CN101288614A - 基于谱扩展技术的电子耳蜗电话适配装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于谱扩展技术的电子耳蜗电话适配装置，包括数字信号处理器、音频输入输出接口、外部存储器以及电源管理模块，所述外部存储器中存储有基于语音信号处理的谱扩展程序；来自电话的窄带语音信号经音频输入输出接口放大、AD转换后输入数字信号处理器，数字信号处理器运行外部存储器中的谱扩展程序将来自音频输入输出接口的窄带语音信号转换为涵盖正常语音能量范围的宽带语音信号后，再经音频输入输出接口输出至电子耳蜗体外部分。本装置通过将电话通讯中的窄带语音扩展成含有更加丰富高频信息的宽带语音，从而为电子耳蜗佩带者提供更加丰富的高频语音信号，提高他们在语音通讯时的言语识别能力，它能够更加有效地恢复我国耳聋患者的听力状况。
Description
技术领域
一种基于窄带语音通讯谱扩展技术的电子耳蜗电话适配装置及方法，将窄带语音信号扩展成为宽带语音信号，涉及电子耳蜗恢复耳聋患者听觉领域，尤其适用于提高电子耳蜗佩带者使用电话时的言语识别能力，可结合多种电子耳蜗临床产品使用，从而为中国耳聋患者更好的恢复听觉。
背景技术
电子耳蜗(也称人工耳蜗或仿生耳)是唯一能使全聋患者恢复听觉的电子装置。电子耳蜗将声能转换成电能，避开外耳、中耳和部分内耳器官等，直接刺激内耳残余的听神经纤维，以使聋人恢复听觉。电子耳蜗技术可以帮助全聋患者恢复语言交流能力，增加他们接受教育、就业和社会交往的机会。尤其是聋儿，无论是“语前聋”还是“语后聋”，当借助于助听器仍然无法听到声音时，将导致他们终生失去获得正常教育的机会，给家庭和社会增加沉重的负担。电子耳蜗可以帮助他们重新获得对声音的感觉，获取外界的信息和知识，和听力正常人一样享受幸福的生活。
现有的临床产品已经在恢复佩带者言语识别能力方面取得了很大的进展，不过在佩带者使用电话和手机进行通讯时，其言语识别能力却由于通讯语音信号的一些限制受到很大的影响，难以满足佩带者的要求。
通过远程通讯网络传播的语音往往是窄带语音信号，其频带限定在300-3400Hz范围内，然而语音信号的能量主要集中在50-8000Hz的宽带范围，电子耳蜗临床产品的语音处理方法同样覆盖了这一范围，这就使得佩带者在使用窄带语音通讯时难以通过电子耳蜗获得丰富的语音高频信息，从而极大的削弱了佩带者的言语识别能力。因此，发明一种基于语音信号谱扩展技术的电子耳蜗电话适配装置及方法，将窄带通讯语音信号扩展成为宽带语音，从而为电子耳蜗佩带者提供更多语音信号的高频信息，来更好的恢复佩带者在用电话或手机通讯时的言语识别能力，对于听力残疾众多的我国就具有非常重要的理论意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对目前电子耳蜗电话和手机通讯存在的上述问题，提供一种高效的基于谱扩展技术的电子耳蜗电话适配装置及方法，以更加有效地恢复我国耳聋患者的听力状况。
本发明基于谱扩展技术的电子耳蜗电话适配装置包括数字信号处理器、音频输入输出接口、外部存储器以及电源管理模块，所述外部存储器中存储有基于语音信号处理的谱扩展程序；来自电话的窄带语音信号经音频输入输出接口放大、AD转换后输入数字信号处理器，数字信号处理器运行外部存储器中的谱扩展程序将来自音频输入输出接口的窄带语音信号转换为涵盖正常语音能量范围(50-8000Hz)的宽带语音信号后，再经音频输入输出接口输出至电子耳蜗体外部分。
进一步，上述数字信号处理器采用TMS320VC5509A，所述音频输入输出接口采用音频编解码器TLV320AIC23B，数字信号处理器TMS320VC5509A通过I2C接口和MCBSP接口与音频编解码器TLV320AIC23B连接。
进一步，外部存储器中存储的谱扩展程序包括正弦信号谱扩展算法和白噪声信号谱扩展算法中的至少一种；其中，
正弦信号谱扩展算法包括：
线性预测编码分析单元，用于获取输入的窄带语音信号的线性谱频率参数；
