[논문]감음성 난청 보상을 위한 부밴드 구조 디지털 보청기 설계

박조동; 최훈; 배현덕

초록
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본 논문에서는 디지털 보청기의 보상필터와 적응 궤환제거기의 부밴드 설계기법을 다룬다 감음 신경성 난청은 주파수 대역에서 비선형 특성을 보이는 가청 한계값 (hearing thresholds)을 가지며 시변하는 궤환경로에 의해 보상이 어렵다. 그러므로 디지틸 보청기는 주파수 대역별 비선형적 이득조정이 가능하며 반향을 빠르게 제거할 수 있는 보상기를 필요로 한다. 제안한 디지털 보청기에서 보상필터는 부밴드 구조에서 적응 시스템 식별기법을 이용하여 설계되며 적응 궤환제거기는 부밴드 인접투사 알고리즘을 이용하여 설계된다. 설계된 보상필터는 비선형 이득을 각 부밴드에서 조정할 수 있으므로 보다 정확한 이득보상이 가능하다. 그리고 부밴드 적응필터를 사용하는 궤환제거기는 빠른 수렴속도를 가진다. 설계된 보상필터는 주파수 대역별로 비선형적 이득보상이 가능하다. 그리고 적응 궤환제거기는 원치 않은 반향을 빠르게 제거할 수 있다. 제안한 보상필터의 성능을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이전 방법의 성능과 비교하여 입증한다.

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In this Paper. we Presents subband design techniques of a compensating filter and adaptive feedback canceller for the digital hearing aid. The sensorineural hearing loss has a hearing threshold that shows a nonlinear characteristic in frequency domain. and its compensation suffers from an echo that ...

In this Paper. we Presents subband design techniques of a compensating filter and adaptive feedback canceller for the digital hearing aid. The sensorineural hearing loss has a hearing threshold that shows a nonlinear characteristic in frequency domain. and its compensation suffers from an echo that produced by an undesired time varying feedback path. Therefore. the digital hearing aid requires the compensator that can adjust gains nonlinearly in frequency bands and eliminate the echo rapidly In the Proposed digital hearing aid. the compensating filter is designed by the adaptive system identification method in subband structure, and the adaptive feedback canceller is designed by the subband affine projection algorithm. The designed compensation filter can control the nonlinear gain in each subband respectively, therefore precise compensation is possible. And the feedback canceller using the subband adaptive filter achieves fast convergence rate. The Performances of the Proposed method are verified by computer simulations as comparing with the behaviors of the previous trials.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 부밴드 구조에서 난청자의 비선형적 난청특성을 보상할 수 있는 보상필터를 설계 방법을 제시한다. 부밴드 구조에서 적응 시스템 식별 기법을 이용한 FIR 필터 설계방법은 각각의 부밴드에서 요구되는 설계규격을 정확히 만족시킬 수 있으므로 효과적인 난청보상 이 가능하다.
본 논문에서는 부밴드 구조에서 난청자의 비선형적 난청특성을 보상할 수 있는 보상필터를 설계 방법을 제시한다. 부밴드 구조에서 적응 시스템 식별 기법을 이용한 FIR 필터 설계방법은 각각의 부밴드에서 요구되는 설계규격을 정확히 만족시킬 수 있으므로 효과적인 난청보상 이 가능하다.
본 논문은 난청자의 청각손실 보상을 위한 보상필터 설계에 있어서, 부밴드 구조의 적응 시스템 기법을 이용하여 난청보상을 위한 주파수별 이득을 효율적으로 조정 할 수 있는 FIR 보상필터를 설계방법을 제시한다. 또한 시변하는 궤환경로에 의한 보상 이득 감소를 줄일 수 있는 부밴드 적응 궤환제거기를 제안하였다.
본 논문은 난청자의 청각손실 보상을 위한 보상필터 설계에 있어서, 부밴드 구조의 적응 시스템 기법을 이용하여 난청보상을 위한 주파수별 이득을 효율적으로 조정 할 수 있는 FIR 보상필터를 설계방법을 제시한다. 또한 시변하는 궤환경로에 의한 보상 이득 감소를 줄일 수 있는 부밴드 적응 궤환제거기를 제안하였다.

