A digital frequency-domain implementation of a very high gain hearing aid with compensation for recruitment of loudness and acoustic echo cancellation

People with loudness recruitment have a compressed dynamic range between the sound-pressure levels corresponding to threshold and discomfort. This highly frequency-dependent phenomenon requires a nonlinear filter for compensation. To achieve the high levels of gain required for profound hearing impairment, the hearing aid must also be capable of canceling the ever present acoustic feedback. This paper describes a digital hearing aid, realized in the frequency domain, that compensates for recruitment of loudness and cancels echos. The DFT-based approach permits the use of fast and computationally efficient algorithms for the nonlinear compensation and adaptive FIR filtering. The echo canceler is adapted using only the available (e.g. speech) input signal. An analysis is presented of the closed-loop hearing aid system and the adaptive adjustment law. The problems resulting from the use of a nonlinear hearing-loss compensator and stability problems caused by a rapidly changing echo path are discussed. The proposed solutions have been implemented and tested on a dummy head using a behind-the-ear hearing-aid device. The result is a device that runs more than 20 dB above the critical gain without any audible artifacts. Menschen die unter der als Recruitment bezeichneten Horempfindungsstorung leiden, haben gegenuber normalhorenden Personen einen reduzierten Dynamikbereich zwischen Horschwelle und Unbehaglichkeitsschwelle. Um dies auszugleichen, ist ein nichtlineares Filter zur Kompensation notig. Um die fur schwer geschadigte Patienten benotigten hohen Verstarkungen zu erzielen, muss ein Horgerat zusatzlich die Fahigkeit besitzen, akustische Echos zu kompensieren. Dieser Artikel beschreibt ein im Frequenzbereich realisiertes Horgerat, das Horverluste mit einem nichtlinearen Filter ausgleicht und zusatzlich akustische Echos kompensieren kann. Der DFT-basierte Ansatz erlaubt den Einsatz von entsprechend recheneffizienten und schnellen Algorithmen. Der Echokompensator wird nur unter Ausnutzung der verfugbaren Signale (z.B. Sprache) adaptiert. Eine Analyse des Gesamtsystems wird prasentiert, wobei speziell auf den Einfluss des fur die Kompensation des Dynamikbereiches benotigten nichtlinearen Filters und auf Stabilitatsprobleme im Zusammenhang mit einem sich schnellandernden Echopfad eingegangen wird. Die vorgeschlagenen Losungen sind implementiert und an einem Kunstkopf mit Hilfe eines Hinter-dem-Ohr-Horgerates getestet worden. Das Resultat ist ein Horgerat das ohne horbare Verzerrungen gegenuber Losungen ohne Echokompensation mit einer um 20 dB erhohten Verstarkung arbeiten kann. Les personnes ayant un probleme de niveau sonore ont une gamme dynamique reduite entre les niveaux de pression sonore correspondant au seuil eti?l'inconfort. Ces phenomenes dependant hautement de la frequence requierent un filtre non-lineaire pour leur compensation. Pour arriver aux niveauxeleves de gain requis dans les cas de handicaps auditifs profonds, la prothese sonore doit aussie?tre capable d'annuler la retroaction acoustique toujours presente. Cet article decrit une prothese auditive numerique, realisee dans le domaine frequentiel, qui compense les problemes de niveau sonore et annule lesechos. L'approche basee sur la DFT permet l'utilisation d'algorithmes rapides et efficients en calcul pour la compensation non-lineaire et le filtrage FIR adaptatif. L'annulateur d'echo est adaptei?l'aide du signal d'entree disponible (parole) uniquement. Nous presentons une analyse du systeme en boucle fermee de prothese auditive et de la loi adaptative d'ajustement. Les problemes resultant de l'utilisation d'un compensateur non-lineaire de perte d'audition et les problemes de stabilitecauses par une trajectoire d'echo changeant rapidement sont discutes. Les solutions proposees onteteimplantees et testees sur une te?te factice protant un dispositif auditif placederriere l'oreille. Le resultat final est un dispositif operanti?plus de 20 dB au-dessus du gain critique sans aucun artefact audible.