高斯混合模型计算单元，用于根据窄带语音信号的线性谱频率计算得到高频语音信号的线性谱频率参数；
多带激励分析单元，用于获取窄带语音信号的清浊音判决；
清浊音判决映射单元，用于对窄带语音信号的U/V码本进行映射得到高频语音信号的清浊音判决；
正弦模型合成单元，用于将高频语音信号的清浊音判决信息合成高频语音激励信号；
线性预测编码合成单元，用于利用获得的高频语音激励信号和线性谱频率参数合成高频扩展信号；以及，
宽带信号合成单元，用于将输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的高频扩展信号合成宽带语音信号；
白噪声信号谱扩展算法包括：
源权重参数计算单元，用于根据输入的窄带语音信号确定高频信号部分的源权重参数；
高频信号合成单元，该单元利用所述源权重参数由白噪声信号计算合成出高频语音信号；
频带限定单元，该单元对合成的高频语音信号滤波，输出限定频带范围的高频扩展信号；以及，
宽带信号合成单元，用于将输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的限定频带范围的高频扩展信号合成宽带语音信号。
本发明基于谱扩展技术的电子耳蜗电话适配方法包括以下步骤：
A、将电话输出的窄带语音信号放大和AD转换；
B、运行基于语音信号处理的谱扩展程序将AD转换后的窄带语音信号转换为涵盖正常语音能量范围的宽带语音信号；
C、将宽带语音信号发送给电子耳蜗体外部分。
上述步骤B中，可以采用正弦信号谱扩展算法将窄带语音信号转换为宽带语音信号，具体包括以下步骤：
B1.1、对窄带语音信号分别进行线性预测编码(LPC)分析和多带激励(MBE)分析得到该窄带语音信号的线性谱频率(LSF)参数和清浊音(U/V)判决；
B1.2、将窄带语音信号的线性谱频率(LSF)参数输入高斯混合模型得到高频语音信号的线性谱频率参数；
B1.3、对窄带语音信号的U/V码本进行映射得到高频语音信号的清浊音判决；
B14、根据高频语音信号的清浊音判决信息利用正弦模型合成出高频语音激励信号；
B1.5、将高频语音激励信号输入线性预测编码合成器获得高频扩展信号；以及，
B1.6、利用输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的高频扩展信号合成宽带语音信号。
上述步骤B中，也可以采用白噪声信号谱扩展算法将窄带语音信号转换为宽带语音信号，具体包括以下步骤：
B2.1、由窄带语音信号计算得出统计恢复函数(SRF)，并通过统计恢复函数确定高频信号部分各个源的权重参数；
B2.2、用白噪声产生高频信号源，并利用所述权重参数计算合成出高频语音信号；
B2.3、通过高通滤波器限定该高频语音信号频带范围；以及，
B2.4、利用输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的限定频带范围的高频扩展信号合成宽带语音信号。
本发明电子耳蜗电话适配装置和方法通过将电话通讯中的窄带语音扩展成含有更加丰富高频信息的宽带语音，从而为电子耳蜗佩带者提供更加丰富的高频语音信号，提高他们在语音通讯时的言语识别能力。其主要效果有：
a)采用以TMS320VC5509A为核心的数字信号处理器，提高了系统的计算能力，在满足系统实时性要求的前提下，能够实现更加复杂的算法。同时，该DSP系统功耗更低，为便携式系统设计提供了很大便利。TMS320VC5509A片内RAM存储空间大，无需再扩展RAM，简化了系统结构。
b)音频输入输出接口采用音频编解码器TLV320AIC23B，用单一芯片完成了模数转换所需的放大、抗混叠滤波、AD采样三项功能，进一步简化了系统，减少了系统的物理空间，降低了成本。采样过程中，可以根据不同实际需要灵活设置不同的参数。
c)采用USB接口与PC通信，由于TMS320VC5509A片内集成有USB模块，只需扩展少量的分立器件，就可以实现USB的通信，进一步简化了系统结构，还克服了传统RS232串口通信中数据传输可靠性差、传输速度低等缺点。
