基于全相位數(shù)字濾波器的人工耳蝸連續(xù)相結(jié)合語(yǔ)音信號(hào)處理方案

基于全相位數(shù)字濾波器的人工耳蝸連續(xù)相結(jié)合語(yǔ)音信號(hào)處理方案

0合成語(yǔ)音的方案電子耳蝸是一種用于獲取重度、中度或全聽(tīng)力的電子儀。這是近年來(lái)迅速發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)?；驹瓌t是將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)，用微帶直接刺激聽(tīng)神經(jīng)纖維并產(chǎn)生聽(tīng)力。在這項(xiàng)工作中，我們首次將全相濾波器應(yīng)用于人工耳蝸的cis方案，進(jìn)行仿真，并獲得最終的合成聲音。與傳統(tǒng)的巴瓦夫?yàn)V波器得到的模擬結(jié)果相比，通過(guò)全相濾波器獲得的合成聲的譜圖接近原始信號(hào)。全相位濾波器是一種新型濾波器,它的設(shè)計(jì)方法是一種FIR濾波器設(shè)計(jì)新方法,是對(duì)傳統(tǒng)頻率采樣法的改進(jìn).它在總體濾波性能上優(yōu)于傳統(tǒng)的頻率采樣法,紋波效應(yīng)小并具有優(yōu)良的陡降性,廣泛適用于設(shè)計(jì)各種帶寬以及各種頻率特性的數(shù)字濾波器【1】.本文利用全相位濾波器的優(yōu)良特性,將其使用在電子耳蝸連續(xù)相間采樣(ContinuousInterleavedSampler,CIS)言語(yǔ)信號(hào)處理方案中,并用matlab對(duì)此方案進(jìn)行仿真得到最后的合成語(yǔ)音.1cis語(yǔ)音信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中電子耳蝸的組成和處理方法人耳的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)可以分為外耳、中耳、內(nèi)耳、神經(jīng)系統(tǒng)和大腦皮層語(yǔ)音中樞等,而耳蝸所起的作用是將聲音振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并刺激聽(tīng)神經(jīng),是感知聲音的關(guān)鍵器官.耳聾的主要原因是由于耳蝸內(nèi)的毛細(xì)胞損傷或先天性發(fā)育不全等,從而不能將聲音振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào).但多數(shù)聾人耳蝸內(nèi)的聽(tīng)神經(jīng)是完好的或部分完好,保持著對(duì)電刺激響應(yīng)的能力【2】.人工耳蝸通常由以下各部分構(gòu)成:采集聲音的麥克風(fēng)、將語(yǔ)音轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的言語(yǔ)處理器、傳送電信號(hào)到植入電極的傳輸系統(tǒng)以及通過(guò)手術(shù)植入人體內(nèi)的一組電極.位于不同位置的電極刺激聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)纖維從而使得患者獲得聽(tīng)覺(jué).其中言語(yǔ)處理器負(fù)責(zé)將輸入信號(hào)分解為不同的頻段或通道,然后將濾波信號(hào)傳送至適合的電極.正常人的耳蝸其作用是將輸入信號(hào)分解成為不同的頻率成分,所以言語(yǔ)處理器的主要作用就是模擬正常人的耳蝸將輸入信號(hào)分解.因此人工耳蝸設(shè)計(jì)者一直以來(lái)面臨著這樣一個(gè)挑戰(zhàn),那就是如何改善信號(hào)處理技術(shù)來(lái)更好的模擬一個(gè)正常人耳蝸的功能【3】.電子耳蝸產(chǎn)生的聽(tīng)覺(jué)必然與正常人所聽(tīng)到的聲音存在一定的差異,因?yàn)殡姌O數(shù)目(即通道數(shù)目)有限,電極電流的電場(chǎng)存在一定的分布范圍,而且聽(tīng)神經(jīng)的殘余狀況還存在著個(gè)體差異.正因如此,對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硎鞘闺娮佣佒踩胝哂行Щ謴?fù)聽(tīng)覺(jué)的關(guān)鍵問(wèn)題之一.但是,對(duì)于采用不同語(yǔ)音信號(hào)處理方法,耳聾患者實(shí)際感受到的聲音效果,難以通過(guò)生理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.