数字助听器芯片中单通道语音增强算法的研究与实现

摘要

助听器是为听力损失人士配备的II类医疗电子产品。90年代，各大国际名牌企业开始纷纷到中国投资建厂，但国内助听器事业的发展与国外相比存在一定的差距，特别是数字助听器中语音处理芯片的设计方面，国外产品几乎垄断了国内市场。因此，开发高性能、经济实用的语音处理芯片成为国内目前有待解决的任务。
　　语音增强是数字助听器语音处理芯片中的核心功能之一。它的目的是去除环境中的背景噪声，增强后续处理过程对于输入噪声的鲁棒性。它的性能直接关系到助听器补偿患者听力损失的准确度。语音增强要求在抑制噪声干扰的同时，尽可能的减少目标语音信号的损失。现阶段助听器的体积大都比较小，从扬声器到麦克风的声学反馈相对较大，这将导致“啸叫”现象的产生。所以数字助听器中的语音处理芯片需要引入有效的回波抵消算法去抑制这种声学反馈。
　　针对数字助听器体积小、功耗低与实时性等特点，本文设计了一种适合数字助听器中使用的单通道语音增强算法。此单通道语音增强算法采用了一种基于短时能量的语音活动检测算法，其有着计算量较小，效果明显等优点，非常适合在数字助听器的语音处理芯片中采用。本算法利用其从信号中辨别出有语音区和无语音区，从而利用无语音区的噪声统计特性对噪声进行功率谱估计，采用维纳滤波的方法来增强语音。在此算法中，我们引入LMS自适应回波抵消算法，使其具有消除“啸叫”的功能。针对此单通道语音增强算法，本文用C语言对其进行建模与定点化，并在TMS320C5509A数字信号处理器的开发板上通过仿真器验证成功。其中，定点化前后的信噪比平均可达42.5db。而后，本文针对所提出的单通道语音增强算法，提出了一种VLSI结构，划分了具体的功能模块，并对其中模块进行RTL级建模与仿真。最后，本文在Xilinx V2p FPGA开发板上对此语音增强系统进行了实时验证。

目录

数字助听器芯片中单通道语音增强算法的研究与实现

RESEARCH AND IMPLEMENTATION ON SINGLE-CHANNEL SPEECH ENHANCEMENT ALGORITHM IN DIGITAL HEARING AID CHIPS

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 听力学的基本原理与听力损失

1.2 课题的研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 助听器的发展现状

1.3.2 数字助听器芯片中语音增强算法的概述

1.4 本文主要研究内容和结构安排

第2章 数字助听器语音处理芯片中的单通道语音增强算法

2.1 语音信号与噪声信号的特征

2.1.1 语音信号的特征

2.1.2 噪声信号的特征

2.2 短时谱估计类语音增强算法

2.2.1 谱减法

2.2.2 维纳滤波法

2.3 数字助听器语音处理芯片中单通道语音增强算法

2.3.1 汉明窗分帧与两帧交叠

2.3.2 功率谱的平均与平滑

2.3.3 过减法中β值的选取

2.3.4 语音活动检测算法

2.3.5 LMS自适应回波抵消算法

2.4 算法的验证与对比

2.4.1 语音增强功能部分的仿真与对比

2.4.2 回波抵消功能部分的仿真与对比

2.5 本章小结

第3章 基于DSP的语音增强算法的定点化与验证

3.1 数字助听器的DSP验证平台

3.2 算法的c语言建模

3.3 算法的定点化

3.3.1 浮点数表示

3.3.2 浮点数与定点数之间的转换

3.3.3 乘法运算的定点化

3.3.4 除法运算的定点化

3.3.5 定点对数运算的设计

3.4 语音增强算法的DSP仿真器验证

3.5 本章小结

第4章 单通道语音增强系统的VLSI设计

4.1 单通道语音增强系统的设计

4.2 SRAM模块的设计与验证

4.3 HMING模块与FFT模块的设计

4.4 VAD模块的设计

4.5 PS模块、PS_SMOOTH模块和PS_EVEN模块的设计

4.6 WIENER模块的设计

4.7 开方模块的设计

4.8 IFFT模块与FRAME_OVERLAP模块的设计

4.9 LMS模块的设计

4.10 本章小结

第5章 单通道语音增强VLSI结构的FPGA验证

5.1 数字助听器硬件开发平台

5.1.1 Xilinx Virtex-II FPGA

5.1.2 LM4550与AC-LINK协议

5.1.3 AC_LINK_INTERFACE模块的设计

5.2 FPGA验证流程简介

5.3 基于ISE Design Suite 10.1的FPGA设计

5.4 语音增强算法的综合与实时验证

5.5 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