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

基于TMS320VC5416DSP的數(shù)字助聽器設計 王蕾 （長安大學 信息工程學院 陜西 西安 710064）摘要：整個系統(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，并在此基礎上實現(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)，滿足聽障患者對聽力進行補償?shù)囊?，也為進一步研究助聽器高級算法搭建了較好的實驗平臺。關(guān)鍵詞： 助聽器 ； 濾波 ； 補償 ； 自適應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引言隨著社會的發(fā)展以及人們對聽障患者的日益關(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, 使得每位患者對于助聽器有著不同的要求。目前,現(xiàn)代助聽器技術(shù)進入到全數(shù)字助聽器時代。同時, 各種有效提高數(shù)字助聽器效能的數(shù)字信號處理算法也得到更多的重視。本文提出了基于TMS320VC5416的數(shù)字助聽器設計，滿足聽障患者對聽力的需求。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（以下簡稱C5416）和數(shù)字編碼器TLV320AIC23（以下簡稱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，采用先進的-過采樣技術(shù)，內(nèi)置耳機輸出放大器。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，可以很好的應用于數(shù)字助聽器的設計當中。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，存儲模塊及電源模塊等。模擬語音信號通過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)過實際所需的算法進行處理和補償后，得到聽障患者所需要的語音信號，再通過AIC23數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過揚聲器或耳機輸出聲音信號。 圖1 系統(tǒng)設計原理框圖在整個系統(tǒng)設計和調(diào)試過程中，C5416支持通過JTAG端口與仿真器連接進行在線調(diào)試。JTAG端口符合IEEE1149.1協(xié)議。在仿真器和DSP目標板之間提供高質(zhì)量的信號很重要，因此必須提供準確的信號緩沖，時鐘輸入，以及與DSP處理器之間的接口，以使仿真器與DSP板能夠正常的運行。2.2 C5416與AIC23的接口設計圖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是最適合做語音信號傳輸?shù)摹IC23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的時鐘信號由DSP產(chǎn)生。串口時鐘由BCLKX0,BCLKR0并聯(lián)到AIC23的BCLK時鐘，這樣在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時都可產(chǎn)生串口時鐘信號。輸入輸出同步信號LRCIN與LRCOUT，用來啟動串口數(shù)據(jù)傳輸，接收DSP的幀同步信號。BDR0和BDX0分別與AIC23的DIN和DOUT 來實現(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)實現(xiàn)3.1語音的基本特性 聲音是一種波，能被人耳聽到，它的振動頻率為2020KHz。語音是聲音的一種，它是由人的發(fā)音器官發(fā)出的，具有一定語法和意義的聲音。語音的振動頻率最高可達15KHz。語音按其激勵形式的不同分為：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。當發(fā)濁音時，氣流通過聲門使聲帶發(fā)生振動，產(chǎn)生準周期激勵脈沖串。這個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。為了提高語音接收質(zhì)量，必須采用盡可能多的共振峰。實際中，頭三個共振峰是最重要的，具體情況因人而有差異。3.2語音增強在實際的應用環(huán)境中，語音會不同程度的受到環(huán)境噪聲的干擾。語音增強就是對帶噪語音進行處理，降低噪聲的影響，改善聽覺環(huán)境。實際語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)動機旋轉(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，這類干擾在時域表現(xiàn)為突然出現(xiàn)的窄脈沖。消除這種噪聲可以在時域中進行，即根據(jù)帶噪語音信號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，其特點是頻帶寬，幾乎覆蓋整個語音頻段。它的來源很多，包括風、呼吸噪聲和一般的隨機噪聲源；（4）語音干擾，如聽筒中同時進入多個人的聲音。