CN101807404A - 一种电子耳蜗前端指向性语音增强的预处理系统 - Google Patents

Abstract

一种电子耳蜗前端指向性语音增强系统，属于人体生理信号处理领域，其特征在于，含有：两个TP型微型麦克风模块组成的麦克风阵列，系统包括前置放大电路、带通滤波电路、后级放大电路、USB外置声卡构成的模数转换电路和分别为整个系统芯片及麦克风供电的电源电路及纹波稳压调理电路。本发明使用同时具有全向性和方向性采集的小间距的TP微型麦克风模块，对电子耳蜗前端语音进行增强并用于研究提高言语识别率的算法。

Description

一种电子耳蜗前端指向性语音增强的预处理系统

技术领域

本发明属于电子学、计算机和信号处理技术领域，特别涉及一种基于双TP型微型麦克风的电子耳蜗前端指向性语音增强系统，以提高在噪声环境下，传入电子耳蜗使用者的语音信号的信噪比，并用于研究提高言语识别率的方法。

背景技术

我国现有耳聋残疾病人2700余万，每年新增聋儿3万人，耳聋病人是最常见的五种残疾(智力、视力、肢体、精神及听力)中人数最多的一种。电子耳蜗是目前唯一使重度聋和全聋患者恢复听觉的方法。电子耳蜗使用者在安静环境下基本能够无障碍的进行交流，但在噪声环境下，特别是信噪比较低的情况下，电子耳蜗使用者的言语识别率大大降低。提高在噪声环境下电子耳蜗使用者的言语识别率，除了开发更有效的言语处理策略外，采用麦克风阵列来提高电子耳蜗前端采集到的语音信号的信噪比，尤其对于语音信号源与噪声源的空间位置不一致时，该方法能有效地分离出语音信号，提高传输到电子耳蜗的语音信号的信噪比，相当于将电子耳蜗恢复到工作在相对“安静”的环境下，有利于提高言语识别率。

目前应用于临床的电子耳蜗的麦克风基本上是单个全向性麦克风或者单个指向性麦克风，其指向性效果不能达到有效分离出语音信号的目的，同时由于电子耳蜗对体积有严格的限制，不可能采用很多麦克风，为此，本发明采用了Knowles公司的两个TP型微型麦克风模块组成麦克风阵列，该TP型微型麦克风模块集成了全向性TO型麦克风模块和指向性TD型麦克风模块的功能于一体，但体积与单个TO型或者TD型麦克风模块相当，尺寸仅是3.61mm*3.61mm*2.59mm，满足了电子耳蜗前端对信号采集的麦克风尺寸的要求。两个TP型微型麦克风模块，每个TP型麦克风均有两个采集口，能同时输出全向性和指向性信号，因而系统能同时获取四路采集的信号，并且能调节延迟、角度和权重等参数，以满足指向性较为复杂的极性图的设计要求，具有很高的实用价值和推广意义，是研究电子耳蜗前端指向性语音增强的有效硬件平台。

国内也有相关的一些发明专利。

由中国科学院声学研究所颜永红等人发明的一种《基于小型麦克风阵列的定向语音增强方法》(专利公开号CN101587712A)，其语音增强的实现方法是：利用两个全指向性麦克风采集声音信号；利用自适应谷点形成算法对所采集到的声音进行数据处理，得到延迟相减信号x(t)和自适应滤波后的信号z(t)；根据x(t)和z(t)的语谱X(w)和Z(w)；然后计算出初步增益G’(w)及目标信号存在概率P(w)；然后根据P(w)，对初步增益G’(w)进行修正，得出最终增益G(w)；得到最终的增强语音信号r(t)。该专利使用的只是两个全向性麦克风，只有两路采集，对于复杂噪声环境下两路采集信息不足以满足更高的语音增强需求。

由西安交通大学殷勤业等发明的专利《一种麦克风阵列及实现语音信号增强的方法》(公开号CN101351058)。专利权利要求是一种麦克风阵列，包括多个具有相同单元方向因子的阵元，其特征在于，所述阵元均匀径向地向外排列在一个半径为R的圆周上构成2π弧度范围的信号接收处理的圆形阵列。该专利含较多麦克风，不利于电子耳蜗小体积的要求，另外该麦克风的放置方法是均匀圆周放置，而没有间距，权重和角度等参数信息。

