人工耳蜗芯片中语音增强算法的研究和实现

摘要

人工耳蜗（Cochlear Implants）是一种唯一能使重度、深度或者全聋患者恢复一定听力直觉的医疗电子产品。国内在这方面的研究与国外相比差距很大，尤其是在临床研究方面，目前国外昂贵的人工耳蜗芯片垄断了国内市场。因此开发经济实用的产品是国内有待解决的问题。
　　提高植入人工耳蜗芯片患者语音识别率一直是人工耳蜗芯片研究的方向，当处于嘈杂环境下识别率将急剧下降。针对人工耳蜗芯片体积小、功耗低与实时性的特点，从消除环境噪声出发，本论文研究了适合于人工耳蜗芯片领域的一些硬件实现复杂度较低的语音增强算法，具体工作包括以下几个方面。
　　1、首先介绍了基于单个麦克风的语音增强算法。包括谱减法、维纳滤波算法以及基于子空间的语音增强算法，分析了这三种算法的优缺点并进行了仿真对比。
　　2、介绍并研究了基于双麦克风的语音增强算法，其中包括一阶差分麦克风阵列技术及其自适应形式、自适应噪声对消技术和基于相位差的语音增强算法。重点对自适应噪声对消技术进行了分析研究，针对算法收敛速度慢以及语音泄露造成的串音问题，给出了一种根据信噪比大小来更新算法的方法，该方法能有效的加快算法的收敛速度并能起到语音端点检测的作用来抑制串音造成的影响；同时考虑到在房间反射造成混响的情况下，传统的语音增强算法不能有效的消除混响的影响，结合相位差语音增强算法的优点，给出了一种基于相位差和自适应噪声对消相结合的语音增强算法，在消除环境平稳噪声的同时能抑制一定程度的房间混响。
　　3、针对基于相位差和自适应噪声对消相结合的算法，本文结合人工耳蜗芯片的特点对算法中的各个模块进行了RTL综合设计及时序仿真，尤其对算法中资源消耗较大的256点FFT、256点IFFT和LMS模块进行了详细的结构设计和RTL硬件优化设计。
　　4、在Xilinx开发板上对硬件实现的语音增强算法进行了验证。将FPGA处理后的数据通过开发板上的串口导入MATLAB进行了数据对比分析。

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第一章 绪论

1.1 课题提出及研究意义

1.2 人工耳蜗的发展与现状

1.3 本论文的研究内容和组织安排

第二章 人工耳蜗芯片中单通道语音增强算法

2.1 语音和噪声特征

2.2 短时谱估计语音增强算法

2.3 子空间语音增强算法

2.4 算法仿真对比

2.5 本章小结

第三章 人工耳蜗芯片中双通道语音增强算法

3.1 时间延迟估计技术

3.2 一阶差分麦克风阵列技术

3.3 自适应噪声对消技术

3.4 基于相位差的语音增强技术

第四章ANC与相位差相结合的语音增强算法的实现设计

4.1 系统结构框图

4.2 语音加窗分帧模块设计

4.3 低代价高性能256点 FFT和IFFT实现

4.4 LMS模块设计

4.5 余弦和相位模块设计

4.6 延迟估计模块设计

4.7 时变抑制模块设计

4.8 本章小结

第五章 系统验证

5.1 硬件验证平台

5.2 验证流程

5.3 验证结果及数据对比

5.4 本章小结

第六章 论文总结

致谢

参考文献