Optimal Step Size Technique for Frequency Domain and Partition Block Adaptive Filters for PEM based Acoustic Feedback Cancellation

The adaptive filtering approach has been commonly used to perform acoustic feedback cancellation (AFC) in digital hearing-aids due to its reliable performance and feasibility. Because the loudspeaker and microphone are close together in hearing aids, the corresponding signals are highly correlated, resulting in biased estimation if adaptive filters are used. This problem can be addressed with the help of the decorrelation prefilter by incorporating the Prediction Error Method (PEM) technique into AFC. Frequency-Domain Adaptive Filters (FDAF) are preferable over the time-domain implementation to achieve better performance in terms of convergence and computational complexity. In addition, Partition-Block Frequency-Domain Adaptive Filters (PBFDAF) offers low processing delay. However, because of their fixed step-size, there is a trade-off between initial convergence and steady-state misalignment in the widely used frequency-domain algorithms. While Variable Step-Size (VSS) algorithms can help with this issue, VSS techniques for frequency-domain algorithms have not been extensively studied in the context of PEM-AFC. Hence, in this paper, we presented an Optimal Step-Size (OSS) technique for both the FDAF-PEM_AFC and PBFDAF-PEM_AFC algorithms to simultaneously accomplish fast convergence and minimal steady-state error. A Feedback Path Change Detector (FPCD) was also incorporated into the proposed algorithms to address the problem of convergence in non-stationary feedback paths. The results of simulations show that the proposed algorithms are clearly superior, and they are encouraging

Noise injection for feedback cancellation with linear prediction

ABSTRACT Feedback oscillation is one of the major issues with hearing aids. An efficient way of feedback suppression is feedback cancellation, which uses an adaptive filter to estimate the feedback path. However, the feedback canceller suffers from the bias problem in the feedback path estimate. The recent progress suggests a feedback canceller with linear prediction of the desired signal in order to eliminate the bias when certain conditions are met. However, the bias still remains in many situations, for example when the input signal is voiced speech. Noise injection is investigated in this paper to help reduce the bias further and improve the system performance. Two nearly inaudible noises are proposed: a masking noise, which is tailored to the hearing-aid application, and a linear prediction based noise, which is especially efficient for feedback cancellation with linear prediction. Simulation results show that noise injection can further reduce the feedback estimation error by 1-4 dB and/or increase the stable gain by 3-4 dB, depending on the characteristics of the input signal

Cancelamento de realimentação acústica em aparelhos auditivos através do método de erro de predição com comprimento deficiente

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2010A deficiência auditiva é um mal que atinge parcela significativa da população mundial. Sistemas de auxílio à audição têm se apresentado como importantes aliados na minimização dos problemas de comunicação decorrentes dessa limitação. Um importante fator de impacto sobre o desempenho de aparelhos auditivos é a chamada realimentação acústica, causada pela reinjeção do sinal de saída do dispositivo no próprio microfone de captação. Este trabalho apresenta um estudo sobre o método de erro de predição em sistemas com recursos computacionais limitados. Esta característica é relacionada aos aparelhos auditivos comerciais modernos, que apresentam tamanho reduzido associado à necessidade de incorporar diversos subsistemas de processamento. Inicialmente, a partir de modelos teóricos já existentes para a previsão de desempenho do método de erro de predição, é realizada a expansão para o caso de comprimento deficiente. Os resultados obtidos para a predição do comportamento médio dos coeficientes do filtro de cancelamento de realimentação são confrontados com simulações e resultados práticos. Para tanto, foi construída uma câmara acústica para testes onde foram realizados experimentos em tempo real utilizando um processador digital de sinais dedicado para aparelhos auditivos. Como conclusão, verificou-se a validade dos modelos analíticos derivados e, a partir deles, a influência da limitação de recursos computacionais sobre o desempenho do sistema de cancelamento. De forma particular, verificou-se que o método de erro de predição proporciona maior margem de ganho que o método direto de cancelamento de realimentação, inclusive na situação em que os recursos computacionais são limitados e impedem a completa atuação do método de erro de predição

