抗噪全数字助听器设计和实现

基于DSP的全数字助听器设计和实现

摘要介绍研制以DSP TMS320C5416为核心的全数字助听器，实现当前流行的一系列助听器的算法，包括宽动态压缩、

移频压缩、噪声消除、方向性麦克等，该项目为国内基于DSP全数字助听器的软硬件开发提供参考。

关键词DSP；全数字助听器；宽动态压缩；自适应消噪

20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，

数字信号处理技术（DSP）应运而生并得到迅速的发展。在医疗

卫生领域，DSP技术大大促进医疗器械的进步。听力辅助设备

的研发中，由于听力障碍的患者病因各异，其听力损失情况存

在着较大差异，每个患者的听力损失曲线几乎都是不一样的，

加上患者在年龄、语言识别、以及对设备适应程度方面存在着

差异，使得每位患者对于助听器的补偿有着不同的要求。传统

助听器线路功能的局限性，无法满足大部分患者的要求。目前

国外助听器技术已经由传统的模拟放大电路逐步被功能强、

运算快、功耗低、体积小的DSP所取代。从而使现代助听器技术

产生1个质的飞跃。笔者在学习先进技术的基础上，研制基于

TI公司DSP TMS320C5416的助听器，对助听器的软硬件开发

进行了深入的探索。

1系统概述

整个系统以DSP为核心，结合TI公司高性能立体音频

Codec芯片TLV320AIC23B构建硬件环境，并在此基础上实现

双麦克方向性选择，宽动态压缩，噪声消除以及反馈消除等助

听器关键算法。本系统功耗低，易便携，使用中参数可任意调

节，满足临床听障患者对听力进行补偿的要求，也为进一步研

究助听器高级算法搭建了较好的实验平台。

2硬件设计

2.1系统结构

系统结构如图1所示，主要包括DSP模块，音频模块，存储

模块与电源模块。

助听器采用双麦克输入，4.5V电池

供电，硬件功耗小于100mW，体积小，

PCB板仅名片大小，确保可随身佩戴使

用。图1系统硬件结构

2.2 DSP电路

TMS320C5416为16位高速定

点DSP，处理速度高达160MIPS，该

芯片采用程序与数据存储区分开

的哈佛结构，进一步提高运行速

度，芯片广泛采用流水线技术，减

少指令执行周期，专用的硬件乘法器与特殊的DSP指令更提高

了信号处理的效率。助听器中，高性能DSP的使用能快速实现

FFT、卷积、相关等算法，保证了音频数据能够得到实时处理。

TMS320C5416片内存储资源丰富，含RAM128k×16bit，

ROM64k×16bit，足够助听器程序运行时所需的空间，这款DSP 不但高效而且功耗低封装小，适合在便携设备中使用。

2.3音频采集

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2.3音频采集

音频采集主要组成是TI公司近年新推出的低功耗∑-Δ型

16位A/D、D/A音频接口（AIC）芯片TLV320AIC23B。模拟接口芯片（AIC）又称调制解调编解码器（modem Codec）以其高度可编程性，高性能，低功耗，较少的外围器件等特点，成为当前语音处理芯片的主流产品。该芯片工作方式和采样速率均可由编

程设置，助听器采样率设为16kHz，确保大部分听力范围内语

音信号不丢失。ADC和DAC的输出信噪比分别达到90dB和

100dB。

AIC23B与C5416的接口有2个，一是数据接口用于输入输出

数据，另1个为控制接口，用于寄存器初始化设置。AIC23B的数据接口采用专为与TI的DSP设计的连接模式，其与DSP的McBSP （Multi-channel buffered se-

rial port，多通道缓存串口）

无缝连接，连接如图2所示。

其中，BCLK-数字音

频接口时钟信号，当AIC为

从模式时（通常情况），该

时钟由DSP产生，AIC为主模式时，该时钟由AIC产生；LRCIN- 数字音频接口DAC方向的帧信号；LRCOUT-数字音频接口

图3 AIC23B配置接口I2C时序

ADC方向的帧信号；DIN-数字音频接口DAC方向的数据输入；DOUT-数字音频接口ADC方向的数据输出。

DSP接收音频数据过程采用中断的方式，AIC23B每采集1

次就发送数据，McBSP每接受到1个AIC23B发来的数据包，产

生中断，CPU读缓冲区内的数据。

AIC23B的配置接口采用2线制的I2C模式，而C5416没有I2C

接口，我们利用DSP的GPIO(General Purpose Input/Output)来实现I2C时序。可以利用其中的2个管脚来作为I2C中的SCLK和SDI。时序如图3

所示。

2.4存储与电

源电路

存储模块电

路选用的芯片是

SST39VF400，它是一款低功耗FLASH，工作在2.7～3.6V电压

下，存储容量位256KM，其中的数据可以保持100年以上，可重

复编程次数高达10万次。

（下标1为正常人的听力指标，下标2为听障患者的听力指标）

图4听力正常者与听力损伤者的听力指标对比

1个稳定可靠的电源是1个系统的最有力支柱，因此，我们

选用了TI公司的TPS767D318电源方案，该方案芯片外围元件

少且调试简单，能够为DSP提供稳定的3.3V端口电压与1.6V核

心电压。

3关键算法

数字信号处理是数字助听器的核心，它为调整输入/输出

特性和系统的频率响应特性提供了很强的灵活性。以下为笔

者调试成功的几个关键算法。

3.1宽动态压缩

听障患者与正常人相比，其损伤的频率范围内对声音的

适应能力大大降低，如图4所示，宽动态压缩必须对整个频域

进行补偿，使

得助听器输出

的动态范围与

患者残余听力

相吻合。算法

的关键是根据

出入信号的频

谱求出频域上

各点期望增益

组成的增益曲线，由曲线的值来改变频谱，得到压缩后的新频

谱。