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一種基于DSP的人工耳蝸語音處理器設(shè)計(jì)

作者： 時(shí)間：2014-02-09 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏
人工耳蝸又稱人造耳蝸、電子耳蝸，是目前唯一可以幫助重度耳聾患者恢復(fù)聽覺的裝置。相對(duì)于助聽器將聲音放大改善耳聾患者的聽力，人工耳蝸是將聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后以微弱電流刺激聽覺神經(jīng)纖維的形式傳遞聲音信息，從而產(chǎn)生聽覺。目前商用的人工耳蝸一般由體外語音處理器和體內(nèi)植人體組成，體外部分由麥克風(fēng)、語音處理器和編碼發(fā)射器組成，體內(nèi)部分由接收解碼器、刺激器和電極整列組成，并通過手術(shù)植入患者的體內(nèi)。目前國內(nèi)外商用的人工耳蝸語音處理器均采用ASIC設(shè)計(jì)，投入成本高，可移植性差。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，采用通用集成電路設(shè)計(jì)實(shí)用可靠的人工耳蝸已成為可能，其低成本、移植性好的特性將有助于人工耳蝸更好的普及。該系統(tǒng)基于TI公司的16位定點(diǎn)處理器TMS320VC5509A，由TLV320AIC23完成語音采集和A／D轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)部分。本設(shè)計(jì)采用雙麥克風(fēng)接收語音輸入的自適應(yīng)噪聲消除技術(shù)，改善了在低信噪比環(huán)境中的語音識(shí)別效果。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度、降低系統(tǒng)的功耗，對(duì)軟件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行了優(yōu)化。

1 帶自適應(yīng)噪聲消除技術(shù)的CIS算法
1．1 自適應(yīng)噪聲消除原理
在低信噪比的環(huán)境下，耳聾患者的語音識(shí)別率大幅下降?；谧赃m應(yīng)濾波器的噪聲消除法能有效的增強(qiáng)語音，消除背景噪聲，從而提高患者的語音識(shí)別率。本文中語音采集部分利用了兩個(gè)麥克風(fēng)接收語音，經(jīng)過采樣后作為兩個(gè)通道的輸入信號(hào)，輸入信號(hào)中均包括語音信號(hào)成分s和噪聲成分n。假設(shè)麥克風(fēng)1的采樣結(jié)果為s1+n1，麥克風(fēng)2的采樣結(jié)果為s2+n2。由于麥克風(fēng)1和麥克風(fēng)2分別對(duì)同一環(huán)境中的聲音進(jìn)行采樣，s1和s2為相關(guān)信號(hào)，n1和n2為相關(guān)信號(hào)。假設(shè)麥克風(fēng)1和麥克風(fēng)2收到的語音信號(hào)一樣，即s1等于s2。通過兩路信號(hào)相加得到主通道輸入信號(hào)x1=2s1+n1+n2，通過兩路信號(hào)相減得到參考通道輸入信號(hào)x2=n1-n2。由于主通道語音中的噪聲n1+n2與參考噪聲n1-n2是相關(guān)的，參考通道中的自適應(yīng)濾波器在接收n1-n2以后使輸出在最小均方誤差下最接近主通道噪聲n1+n2。輸出端e得到了消除噪聲后的增強(qiáng)語音信號(hào)。本文中自適應(yīng)濾波器采用了歸一化LMS算法，當(dāng)信噪比較大時(shí)，采用較小的收斂因子，減少穩(wěn)定失調(diào)誤差；當(dāng)信噪比較小時(shí)，采用較大的收斂因子，加快算法的收斂速度。自適應(yīng)噪聲消除原理如圖1所示。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/241710.htm


1．2 帶自適應(yīng)噪聲消除技術(shù)的CIS方案
文中設(shè)計(jì)的人工耳蝸語音處理器采用CIS方案，即連續(xù)間隔采樣方案(Continuous Interleaved Sampling，CIS)。語音信號(hào)先經(jīng)過預(yù)加重處理，以補(bǔ)償語音信號(hào)中的高頻成分，然后做FFT變換，經(jīng)n個(gè)帶通濾波器后劃分為與刺激電極相對(duì)應(yīng)的通道，對(duì)各個(gè)通道能量求和并利用對(duì)數(shù)或指數(shù)函數(shù)壓縮已提高患者的聽力動(dòng)態(tài)范圍。帶自適應(yīng)噪聲消除技術(shù)的CIS方案如圖2所示。