由北京大学科技开发部迟惠生等发明的《小尺度麦克风阵列语音增强系统和方法》(公开号：CN1967658)采用多个麦克风并应用波束形成方法，具体结构为：信号采集部分由麦克风阵列和AD转换器组成，麦克风阵列由3个成等边三角形放置的全指向性麦克风组成；信号处理部分由麦克风一致性校正模块、自适应噪声消除模块、信噪比估计模块和声源位置自适应模块组成；麦克风一致性校正模块，由三个FIR滤波器组成，其中一个滤波器为全通滤波器，另外两个滤波器基于三个麦克风的传递函数构造而成；自适应噪声消除模块，由自适应噪声消除滤波器组成，它基于改进的自适应零限波束形成方法构造而成；信噪比估计模块，用于计算噪声的能量，并将计算结果与设定的门限阈值进行比较，输出对自适应噪声消除模块中滤波器长度的控制信号；声源位置自适应模块，由波束形成器和语音能量分析器组成。该专利使用了3个麦克风，麦克风数量偏多，不能很好满足电子耳蜗小体积的需求，而且该专利所使用的麦克风都是全向的，只有3路信息，另外该专利的方法是让3个全指向性麦克风放置成等边三角形，位置固定，麦克风夹角也固定，因而缺少角度和权重信息。

由北京中星微电子有限公司张晨和冯宇红发明的《大距离麦克风阵列噪声消除的方法和噪声消除系统》(公开号CN101192411)是一种大距离麦克风阵列噪声消除的方法，其特征在于，所述方法包括：对两个麦克风采集到的信号进行波束形成处理，得到增强后的目标语音信号和消弱后的目标语音信号；以及检测两个麦克风采集到的信号中是否存在目标语音信号；利用目标语音信号的检测结果控制自适应滤波系数的更新，根据经过控制的自适应滤波系数，对所得到的增强后的目标语音信号和消弱后的目标语音信号，进行自适应滤波处理。该专利虽然也使用了两个麦克风实现语音增强，不过应用在大距离的条件下，不适合应用在电子耳蜗上，另外也只是使用两个麦克风采集到两路数据用于后续处理。

由美商富迪科技股份有限公司张铭发明的《小型阵列麦克风装置以及其波束形成方法》(公开号CN101222785)，采用一种小型阵列麦克风装置，包括：至少三个全向麦克风，排列在一共同平面但不位于同一直线上，另有一个方向性麦克风形成装置，用以接收前三个麦克风的电子信号，组合其中两个麦克风输出具有一个双向型态的第一方向性麦克风信号，以及另两个麦克风输出具有一个第二双向型态的一第二方向性麦克风信号。可以看到，该发明使用了多个全向性麦克风进行组合，使用的3个全向性麦克风，只有3通道信息，并且该方法想通过方向性麦克风形成装置把前面的全向性麦克风采集转成方向性和全向性输出，这增加了复杂性，没有使用我们选择的TP性麦克风模块直接含有方向性和全向性输出简洁，麦克风数量偏多，导致体积难以减少。

同样由美商富迪科技股份有限公司张铭发明的《小阵列麦克风系统、噪声抑制装置及其抑制方法》(公开号CN101071566)，该专利是一种小阵列麦克风系统，适用于语音识别机制，包括：阵列麦克风，具有多个麦克风，每一麦克风可提供一接收信号；第一语音启动检测器，利用所述接收信号提供一第一语音检测信号，用以代表在音束内的所需语音是否存在；以及第二语音启动检测器，利用所述接收信号提供一第二语音检测信号，用以表示当在音束内的所需语音不存在时，在音束外的噪声是否存在；其中，该语音识别机制接收该第一语音检测信号、第二语音检测信号以及所述输出信号。虽然该专利直接使用一个全向性麦克风和一个方向性麦克风，两个麦克风，不过仅仅是两路采集信息，采集通道信息不足，没有使用TP麦克风的单个麦克风直接含有全向性输出和方向性输出有优势。

