数字助听器的集成电路前端设计

摘要

数字助听器是帮助听力损失患者进行听力补偿的重要设备，其基本功能就是对声音信号进行补偿。为满足患者对助听器性能日益增高的要求，越来越多的语音数字信号处理算法被应用到数字助听器中，主要有响度补偿、啸叫抑制、噪声处理和声源定位等算法，其中响度补偿和啸叫抑制是决定助听器性能的最重要的算法。本文以这两个关键算法作为研究重点，深入研究算法的原理，综合分析现有算法的优缺点，提出适于硬件实现的算法方案，并进行设计验证。
　　首先，研究了声音信号的基本特征和听障患者的听觉特性，并对数字助听器的关键算法进行了分析，查找了助听器的相关评价标准。
　　深入研究了助听器的响度补偿算法和啸叫抑制算法，分析硬件设计的要求与特点，设计了便于实现的算法结构。其中响度补偿法采用多通道响度补偿设计，针对语音信号的特点，进行非等带宽的划分，并且对每一个子带信号按照患者听力补偿曲线进行响度补偿。啸叫抑制算法采用基于频域块的LMS自适应滤波器法，其处理过程是一帧一帧的处理，比逐个采样值的处理效率更高。
　　本文针对两个关键算法进行了基于MATLAB的仿真验证，并利用verilogHDL进行算法实现，设计时采用了用速度换取面积的思想对部分模块进行复用，优化设计，然后针对于算法模块进行ModelSim与MATLAB的联合仿真。最后将算法集成，利用FPGA验证平台实现助听器系统，并进行系统的功能测试，测试结果基本符合设计预期。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 人耳听觉特性及助昕器的基本原理

1．2．1 人耳听觉特性

1．2．2 听力损伤和助听器

1．3 国内外助听器的研究现状

1．3．1 助听器技术发展

1．3．2 国外助听器技术研究现状

1．3．3 国内助听器技术现状

1．4 本文研究的主要内容及组织结构

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 论文组织结构

2 声音信号基础及助听器设计指标

2．1 声音信号基础

2．1．1 声音信号的基本特征

2．1．2 声音信号的听觉感知特性

2．1．3 听觉障碍的特性分析

2．2 数字助听器的关键算法

2．2．1 晌度补偿算法

2．2．2 移频压缩算法

2．2．3 啸叫抑制算法

2．3 助听器设计指标

2．3．1 助听器测试标准

2．3．2 助听器的主要性能指标

2．4 本章小结

3 响度补偿算法的硬件设计

3．1 算法基本原理

3．1．1 多通道分析、综合滤波器组

3．1．2 声压级及增益处理

3．2 基于MATLAB的方案验证

3．3 算法的硬件实现

3．3．1 双通道滤波器组的设计

3．3．2 其它模块设计与综合

3．4 基于ModelSim的算法仿真

3．5 本章小结

4 啸叫抑制算法的硬件设计

4．1 算法基本原理

4．2 基于MATLAB的方案验证

4．2．1 反馈啸叫的产生

4．2．2 反馈啸叫的抑制

4．3 算法的硬件实现

4．3．1 FFT模块设计

4．3．2 其它模块设计

4．3．3 顶层模块设计与综合

4．4 算法的ModelSim与MATLAB联合仿真

4．4．1 Link for ModelSim介绍

4．4．2 ModelSim与MATLAB联合仿真

4．5 本章小结

5 数字助听器的系统实现及测试

5．1 系统测试的硬件平台

5．2 基于FPGA的系统设计

5．3 板级系统测试

5．3．1 响度补偿功能测试

5．3．2 啸叫抑制功能测试

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

附录

作者简历

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