Обработка сигнала и качество звука в слуховых аппаратах Widex

Обработка сигналов слуховых аппаратов занимает центральное место в звуке, который окружает пользователя ежедневно.

В этой статье представлены различные возможные стратегии обработки сигналов. Основное внимание здесь уделяется выбору банка фильтров и частоты дискретизации, а также тому, как они влияют на качество звука.

 Банки фильтров как во временной, так и в частотной области имеют свои преимущества, но звуковые преимущества банка фильтров во временной области перевешивают другие соображения.

Для успешного слухового аппарата важны многие элементы, в том числе те, которые не связаны напрямую со слухом, например, высокопроизводительные аккумуляторы и батарейки, надежные решения для подключения и удобный дизайн. Но обработка сигналов остается основой всех аспектов.

Выбор способа обработки сигнала в слуховом аппарате оказывает огромное влияние на лечение людей с потерей слуха, так же, как звук слухового аппарата влияет на его владельца. Хотя базовые слуховые аппараты с возможностью подключения и перезаряжаемыми батареями уже можно приобрести через Интернет в некоторых частях мира, лучший и наиболее подходящий звук достигается только при правильном выборе обработки сигнала и индивидуальной настройке слухового аппарата опытными специалистами в области слухопротезирования, такими как наш центр "Хороший слух".

Здесь показано, как связаны качество звука и обработка сигнала, с акцентом на используемые банки фильтров и частоты дискретизации. А так же описываются плюсы и минусы возможных вариантов и, наконец, обосновывается выбор банка фильтров и частоты дискретизации, которые сохраняют сигнал и максимально соответствуют слуховой системе человека.

Основной путь обработки

Типичный путь обработки в цифровых слуховых аппаратах начинается с того, что сигнал улавливается микрофоном и затем преобразуется из аналогового в цифровой. Банк фильтров анализа делит сигнал на несколько частотных диапазонов или каналов, которые затем доступны для дальнейших процессов цифровой обработки сигнала, таких как сжатие или расчет усиления и подавление шума.

После обработки сигнал снова собирается банком фильтров синтеза и воспроизводится через наушник слухового аппарата.
Этот общий подход к проектированию слуховых аппаратов иллюстрирует важную роль банков фильтров в цифровой обработке сигналов.

Еще одной важной концепцией является семплирование, т.е. преобразование непрерывного аналогового аудиосигнала в дискретные части, так называемые сэмплы, готовые к дальнейшей обработке. Это делается с разной частотой дискретизации звука, т.е. с разным количеством выборок в секунду. Компакт-диски и многие сервисы потоковой передачи музыки используют частоту 44,1 кГц, что составляет 44 100 выборок в секунду.

Для слуховых аппаратов частота дискретизации обычно составляет от 20 кГц до 33,1 кГц.

Частота дискретизации относится к частоте, которая может быть представлена ​​в сигнале, поэтому самая высокая частота, которая может быть представлена, равна половине частоты дискретизации. Эта частота называется частотой Найквиста. Это означает, что частота дискретизации 20 кГц имеет частоту Найквиста 10 кГц и возможны частоты до 10 кГц, тогда как частота дискретизации 33 кГц допускает частоты до 16,5 кГц.

Эти числа представляют собой частоты дискретизации на этапе обработки сигнала. Далее по пути обработки сигнал может быть тактирован для экономии вычислительной мощности перед повторным тактированием. Даже если другие факторы, напр. B. ослабление выходного уровня слушателя может ограничить диапазон частот выходного сигнала, Более высокая точность воспроизведения высоких частот остается важной при некоторых потерях слуха.

Высокая частота дискретизации также имеет и другие преимущества для качества звука, такие как уменьшение задержки обработки и фильтры с плоским наклоном.

Банки фильтров во временной и частотной области. Хотя основной путь обработки одинаков для многих слуховых аппаратов, существует фундаментальное различие при выборе банка фильтров: большинство производителей слуховых аппаратов используют так называемые банки фильтров частотной области или унифицированный фильтр. банки. В слуховых аппаратах Widex  используются блоки фильтров во временной области или блоки фильтров с неоднородной характеристикой (например, фильтры с бесконечной импульсной характеристикой [БИХ]) – выбор в пользу естественного звука.

Разница между этими двумя типами заключается в фундаментальном компромиссе между разрешением по времени и частоте. Таким образом, в каждом банке фильтров временное разрешение каждой полосы частот пропорционально ее ширине. Грубо говоря, это означает, что полоса пропускания, которая в пять раз шире, имеет временное разрешение в пять раз выше. И наоборот, меньшая полоса пропускания приводит к ухудшению временного разрешения.

Банки фильтров частотной области ограничивают систему полосами частот одинаковой ширины во всем диапазоне частот. На практике это означает, что все полосы относительно узкие, поскольку ширина полосы определяется шириной полосы, необходимой для самых низких частот. Частотная чувствительность уха наиболее высока к низким частотам, поэтому полосы должны быть узкими. Из-за описанного выше компромисса между временем и частотой это также означает, что все диапазоны, как высокочастотные, так и низкочастотные, работают с одинаковым, относительно плохим временным разрешением.

Напротив, банки неоднородных фильтров, в том числе банки фильтров во временной области, обеспечивают гибкость при работе с фильтрами, полоса пропускания которых может различаться. Это означает, что разработчики слуховых аппаратов в принципе могут устанавливать полосу пропускания по своему усмотрению.