发明内容

发明目的：目前应用于临床的电子耳蜗的麦克风基本上是单个全向性麦克风或者单个指向性麦克风，其指向性效果不能达到有效分离出语音信号的目的，同时由于电子耳蜗对体积有严格的限制，不可能采用很多麦克风。为了提高电子耳蜗小体积限制下的麦克风前端指向性语音增强的功能，本发明的目的在于提供一种用于提高电子耳蜗前端语音采集信噪比，以实现语音与噪声空间位置不一致是的指向性语音增强效果，以最终达到提高电子耳蜗使用者的言语识别率，并能用于进一步研究开发适合不同环境的多通道选择和特定的波束形成和语音增强算法。

本发明的特征在于：是一种基于双TP型微型麦克风的电子耳蜗前端指向性语音增强系统用的预处理系统，所述预处理系统包含双TP型微型麦克风，预处理电路以及供电电路，其中：

双TP型微型麦克风，包括一个全向性TO微型麦克风和一个指向性TD型麦克风，并共用一个采集声管、电源和接地连接，具有两个声音端口和下述四条连接导线：电源线，全向性信号输出线，指向性信号输出线和地线，所述双TP型麦克风模块采用两个采集声管且管端口的位置方式为12S/9S的麦克风组成麦克风阵列，系统允许采集到四路信号，标记为[K₁，K₂，K₃，K₄]，其中：K₁代表MIC11，即第一个MIC全向输出；K₂代表MIC12，即第一个MIC指向输出；K₃代表MIC21，即第二个MIC全向输出；K₄代表MIC22，即第二个MIC指向输出；所述四路信号的组合方式依次为：[1，1，0，0]，[0，0，1，1]，[1，0，1，0]，[0，1，0，1]，[1，0，0，1]，[0，1，1，0]，其中：[1，1，0，0]，[0，0，1，1]为仅使用其中一个麦克的全向输出和指向输出，这两种方式所采集的信息少，形成的极性图简单，而[1，0，1，0]为采用两个MIC的全向输出端，[0，1，0，1]为采用两个MIC的指向输出端，通道选通电路用于选通四路采集信号的某几路信号后于后续处理；

预处理电路，包括由仪表放大器AD624(A1-1)组成的一级放大，由运算放大器OP275(A2-1)构成的二阶高通和二阶低通电路组成的带通滤波电路，由运算放大器OP275(A3-1)组成的二级放大电路，其中：

仪表放大器AD624(A1-1)，连接了外接的滑动变阻器，所述的滑动变阻器的两端分别连放大器(A1-1)的100倍管脚和RG2管脚，所述双TP型微型麦克风采集的声音信号转换成电信号后经过滤波电容(C1-1)输入到所述仪表放大器AD624的反向端，电源电压V₀经过磁珠和电容进行滤波，供电电压有+12V和-12V；

带通滤波电路，由运算放大器OP275(A2-1)构成的二阶高通和二阶低通电路组成，二阶低通和二阶高通电路均采用同相输入的有源滤波电路，其中，二阶高通滤波电路还包括电容C6-1、C7-1和电阻R2-1、R3-1、R4-1、R5-1，该二阶高通滤波电路的高通截止频率由所述电容C6-1、C7-1和电阻R2-1、R5-1决定；二阶低通滤波电路包括电容C8-1、C9-1和电阻R6-1、R7-1、R8-1、R9-1，该二阶低通滤波电路的截止频率由所述电容C8-1、C9-1和电阻R8-1、R9-1决定；

二级放大采用运算放大器OP275(A3-1)，通过从负相端输入信号、正相端接地的连接方式构成，使用外接滑动变阻器调节增益，经过二阶带通滤波后的信号经过电阻R10连到放大器的反向输入端，而由固定电阻R12与滑动变阻器RV2来对二级增益调整以达到合适的放大倍数；

供电的电源部分，采用适配器提供5V直流电源；然后经过双电源输出模块提供+12V和-12V电压给相关的放大器芯片，1.25V的电压是由基准电压芯片REF2912产生并通过了一个由两个阻值为4.53k和15.4k的电阻通过串接，所述两个电阻之间与地再跨接一个22uF的电容构成电压调理电路给麦克风模块的电压端供电。