제안 방법

다중 밴드 압축 방식에서는 평탄화 특성에 의해 불필요한 보상이 이루어지며 이는 주파수 왜곡을 발생시킨다. 그러나 제안한 방법은 난청자의 난청 특성을 기반으로 설계된 보상필터에 의해 이득 조정이 이루어지므로 불필요한 보상이 이루어지지 않으며 주파수 왜곡 문제를 피할 수 있다. 그림 18은 보상된 신호의 보상 정도를 나타낸다.
다중 밴드 압축 방식에서는 평탄화 특성에 의해 불필요한 보상이 이루어지며 이는 주파수 왜곡을 발생시킨다. 그러나 제안한 방법은 난청자의 난청 특성을 기반으로 설계된 보상필터에 의해 이득 조정이 이루어지므로 불필요한 보상이 이루어지지 않으며 주파수 왜곡 문제를 피할 수 있다. 그림 18은 보상된 신호의 보상 정도를 나타낸다.
부밴드 궤환제거기는 음성신호에 장점을 보이는 인접투사 알고리즘을 적용하여 수렴속도가 향상됨을 보였다. 더불어 보상필터의 구현을 위해 VHDL을 이용하 여 설계하고 ModelSim^®을 사용하여 이득 조정성능을 평가하였다. 부밴드 구조의 제안한 궤환경로 제거기는 궤환경로 추정에 있어서 기존 방법에 비해 우수한 성능을 보였다.
본 논문은 난청자의 청각손실 보상을 위한 보상필터 설계에 있어서, 부밴드 구조의 적응 시스템 기법을 이용하여 난청보상을 위한 주파수별 이득을 효율적으로 조정 할 수 있는 FIR 보상필터를 설계방법을 제시한다. 또한 시변하는 궤환경로에 의한 보상 이득 감소를 줄일 수 있는 부밴드 적응 궤환제거기를 제안하였다. 이득 조정에 있어서 기존 다중 밴드 보상필터는 주파수 평탄화 문제 가 제기 되었으나 제안한 방법은 부밴드에서 이득조정을 하며 난청자의 비선형적 난청 특성을 정확하게 반영 하여 이를 해결할 수 있었다.
컴퓨터 모의실험을 통해 설계한 보상필터의 성능과 부밴드 구조의 궤환제거기의 성능을 평가하였다. 그림 12 의 응답을 갖도록 설계된 보상필터의 실제 하드웨어 구현을 위해 VHDL을 이용하여 설계한 후 ModelSim^® (ver.

대상 데이터

궤환경로는 일반적으로 라우드 스피커 (loud speaker) 와 마이크로폰 (microphone) 사이의 경로를 의미하며 보청기에서는 벤트 (vent)라 불리는 가는 구멍에 의해 형성된다. 궤환제거기의 성능평가를 위해 사용한 궤환경로의 임펄스 응답은 [12]에서 제공된 것을 길이 128로 사용한다. 그림 19는 사용한 궤환경로의 임펄스 응답을 보이고 있다.
제안한 난청 이득보상필터를 실제 시스템 실현을 대비하여 구현할 때 입력 비트(bit)는 8비트로, 출력 비트는 12비트로 사용하였다. 따라서 처리할 수 있는 신호영역 을 8비트에 맞추어 48[dB]로 제한하며, 샘플링 데이터는 주파수 영역에서 0〜8[KHz]를 처리할 수 있도록 16[KHz] 로 설정된 데이터를 사용한다. 필터 계수는 주파수 응답성능의 저하없이 시스템의 비용을 줄일 수 있도록 10비트를 사용하였다.
1)을 사용하여 그림 1의 구조에 전대역 NLMS 알고리즘과 2-밴드 NLMS 알고리즘, 그리고 부밴드 인접투사 알고리즘 을 적용하여 [dB]로 나타낸 시스템 계수조정오차 (coefficient misalignment)를 비교한다. 적용한 입력신호는 다음과 같은 4차의 AR모델을 통과시켜 얻은 유색 신호(colored signal)와 실제 음성 신호를 사용하였다.
1)을 사용하여 그림 1의 구조에 전대역 NLMS 알고리즘과 2-밴드 NLMS 알고리즘, 그리고 부밴드 인접투사 알고리즘 을 적용하여 [dB]로 나타낸 시스템 계수조정오차 (coefficient misalignment)를 비교한다. 적용한 입력신호는 다음과 같은 4차의 AR모델을 통과시켜 얻은 유색 신호(colored signal)와 실제 음성 신호를 사용하였다.
제안한 난청 이득보상필터를 실제 시스템 실현을 대비하여 구현할 때 입력 비트(bit)는 8비트로, 출력 비트는 12비트로 사용하였다. 따라서 처리할 수 있는 신호영역 을 8비트에 맞추어 48[dB]로 제한하며, 샘플링 데이터는 주파수 영역에서 0〜8[KHz]를 처리할 수 있도록 16[KHz] 로 설정된 데이터를 사용한다.