本文將全相位濾波器和巴特沃夫?yàn)V波器分別應(yīng)用于CIS語(yǔ)音信號(hào)處理方案,并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和聲音合成,模擬出耳蝸植入者感受到的聲音,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了初步分析.1.1語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)加重連續(xù)相間采樣(continuousinterleavedsampler,CIS)方案在1991年由Wilson等提出【4】.其基本原理是:首先,語(yǔ)音信號(hào)在預(yù)加重后被一組帶通濾波器過(guò)濾,濾波器的數(shù)量即頻道數(shù)可根據(jù)病人的情況而定.其次,各頻道過(guò)濾后的信號(hào)被提取包絡(luò),在實(shí)際應(yīng)用中,提取包絡(luò)所采用的方法有整流加低通濾波的方法和Hilbert轉(zhuǎn)換(Hilberttransform)的方法.最后,各頻道的包絡(luò)被用來(lái)調(diào)制電脈沖序列的幅度,調(diào)制后的電脈沖序列被送往相應(yīng)的電極而刺激聽(tīng)神經(jīng).預(yù)加重的目的是對(duì)1.2kHz以上高頻信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償.1.2合成語(yǔ)音的原理人工耳蝸是模仿人耳生理系統(tǒng)功能的一種電子刺激系統(tǒng).耳蝸的功能可以被認(rèn)為是一頻率分析器,從蝸底到蝸?lái)敻惺艿穆曇舻念l率依次從高頻到低頻.依據(jù)耳蝸的頻率分析機(jī)制,耳蝸可以被近似地認(rèn)為是一組帶通濾波器,按部位對(duì)語(yǔ)音作編碼.合成語(yǔ)音的產(chǎn)生原理如圖1所示.聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器組提取包絡(luò)后得到各通道的包絡(luò)信號(hào),然后去調(diào)制一組正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的相應(yīng)頻率正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào),這些調(diào)制信號(hào)相加即得到合成的聲音信號(hào).正弦信號(hào)發(fā)生器1～n的頻率為帶通濾波器的中心頻率,合成信號(hào)可以近似地反映耳蝸植入者感受到的聲音【5】.用matlab平臺(tái)對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行仿真,在本文中,采用八通道的巴特沃夫?yàn)V波器組和全相位濾波器組分別實(shí)現(xiàn);提取包絡(luò)通過(guò)全波整流加低通濾波實(shí)現(xiàn);預(yù)加重用一階FIR濾波器實(shí)現(xiàn)Y(n)=x(n)-ax(n-1),其中a=0.9.2全相位dft數(shù)字濾波器對(duì)于時(shí)間序列中的一點(diǎn)x(n),存在也只存在N個(gè)包含該點(diǎn)的具有不同截取相位的N維向量:X0=[x(n),x(n+1),…,x(n+N-2),x(n+N-1)]T,X1=Z-1X0=[x(n-1),x(n)…x(n+N-3),x(n+N-2)]T,……Xn-1=Z-N+1X0=[x(n-N+1),x(n-N+2)…x(n-1),x(n)]T.其中Z-1為延時(shí)算子,則x(n)的全相位數(shù)據(jù)矩陣為:X-N+1,0(n)=[X0,X1,…,XN-1],其中全部列向量{Xl,l=0,1,…,N-1}張成x(n)的全相位數(shù)據(jù)空間.全相位DFT濾波:對(duì)全相位數(shù)據(jù)矩陣X-N+1,0(n)的每個(gè)列向量進(jìn)行相同的DFT/IDFT濾波:Yl(i)=∑k=0n?1W?1N(i,k)[FN(k)∑j=0N?1WN(k,j)Xl(j)]=∑j=0N?1HN(i,j)Xl(j)i,l=0,1?N?1.Yl(i)=∑k=0n-1WΝ-1(i,k)[FΝ(k)∑j=0Ν-1WΝ(k,j)Xl(j)]=∑j=0Ν-1ΗΝ(i,j)Xl(j)i,l=0,1?Ν-1.