3.3算法分析 噪聲影響使得患者語言識別率大幅下降，去噪和補償是助聽器的重要環(huán)節(jié)。人耳對于25HZ22000HZ的聲音有反映。語音的大部分可用信息只存在于200HZ3500HZ之間。根據(jù)人耳感知特性及實驗確定，對語音感知，語音識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)動機的周期性運轉(zhuǎn)。電器干擾，特別是5060HZ交流聲也會引起周期噪聲。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)字濾波器在設計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)成的設計數(shù)據(jù)或圖表可查，其設計工作量比較小，對計算工具的要求不高。 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濾波器，因為只有零系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，而且容易實現(xiàn)線性相位和允許實現(xiàn)多通道濾波器。FIR系統(tǒng)是一個全零系統(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基于短時譜估計的寬帶噪音去除由于語音信號的短時譜具有較強相關(guān)性，而噪聲的前后相關(guān)性很弱，因此采用基于短譜估計的方法從帶噪語音中估計原始語音。而且人耳對于語音相位感受不敏感，可將估計的對象放在短時譜的幅度上。3.3.3.1譜相減法 減譜法在無參考信號源的單話筒錄音系統(tǒng)中是一個有效的方法。因為噪聲是局部平穩(wěn)的，可認為發(fā)語音前的噪聲與發(fā)語音期間的噪聲功率譜相同，因此利用語音前后的“寂靜幀”來估計噪聲。減譜法的原理框圖如圖3所示，對語音信號加窗處理后，利用已知的噪聲功率譜信息對信號進行除噪處理。 圖3 譜相減法原理圖 3.3.3.2噪聲對消法噪聲對消法是最基本的減譜算法，它的基本原理是從帶噪語音中直接減去噪聲。由于寬帶噪聲與語音信號在時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音中的噪聲，自適應濾波器可以很好的實現(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)設計準則，通過最小均方誤差（LMS）自適應算法實現(xiàn)。圖4中一個聲道采集帶噪語音，另一個聲道采集噪聲。帶噪語音序列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)過濾波后與帶噪語音相減，再加上帶噪語音的相位，經(jīng)傅里葉反變換恢復為時域信號。在強噪音背景時，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)的噪聲對消在實際中兩個采集聲道要保證一定隔離，以防止兩個聲道都采到帶噪語音。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，從而造成聽覺動態(tài)范圍減小。這種動態(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)字助聽器信號處理算法中，聽力補償算法是其中最核心的一種算法。聽力補償算法的目的是對聲音進行壓縮放大，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度。利用濾波器將信號分頻段處理后再綜合，聲音信號被分為數(shù)個獨立的頻率區(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域?qū)π盘栠M行處理。在各個通道中，根據(jù)患者聽力損傷的情況，對于不同頻段加以不同的放大處理，對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。我們應用此種方法對信號做了一定的處理，本系統(tǒng)中將中頻信號做了適當?shù)姆糯?，收音效果良好?.4 系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)在實現(xiàn)時，通過USB接口將目標板和PC機連接起來。通過CCS對目標工程進行在線調(diào)試。目標工程的主要任務是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的程序，必須對C5416的McBSP的每個通道包括27個相關(guān)的寄存器進行正確的設置，以滿足C5416和其它硬件電路芯片的各種時序要求（位同步、幀同步、時鐘信號等）。圖5為原始的語音信號在系統(tǒng)中的回放圖形、圖6所示為在CCS與DSP硬件連接的原始語音與處理后語音的對比圖形： 圖5 語音雙聲道未處理圖6 語音雙聲道處理對比圖4 結(jié)語本課題設計的助聽器實現(xiàn)了小型化，集成化，便捷化。本系統(tǒng)可以根據(jù)患者的具體需求進行參數(shù)的更改和設計，以滿足不同患者的需求。隨著社會的發(fā)展, 在某些特定的場合不僅是聽力有障礙的人, 聽力正常的人也要借助助聽器。人類對于助聽器的需求會不斷更新,我們對于問題的探索和研究也將與時俱進，使用助聽器更好的為人類服務，實現(xiàn)人與自然和諧相處，從而促進社會和諧發(fā)展。參考文獻1胡廣書 數(shù)字信號處