发明效果：与之前的专利相比，本发明克服了已有技术的麦克风数量多而采集通道数少的不足之处，目前已有的专利情况是：直接应用于电子耳蜗的专利中使用的麦克风最多为两个，并且没有同时使用全向性麦克风和方向性麦克风，通道数最多为两路，而且其他有关麦克风阵列的方法并不是针对电子耳蜗中的小间距系统中应用的专利，有些是数量太多并且是大距离的，应用场合不是电子耳蜗产品，另外一些虽然同时使用了全向性麦克风和方向性麦克风，并且能应用于小间距条件，但存在麦克风数量多而采集通道少的情况。另外，目前所有的专利均没有涉及到我们采用的该TP麦克风模块。我们选取的双麦克风四通道数据采集多路选通并同时含全向性麦克风和方向性麦克风采集输出的系统能很好满足电子耳蜗小体积的需求，而丰富的多路采集信息有利于研究适合不同环境的前端语音增强方法，有较高的使用价值和推广意义。

本发明具有如下特点：

其一，所采用的麦克风模块体积非常小。本发明采用Knowles公司先进的TP微型麦克风模块作为电子耳蜗前端采集的声电转换模块，每个模块的尺寸仅是3.61mm*3.61mm*2.59mm。

其二，本发明严格按照电子耳蜗的实际体积要求，仅选用两个麦克风模块，而所能采集到的则是4路数据，是采集信息丰富而小体积的良好结合。

其三，本发明设计的四通道采集同时含全向性麦克风和方向性麦克风采集输出。

其四，本发明的四通道采集多通道选通可以用于开发适合不同噪声环境的使用需要，并能结合调整延迟，权重和角度等信息来设计满足不同条件的复杂波束形成和语音增强方法。

本发明提出一种基于双TP型微型麦克风模块的四通道采集多通道选通的电子耳蜗前端麦克风阵列语音增强系统。系统包括前置放大电路、带通滤波电路、后级放大电路、USB外置声卡构成的模数转换电路和分别为整个系统芯片及麦克风供电的电源电路及纹波稳压调理电路，见图1。本发明使用同时具有全向性和方向性采集的小间距的TP微型麦克风模块，系统具有四路数据采集多路选通特征，对电子耳蜗前端语音进行增强并用于研究提高言语识别率的算法。

硬件调试采用延迟和波束形成方法，首先对阵列中各个麦克风上接收到的信号进行时间补偿，以使各通道语音信号同步，然后再对各通道信号进行相加和平均得到阵列的输出；对硬件系统所采集的四路信息通过选通不同的信号组合来研究算法并形成适合于不同噪声环境下的最佳指向方法和极性图；结果显示：所设计的小间距的基于双TP型微型麦克风的电子耳蜗前端指向性语音增强系统提高了在噪声环境下电子耳蜗使用者的言语识别率，系统提供了用于研究电子耳蜗前端麦克风阵列语音增强算法的有效硬件平台，预示了该系统在电子耳蜗言语识别研究中的应用前景。各部分连接关系如图1所示。

两个TP型微型麦克风模块组成的麦克风阵列置于电子耳蜗前端用于采集声音信号并完成声电转换；该TP型微型麦克风集成了全向性TO型麦克风模块和指向性TD型麦克风模块的功能于一体；每个TP型微型麦克风均有两个采集口，并共用一个采集声管、电源和接地连接，因而该TP型麦克风模块具有两个声音端口和四条连接导线(V+、全指向性信号、指向性信号和接地线)，结合电子耳蜗外观和设计需要，本系统选用采集声管端口位置为12S/9S的TP型麦克风，也就是在引线焊接点相临一侧与对面正中央为声管开口方向，见图2。该模块尺寸仅是3.61mm*3.61mm*2.59mm，与单个TO型或者TD型麦克风模块相当，能同时输出全向性信号和指向性信号，两个TP型微型麦克风模块能获取四路采集信息。微型麦克风的接在独立的小PCB板上，便于调整距离和位置，该板直径为1cm，见图3。

