基于TMS320VC5416DSP的數(shù)字助聽器設(shè)計
隨著社會的發(fā)展以及人們對聽障患者的日益關(guān)注，助聽器的發(fā)展逐漸受到人們的重視。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的補(bǔ)償有著不同的要求。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。在此提出基于TMS320VC5416的數(shù)字助聽器設(shè)計，能滿足聽障患者對聽力的需求。
l 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理
1．1 系統(tǒng)組成
基于助聽器的技術(shù)要求，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，A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換部件集成在芯片內(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，可以很好地應(yīng)用于數(shù)字助聽器的設(shè)計當(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、JTAG接口、存儲模塊及電源模塊等。模擬語音信號通過MIC或IANE IN輸入AIC-23，經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換后通過MCBSP串口輸入C5416，經(jīng)過實際所需的算法進(jìn)行處理和補(bǔ)償后，得到聽障患者所需要的語音信號，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。
1．2 C5416與AIC23的接口設(shè)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)?。將AIC23的第22腳MODE接高電平，接收來自DSP的SPI格式串口數(shù)據(jù)。數(shù)字控制接口(SCLK，SDIN，CS)與MCBSPl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。
BFSX0和BFSR0，BDR0和BDX0分別與AIC23的DIN和DOUT連接來實現(xiàn)DSP與AIC23之間的數(shù)字通信。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2．1 語音的基本特性
聲音是一種波，能被人耳聽到聲音的振動頻率為20 Hz～20 kHz。語音是聲音的一種，他是由人的發(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(dá)15 kHz。
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(dāng)發(fā)濁音時，氣流通過聲門使聲帶發(fā)生振動，產(chǎn)生準(zhǔn)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。改變聲道的形狀就產(chǎn)生不同的聲音。共振峰用依次增加的多個頻率表示．如F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，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。
2．2 語音增強(qiáng)
在實際的應(yīng)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(qiáng)就是對帶噪語音進(jìn)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(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 Hz或60 Hz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(jìn)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(diǎn)是頻帶寬，幾乎覆蓋整個語音頻段。它的來源很多，包括風(fēng)、呼吸噪聲和一般的隨機(jī)噪聲源。
2．3 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(bǔ)償是助聽器的重要環(huán)節(jié)。人耳對于25～22 000 Hz的聲音有反應(yīng)。語音的大部分可用信息只存在于200～3 500 Hz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1 kHz之上。
2．3．1 周期噪音消除
周期噪聲一般是許多離散的譜峰，來源于發(fā)動機(jī)的周期性運(yùn)轉(zhuǎn)。電器干擾，特別是50～60 Hz交流聲也會引起周期噪聲。所以使用帶通濾波器可以有效地消除周期噪音以及3 500 Hz以上的高頻聲音。
IIR數(shù)字濾波器在沒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，IIR數(shù)字濾波器線性差分方程：
Matlab環(huán)境下可視化得到濾波器對動態(tài)輸入數(shù)據(jù)的實時濾波效果如圖3所示。
2．3．2 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(qiáng)相關(guān)性，而噪聲的前后相關(guān)性很弱，因此采用基于短時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，可將估計得對象放在短時譜的幅度上。
2．3．3 譜相減法
譜相減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(rèn)為發(fā)語音強(qiáng)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。
譜相減法的原理框圖及仿真結(jié)果如圖4，圖5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(jìn)行除噪處理。
2．4 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。所以需要用到非線性處理，自適應(yīng)濾波器不斷地調(diào)節(jié)。
圖6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Sk(w)和Dk(w)，噪聲分量Dk(w)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(fù)為時域信號。在強(qiáng)噪音背景時，這種方法可以得到很好的消除噪音效果。
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。為了使采集到的噪聲更接近于帶噪語音中的噪聲，自適應(yīng)濾波器可以很好地實現(xiàn)這一功能。
圖7是運(yùn)用噪聲對消法得到的左聲道的增強(qiáng)語音示例。
2．4．1 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(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(dú)立的頻率區(qū)域，這些頻率區(qū)域被稱之為通道。該算法主要致力于在時域?qū)π盘栠M(jìn)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。這里應(yīng)用該方法對信號做了一定的處理，該系統(tǒng)中將中頻信號做了適當(dāng)?shù)姆糯螅找粜Ч己?。圖8為三通道分頻合成圖。
2．5 系統(tǒng)實現(xiàn)
系統(tǒng)在實現(xiàn)時，通過USB接口將目標(biāo)板和PC機(jī)連接起來。通過CCS對目標(biāo)工程進(jìn)行在線調(diào)試。
目標(biāo)工程的主要任務(wù)是TMS320C5416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TMS320C5416的McBSP的每個通道包括27個相關(guān)的寄存器進(jìn)行正確的設(shè)置，以滿足TMs320C5416和其他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9為原始的語音信號在系統(tǒng)中的回放圖形，圖10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。
3 結(jié)語
該課題設(shè)計的助聽器實現(xiàn)了小型化、集成化、便捷化。系統(tǒng)還可以根據(jù)患者的具體需求進(jìn)行參數(shù)的更改和設(shè)計，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聽力有障礙的人，就是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，對于問題的探索和研究也將與時俱進(jìn)，使用助聽器更好地為人類服務(wù)，實現(xiàn)人與自然和諧相處，從而促進(jìn)社會和諧發(fā)展。
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