基于DSP的全数字助听器设计和实现

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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
于DSP全数字助听器的研发提供参考。
参考资料
1 TMS320VC5416 Fixed- Point Digital Signal Processor Data Manual.Texas In- struments,2005
2 TLV320AIC23B Data Manual.Texas Instruments,2004 3 N. Magotra, S. Sirivara.Real Time Digital Speech Processing Strategies for the
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
Technology, Beijing 100081, China) Abstr act This paper discusses the research of a digital hearing aid based on DSP TMS320C5416, in which a series of prevalent algorithms in digital hearing aid are realized including dynamic range compression, frequency compression, noise- reduction, directional multi- microphone, etc. This project provides some experience for national development of the hardware and software of the digital hearing aid based on DSP. Keywor ds DSP; digital hearing aid; dynamic range compression; self- adaptive noise- reduction
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。
对于高频听力损失超过70dB的听障患者来说,我们还需
要应用移频压缩技术,即按比例的频率压缩,将高频部分的频
谱分布按一定的比例“移”到具有残余听力的低频区。算法结
构如图5所示。
3.2 方向性选择
图5 宽动态压缩算法结构
本助听器的2个麦克,分置一前一后,2路音频信号存在着幅
度和相位的差异,我们通过对2路信号进行适当的幅度调整和相
位延迟,可以得到不同的方向性频响,从而实现助听器的方向选
择功能。具体调整的参数要根据2个麦克的位置来确定。
3.3 自适应降噪
噪声影响使得患者语言识别率大幅下降,去噪是助听器1
个重要功能。自适应噪声对消的方法是将2个麦克输入分别作
该书于 2 0 0 6 年 5 月由辽宁科学技术出版社出版,出版号为:I SBN- 5 3 8 1 - 4 5 6 3 - X。采用国际标准 大 1 6 开,压模封面,印刷精美,共计 4 0 9 页,近千幅图片,每本售价 8 0 元( 含挂号邮寄费)。欲购者可与 沈阳军区药品仪器检验所官丽梅联系。
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
图2 DS P 与AIC23B数据接口连线
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
hearing impaired, ICASSP '97, Munich.Germany,1997 4 Keiichi Yasu, Kei Kobayashi, Kohshi Shinohara. "FREQUENCY COMPRES-
SION OF CRITICAL BAND FOR DIGITAL HEARING AIDS,"China - Japan Joint Conf. on Acoustics, 2002.159~162 5 C. W. Turner , R. R. Hurtig. Proportional frequency compression of speech for listeners with sensorineural hearing loss. Journal of the Acoustical Society of America,1999,106(2):877 ̄886
2.2 DS P 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
图1 系统硬件结构
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
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-
为原始信号与参考信号,通过LMS自适应算法有效消除二者
不相关的噪声信号,而保留相关的语音信号,算法结构如图6
所示。
M- 1
其中,y(n)=!wi(n)x1(n- i) i=0
e(n)=x1(n)- y(n)
wi(n+1)=wi(n)+2μe(n)x2(n- i) 4 结束语
该助听器具有全方位或
者方向性选择、多通道处理、
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
8 医疗卫生装备·2006 年第 27 卷第 7 期 Chine s e Me dica l Equipme nt J ourna·l 2006 Vol.27 No.7
研究论著
THES IS & RES EARCH REPORT
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。
复编程次数高达10万次。
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
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。
作者简介:应俊,硕士研究生,主要从事嵌入 式开发,医学信号检测研究;陈广飞,博士,硕士研 究生导师。本课题由解放军总医院科技创新基金 课题资助。
(2006- 01- 16 收稿 2006- 06- 12 修回)
·《医用内镜使用与维修技术》一书出版· 该书由从事内镜检修工作四十多年的沈阳军区药品仪器检验所
高级工程师吕庆友主编,具有较强的理论性、科 学性和实用性,是国内目前唯一一部全面系统介绍医用内镜原理结构、使用保养、拆卸组装、故障分析、 检修调试技术的书籍。可作为医疗设备维修人员、临床医护人员、设备管理和采购人员、制造与营销人 员、医学工程院校师生的参考用书和培训教材。
De s ig n a n d re a liza t io n o f d ig it a l h e a rin g a id b a s e d o n DS P
YING J un1, CHEN Gua ng- fe i1, CHAI Xue - ning2, HAO Rui- ting2 (1. General Hos pital of P LA, Beijing 100853, China; 2.Electro- Engineering Department, Beijing Ins titute of
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
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
(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
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。
Fra Baidu bibliotek
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
宽动态压缩、噪声消除、增益
可调、多种听力环境设置等功
能,基本上达到当前世界流行
全数字助听器的功能,现阶段 已经投入实际试用。随着软件
图6 自适应消噪算法结构
设计的进一步完善及硬件生产工艺的改善,该设备完全能够
投入临床使用。
我国助听器行业尚处于十分落后的水平,至今还没有完
全自主知识产权的全数字助听器生产,本项目能够为国内基
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
图3 AIC23B配置接口I2C时序
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
研究论著
THES IS & RES EARCH REPORT
基 于 DSP 的 全 数 字 助 听 器 设 计 和 实 现
应 俊1 陈广飞1 柴学宁2 郝瑞庭2
(1.解放军总医院 北京市 100853;2.北京理工大学电子工程系 北京市 100081)
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 中图分类号:TH772+.2 文献标识码:A 文章编号:1003- 8868(2006)07- 0008- 02
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