前置放大电路的一级放大电路由仪表放大器AD624(A1-1)与外接的滑动变阻器构成，采用在AD624芯片的100倍增益管脚外接一个3k欧姆的滑动变阻器进行调节，得到最佳的一级放大倍数；并且在在芯片的信号输出端和电源管脚使用了作为电源滤波的钽电容(C3-1，C5-1)，陶瓷电容(C2-1，C4-1)和用于去除高频噪声的磁珠(M1-1，M2-1)。所述前置放大电路由仪表放大器AD624(A1-1)作为核心器件组成，其中，麦克风模块采集的声音信号转换成的电信号经过滤波电容C1-1输入到A1-1的反向输入端，而放大器(A1-1)的正向输入端接地，滑动变阻器RV1-1一端连在放大器(A1-1)的100倍管脚(管脚13)，另一端连到放大器的RG2管脚(管脚3)，该放大芯片的两个电源端分别接+12伏电压和-12伏电压，见图4。

带通滤波电路由运算放大器OP275(A2-1)构成的二阶高通滤波器和二阶低通滤波器级联组成，频带范围为300Hz-10kHz。该电路用于滤除所需频带外的信号，而保留所需要的语音频带的信号。该放大器精度比较高而价格比较低，二阶低通和二阶高通电路均是同相输入的有源滤波电路，其中，二阶高通滤波电路由电容C6-1、C7-1和电阻R2-1、R3-1、R4-1、R5-1作为外围电路，该二阶高通滤波电路的高通截止频率由电容C6-1、C7-1和电阻R2-1、R5-1决定，并且取C6-1与C7-1的电容值相同，R2-1与R5-1的电阻值相同。二阶低通滤波电路由电容C8-1、C9-1和电阻R6-1、R7-1、R8-1和R9-1作为外围电路，该二阶低通滤波电路的截止频率由电容C8-1，C9-1和电阻R8-1，R9-1决定，并且取C8-1与C9-1的电容值相同，R8-1与R9-1的电阻值相同。该放大芯片的两个电源端分别接+12伏电压和-12伏电压，并且用陶瓷电容(C10-1，C12-1)和钽电容(C11-1，C13-1)作为旁路电容进行电源管脚端的电容滤波，见图5。

二级增益调整电路采用了运算放大器OP275(A3-1)通过反相输入方式构成，使用外接滑动变阻器调节增益，放大倍数为1-8.7倍。其中，正相端接地的连接方式，基准电压为0。经过二阶带通滤波后的信号经过电阻R10连到放大器(A3)的反向输入端，而由固定电阻R12与滑动变阻器RV2来对二级增益调整以达到合适的放大倍数。该放大芯片的两个电源端分别接+12伏电压和-12伏电压，并且用陶瓷电容(C16，C17)和钽电容(C15，C17)作为旁路电容进行电源管脚端的电容滤波，见图6。

上述一级放大，二阶带通和二级增益调整电路组成前置左声道信号的放大滤波的预处理电路，该部分电路的元器件的名称在电路里的标记方法是“元件名称-1”，而右声道的预处理电路与左声道预处理电路一致，元器件的名称在电路里的标记方法是“元件名称-2”。另外，放大器芯片除了使用旁路电容外，还使用电源磁珠(M1-1～M4-1，M1-2～M4-2和M6，M7)来减少电源的高频噪声，调理后的信号在输入USB声卡前加了信号磁珠以减少纹波干扰。

电源电路用于提供给放大器芯片和麦克风模块提供电源。电源部分中使用适配器提供5V直流电源，然后经过双电源输出模块提供+12V和-12V电压给放大器芯片，所选用的能同时提供+12V和-12V电压的电源模块是NR5D12(P1)，见图7。适配器提供的5V电压通过TI公司的基准电压芯片REF2912(P2)产生1.25V的精确稳定电压来满足麦克风模块的需要，然后通过了一个由两个阻值为4.53k和15.4k的电阻通过串接，电阻之间与地再跨接一个22uF的电容构成电压调理电路，再给麦克风供电，见图8。

前置电路调理后的采集信号由USB外置声卡内部的codec芯片完成模数转换，最后通过USB通讯传输到计算机上进行后续的处理和算法研究。USB声卡用于完成A/D转换以及数据的USB高速通讯，选用了创新Audigy 2NX外置USB声卡，TP麦克风模块采集的声音信号经过硬件调理电路放大和滤波后由USB声卡的Line口进入，转化成数字量后通过USB传输方法到达计算机用于后续算法研究。所采集的多路数据可以通过选取其中几路，并结合调整延迟，权重，角度以及融合其他语音增强的方法来实现语音增强，不同的通路选取和组合可勇于研究适合于不同噪声环境的情况。