d)在同一装置中设置两种语音信号谱扩展算法，分别实现了以正弦信号和以白噪声信号将窄带语音信号恢复成宽带语音信号的方法，可以适应不同佩带者的使用需要。
附图说明
图1是本电子耳蜗电话适配装置的结构框图；
图2是其正弦信号谱扩展算法的结构框图；
图3是其白噪声信号谱扩展算法的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
图1是本电子耳蜗电话适配装置的结构框图。本基于谱扩展技术的电子耳蜗电话适配装置共包括6个主要部分：数字信号处理器(DSP)1、音频输入输出接口2、蓝牙接口3、外部存储器4、电脑接口5和电源管理模块6。下面介绍各部分的实施方法。
数字信号处理器1需要考虑到系统结构、任务处理能力以及功耗等多种因素。本发明采用了TI公司的TMS320VC5509A数字信号处理器，这是一款既拥有强大运算能力，又拥有较低功耗的处理芯片，非常适合便携式电子产品的开发。芯片的最高时钟可达200MHz，片内集成了丰富的外设接口，自带较大空间RAM，无需扩展片外RAM。
音频输入输出接口2采用TI公司的音频编解码处理器TLV320AIC23B。这款芯片可以将输入的模拟信号进行放大、抗混叠滤波和采样。对模拟信号的放大，该芯片采用了两级可调放大倍数的放大方式：第一级放大倍数通过硬件调整；第二级通过软件调整范围在0-20dB。采样率同样可以通过软件设置为8kHz到96kHz不等，采样后数字信号的字长可以设置为16、20、24和32位。音频编解码器2和数字信号处理器1通过I2C接口和MCBSP接口进行连接，分别用于控制接口和同步传输的数据接口。音频编解码器2的输入输出采用了多源设计，同时具备Mic接口、2.5mm耳机音频接口、3.5mm耳机音频接口以及电话听筒音频接口，可以满足不同佩带者的实际需要。
为了满足和外部蓝牙手机之间的通讯，设置了蓝牙接口3，蓝牙接口3采用TI公司的蓝牙模块BRF6150实现，BRF6150是一个高度集成的
规范v1.2单芯片解决方案。BRF6150将TI的蓝牙基带、数字射频、
和电源管理集成到单芯片中，这样可以提高性能、缩减成本并最小化板级空间。蓝牙接口3与数字信号处理器1通过串口进行连接。
外部存储器4的功能是防止掉电情况下系统软件的丢失，本发明采用了AMD公司的外扩的FLASH存储器AM29LV160D，该FLASH存储器4和数字信号处理器1通过数据线和地址线进行连接，FLASH存储器4中存储有系统程序和基于语音信号处理的谱扩展程序，在每次重新上电后，运用数字信号处理器1自带的Bootload功能自动从FLASH存储器4中加载程序。
电脑接口5采用了USB接口，作为本适配装置和PC机通信的接口，该USB接口利用数字信号处理器TMS320VC5509A内部集成的USB模块，为PC间通讯提供了简洁的连接方式。
电源管理模块6采用了低压差线性电源TPS70102(LDO)为本适配装置供电，该芯片可以提供3.3V普通IO电压和1.6V的DSP内核电压。
本适配装置的外部存储器4中存储的谱扩展程序包括正弦信号谱扩展算法和白噪声信号谱扩展算法两种，分别实现了以正弦信号和以白噪声信号将窄带语音信号恢复成宽带语音信号的方法，用户使用时可以切换到不同的算法，以适应不同佩带者的使用需要。也可以在外部存储器4中只设置两种算法中的一种。
参照图2，本适配装置中采用的正弦信号谱扩展算法包括：
线性预测编码分析单元S11，用于获取输入的窄带语音信号的线性谱频率参数；
高斯混合模型计算单元S12，用于根据窄带语音信号的线性谱频率计算得到高频语音信号的线性谱频率参数；
多带激励分析单元S13，用于获取窄带语音信号的清浊音判决；
清浊音判决映射单元S14，用于对窄带语音信号的U/V码本进行映射得到高频语音信号的清浊音判决；
正弦模型合成单元S15，用于将高频语音信号的清浊音判决信息合成高频语音激励信号；
线性预测编码合成单元S16，用于利用获得的高频语音激励信号和线性谱频率参数合成高频扩展信号；以及，