Doctor of Philosophy

dissertationHearing aids suffer from the problem of acoustic feedback that limits the gain provided by hearing aids. Moreover, the output sound quality of hearing aids may be compromised in the presence of background acoustic noise. Digital hearing aids use advanced signal processing to reduce acoustic feedback and background noise to improve the output sound quality. However, it is known that the output sound quality of digital hearing aids deteriorates as the hearing aid gain is increased. Furthermore, popular subband or transform domain digital signal processing in modern hearing aids introduces analysis-synthesis delays in the forward path. Long forward-path delays are not desirable because the processed sound combines with the unprocessed sound that arrives at the cochlea through the vent and changes the sound quality. In this dissertation, we employ a variable, frequency-dependent gain function that is lower at frequencies of the incoming signal where the information is perceptually insignificant. In addition, the method of this dissertation automatically identifies and suppresses residual acoustical feedback components at frequencies that have the potential to drive the system to instability. The suppressed frequency components are monitored and the suppression is removed when such frequencies no longer pose a threat to drive the hearing aid system into instability. Together, the method of this dissertation provides more stable gain over traditional methods by reducing acoustical coupling between the microphone and the loudspeaker of a hearing aid. In addition, the method of this dissertation performs necessary hearing aid signal processing with low-delay characteristics. The central idea for the low-delay hearing aid signal processing is a spectral gain shaping method (SGSM) that employs parallel parametric equalization (EQ) filters. Parameters of the parametric EQ filters and associated gain values are selected using a least-squares approach to obtain the desired spectral response. Finally, the method of this dissertation switches to a least-squares adaptation scheme with linear complexity at the onset of howling. The method adapts to the altered feedback path quickly and allows the patient to not lose perceivable information. The complexity of the least-squares estimate is reduced by reformulating the least-squares estimate into a Toeplitz system and solving it with a direct Toeplitz solver. The increase in stable gain over traditional methods and the output sound quality were evaluated with psychoacoustic experiments on normal-hearing listeners with speech and music signals. The results indicate that the method of this dissertation provides 8 to 12 dB more hearing aid gain than feedback cancelers with traditional fixed gain functions. Furthermore, experimental results obtained with real world hearing aid gain profiles indicate that the method of this dissertation provides less distortion in the output sound quality than classical feedback cancelers, enabling the use of more comfortable style hearing aids for patients with moderate to profound hearing loss. Extensive MATLAB simulations and subjective evaluations of the results indicate that the method of this dissertation exhibits much smaller forward-path delays with superior howling suppression capability

Análise estatística do algoritmo LMS aplicado ao cancelamento de retroalimentação acústica em aparelhos auditivos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2009A tendência atual no projeto de aparelhos auditivos é a de reduzir o efeito de oclusão causado por moldes herméticos. Se, por um lado, a ventilação do aparelho alivia o desconforto causado pela oclusão, por outro lado permite o acoplamento acústico entre o alto-falante e o microfone do aparelho. Este acoplamento gera um processo de retroalimentação acústica que pode levar à instabilidade do sistema, gerando outro tipo de desconforto. A ocorrência de retroalimentação acústica é atualmente uma das queixas mais comuns entre os usuários de aparelhos auditivos. Várias soluções já foram propostas na literatura para a redução deste problema. Resultados de sistemas de cancelamento da retroalimentação acústica baseados no método do erro predição de identificação de laço fechado indicam que seu desempenho é melhor do que maioria das soluções alternativas. A maioria das análises propostas, entretanto, são limitadas a resultados em regime permanente. Esta tese de doutorado tem o propósito de contribuir para a modelagem do comportamento estatístico de algoritmos adaptativos quando aplicados ao cancelamento da retroalimentação acústica em aparelhos auditivos. Assim, esta tese apresenta uma análise transiente e em regime permanente de um sistema proposto recentemente. A estrutura é analisada para uma adaptação lenta e sinais de entradas autoregressivas. Modelos analíticos são derivados para momentos de primeira e segunda ordem. Isto inclui um modelo para o comportamento transiente da polarização da solução adaptativa. Simulações de Monte Carlo são presentadas para verificar a acurácia dos modelos derivados

