4-1 系统结构设计 传统的助听器有以下几个缺点： 1 、很难甚至不可能为每一个用户都提供理想的频率增益特性。通常，每一个人对不同频率的声音的感觉范围不同，如感觉阈值低，则需加大增益，反之则需减小增益，因而每个人的频率增益特性都是有差别的。 2 、助听器接收器与鼓膜间的声学耦合常常引起频率增益特性的改变，从而导致语言可懂度乃至整个声音质量的降低。另外，对多数患者而言，最优频率增益特性是随着语音信号的强度而改变的，为了使用户免受令人不适甚至有害的大信号的伤害，在某种程度上需要限制助听器的最大输出功率，但这往往会引起语音失真。
3 、存在声反馈导致系统不稳。即使设计得最出色的助听器， 也不是所有被放大了的声学信号都传递给了鼓膜，总有一部分信号被泄漏、反馈给助听器的麦克风，从而形成一个正反馈环。当助听器增益很高时，就可能产生自激振荡，出现啸叫现象，使助听器不能正常工作。减小声反馈有许多方法，如用耳模堵住耳道以防止语音泄漏，或使耳机与麦克风离开一段距离等等。 4 、噪声以及由墙壁、天花板、 地板及房间环境引起的声反射而产生的混响对语音的可懂度及整个声音质量都会产生影响，当前一般用滤波技术滤除噪声电平高的频率成分以降低背景噪声。有一点回声是有益的，但回响太强烈会使房间听起来有回荡声，影响可懂度及语音质量。 我们设计的助听器，是利用计算机测出患者的听力曲线，产生数据及程序写入可编程的数字式助听器。这样就能够针对每位用户的不同听力曲线，按照不同的语音强度及声学环境，设定最佳的频率增益特性。同时在分析系统的幅频、相频特性的基础上，通过改善系统元器件参数以及系统延时，提高系统的稳定阈，从而降低声反馈的影响。另外，使助听器能够根据语音强度和典型的背景噪声的变化，选择最优的滤波器系数，从而在动态意义上产生最佳的频率增益特性。 本助听器系统由两部分组成，一是主控制器部分，二是可编程助听器部分。（图 4.1 ） 主控制器提供对用户剩余听力（频域）进行测试的电子信号及测试频率（声音），并根据测试结果制定出各人的应增强和应遏制的频率分布图。按照以上信息为用户制定一套助听器的最优参数集及助听器工作程序，将它们存储于助听器的 EPROM 中，使可编程助听器能很好地工作。 →
图 4.1 数字式助听器系统示意图 可编程助听器是为病人所携带的部分，它能够根据语音强度、背景噪声类型及房间混响等多种因素自动编码，从 EPROM 中选择最佳的一组参数，构成可编程滤波器对语音的幅频特性进行调整以适应患者的听力特性，并加入适当的相移，提高系统的稳定裕度。从而给用户提供最佳听觉效果。 4-2 可编程助听器 4-2-1 可编程助听器原理 可编程助听器原理如图 4.2 所示。 Ｖ TEST IN│ ↓ →┏━━━━┒ ┏━━━━━━┓ ┏━━━━┷━━━━━━┒ ┨输出放大┠ ┨可编程滤波器┣←┨从 EPROM 中读出最优参数 ┃┗━━━━┛│ ┗━━━━━━┛ ┗━━━━━━━━━━━┚│ ↑│ │↓ │Ｖ OUT 滤波器参数图 4.2 可编程助听器原理图 在图 4.2 中，虚框内的部分用于测试、调整最优参数的阶段。 这时，助听器与主控制器相连，通过Ｖ TEST IN 接收主控制器测试信号，由Ｖ OUT 将处理后的信号送回主控制器分析，或经放大输出给测听患者听，测出用户听力曲线。主控制器还能将幅频特性处理滤波器的参数送进可编程助听器，以验证该组滤波器参数的作用。 TEST IN 接收主控制器测试信号，由Ｖ OUT 将处理后的信号送回主控制器分析，或经放大输出给测听患者听，测出用户听力曲线。主控制器还能将幅频特性处理滤波器的参数送进可编程助听器，以验证该组滤波器参数的作用。 TEST IN 接收主控制器测试信号，由Ｖ OUT 将处理后的信号送回主控制器分析，或经放大输出给测听患者听，测出用户听力曲线。主控制器还能将幅频特性处理滤波器的参数送进可编程助听器，以验证该组滤波器参数的作用。 当助听器正常工作时，信号经助听器麦克风后进入 ALC 放大器， 而后信号分两路，一路进入最优参数自动选择编码，另一路进入可编程滤波器中。最优参数的自动选择与编码是这样完成的：首先信号进入一个语音检测器，检测信号中是否有语音成分，如果只有噪声，可跳过后述测试环节，直接编码，从 EPROM 中选择恰当的参数送给可编程滤波器。 