基于TMS320VC5416DSP的數(shù)字助聽器設(shè)計

0 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。AIC23DSPCodec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(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

　　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。