 Таким образом, хотя в банке фильтров в частотной области все полосы имеют одинаковую ширину и временное разрешение, в банке фильтров во временной области они различаются по ширине и, следовательно, также по временному разрешению.

Почему больше кассет не обязательно лучше

Большое количество полос, необходимых для банка фильтров в частотной области, может показаться заманчивым, но, учитывая особенности работы слуха, нет необходимости во многих каналах в высокочастотном диапазоне. Наличие такого же количества полос между 4250 и 4500 Гц, как и между 250 и 500 Гц, также не имеет особого смысла с аудиологической точки зрения, поскольку октава между 250 и 500 Гц соответствует октаве между 4000 и 8000 Гц. Кроме того, недостаток многих каналов заключается в том, что они приводят к увеличению времени обработки.

Банк фильтров временной области Widex имеет более узкие полосы на низких частотах и ​​более широкие полосы на высоких частотах. Это обеспечивает тот же компромисс между временем и частотой в банке фильтров, который есть у людей в слухе. Эта конструкция банка фильтров имитирует логарифмическую природу уха, с более высоким частотным разрешением на низких частотах и ​​меньшим разрешением на более высоких частотах.

В человеческом ухе различие физиологически проявляется в том, что за восприятие более низких частот отвечают более крупные участки улитки, а за более высокие — меньшие. Вы также можете услышать это из того факта, что удвоение частоты всегда приводит к разнице в одну октаву. независимо от того, разница ли это между 125 и 250 Гц или между 4 и 8 кГц. Это, конечно, знакомо каждому, кто занимается чистотональной аудиометрией.

Здесь также увеличиваются расстояния между тестовыми частотами.

Банки фильтров частотной области также могут попытаться имитировать логарифмическую природу уха, сужая полосы на более высоких частотах, сокращая их, например, с 64 полос обработки до 16 соответствующих полос. Однако изначально относительно плохое временное разрешение остается проблемой.

Даунклокинг (даунсемплинг)

Важной особенностью банка фильтров с узким фильтром в частотной области является то, что он позволяет легко выполнять понижающую дискретизацию сигнала. Эта расширенная возможность понижающей дискретизации является ключевым преимуществом банка фильтров частотной области, поскольку уменьшение количества выборок также снижает энергопотребление.

Для банка фильтров временной области преимущества понижения тактовой частоты невелики и не перевешивают риски возникновения артефактов, связанных с нелинейными процессами, такими как понижающая и повышающая дискретизация. Это означает, что при выборе банка фильтров во временной области также играют роль другие сложные механизмы, позволяющие поддерживать достаточно низкое энергопотребление.

Однако отказ от снижения тактовой частоты и сохранение исходного входного сигнала означает более высокую точность, меньшую вероятность артефактов сигнала и лучшее качество звука. Кроме того, задержка потока сигнала в слуховом аппарате значительно снижается благодаря блоку фильтров во временной области, что также способствует улучшению качества звука.

С эволюционной точки зрения

В дополнение к преимуществам сохранения сигнала и уменьшению задержки, различная полоса пропускания в банке фильтров Widex также отражает человеческое ухо. Таким образом, учитывается вероятная эволюция речевого сигнала. Конечно, эволюцию речи невозможно изучать непосредственно, но само собой разумеется, что речевой сигнал развился таким образом, что содержащаяся в нем информация максимально увеличивается при передаче.
– Учитывая свойства человеческого уха, важно сделать эту передачу информации максимально надежной. Другими словами, можно предположить, что речевой сигнал для человеческого слуха эволюционным образом оптимизировался.

Глядя на слуховой проход, описанная выше эволюционная точка зрения объясняет, почему диапазон частот обычно испытывает наибольшее усиление у взрослых в диапазоне от 2 до 4 кГц из-за резонансов ушного канала. Это критический диапазон частот для понимания речи.

Учитывая большую чувствительность улитки к низким частотам, способ обработки различных частот соответствует тому факту, что звуки речи концентрируются в нижней части слышимого диапазона частот. Максимальное соответствие кохлеарной системе является ключевым мотивом выбора набора фильтров Widex.

заключение

Было показано, что существуют правдоподобные причины для выбора банка фильтров либо в частотной области, либо во временной области. Выбор набора фильтров в частотной области проще для производителя, но не обязательно лучше для пользователя слухового аппарата. Лучшие варианты понижения тактовой частоты с наборами фильтров частотной области обеспечивают большую энергоэффективность, но в то же время это увеличивает задержку времени работы слухового аппарата и снижает качество звука.

Для производителя слуховых аппаратов, такого как Widex, который принимает все свои проектные решения для достижения наилучшего, наиболее естественного качества звука, это означает, что банк фильтров во временной области с высокой частотой дискретизации, которую это влечет за собой, является единственным разумным выбором.

Несмотря на то, что это создает проблему оптимизации энергопотребления, компания Widex работает над этой задачей на протяжении нескольких поколений слуховых аппаратов, поскольку мы считаем, что ключом к хорошей жизни со слуховыми аппаратами является лучшее и наиболее естественное качество звука.

Этот ключевой элемент звука достигается благодаря сотрудничеству со специалистом по слухопротезированию. Основная философия заключается в том, что для владельца слухового аппарата нет ничего лучше, чем обработка, которая максимально плотно прилегает к уху и максимально полно сохраняет сигнал.