宽带信号合成单元S17，用于将输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的高频扩展信号合成宽带语音信号。
参照图3，本适配装置中采用的白噪声信号谱扩展算法包括：
源权重参数计算单元S21，用于根据输入的窄带语音信号确定高频信号部分的源权重参数；
高频信号合成单元S22，该单元利用所述源权重参数由白噪声信号计算合成出高频语音信号；
频带限定单元S23，该单元对合成的高频语音信号滤波，输出特定频带范围的高频扩展信号；以及，
宽带信号合成单元S24，用于将输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的限定频带范围的高频扩展信号合成宽带语音信号。
来自电话的窄带语音信号经音频输入输出接口2放大、AD转换后输入数字信号处理器1，数字信号处理器1运行外部存储器4中的谱扩展程序将来AD转换后的窄带语音信号转换为涵盖正常语音能量范围的宽带语音信号后，再经音频输入输出接口2输出至电子耳蜗体外部分。可以采用正弦信号谱扩展算法实现语音信号的扩展，也可以采用白噪声信号谱扩展算法实现语音信号的扩展。具体方法如下：
参照图2，采用正弦信号谱扩展算法将窄带语音信号转换为宽带语音信号的方法，具体包括以下步骤：
B1.1、通过线性预测编码分析单元S11对窄带语音信号进行线性预测编码(LPC)分析得到该窄带语音信号的线性谱频率(LSF)参数，同时通过多带激励分析单元S13对该窄带语音信号进行多带激励(MBE)分析得到该窄带语音信号的清浊音(U/V)判决；
B1.2、将窄带语音信号的线性谱频率(LSF)参数输入高斯混合模型计算单元S12中，计算得到高频语音信号的线性谱频率参数；
B1.3、通过清浊音判决映射单元S14对窄带语音信号的U/V码本进行映射得到高频语音信号的清浊音判决；
B1.4、根据高频语音信号的清浊音判决信息利用正弦模型合成单元S15合成出高频语音激励信号；
B1.5、将高频语音激励信号输入线性预测编码合成单元S16获得高频扩展信号；以及，
B1.6、通过宽带信号合成单元S17将输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的高频扩展信号合成宽带语音信号。
参照图3，采用白噪声信号谱扩展算法将窄带语音信号转换为宽带语音信号的方法，具体包括以下步骤：
B2.1、假设窄带语音信号有N个随机的源，高频信号部分有M个随机的源，通过源权重参数计算单元S21由窄带语音信号计算得出统计恢复函数(SRF)，并通过统计恢复函数确定高频信号部分M个随机的源的权重参数f1、f2……fM；
B2.2、高频信号合成单元S22将白噪声通过M个对应的滤波器产生M个高频信号源，并利用权重参数f1、f2......fM计算合成出高频语音信号；
B2.3、通过频带限定单元S23(高通滤波器)限定该高频语音信号频带范围；以及，
B2.4、通过宽带信号合成单元S24将利用输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的限定频带范围的高频扩展信号合成宽带语音信号。
Claims (10)
1、基于谱扩展技术的电子耳蜗电话适配装置，其特征在于：包括数字信号处理器、音频输入输出接口、外部存储器以及电源管理模块，所述外部存储器中存储有基于语音信号处理的谱扩展程序；来自电话的窄带语音信号经音频输入输出接口放大、AD转换后输入数字信号处理器，数字信号处理器运行外部存储器中的谱扩展程序将来自音频输入输出接口的窄带语音信号转换为涵盖正常语音能量范围的宽带语音信号后，再经音频输入输出接口输出至电子耳蜗体外部分。
2、根据权利要求1所述的电子耳蜗电话适配装置，其特征在于：所述数字信号处理器采用TMS320VC5509A，所述音频输入输出接口采用音频编解码器TLV320AIC23B，数字信号处理器TMS320VC5509A通过I2C接口和MCBSP接口与音频编解码器TLV320AIC23B连接。
