-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren eines
nichtlinearen Signalverarbeitungssystems eines Audiogeräts. Insbesondere ist
das Signalverarbeitungssystem Teil einer Hörvorrichtung wie beispielsweise
eines Hörgeräts, eines Headsets
oder eines Kopfhörers.
Mit dem vorgestellten Verfahren kann aber auch die Klangqualität eines Fernsehapparats
untersucht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird hier jedoch
speziell anhand der Dynamikkompression eines Hörgeräts erläutert.
-
Die
Dynamikkompression wird benötigt,
um Signale mit hoher Dynamik, d. h. einem großen Unterschied zwischen dem
niedrigsten und dem höchsten
Pegel, an Übertragungskanäle mit kleinerer
Dynamik, d. h. einem kleineren Unterschied zwischen dem niedrigsten
und dem höchsten
Pegel, anzupassen. Diese Dynamikkompression wird nicht nur beispielsweise
im Rundfunk, sondern auch bei Hörgeräten eingesetzt.
Da es sich hierbei um ein nichtlineares Verfahren handelt, treten
insbesondere bei schnellen Regelzeitkonstanten bei der Hörgeräteverstärkung hörbare Verzerrungen
auf, die zu einer Verminderung der Klangqualität führen. Das Problem ist, diesen
perzeptiven Befund messtechnisch objektiv zu erfassen, um eine schnelle
und einfache Beurteilung der resultierenden Klangqualität durchführen zu können.
-
Um
den Modulationsgrad von akustischen Signalen in Abhängigkeit
der Frequenz erkennen zu können,
wird bekanntermaßen
eine sogenannte Modulationsspektralanalyse durchgeführt. Dadurch
können
beispielsweise Sprachsignale von transienten Signalen oder Rauschsignalen
unterschieden werden.
-
Aus
der
DE 198 21 273
A1 ist ein Messverfahren zur gehörrichtigen Qualitätsbewertung
von Audiosignalen bekannt. Dieses Verfahren bewertet die Störungen eines
Audiosignals durch Vergleich mit einem ungestörten Referenzsignal. Außerdem wird die
subjektiv empfundene Signalqualität bewertet. Dazu wird als Ausgangsgröße die Modulationsdifferenz
benutzt, die sich durch Normierung des Betrages der Differenz der
Modulation eines Test- und eines Referenzsignals auf die Modulation
des Referenzsignals ergibt. Die Modulationsdifferenz wird über Zeit
und Filterbänder
gemittelt.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Verarbeitungsqualität eines
nichtlinearen Signalverarbeitungssystems eines Audiogeräts besser
untersuchen zu können.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren zum Analysieren eines nichtlinearen Signalverarbeitungssystems
eines Audiogeräts durch
Aufnehmen eines Originalsignals, Gewinnen eines ersten Modulationsspektrums
aus dem Originalsignal, Verarbeiten des Originalsignals in dem nichtlinearen
Signalverarbeitungssystem zum Erhalt eines Verarbeitungssignals,
Gewinnen eines zweiten Modulationsspektrums aus dem Verarbeitungssignal und
Ermitteln eines Qualitätswerts über die
Signalverarbeitung des nichtlinearen Signalverarbeitungssystems
aus einem Wechselanteil der Differenz der beiden Modulationsspektren.
-
Die
Differenz zwischen den beiden Modulationsspektren (Eingangsspektrum
minus Ausgangsspektrum) kann einen erwünschten oder unerwünschten
Effekt bedeuten. Ist die Differenz positiv oder besitzt einen vorgestimmten
Modulationsfrequenzverlauf, so deutet dies in der Regel auf einen erwünschten
Effekt hin. Ist hingegen die Differenz negativ (Ausgangsspektrum
größer Eingangsspektrum) oder
hat einen anderen Modulationsfrequenzverlauf, so weist dies gegebenenfalls
auf einen unerwünschten
Effekt hin. Mit Hilfe der Modulationsspektren lassen sich also erwünschte Effekte
einer nichtlinearen Signalverarbeitung von unerwünschten Effekten trennen.
-
Speziell
kann als nichtlineares Signalverarbeitungssystem ein Kompressionssystem
oder ein Störgeräuschbefreiungssystem
anhand der Modulationsspektren untersucht werden. Auf diese Weise können Verzerrungen
ermittelt werden, die sich aus diesen beiden Systemen ergeben.
-
Wird
das nichtlineare Signalverarbeitungssystem eines Hörgeräts analysiert,
so kann als Qualitätswert
die Klangqualität
des Hörgeräts ermittelt werden.
Es können
so hörbare
Signalverzerrungen bei Hörgeräten vermieden
werden. Vorzugsweise ist das Originalsignal ein Sprachsignal. Das
charakteristische Modulationsspektrum eines Sprachsignals eignet
sich in besonderer Weise, um die Klangqualität eines Audiogeräts mit nichtlinearer
Signalverarbeitung beurteilen zu können.
-
Speziell
bei Sprache ist es günstig,
die Modulationsspektralanalyse im Bereich von 0 bis 1000 Hz und
insbesondere von 2 bis 200 Hz durchzuführen. In diesem Bereich sind
Verzerrungen besonders kritisch, da sie sich auf die Sprachverständlichkeit auswirken.
-
Die
Analyse des Originalsignals kann in mehreren Frequenzkanälen separat
durchgeführt werden.
Dies ist nicht nur dann günstig,
wenn auch die Signalverarbeitung in den Frequenzkanälen unterschiedlich
erfolgt.
-
Darüber hinaus
können
die Modulationsspektren durch eine Filterbank gewonnen werden. Dadurch
lassen sich Spektralkomponenten im Zeitbereich ermitteln. Alternativ
können
die Modulationsspektren beispielsweise auch durch FFT gewonnen werden.