其中,HN(i,j)=∑i=0N?1W?1N(i,k)WN(k,j)FN(k).i,j=0,1?N?1ΗΝ(i,j)=∑i=0Ν-1WΝ-1(i,k)WΝ(k,j)FΝ(k).i,j=0,1?Ν-1WN和W?1NΝ-1分別為N*N的DFT和IDFT變換矩陣,FN是所期望的N維DFT濾波響應(yīng)向量.顯然,對(duì)應(yīng)點(diǎn)x(n)將分別得到N個(gè)不同的濾波值:Yi(l),l=0,1,…,N-1.為了消除因截取相位不同而引起的濾波值的歧義性,取這N個(gè)濾波值的均值作為x(n)的濾波輸出,即:y(n)=1N∑i=0N?1Yi(l).y(n)=1Ν∑i=0Ν-1Yi(l).可以證明,當(dāng)DFT濾波響應(yīng)向量FN為實(shí)對(duì)稱時(shí),全相位DFT濾波可由一個(gè)零相位數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn),稱之為全相位DFT數(shù)字濾波器,其單位脈沖響應(yīng)hN(n)可用FN的IDFT關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱延拓再用三角窗加權(quán)產(chǎn)生.即【1】:???????hN(n)=N?nNIDFT[FN(k)];n,k=0,1,?,N?1;hN(?n)=hN(n).{hΝ(n)=Ν-nΝΙDFΤ[FΝ(k)];n,k=0,1,?,Ν-1;hΝ(-n)=hΝ(n).由上述內(nèi)容可以了解全相位濾波器的基本定義,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真可知,全相位濾波器相比于其他傳統(tǒng)濾波器紋波效應(yīng)小且具有更好的陡降性.2.1全相位濾波器下面給出了實(shí)驗(yàn)中用到的傳統(tǒng)濾波器組和全相位濾波器組的比較圖.每一濾波器組具有八個(gè)帶通濾波器構(gòu)成.其中傳統(tǒng)濾波器組的代表是六階的巴特沃夫?yàn)V波器組(其橫坐標(biāo)代表kHz,縱坐標(biāo)代表幅度).巴特沃夫?yàn)V波器組的特點(diǎn)是通帶平坦而過(guò)渡帶非常寬(如圖2所示),這就導(dǎo)致了通帶之間相互交疊,在濾波器組輸出級(jí)原始語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量下降,從而使得后續(xù)提取包絡(luò)的處理質(zhì)量下降.新型全相位濾波器的設(shè)計(jì)方法是一種FIR濾波器設(shè)計(jì)新方法,是對(duì)傳統(tǒng)頻率采樣法的改進(jìn),它在總體濾波性能上優(yōu)于傳統(tǒng)的頻率采樣法,吉布斯效應(yīng)小改善了紋波現(xiàn)象并且過(guò)渡帶窄(如圖3所示).從圖中可以看出,全相位濾波器組的各個(gè)通道成互補(bǔ)型,過(guò)渡帶很窄,所以消除了因?yàn)檫^(guò)渡帶相互交疊而產(chǎn)生的信號(hào)質(zhì)量下降.現(xiàn)在我們將全相位濾波器用于人工耳蝸CIS方案中,大大提高了濾波器組輸出級(jí)的信號(hào)質(zhì)量,這為更好地提取語(yǔ)音信號(hào)的包絡(luò)提供了有力條件,從而使得最終合成信號(hào)質(zhì)量的提高.3合成語(yǔ)音的波形及頻譜根據(jù)上述的仿真原理,我們用matlab進(jìn)行仿真,現(xiàn)已經(jīng)得到分別對(duì)應(yīng)于用全相位濾波器進(jìn)行仿真和用巴特沃夫?yàn)V波器進(jìn)行仿真所得到的合成語(yǔ)音及其頻譜的比較圖.發(fā)音內(nèi)容“Thehusbandbroughtinflowers”.圖4～6分別展示了原始語(yǔ)音、巴特沃夫合成語(yǔ)音、全相位合成語(yǔ)音的波形及頻譜.從語(yǔ)譜圖中可以看出,在低頻區(qū),用全相位濾波器合成的語(yǔ)音的形狀更逼近于原始信號(hào)而且顏色更深,這證明新的方法更好的模擬了原始語(yǔ)音且比傳統(tǒng)的方案低頻能量更高,因此聲音更為清晰;在高頻區(qū),傳統(tǒng)的CIS方案從語(yǔ)譜圖中可以看出若干道非常清晰的橫線,這是因?yàn)樵趯?duì)應(yīng)的各個(gè)頻率的正弦波調(diào)制時(shí)產(chǎn)生了較大的能量,從而使合成聲音加入許多噪音.而改進(jìn)的后的CIS方案這一現(xiàn)象明顯減弱,且傳統(tǒng)方案得到的語(yǔ)音在整個(gè)高頻區(qū)比改進(jìn)方案顏色更為濃重,這證明傳統(tǒng)方案還有更多的噪聲,新的方案使得噪音降低.總體而言,改進(jìn)后的CIS方案聲音更為清