3、根据权利要求2所述的电子耳蜗电话适配装置，其特征在于：还包括蓝牙接口，用于和外部蓝牙手机通讯。
4、根据权利要求2所述的电子耳蜗电话适配装置，其特征在于：所述音频编解码器TLV320AIC23B设置有Mic接口、耳机音频接口和电话听筒音频接口。
5、根据权利要求2所述的电子耳蜗电话适配装置，其特征在于：所述外部存储器采用FLASH存储器，该FLASH存储器中存储有系统程序，该存储器和数字信号处理器通过数据线和地址线进行连接，在每次重新上电后，运用数字信号处理器自带的Bootload功能自动从FLASH存储器中加载程序。
6、根据权利要求2所述的电子耳蜗电话适配装置，其特征在于：还包括与电脑连接的USB接口。
7、根据权利要求1-6任一项所述的电子耳蜗电话适配装置，其特征在于：所述外部存储器中存储的谱扩展程序包括正弦信号谱扩展算法和白噪声信号谱扩展算法中的至少一种；其中，
正弦信号谱扩展算法包括：
线性预测编码分析单元，用于获取输入的窄带语音信号的线性谱频率参数；
高斯混合模型计算单元，用于根据窄带语音信号的线性谱频率计算得到高频语音信号的线性谱频率参数；
多带激励分析单元，用于获取窄带语音信号的清浊音判决；
清浊音判决映射单元，用于对窄带语音信号的U/V码本进行映射得到高频语音信号的清浊音判决；
正弦模型合成单元，用于将高频语音信号的清浊音判决信息合成高频语音激励信号；
线性预测编码合成单元，用于利用获得的高频语音激励信号和线性谱频率参数合成高频扩展信号；以及，
宽带信号合成单元，用于将输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的高频扩展信号合成宽带语音信号；
白噪声信号谱扩展算法包括：
源权重参数计算单元，用于根据输入的窄带语音信号确定高频信号部分的源权重参数；
高频信号合成单元，该单元利用所述源权重参数由白噪声信号计算合成出高频语音信号；
频带限定单元，该单元对合成的高频语音信号滤波，输出限定频带范围的高频扩展信号；以及，
宽带信号合成单元，用于将输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的限定频带范围的高频扩展信号合成宽带语音信号。
8、基于谱扩展技术的电子耳蜗电话适配方法，其特征在于包括以下步骤：
A、将电话输出的窄带语音信号放大和AD转换；
B、运行基于语音信号处理的谱扩展程序将AD转换后的窄带语音信号转换为涵盖正常语音能量范围的宽带语音信号；
C、将宽带语音信号发送给电子耳蜗体外部分。
9、根据权利要求8所述的电子耳蜗电话适配方法，其特征在于：步骤B中，将窄带语音信号转换为宽带语音信号的方法包括以下步骤：
B1.1、对窄带语音信号分别进行线性预测编码分析和多带激励分析得到该窄带语音信号的线性谱频率参数和清浊音判决；
B1.2、将窄带语音信号的线性谱频率参数输入高斯混合模型得到高频语音信号的线性谱频率参数；
B1.3、对窄带语音信号的U/V码本进行映射得到高频语音信号的清浊音判决；
B1.4、根据高频语音信号的清浊音判决信息利用正弦模型合成出高频语音激励信号；
B1.5、将高频语音激励信号输入线性预测编码合成器获得高频扩展信号；以及，
B1.6、利用输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的高频扩展信号合成宽带语音信号。
10、根据权利要求8所述的电子耳蜗电话适配方法，其特征在于：步骤B中，将窄带语音信号转换为宽带语音信号的方法包括以下步骤：
B2.1、由窄带语音信号计算得出统计恢复函数，并通过统计恢复函数确定高频信号部分各个源的权重参数；
B2.2、用白噪声产生高频信号源，并利用所述权重参数计算合成出高频语音信号；
B2.3、通过高通滤波器限定该高频语音信号频带范围；以及，
B2.4、利用输入的窄带语音信号和由该窄带语音信号扩展的限定频带范围的高频扩展信号合成宽带语音信号。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20081022 |