基于TMS320VC5416DSP的數(shù)字助聽器設(shè)計(jì)(小論文圖少).doc

基于TMS320VC5416DSP的數(shù)字助聽器設(shè)計(jì) 王蕾 （長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院 陜西 西安 710064）摘要：整個(gè)系統(tǒng)以DSP為核心，結(jié)合TI公司高性能立體音頻Codec芯片TLV320AIC23構(gòu)建硬件環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)音頻多通道壓縮算法，噪聲消除以及反饋消除等助聽器關(guān)鍵算法。本系統(tǒng)功耗低，使用中參數(shù)可調(diào)節(jié)，滿足聽障患者對(duì)聽力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊?，也為進(jìn)一步研究助聽器高級(jí)算法搭建了較好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。關(guān)鍵詞： 助聽器 ； 濾波 ； 補(bǔ)償 ； 自適應(yīng)TMS320VC5416DSP-based design of audiphone Wang Lei(Information Engineering College of Changan University in Xian, Shaanxi 710064) Abstract: DSP for the entire system to the core, combined with TIs high performance stereo audio Codec Chip Construction TLV320AIC23 hardwareenvironment, and on this basis to achieve dual-channel directional audio options,multi-channel compression algorithm, the elimination of noise and feedback, such asthe elimination of the key algorithm for hearing aids . Low power consumption of thesystem, the use of adjustable parameters to meet the needs of hearing-impairedpatients with hearing the request for compensation, as well as high-level algorithm forhearing aids to further study to build a better platform for the experiment. Keywords: self-adaptation ；audiphone ； filtering； compensation1引言隨著社會(huì)的發(fā)展以及人們對(duì)聽障患者的日益關(guān)注, 助聽器也成為了人們生活中更不可或缺的一部分。但由于聽力障礙患者病因各異, 其聽力損失情況存在著較大差異, 使得每位患者對(duì)于助聽器有著不同的要求。目前,現(xiàn)代助聽器技術(shù)進(jìn)入到全數(shù)字助聽器時(shí)代。同時(shí), 各種有效提高數(shù)字助聽器效能的數(shù)字信號(hào)處理算法也得到更多的重視。本文提出了基于TMS320VC5416的數(shù)字助聽器設(shè)計(jì)，滿足聽障患者對(duì)聽力的需求。2系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理2.1系統(tǒng)組成基于助聽器的技術(shù)要求，我們選用TI公司的C54X系列產(chǎn)品TMS320C5416（以下簡(jiǎn)稱C5416）和數(shù)字編碼器TLV320AIC23（以下簡(jiǎn)稱AIC23）。數(shù)字編碼器AIC23，是TI公司推出的一款高性能的立體聲音頻Codec芯片，模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D和數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A部件集成在芯片內(nèi)部，采用先進(jìn)的-過采樣技術(shù)，內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器。AIC23 DSP Codec工作電壓與C5416的核心和I/O電壓兼容，可實(shí)現(xiàn)與C54x串行口的無縫連接，功耗很低，使得AIC23是一款非常理想的音頻模擬器件，可以很好的應(yīng)用于數(shù)字助聽器的設(shè)計(jì)當(dāng)中。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括DSP模塊，音頻處理模塊，存儲(chǔ)模塊及電源模塊等。模擬語(yǔ)音信號(hào)通過MIC或LINE IN輸入AIC23， 經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后通過MCBSP串口輸入C5416，經(jīng)過實(shí)際所需的算法進(jìn)行處理和補(bǔ)償后，得到聽障患者所需要的語(yǔ)音信號(hào)，再通過AIC23數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過揚(yáng)聲器或耳機(jī)輸出聲音信號(hào)。 圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中，C5416支持通過JTAG端口與仿真器連接進(jìn)行在線調(diào)試。JTAG端口符合IEEE1149.1協(xié)議。在仿真器和DSP目標(biāo)板之間提供高質(zhì)量的信號(hào)很重要，因此必須提供準(zhǔn)確的信號(hào)緩沖，時(shí)鐘輸入，以及與DSP處理器之間的接口，以使仿真器與DSP板能夠正常的運(yùn)行。2.2 C5416與AIC23的接口設(shè)計(jì)圖2是C5416與AIC23的接口原理圖。由于AIC23采樣輸出的是串行數(shù)據(jù)，因此需要協(xié)調(diào)好與之相配的DSP的串行傳輸協(xié)議，MCBSP是最適合做語(yǔ)音信號(hào)傳輸?shù)?。將AIC23的MODE接高電平，接受來自DSP的SPI格式串口數(shù)據(jù)。數(shù)字控制接口（SCLK,SDIN,CS）與MCBSP1連接，控制字共16位，由高位開始傳輸。數(shù)字音頻口LRCOUT,LRCIN,DOUT,DIN,BCLK與MCBSP0相連。在工作方式上，DSP為主模式，AIC23為從模式，即BCLK的時(shí)鐘信號(hào)由DSP產(chǎn)生。串口時(shí)鐘由BCLKX0,BCLKR0并聯(lián)到AIC23的BCLK時(shí)鐘，這樣在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)都可產(chǎn)生串口時(shí)鐘信號(hào)。輸入輸出同步信號(hào)LRCIN與LRCOUT，用來啟動(dòng)串口數(shù)據(jù)傳輸，接收DSP的幀同步信號(hào)。BDR0和BDX0分別與AIC23的DIN和DOUT 來實(shí)現(xiàn)DSP與AIC23之間的數(shù)字通信。圖2 C5416與AIC23的接口圖3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3.1語(yǔ)音的基本特性 聲音是一種波，能被人耳聽到，它的振動(dòng)頻率為2020KHz。語(yǔ)音是聲音的一種，它是由人的發(fā)音器官發(fā)出的，具有一定語(yǔ)法和意義的聲音。語(yǔ)音的振動(dòng)頻率最高可達(dá)15KHz。語(yǔ)音按其激勵(lì)形式的不同分為：濁音、清音、爆破音。而人的聲音特性基本是由基因周期和共振峰等因素決定的。當(dāng)發(fā)濁音時(shí)，氣流通過聲門使聲帶發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生準(zhǔn)周期激勵(lì)脈沖串。這個(gè)脈沖串的周期就稱為“基因周期”，其倒數(shù)即為“基因頻率”。 人類的聲道和鼻道都可以看做是非均勻界面的聲道管，聲道管的諧振頻率稱為共振峰。共振峰與聲道的形狀和大小相關(guān)。共振峰用依次增加的多個(gè)頻率表示，如F1、F2、F3.等，稱之為第一共振峰，第二共振峰等。為了提高語(yǔ)音接收質(zhì)量，必須采用盡可能多的共振峰。實(shí)際中，頭三個(gè)共振峰是最重要的，具體情況因人而有差異。3.2語(yǔ)音增強(qiáng)在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，語(yǔ)音會(huì)不同程度的受到環(huán)境噪聲的干擾。語(yǔ)音增強(qiáng)就是對(duì)帶噪語(yǔ)音進(jìn)行處理，降低噪聲的影響，改善聽覺環(huán)境。實(shí)際語(yǔ)音遇到的干擾可能包括以下幾類：（1）周期性噪聲，如電器干擾，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)引起的干擾等，這類干擾在頻域表現(xiàn)為一些離散的窄峰。特別是50或60Hz交流聲會(huì)引起周期噪聲；（2）沖擊噪聲，如電火花，放電產(chǎn)生的噪聲干擾，這類干擾在時(shí)域表現(xiàn)為突然出現(xiàn)的窄脈沖。消除這種噪聲可以在時(shí)域中進(jìn)行，即根據(jù)帶噪語(yǔ)音信號(hào)幅度的平均值確定閾值；（3）寬帶噪聲，通常指高斯噪聲或白噪聲，其特點(diǎn)是頻帶寬，幾乎覆蓋整個(gè)語(yǔ)音頻段。它的來源很多，包括風(fēng)、呼吸噪聲和一般的隨機(jī)噪聲源；（4）語(yǔ)音干擾，如聽筒中同時(shí)進(jìn)入多個(gè)人的聲音。3.3算法分析 噪聲影響使得患者語(yǔ)言識(shí)別率大幅下降，去噪和補(bǔ)償是助聽器的重要環(huán)節(jié)。人耳對(duì)于25HZ22000HZ的聲音有反映。語(yǔ)音的大部分可用信息只存在于200HZ3500HZ之間。根據(jù)人耳感知特性及實(shí)驗(yàn)確定，對(duì)語(yǔ)音感知，語(yǔ)音識(shí)別較為重要的第二共振峰大部分位于1KHZ之上。3.3.1周期噪音消除 在信號(hào)處理中，濾波占有十分重要的地位。周期噪聲一般是許多離散的譜峰。來源于發(fā)動(dòng)機(jī)的周期性運(yùn)轉(zhuǎn)。電器干擾，特別是5060HZ交流聲也會(huì)引起周期噪聲。所以使用帶通濾波器可以有效的消除周期噪音以及3500HZ以上的高頻聲音。3.3.1.1IIR濾波器的使用IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查，其設(shè)計(jì)工作量比較小，對(duì)計(jì)算工具的要求不高。 IIR數(shù)字濾波器線性差分方程：3.3.1.2FIR濾波器的使用低通有限沖激響應(yīng)濾波器，因?yàn)橹挥辛阆到y(tǒng)總是穩(wěn)定的，而且容易實(shí)現(xiàn)線性相位和允許實(shí)現(xiàn)多通道濾波器。