-
Entsprechend
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
der Qualitätswert
auf der Basis von Harmonischen einer Modulationsfrequenz ermittelt.
Treten beispielsweise zahlreiche Harmonische einer Hauptmodulationsfrequenz
im Spektrum auf, ist dies ein Zeichen für starke Verzerrungen und somit
mindere Klangqualität.
-
Zusätzlich oder
alternativ kann der Qualitätswert
auch auf der Basis einer Differenz eines geglätteten Abschnitts beziehungsweise
eines spektralen Mittelwerts des zweiten Modulationsspektrums gegenüber dem
ersten Modulationsspektrum ermittelt werden. Verschiebt sich nämlich ein
Teilbereich des Spektrums anders als die übrigen Teilbereiche, so ist es
ebenfalls ein Zeichen für
Verzerrungen.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
-
1 eine
Prinzipskizze zum Gewinnen eines Modulationsspektrums eines Originalsignals;
-
2 eine
Prinzipskizze zur Gewinnung eines Modulationsspektrums eines komprimierten
Signals und
-
3 ein
Beispiel eines Modulationsspektrums eines Originalsignals und eines
Modulationsspektrums eines komprimierten Signals.
-
Die
nachfolgend näher
geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
-
Zur
Feststellung der Klangqualität
eines Kompressionssystems eines Hörgeräts wird das durch das Kompressionssystem
verarbeitete Signal vor dem Hintergrund des Originalsignals analysiert. Dazu
werden zunächst
beide Signale, das Originalsignal und das verarbeitete Signal einer
Spektralanalyse unterzogen. Diese erfolgt beispielsweise mit einer gehörgerechten
Filterbank, einer sogenannten „Gammatonfilterbank". Dabei werden für verschiedene
Kanäle
die jeweiligen Signalanteile erhalten. 1 zeigt
hierzu schematisch eine Analysefilterbank fb, mit der aus einem
Originalsignal O für
n verschiedene Kanäle
Originalsignalanteile o1, o2, ... on gewonnen werden. In jedem Kanal
wird dann gegebenenfalls nach Zerlegung in Segmente das Modulationsspektrum
durch eine Modulationsspektraleinheit ms berechnet. Dies erfolgt
durch Hüllkurvenbildung und
nochmalige Spektralanalyse, z. B. durch FFT oder wiederum eine gehörgerechte
Modulationsfilterbank.
-
Das
komprimierte Signal K wird in der gleichen Art und Weise durch die
Analysefilterbank fb in n-Kanäle
zerlegt. Dabei ergeben sich die komprimierten Signalanteile k1,
k2, ... kn. Anschließend
erfolgt auch hier für
jeden Kanal die Berechnung eines Modulationsspektrums durch die
Modulationsspektraleinheit ms.
-
In 3 sind
für einen
einzigen Kanal das Modulationsspektrum mo des Originalsignals mit durchgezeichneter
Linie und das Modulationsspektrum mk des komprimierten Signals K
mit gestrichelter Linie dargestellt. Dabei ist der Modulationspegel über der
Modulationsfrequenz aufgetragen. Die Kompression zeigt sich dadurch,
dass das Modulationsspektrum mk des komprimierten Signals K gegenüber dem Modulationsspektrum
mo des Originalsignals O nach unten verschoben ist. Die Verschiebung
kann als Maß für die Kompression
betrachtet werden.
-
Im
Modulationsspektrum mk des komprimierten Signals K wird nun nach
Verzerrungen gesucht. Kriterien für die Verzerrung sind zum einen Harmonische
h1, h2 usw. zu speziellen Modulationsfrequenzen mf des Originalsignals.
Je stärker
Harmonische auftreten, desto größer ist
die Verzerrung des komprimierten Signals.
-
Ein
weiteres Kriterium bei der Suche nach Verzerrungen besteht darin,
eine Energieerhöhung im
Ausgangsmodulationsspektrum zu untersuchen. Befindet sich im Ausgangsmodulationsspektrum
mk des komprimierten Signals mehr Energie (relativ zum „Gleichanteil", d. h. zu einem
gemittelten Wert) als im Originalspektrum mo, so deutet dies auf
Verzerrungen hin. In dem Beispiel von 3 ist die
Differenz der beiden Modulationsspektren mk und mo im Bereich von
1 Hz größer als
im Bereich von 100 Hz, auch wenn die Signale dort gemittelt werden.
-
Aus
der Anzahl und Höhe
der Harmonischen sowie der abweichenden Energieverteilungen der beiden
Modulationsspektren kann ein Maß für die wahrnehmbaren
Modulationsverzerrungen und damit für die Klangqualität abgeleitet
werden. Ein guter Klang für
das Audio- beziehungsweise Hörgerät ergibt
sich bei wenig Verzerrungen.
-
In
vorteilhafter Weise können
somit erstmals Kompressionssysteme bezüglich der wahrnehmbaren Modulationsverzerrungen
ana lysiert werden. Da diese die Klangqualität stark beeinflussen, wird
dadurch eine objektive Messung der Klangqualität von Kompressionssystemen
möglich.
Wie eingangs erwähnt,
lässt sich
diese Analysemethode auch auf andere nichtlineare Signalverarbeitungsmethoden,
wie beispielsweise Störgeräuschbefreiung,
erweitern.
-
Speziell
für Hörgeräte lässt sich
damit eine Aussage über
die Anpassungsqualität
an einen Hörverlust
treffen. Beispielsweise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermittelt werden, ob das Hörgerät auch für hohe Frequenzen
gut an den Hörverlust
des Hörgeräteträgers angepasst
ist.