데이터처리

그리고 궤환제거기의 성능평가를 위해 Matlab® (ver. 6.1)을 사용하여 그림 1의 구조에 전대역 NLMS 알고리즘과 2-밴드 NLMS 알고리즘, 그리고 부밴드 인접투사 알고리즘 을 적용하여 [dB]로 나타낸 시스템 계수조정오차 (coefficient misalignment)를 비교한다.
7d)으로 이득 조정 성능을 평가하였다. 그리고 궤환제거기의 성능평가를 위해 Matlab^® (ver. 6.1)을 사용하여 그림 1의 구조에 전대역 NLMS 알고리즘과 2-밴드 NLMS 알고리즘, 그리고 부밴드 인접투사 알고리즘 을 적용하여 [dB]로 나타낸 시스템 계수조정오차 (coefficient misalignment)를 비교한다. 적용한 입력신호는 다음과 같은 4차의 AR모델을 통과시켜 얻은 유색 신호(colored signal)와 실제 음성 신호를 사용하였다.
그림 12 의 응답을 갖도록 설계된 보상필터의 실제 하드웨어 구현을 위해 VHDL을 이용하여 설계한 후 ModelSim® (ver. 5.7d)으로 이득 조정 성능을 평가하였다.
컴퓨터 모의실험을 통해 설계한 보상필터의 성능과 부밴드 구조의 궤환제거기의 성능을 평가하였다. 그림 12 의 응답을 갖도록 설계된 보상필터의 실제 하드웨어 구현을 위해 VHDL을 이용하여 설계한 후 ModelSim^® (ver. 5.7d)으로 이득 조정 성능을 평가하였다. 그리고 궤환제거기의 성능평가를 위해 Matlab^® (ver.
부밴드 궤환제거기는 음성신호에 장점을 보이는 인접투사 알고리즘을 적용하여 수렴속도가 향상됨을 보였다. 더불어 보상필터의 구현을 위해 VHDL을 이용하 여 설계하고 ModelSim^®을 사용하여 이득 조정성능을 평가하였다. 부밴드 구조의 제안한 궤환경로 제거기는 궤환경로 추정에 있어서 기존 방법에 비해 우수한 성능을 보였다.

이론/모형

디지털 필터의 주파수 특성이 대역별로 일정하지 않을 경우 필터 설계기법으로는 주파수 표본화 (frequency sampling) 기법과 적응적 설계기법이 있으며, 적응적 설계기법이 주파수 표본화 기 법에 비해 주어진 설계사양을 보다 잘 만족시키는 것으 로 알려져 있다[15]. 그러므로 난청자의 주파수 대역별 비선형 난청 특성의 효과적 보상이 가능하도록 그림 8과 같은 적응 시스템식별 기법[14]을 이용하여 보상필터를 설계한다.
디지털 필터의 주파수 특성이 대역별로 일정하지 않을 경우 필터 설계기법으로는 주파수 표본화 (frequency sampling) 기법과 적응적 설계기법이 있으며, 적응적 설계기법이 주파수 표본화 기 법에 비해 주어진 설계사양을 보다 잘 만족시키는 것으 로 알려져 있다[15]. 그러므로 난청자의 주파수 대역별 비선형 난청 특성의 효과적 보상이 가능하도록 그림 8과 같은 적응 시스템식별 기법[14]을 이용하여 보상필터를 설계한다.

