Page 137 - 《应用声学》2022年第4期

第 41 卷 第 4 期 张勇成等： 面向中频段听阈突变听力损失的非均匀滤波器组设计 635

technique and Nyquist filters, which further reduces the group delay and hardware complexity of the filter
bank. Simulation analysis shows that, compared with the state-of-the-art 16-band non-uniform filter bank, the
average matching performance for audiograms whose auditory thresholds change sharply in middle frequencies
of the proposed filter bank is improved by 48.4% and the group delay is reduced by 11.7%. Therefore, the
proposed filter bank is valuable to air-conduction hearing aids that aim to compensate for the hearing loss with
auditory thresholds changing sharply in middle frequencies.
Keywords: Non-uniform filter bank; Frequency response masking technique; Audiogram matching; Air-
conduction hearing aids
时，滤波器组的群延时和硬件复杂度较大，不利于在
0 引言 实际应用中广泛使用。文献 [15] 提出一种基于非线

性变换的可重构滤波器组，通过将余弦调制滤波器
数字滤波器组能够将输入信号分割为不同频
组中的单位延时替换为二阶全通系统，调节全通滤
率范围内的信号并做进一步分析和处理，因此在声
波器的极点获取不同的子带排列方案。相较于之前
频领域广泛应用，如数字声频系统 [1] 、助听器 [2] 和
的可重构滤波器组，尽管该滤波器组在群延时和对
声频与语声信号处理 [3−6] 。随着听损患者的日益增
听力图的匹配性能方面有了一定的提升，但硬件复
多，有关助听器领域的研究越来越受到人们的重视。
杂度仍然较大。
传统助听器分为骨传导助听器和气传导助听器两
文献 [16] 提出一种 16 子带非均匀滤波器组，该
大类型，而最常见的为气传导助听器 [7] ，其通过数
滤波器组对于大部分听力图都具有良好的匹配性
字信号处理单元对接收到的声音进行相关处理。听
能，同时保持着较低的硬件复杂度和群延时。然而，
觉补偿是数字信号处理单元的关键算法之一，而滤
该滤波器组侧重匹配在低频和高频段的听力图，对
波器组又是进行听觉补偿的重要功能模块 [8] 。根据
在中频段听阈值产生突变的听损听力图匹配效果
子带带宽是否相同，可以将滤波器组分为均匀滤波
欠佳。为解决以上问题，本文提出一种基于FRM技
器组和非均匀滤波器组两种类型。典型的均匀滤波
器组为调制型滤波器组，如余弦调制滤波器组 [9] 和 术的 13 子带非均匀滤波器组。首先，对现有固定滤
离散傅里叶变换滤波器组 [10] 。对于调制型滤波器 波器组存在的问题进行分析并引入本文滤波器组
组，只需要设计一个原型滤波器，经过调制便可产生 的设计动机。然后，将滤波器组的子带排布细化到3
均匀子带分布。然而为了适配气传导助听器，滤波 个频段内，在低频和高频段子带具有较高分布密度
器组的总体幅度响应应尽可能地匹配相应听损听 的前提下，适当增加中频段子带的分布密度，以提
力图。由于人耳对声音频率的高低感觉与实际频率 升对中频段听损的补偿效果。同时，结合FRM技术
的高低近似为对数关系而不是线性关系 [11] ，均匀滤 和奈奎斯特滤波器产生各子带并根据听力图的倍
波器组不能很好地满足人耳的听觉特性。非均匀滤 频特征点确定子带的中心频率，进而获取适配相应
波器组由于各子带带宽不相等，可以根据需求对相 听损听力图的滤波器组子带排布。最后，给出了滤
应频段进行补偿，更好地匹配听力图，因此受到了广 波器组的具体实现高效结构并对滤波器组的设计
泛的研究 [12−16] 。 参数进行了讨论。仿真结果表明，与现有固定滤波
文 献 [12] 提 出 一 种 8 子 带 非 均 匀 滤 波 器 组， 器组相比，所提滤波器组以较少的硬件复杂度为代
通过使用频率响应掩蔽技术 (Frequency response 价，能够有效地匹配在中频段听觉阈值突变的听损
masking, FRM) [17] 和半带滤波器，降低了滤波器组 听力图，满足相应听损患者的需求，并保持较低的群
的硬件复杂度，但该滤波器组子带数目较少，限制 延时。
了对各类型听损听力图的匹配性能。为提高滤波器
组匹配听力图的自由度，Wei 等 [13−14] 提出了一种 1 滤波器组模型
可重构非均匀滤波器组。相较于固定滤波器组 (文
献 [12])，该滤波器组可以根据听力图的特点，在不 考虑如图 1 所示的滤波器组模型，滤波器组由
改变滤波器组整体结构的前提下，调节控制参数以 M 个子滤波器构成，当抽样信号输入至滤波器组
达到调整滤波器组子带排列方案的目的。但与此同 时，被各个子滤波器分割为 M 个频段信号，滤波器