[发明专利]一种模拟听觉感知模型的滤波器组

说明书

技术领域

本发明涉及数字助听器中的数字信号处理技术，特别地，涉及一种模拟听觉感 知模型的滤波器组，用于过滤和分离助听器的音频信号。

背景技术

听力损失往往是与频率相关的听力灵敏度降低，典型的听力损失随着频率的增 高而增大，因此，助听器应该针对不同听障患者的具体情况，对于音频信号的不同 频率成分进行不同的处理，在保证频率分辨率的情况下，尽量降低计算复杂度是其 中的一个关键问题。

数字滤波器组的选择对于数字助听器的信号处理系统的信号质量、计算复杂度 和信号延迟有重要影响。数字滤波器组按照带宽情况可以分为均匀滤波器组和非均 匀滤波器组两种，在均匀滤波器组中，离散傅立叶变换(DFT)分析-综合滤波器 组应用比较广泛，这种复调制滤波器组可以用多相(polyphase)结构或者加权叠接 相加(weighted overlap-add，WOLA)结构高效实现，其中，WOLA结构通过改变 DFT滤波器组升/降采样的位置，将卷积运算转化为加权运算且多通道共享加权过程， 和用快速傅立叶变换(FFT)实现DFT，使得DFT滤波器组的实现效率大大提高。

然而，DFT滤波器组的频率分辨率不适合人类的听觉系统，因为人耳的频率分 辨率是非均匀的，随着频率增大而降低，其实际感知频率尺度(听觉频率尺度)与 普通频率尺度之间呈非线性关系，可以用Bark频率尺度表示。若采用均匀滤波器组 的频率分辨率达到Bark频率尺度，要求通道划分很细，而这会造成高频部分的通道 划分过细，浪费资源。因此，许多研究者提出在语音处理系统中用非均匀分析-综 合滤波器组来处理音频信号，这种方法可行的原因有二：一是近似Bark频率尺度的 非均匀滤波器组结合了听觉感知模型；二是，一般情况下，语音信号的能量主要集 中在低频部分。

用非均匀滤波器组获得近似Bark频率尺度的方法之一是采用离散小波(包) 变换，实现这一变换可以采用树形结构；另一种方法是采用非线性频率变换的分析 -综合滤波器组，这种方法的信号延时和计算复杂度往往比树形结构滤波器组低。

设计非线性频率变换的分析-综合滤波器组通常采用一阶全通变换(allpass transformation)法，通过调节一阶全通滤波器组A(z)=z-1-b1-bz-1,]]>-1＜b＜1的极点b的 取值，可以很好地模拟Bark频率尺度变换，这使得全通变换分析-综合滤波器组达 到人耳频率分辨率所需的通道数目明显小于均匀滤波器组，所以更适合用于语音信 号处理系统或类似的其它应用中。

目前，非线性频率变换的分析-综合滤波器组主要有两类实现方式，一是将整 个信号进行全通变换，再用均匀滤波器组处理，这样，在变换后的频率尺度上做均 匀通道划分，就相当于在原频率尺度上做非均匀通道划分，此类方法需要对整个信 号做时间翻转运算，因此，不能用于实时信号处理；二是用全通滤波器A(z)代替多 相结构或WOLA结构中的延迟单元z^-1，这样做的缺点是全通滤波器会造成相位失 真，补偿这些失真使得综合滤波器组的设计更加复杂，同时会增加计算复杂度和信 号延时。

发明内容

本发明的目的是，针对上述两类方法存在的问题，提供一种模拟听觉感知模型 的滤波器组，将均匀DFT滤波器组的高效实现方法加权叠接相加(weighted overlap-add，WOLA)结构与全通变换相结合，以用较少的通道数目的滤波器组对音 频信号实现近似人耳听觉分辨率的非均匀通道划分，同时，保证信号重建效果，并 使其具有较低的计算复杂度。本发明只对有限长信号片段做全通变换，所以可以应 用于实时信号处理。而且，本发明因为在综合过程中加入了全通反变换操作，所以 基本不会产生由于全通变换引起的相位失真。