성능/효과

더불어 보상필터의 구현을 위해 VHDL을 이용하 여 설계하고 ModelSim^®을 사용하여 이득 조정성능을 평가하였다. 부밴드 구조의 제안한 궤환경로 제거기는 궤환경로 추정에 있어서 기존 방법에 비해 우수한 성능을 보였다.
보상필터 설계에 있어서 부밴드 구조의 적용으로 동일 구조의 궤환제거기가 필요 하다. 부밴드 궤환제거기는 음성신호에 장점을 보이는 인접투사 알고리즘을 적용하여 수렴속도가 향상됨을 보였다. 더불어 보상필터의 구현을 위해 VHDL을 이용하 여 설계하고 ModelSim^®을 사용하여 이득 조정성능을 평가하였다.
또한 시변하는 궤환경로에 의한 보상 이득 감소를 줄일 수 있는 부밴드 적응 궤환제거기를 제안하였다. 이득 조정에 있어서 기존 다중 밴드 보상필터는 주파수 평탄화 문제 가 제기 되었으나 제안한 방법은 부밴드에서 이득조정을 하며 난청자의 비선형적 난청 특성을 정확하게 반영 하여 이를 해결할 수 있었다. 보상필터 설계에 있어서 부밴드 구조의 적용으로 동일 구조의 궤환제거기가 필요 하다.
또한 시변하는 궤환경로에 의한 보상 이득 감소를 줄일 수 있는 부밴드 적응 궤환제거기를 제안하였다. 이득 조정에 있어서 기존 다중 밴드 보상필터는 주파수 평탄화 문제 가 제기 되었으나 제안한 방법은 부밴드에서 이득조정을 하며 난청자의 비선형적 난청 특성을 정확하게 반영 하여 이를 해결할 수 있었다. 보상필터 설계에 있어서 부밴드 구조의 적용으로 동일 구조의 궤환제거기가 필요 하다.
그림 9와 그림 10 은 시스템 식별 기법을 이용하여 설계한 임펄스 응답의 길이가 21(N= 21 즉, 필터차수=20)인 저대역과 고대역 보상필터의 주파수 응답 및 임펄스 응답이다. 주파수 응답으로부터 적응적으로 설계된 보상필터가 각 대역의 비 선형 주파수 응답특성을 잘 만족함을 알 수 있다. 적응 적 기법으로 설계된 보상필터의 성능을 주파수 표본화 기법과 비교한다면 그림 11과 같다.

참고문헌 (17)

Janet C. Rutledge, Mark A. Clements, 'Compensation for recruitment of loudness in sensorineural hearing impairments using a sinusoidal model of speech,' ASSP, ICASSP-91, 5, 3641-3644, April 1991
F. Asano, Y. Suzuki, T. Sone, et al, 'A Digital hearing aid that compensates loudness for sensorineural impaired listeners,' ASSP, ICASSP-91, 5, 3625-3628, April 1991
최원철, 이제훈, 김영주, 조경록, '다중밴드 이득 보정기능을 갖는 디지털 청력보정회로 설계,' 전자공학회논문지, 41 (1) SC편, 41-54쪽, 2001년 1월
David V. Anderson, et al, 'Evaluation of a hearing compensation algorithm,' ASSP, ICASSP-95, 5, 3531-3533, May 1995
Todd Schneider and Robert Brennan, 'A multichannel compression strategy for a digital hearing aid,' ASSP, ICASSP-97, 1, 411-414, May 1997
Robert Brennan and Todd Schneider, 'A flexible filterbank structure for extensive signal manipulations in digital hearing aids,' Circuits and Systems, ISCAS-98, 6, 569-572, May 1998
Brian Strope and Abeer Alwan, 'A novel structure to compensate for frequency-dependent loudness recruitment of sensorineural hearing loss,' ASSP, ICASSP-95, 5, 3539-3542, May 1995
Marcio G. Siqueria. and Abeer Alwan, 'Steady-state analysis of continuous adaptation in acoustic feedback reduction systems for hearing-aids,' IEEE Trans. Speech and Audio Processing, 8 (4), 443-453, July 2000

상세보기
James M. Kates, 'Feedback cancellation in hearing aids: Results from a computer simulation,' IEEE Trans. signal processing, 39 (3), Mar. 1991
M.G. Siqueria et al, 'Subband adaptive filtering applied to acoustic feedback reduction in hearing aids,' Signals, Systems and Computers, 1, 788-792. Nov. 1996
Y.C. Park, D. W. Kim, I. Y. Kim, 'An efficient feedback cancellation for hearing aids,' Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology, 20 (5). 1647-1650, Sep. 2003
S. Wyrsch and A. Kaelin, 'Adaptive feedback cancelling in subbands for hearing aids,' ASSP, ICASSP-99, 2, 921-924, Mar. 1999
P.P. Vaidyanathan, Multirate System and Filter Banks, (Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall, 1998.)
Bernard Widrow, Samuel D. Stearns, Adaptive Signal Processing, (Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey USA. 1985.)
Alsaka, Y.A., McLean, B., 'Spectral shaping for the hearing impaired,' Proc. IEEE, Southeastcon-96, 103-106, April 1996
S. Sandeep Pradhan and V. U. Reddy, 'A new approach to subband adaptive filtering.' IEEE Trans. Signal Processing, 47 (3), 655-664, Mar. 1999

상세보기
최훈, 배현덕, '부밴드 인접투사 알고리즘,' 한국 음향학회지, 23 (3), 221-227쪽, 2001년 4월

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