2 硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以TMS320VC5509A DSP為核心，TLV320AIC23語音Codec芯片等其他外設(shè)為輔助設(shè)備。TMS320VC5509A控制系統(tǒng)的外設(shè)和處理CIS算法程序，TLV320AIC23對(duì)外部聲音進(jìn)行采樣和A／D轉(zhuǎn)換。TMS320VC5509A是TI公司推出的一款高性能低功耗的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它擁有豐富的片內(nèi)資源，能方便的控制其他設(shè)備，輸出處理結(jié)果等。TLV320AIC23具有很低的功耗，在ADC和DAC的噪音可分別達(dá)到90 dB和100 dB。此外TLV320AIC23支持MIC和LINE IN兩種輸入方式，內(nèi)部ADC和DAC轉(zhuǎn)換模塊均帶有完整的數(shù)字濾波器，可以在8 kHz到96 kHz的采樣頻率范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)寬度為16位，20位，24位，32位的數(shù)據(jù)。
語音采集芯片TLV320AIC23與主處理芯片TMS320VC5509A的接口電路如圖3所示。


DSP與AIC23的接口有兩個(gè)，一個(gè)是控制接口采用I＾2C模塊，通過編程完成對(duì)AIC23的配置；一個(gè)是數(shù)據(jù)音頻接口，通過MCBSP0傳輸數(shù)據(jù)。
AIC23的控制接口有SPI／和I＾2C兩種工作方式，由于VC5509A片內(nèi)外設(shè)含有I＾2C模塊．因此使用I＾2C方式控制AIC23更為方便。此時(shí)VC5509A作為I＾2C總線的主設(shè)備，AIC23作為從設(shè)備。在I＾2C總線上AIC23有7位外設(shè)地址，9位寄存器的設(shè)置值。SCL和SD1分別是AIC23的控制端口和數(shù)據(jù)輸入端，分別和VC5509的I＾2C模塊端口SCL，SDA相連。TLV3320AIC23的數(shù)據(jù)音頻接口支持右判，左判，I＾2S和DSP 4種接口模式。本系統(tǒng)采用DSP模式，把AIC23設(shè)為主模式，DSP設(shè)為從模式，即MCBSP0的移位時(shí)鐘和幀同步時(shí)鐘全部由AIC23提供。在幀同步脈沖到來時(shí)第一個(gè)數(shù)據(jù)字即為左通道數(shù)據(jù)，右通道數(shù)據(jù)緊跟著左通道數(shù)據(jù)。
語音是時(shí)變的，非平穩(wěn)的隨機(jī)過程，但由于語音的形成過程與與人類發(fā)音系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通常假設(shè)語音信號(hào)是短時(shí)平穩(wěn)的，即在10至30 ms的時(shí)間段內(nèi)其頻譜特性和一些物理特征參量可近似的看作是不變的。因此語音信號(hào)要進(jìn)行分幀處理，在采樣率為8 kHz時(shí)可將幀長取為N=256較為合適。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中語音信號(hào)由LINE IN輸入，LLINE IN和RLINEIN分別對(duì)應(yīng)自適應(yīng)噪聲消除原理圖中的麥克風(fēng)1和麥克風(fēng)2，語音信號(hào)分別經(jīng)過AIC 23內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換后，通過MCBSP0通道傳送到VC5509A內(nèi)。VC5509A對(duì)這些語音數(shù)據(jù)進(jìn)行CIS算法處理，得到各個(gè)通道的刺激脈沖。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)中斷處理程序和CIS算法程序。系統(tǒng)的初始化包括設(shè)置時(shí)鐘發(fā)生器，MCBSP初始化，I＾2C初始化以


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