如果信号中含有语音信号，则让信号分别通过带通滤波器组，在各个频带内与噪声强度比较、编码。同时，信号进行强度检测编码。最后，我们将这二组编码合并形成一组码值，按码值所示地址读取 EPROM 中的最优参数， 送入可编程滤波器中，对输出信号进行幅频特性处理 ( 具体算法在 5-4 节详述 ) 。最后，经输出放大器和耳机输出。这组最优参数同时能限制系统最大输出，不让患者有过大的信号，以防止产生不适感觉甚至造成伤害。 4-2-2 以 DSP 芯片为核心的可编程助听器 在具体实现数字式助听器的方式方面，文献 [12] 论证了以高速数字信号处理 (DSP) 芯片为核心构成的助听器，所要求的功能能灵活实现， 而体积小，成本低，制作也较简便。文献 [ 12 ] 应用 DSP 芯片的开发系统 (TMS320C25 开发系统 ) 作了一些初步的论证。目前在实时信号处理方面，应用 DSP 芯片较为普遍。我们在设计助听器的硬件电路时，也采用了 DSP 芯片，把大部分功能都交给软件完成。 DSP 芯片种类很多， TI 公司的 16/32 位单片式数字信号处理器 TMS320 系列功能强，比较灵活。其档次由低到高分别有 C10 、 C20 、 C25 、 C30 等系列。考虑到使用 C20 以上档次的芯片价格较高，体积大， 全速工作时需要高速 EPROM 芯片配合，势必使助听器的成本太高。而 TMS320C10 档次虽低，但价格也低， 助听器的数字处理功能能够基本完成， 因此， 我们使用 TMS320C10 芯片。 TMS320C10 是 CMOS 的主频可达 20MHz 的 DSP 芯片。它是 TMS320 系列中的第一个成员，是一种 16/32 位的单片微计算机。 指令周期是主频晶振的四分频，其大部分指令都是单周期的，因而每秒能执行 500 万条指令。 片内有 288 字节 (144 字 ) 的 RAM ，外部可接 4K 字的程序存储器。 指令和数据都是 16 位， ALU 为 32 位 , 且具有 16X16 位的乘法器，它的灵活的乘、加及移位功能使它很适合数字信号处理。 TMS320C10 芯片有一个 BIO 引脚，可配合 BIOZ 指令完成定时转移功能，如执行到如下指令时： BIO 引脚，可配合 BIOZ 指令完成定时转移功能，如执行到如下指令时： BIO 引脚，可配合 BIOZ 指令完成定时转移功能，如执行到如下指令时： BIOZ TRAIN2
TRAIN1 ADD ONE, 0 若 BIO 引脚为低电平，则程序转向 TRAIN2 分支，否则继续向下执行 TRAIN1 分支。把 BIO 引脚连接到采样时钟信号上， 利用这一功能可灵活地控制程序的流程。 BIO 引脚为低电平，则程序转向 TRAIN2 分支，否则继续向下执行 TRAIN1 分支。把 BIO 引脚连接到采样时钟信号上， 利用这一功能可灵活地控制程序的流程。 BIO 引脚为低电平，则程序转向 TRAIN2 分支，否则继续向下执行 TRAIN1 分支。把 BIO 引脚连接到采样时钟信号上， 利用这一功能可灵活地控制程序的流程。 考虑到语音信号在大于 4000Hz 范围的频率成分已不影响可懂度，为了在每个采样周期内执行尽可能多的指令，我们采用 8KHz 的采样率把模拟语音信号转换为数字信号。 在 A/D 与 D/A 转换器方面，我们采用脉冲编码调制 (PCM) 芯片 MC145503 。这是一种专为语音通信设计的芯片，体积小，价格低，采用 8KHz 采样，片内集成了 A/D 、 D/A 以及滤波电路。其内部 A/D 电路为 13 位线性采样， 经过 A 律或μ律压缩后串行输出 8 位压缩码。 D/A 电路则相反，串行输入 8 位压缩码后扩张成 13 位经 D/A 转换为模拟信号。 串行输入／出的移位时钟可为 128KHz 。通过改变外接电路可选择输入／出码的编码方式。我们选择 A 律。其码值要在标准 A 律码值上加以修改：最高位（符号位）不变， 奇数位求反。见表 4.1 。其扩张码有 13 位，按码值大小分成 16 段，每段码值