Efficient Adaptive Filter Algorithms Using Variable Tap-length Scheme

Today the usage of digital signal processors has increased, where adaptive filter algorithms are now routinely employed in mostly all contemporary devices such as mobile phones, camcorders, digital cameras, and medical monitoring equipment, to name few. The filter tap-length, or the number of taps, is a significant structural parameter of adaptive filters that can influences both the complexity and steady-state performance characteristics of the filter. Traditional implementation of adaptive filtering algorithms presume some fixed filter-length and focus on estimating variable filter\u27s tap-weights parameters according to some pre-determined cost function. Although this approach can be adequate in some applications, it is not the case in more complicated ones as it does not answer the question of filter size (tap-length). This problem can be more apparent when the application involves a change in impulse response, making it hard for the adaptive filter algorithm to achieve best potential performance. A cost-effective approach is to come up with variable tap-length filtering scheme that can search for the optimal length while the filter is adapting its coefficients. In direct form structure filtering, commonly known as a transversal adaptive filter, several schemes were used to estimate the optimum tap-length. Among existing algorithms, pseudo fractional tap-length (FT) algorithm, is of particular interest because of its fast convergence rate and small steady-state error. Lattice structured adaptive filters, on the other hand, have attracted attention recently due to a number of desirable properties. The aim of this research is to develop efficient adaptive filter algorithms that fill the gap where optimal filter structures were not proposed by incorporating the concept of pseudo fractional tap-length (FT) in adaptive filtering algorithms. The contribution of this research include the development of variable length adaptive filter scheme and hence optimal filter structure for the following applications: (1) lattice prediction; (2) Least-Mean-Squares (LMS) lattice system identification; (3) Recursive Least-Squares (RLS) lattice system identification; (4) Constant Modulus Algorithm (CMA) blind equalization. To demonstrate the capability of proposed algorithms, simulations examples are implemented in different experimental conditions, where the results showed noticeable improvement in the context of mean square Error (MSE), as well as in the context of convergence rate of the proposed algorithms with their counterparts adaptive filter algorithms. Simulation results have also proven that with affordable extra computational complexity, an optimization for both of the adaptive filter coefficients and the filter tap-length can be attained

