung steigt das Mikrophonrauschen mit zunehmender Richtwirkung an, wie dies für die gleichen Parameterkombinationen, die in FIG 8 verwendet wurden, in FIG 9 dargestellt ist.
Die oben ermittelten Parameter a und b führen hier auch zu dem gewünschten Kompromiss zwischen Richtwirkung und Mikrophonrauschen entsprechend FIG 5, bei dem die gesamte Signalstörleistung minimal ist.
Zusätzlich besitzt das Verfahren eine erhöhte Robustheit gegenüber Fehlanpassung (Mismatch) der Mikrophone bzw. Fehlanpassung durch Kopfeinflüsse beispielsweise eines Hörgeräteträgers oder Headset-Trägers. In diesem Fall wird das adaptive Verfahren die Parameter so wählen, dass wieder die Gesamtstörleistung verringert wird. Im Extremfall wird die Wahl der Parameter, durch die ohne Fehlanpassung eine räumliche Dämpfung erzielt werden kann, dann automatisch zugunsten der Verringerung von Mikrophonrauschen verhindert. Der Grund ist, dass die räumliche Dämpfung durch die Fehlanpassung sowieso nicht ausgebildet werden kann. Im Gegensatz hierzu könnte es bei einem festen, nichtadaptiven Richtmikrophon, das versucht die maximale Richtwirkung zu erreichen, dazu kommen, dass sich durch Fehlanpassung eine räumliche Dämpfung (Dämpfung in einer oder mehreren räumlichen Richtungen) ausbildet, zusätzlich aber noch Mikrophonrauschen verstärkt wird.

Claims

Verfahren zur Reduktion von Störleistungen bei einem Richtmikrophon durch
- Bereitstellen von mindestens zwei Mikrophonsignalen(x₁(k), x₂(k) und

- adaptives Filtern (DM1)der mindestens zwei Mikrophonsignale zur Erzielung einer Richtwirkung, wobei mindestens ein Adaptionsparameter (a, b) optimierbar ist,
gekennzeichnet durch

- automatisches Einstellen der Richtwirkung durch Verändern des mindestens einen Adaptionsparameters (a, b) derart, dass die Summe (SUM) von aktuellen Störleistungen, bestehend aus Mikrophonrauschen (MR) und Leistungen von unerwünschten Signalquellen (ST), minimiert ist, indem die gesamte Ausgangssignalleistung (SUM) des Richtmikrophons minimiert wird, dabei jedoch das Signal aus einer vorgegebenen Richtung nicht verändert wird, wobei das Richtmikrophon in die vorgegebene Richtung ausgerichtet ist und eine Signalquelle als unerwünscht gilt, wenn sie außerhalb eines vorgegebenen Winkels um die vorgegebene Richtung liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum adaptiven Filtern (DM1) FIR-Filter erster oder zweiter Ordnung verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reduktion von Störleistungen in mehreren Teilbändern separat erfolgt.
Akustiksystem mit Richtmikrophon umfassend
- mindestens zwei Mikrophone (M1, M2) zur Lieferung von mindestens zwei Mikrophonsignalen(x₁(k), x₂(k)) und

- eine Filtereinrichtung (DM1, DM2) zum adaptiven Filtern der mindestens zwei Mikrophonsignale zur Erzielung einer Richtwirkung, wobei mindestens ein Adaptionsparameter (a, b) optimierbar ist,
gekennzeichnet durch

- eine Recheneinrichtung, mit der der mindestens eine Adaptionsparameter (a,b) automatisch derart veränderbar ist, dass die Summe (SUM) von aktuellen Störleistungen, bestehend aus Mikrophonrauschen (MR) und Leistungen von unerwünschten Signalquellen (ST), minimiert ist, indem durch den mindestens einen Adaptionsparameter (a, b) die gesamte Ausgangssignalleistung des Richtmikrophons minimierbar ist, dabei jedoch das Signal aus einer vorgegebenen Richtung nicht verändert wird, wobei das Richtmikrophon in die vorgegebene Richtung ausgerichtet ist und eine Signalquelle als unerwünscht gilt, wenn sie außerhalb eines vorgegebenen Winkels um die vorgegebene Richtung liegt.
Akustiksystem nach Anspruch 4, wobei die Filter der Filtereinrichtung (DM1, DM2) adaptive FIR-Filter erster oder zweiter Ordnung sind.
Akustiksystem nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Filtereinrichtung (DM1, DM2) für mehrere Teilbänder separate Filter aufweist, so dass die Reduktion von Störleistungen in mehreren Teilbändern separat durchführbar ist.