FIR系統(tǒng)是一個(gè)全零系統(tǒng)，不像IIR系統(tǒng)那么容易取得較好通帶和阻帶衰減特性。系統(tǒng)線性差分方程：3.3.2基于短時(shí)譜估計(jì)的寬帶噪音去除由于語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)譜具有較強(qiáng)相關(guān)性，而噪聲的前后相關(guān)性很弱，因此采用基于短譜估計(jì)的方法從帶噪語(yǔ)音中估計(jì)原始語(yǔ)音。而且人耳對(duì)于語(yǔ)音相位感受不敏感，可將估計(jì)的對(duì)象放在短時(shí)譜的幅度上。3.3.3.1譜相減法 減譜法在無參考信號(hào)源的單話筒錄音系統(tǒng)中是一個(gè)有效的方法。因?yàn)樵肼暿蔷植科椒€(wěn)的，可認(rèn)為發(fā)語(yǔ)音前的噪聲與發(fā)語(yǔ)音期間的噪聲功率譜相同，因此利用語(yǔ)音前后的“寂靜幀”來估計(jì)噪聲。減譜法的原理框圖如圖3所示，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)加窗處理后，利用已知的噪聲功率譜信息對(duì)信號(hào)進(jìn)行除噪處理。 圖3 譜相減法原理圖 3.3.3.2噪聲對(duì)消法噪聲對(duì)消法是最基本的減譜算法，它的基本原理是從帶噪語(yǔ)音中直接減去噪聲。由于寬帶噪聲與語(yǔ)音信號(hào)在時(shí)域和頻域上完全重疊，是比較難去除的。為了使采集到的噪聲更接近于帶噪語(yǔ)音中的噪聲，自適應(yīng)濾波器可以很好的實(shí)現(xiàn)這一功能。本系統(tǒng)中使用最佳線性濾波理論（Winner）滿足最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通過最小均方誤差（LMS）自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)。圖4中一個(gè)聲道采集帶噪語(yǔ)音，另一個(gè)聲道采集噪聲。帶噪語(yǔ)音序列S（n）與噪聲序列d(n)經(jīng)傅里葉變換得到頻譜分量和，噪聲分量經(jīng)過濾波后與帶噪語(yǔ)音相減，再加上帶噪語(yǔ)音的相位，經(jīng)傅里葉反變換恢復(fù)為時(shí)域信號(hào)。在強(qiáng)噪音背景時(shí)，這種方法可以得到很好的消除噪音效果。圖4 雙聲道采集系統(tǒng)的噪聲對(duì)消在實(shí)際中兩個(gè)采集聲道要保證一定隔離，以防止兩個(gè)聲道都采到帶噪語(yǔ)音。3.3.3多通道壓縮算法在聽力損失的情況下，聽閾普遍下移，從而造成聽覺動(dòng)態(tài)范圍減小。這種動(dòng)態(tài)范圍的減小程度與頻率有關(guān)，一般高頻部分損失較大。在數(shù)字助聽器信號(hào)處理算法中，聽力補(bǔ)償算法是其中最核心的一種算法。聽力補(bǔ)償算法的目的是對(duì)聲音進(jìn)行壓縮放大，將正常人聽閾范圍內(nèi)的聲音映射至聾人聽域內(nèi)，并盡可能的保持聽覺舒適和提高聲音的清晰度和辨識(shí)度。利用濾波器將信號(hào)分頻段處理后再綜合，聲音信號(hào)被分為數(shù)個(gè)獨(dú)立的頻率區(qū)域，這些頻率區(qū)域被稱之為通道。此種算法主要致力于在時(shí)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理。在各個(gè)通道中，根據(jù)患者聽力損傷的情況，對(duì)于不同頻段加以不同的放大處理，對(duì)不同頻率成分使用不同的壓縮算法，最后將合成的聲音再發(fā)送到患者的耳道里。我們應(yīng)用此種方法對(duì)信號(hào)做了一定的處理，本系統(tǒng)中將中頻信號(hào)做了適當(dāng)?shù)姆糯?，收音效果良好?.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時(shí)，通過USB接口將目標(biāo)板和PC機(jī)連接起來。通過CCS對(duì)目標(biāo)工程進(jìn)行在線調(diào)試。目標(biāo)工程的主要任務(wù)是C5416初始化、管理板上的資源和完成音頻的處理算法。要正確編寫采樣和輸出音頻信號(hào)的程序，必須對(duì)C5416的McBSP的每個(gè)通道包括27個(gè)相關(guān)的寄存器進(jìn)行正確的設(shè)置，以滿足C5416和其它硬件電路芯片的各種時(shí)序要求（位同步、幀同步、時(shí)鐘信號(hào)等）。圖5為原始的語(yǔ)音信號(hào)在系統(tǒng)中的回放圖形、圖6所示為在CCS與DSP硬件連接的原始語(yǔ)音與處理后語(yǔ)音的對(duì)比圖形： 圖5 語(yǔ)音雙聲道未處理圖6 語(yǔ)音雙聲道處理對(duì)比圖4 結(jié)語(yǔ)本課題設(shè)計(jì)的助聽器實(shí)現(xiàn)了小型化，集成化，便捷化。本系統(tǒng)可以根據(jù)患者的具體需求進(jìn)行參數(shù)的更改和設(shè)計(jì)，以滿足不同患者的需求。隨著社會(huì)的發(fā)展, 在某些特定的場(chǎng)合不僅是聽力有障礙的人, 聽力正常的人也要借助助聽器。人類對(duì)于助聽器的需求會(huì)不斷更新,我們對(duì)于問題的探索和研究也將與時(shí)俱進(jìn)，使用助聽器更好的為人類服務(wù)，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處，從而促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展。參考文獻(xiàn)1胡廣書 數(shù)字信號(hào)處