Uma proposta para a redução do efeito de oclusão em aparelhos auditivos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2017.A deficiência auditiva, também conhecida como surdez, consiste na perda parcial ou total da capacidade de audição de um indivíduo. De forma geral, essa limitação pode ser compensada pela utilização de aparelhos auditivos. Esses dispositivos são projetados não apenas para amplificar o campo acústico nas adjacências do ouvido, mas também para aumentar a inteligibilidade e o conforto acústico do usuário. Apesar do avanço da tecnologia digital, estudos recentes relatam a insatisfação dos usuários com relação a diferentes aspectos, entre eles: a amplificação do ruído ambiente, a realimentação acústica e o efeito de oclusão. Essas características tendem a reduzir o tempo de uso diário do aparelho pelos usuários.A realimentação acústica decorre do acoplamento acústico entre o alto-falante e o microfone do aparelho auditivo e se manifesta na forma de um apito estridente que causa desconforto físico ao usuário, podendo ser ouvido por pessoas no seu entorno. A prevenção da realimentação acústica usualmente é realizada através da limitação do ganho máximo do dispositivo, da utilização de canceladores ativos de realimentação ou do estreitamento ou fechamento do canal auditivo por um molde (de forma a aumentar a impedância acústica entre alto-falante e microfone). Embora o estreitamento ou fechamento do canal auditivo seja o método mais usual e efetivo, sua utilização resulta no chamado efeito de oclusão. O efeito de oclusão ocorre quando o aparelho auditivo, posicionado na porção cartilaginosa do canal, possui uma abertura de ventilação com tamanho insuficiente para promover a necessária dissipação de energia sonora conduzida ao canal auditivo através do crânio e da mandíbula, causando aumento significativo de potência em baixas frequências (predominantemente na faixa de 200 a 500 Hz) e fazendo com que o usuário ouça sua própria voz de forma abafada. Este trabalho apresenta, inicialmente, a análise de um sistema de cancelamento de realimentação na presença do efeito de oclusão. Simulações para validação do modelo mostraram que o efeito de oclusão não altera o desempenho do sistema de cancelamento. Como contribuição principal, um novo sistema adaptativo de controle ativo de ruído para reduzir o efeito de oclusão em aparelhos auditivos sem duto de ventilação é proposto. Em contraste com os canceladores de efeito de oclusão previamente desenvolvidos, esse sistema oferece uma estrutura de cancelamento não realimentada, que permite a análise de seu comportamento como um problema de identificação de um filtro linear com resposta ao impulso finita. Equações recursivas determinísticas foram derivadas para predição do erro quadrático médio e comportamento médio dos coeficientes, tanto para transitório como em regime permanente. Tais modelos são de particular interesse para os projetistas de aparelhos auditivos como ferramentas de guia para definir parâmetros ótimos, de forma a obter o desempenho desejado. As simulações computacionais concordam com as predições teóricas obtidas pelas equações derivadas, indicando uma redução média de 5,4 dB do efeito de oclusão na faixa de 200-500 Hz. Experimentos subjetivos corroboram a funcionalidade da arquitetura proposta.Abstract : Hearing loss is the partial or total loss of hearing ability of an individual. In general, this limitation can be compensated by the use of hearing aids. These devices are designed not only to amplify the sound field in the vicinity of the ear, but also to increase the intelligibility and acoustic comfort of the user. Even with the advancement of digital technology, recent studies have reported the dissatisfaction of users with respect to several aspects, including: environmental noise amplification, acoustic feedback and occlusion effect. Such characteristics tend to reduce the daily use of the device by users.The acoustic feedback results from the acoustic coupling between the loudspeaker and the microphone of the hearing aid, and is manifested as a shrill whistle that causes physical discomfort to the user and it is perceived by the user and people around as an unpleasant sound. Prevention of acoustic feedback is usually accomplished by limiting the maximum gain of the device, the use of active feedback cancellers or by narrowing or closing of the auditory canal by a mould (in order to increase the acoustic impedance between loudspeaker and microphone). The narrowing or closure of the auditory canal is the most common and effective method, but its use reinforces the occlusion perception. The occlusion effect occurs when the earmould, placed in the cartilaginous part of the ear canal, has a ventilation oppening insufficient to dissipate the necessary acoustical energy conducted to the ear canal through the skull and jaw, resulting in a power increase at low frequencies (predominantly in the range of 200 to 500 Hz), leading the user to perceive a muffled version of his own voice.This work presents, initially, an analysis of a feedback system cancellation in the presence of the occlusion effect. The predicted results of the mean weight behaviour are compared with simulations to show that the occlusion effect does not affect the feedback system performance. Following, a new adaptive active-noise-control system to reduce the occlusion effect in unvented hearing aids is proposed. In contrast to previously developed occlusion-effect cancellers, this system is based on a feedforward cancelling structure that permits the analysis of its behaviour as a finite-impulse-response linear-filter identification problem. Deterministic recursive equations were derived with the aim to theoretically predict its mean square error and mean coefficient behaviour, both in transient and steady state conditions. Such models are of particular interest to hearing aid designers as guide tools for setting parameters to obtain a desired performance. Computational simulations accurately agree with theoretical predictions obtained by the derived equations, indicating a mean reduction of 5.4 dB of the occlusion effect in the range of 200?500 Hz. Subjective experiments corroborate the functionality of the proposed architecture