由符号位 (1 位 ) 、段码 (3 位 ) 、数据 (4 位 ) 组成，故每段只有 16 个不同的值。因而信号值越大，量化噪声越大，码值的动态范围越小，这对助听器来说是不利的一面，因为助听器需要很高的放大倍数 , 这个问题在第五章还要详述。 表 4.1 A/ μ律编码表| CODE | SIGN/MAGNITUDE | μ-LAW | A-LAW(CCITT) | +FULL SCALE
+ZERO
-ZERO
-FULL SCALE | 1111 1111
1000 0000
0000 0000
0111 1111 | 1000 0000
1111 1111
0111 1111
0000 0010 | 1010 1010
1101 0101
0101 0101 0010 1010 |
由于 MC145503 是串行输入／出，而 TMS320C10 无串行口， 故要外接 串／并行转换电路。另外 8KHz 采样频率及 128KHz 串行移位频率也要由外接时序电路产生。 电源可使用 3 节 1.2V 镍镉电池，用 MC34063 直流电源器变换为± 5V 电源，供整个装置使用。 4-2-3 可编程助听器电路结构 可编程助听器电路结构如图 4.3 所示。 Ｖ TEST INTEST IN TEST IN│↓ ┏━━━━┓ ┏━━━━┓ ┏━━━━┓
┨高频提升┠→┨低通滤波┠→┨ A/D(PCM) ┠←─┐
┗━━━━┛ ┗━━━━┛ ┗━┯━━┛ ↓主控制器送滤波器参数↓ ┏━━━━ ←──┨ D/A(PCM) ┠←─┙┗━━━━┛│↓Ｖ OUTOUT OUT图 4.3 可编程助听器电路示意图 信号经助听器麦可风后进入 ALC 前置放大器，其输出经高频提升、 低通滤波后，由 PCM 芯片 MC145503 采样成数字信号， 送入 DSP 系统， 经 TMS320C10 进行数字处理后，由 MC145503 转换成模拟信号， 经过低通滤波后放大输出到耳机。 (1) 、前置放大器 (ALC) ，语音信号在处理之前都须经过前置放大器。前置放大器的设计除了要满足放大倍数、低噪声、频带和负载能力的要求外，应具有自动电平控制 (ALC) 。 ALC 电路具有以下重要作用： (a) 、使放大倍数有一合适的动态范围， 既不使电路在强信号时失真，也不在弱信号下增益不足。 (b) 、 ALC 的加入，使后续电路的设计更为方便。 (c) 、 ALC 的作用模拟了内耳的适应性调节机制，对助听性能有很大的帮助。 ACL 电路起控时间选择为 1 ms 左右，释放延迟时间约为 220ms 。其输入输出特性见图 4.4 。 图 4.4 ALC 输入输出特性 (2) 、高频提升，由于语音信号频谱的高频部分的能量比较小， 易受干扰影响，因此须对高频部分进行增强。根据语音信号的特点，高频提升的频率特性如图 4.5 所示。在语音信号的频率提高 2 倍时，其功率幅度约以 6dB 下降，因此，可采用 6dB/oct(20dB/ 十倍频 ) 提升。 最后可采用软件降低相应频率的增益。 图 4.5 高频提升的频率特性 (3) 、 3.75KHz 的低通滤波器，其幅频特性如图 4.6 。 图 4.6 3.75KHz 低通滤波器 (4) 、时序电路。其电路示意图见图 4.7 。 TMS320C10 输出一四分频的指令周期振荡信号，分频后产生 128KHz 、 8KHz 的时钟信号，供系统使用。同时为 TMS320C10 及 MC145503 之间提供串／并行转换电路。图 4.8 为工作时的时序波形图。 128K 8K DSP 输出 ─→ BIO 时钟信号
│ │ ┌──────┘ │ │ 串行输出←┘ └━→ 并行输出 并行输入←┐ ┌→ 串行输入 │ │ WE DEN WE DEN 图 4.7 时序电路示意图 图 4.8 时序电路的波形 可编程助听器有导线Ｖ TEST IN 、Ｖ OUT 及数据、地址线与主控制器相连，在 TMS320C10 测试指令控制下与主控制器配合，完成测试功能。 TEST IN 、Ｖ OUT 及数据、地址线与主控制器相连，在 TMS320C10 测试指令控制下与主控制器配合，完成测试功能。 TEST IN 、Ｖ OUT 及数据、地址线与主控制器相连，在 TMS320C10 测试指令控制下与主控制器配合，完成测试功能。 所有芯片都采用 CMOS 器件等低功耗芯片，使整机功耗在 50m
|