附图说明

图1为本发明的系统组成框图。

图2为本发明的选用的TP-24617-000微型麦克风模块的外观及开口方式。

图3为本发明的设计的用于承载和焊接麦克风模块的独立小PCB板。

图4为本发明的使用AD624的一级放大电路(左声道)原理图。

图5为本发明的二阶有源带通滤波电路(左声道)原理图。

图6为本发明的二级增益调节电路原理图。

图7为本发明的5VDC适配器及正负双输出电压的电源模块电路原理图。

图8为本发明的麦克风模块供电电路原理图。

图9为本实施例的硬件系统的实时数据采集流程图。

图10为本实施例的通过延迟权重组合的指向性方法的原理图。

具体实施方式

系统由硬件电路和用于控制声卡采集的软件部分组成，见图1。两个麦克风置于前端用于采集声音信号，前置调理电路由一级前置放大电路、带通滤波电路和二级放大电路组成，整个系统的电源使用适配器提供直流电源，然后经过双电源输出模块提供+12V和-12V电压给放大器芯片；而麦克风所需要的1.3V精准电压由一基准电压芯片REF2912专门提供。采集的语音信号经过前置调理电路处理后由USB外置声卡内部的Codec芯片完成模数转换，最后通过USB通讯传输到计算机上进行后续的处理和算法研究。

受到电子耳蜗严格的体积限制，本研究选择两个TP型麦克风组成的具有四个输出信号的麦克风阵列方式。组成该TP型麦克风模块是由全向性TO型麦克风模块和指向性TD型麦克风模块组合而成，并共用一个采集声管、电源和接地连接，因而该TP型麦克风模块具有两个声音端口和四条连接导线(V+、全指向性信号、指向性信号和接地线)，结合电子耳蜗外观和设计需要，本次系统选用采集声管端口位置为12S/9S的TP型麦克风，也就是在引线焊接点相临一侧与对面正中央为声管开口方向。该模块尺寸仅是3.61mm*3.61mm*2.59mm，与单个TO型或者TD型麦克风模块相当，但每个TP型微型麦克风均有两个采集口，能同时输出全向性信号和指向性信号，因而两个TP型微型麦克风模块能获取四路采集信息，能满足指向性更为复杂的极性图的设计要求，见图2。微型麦克风的接在独立的小PCB板上，便于调整距离和位置，见图3所示，该板直径为1cm。

当语音与噪声位于不同位置时，称信号与噪声在空间上是分离的。本系统两个TP型麦克风模块组成麦克风阵列，由于每个TP型麦克风模块均有一个全向性和指向性输出，因而系统可以采集到四路信号，按照MIC11是第一MIC全向输出、MIC12是第一MIC指向输出、MIC21是第二MIC全向输出、MIC22是第二MIC指向输出的顺序把四路输出标记为[K₁，K₂，K₃，K₄]，系统通过开关选择其中两路信号输出到声卡的左右通道，当K＝1时表示该路信号选通，当K为0时表示该路信号不被选通，由于传输到声卡只有两路信号，因而四路信号的组合方式为：[1，1，0，0]，[0，0，1，1]，[1，0，1，0]，[0，1，0，1]，[1，0，0，1]，[0，1，1，0]，其中[1，1，0，0]，[0，0，1，1]为仅使用其中一个麦克的全向输出和指向输出。这两种方式所采集的信息少，形成的极性图简单，一般不采用这种组合；[1，0，1，0]为采用两个MIC的全向输出端，[0，1，0，1]为采用两个MIC的指向输出端，而[1，0，0，1]和[0，1，1，0]是对称的，是采用一个MIC的全向性输出端和另一个指向性输出端的组合，因而该系统的四路采集两路选通实际上有3种组合，可以分别研究适合不同语言和噪声环境下的指向性语音增强算法，从声卡的左右声道获取数据并经过算法处理可以得到不同的指向性效果。

AD624用于信号的第一级放大，一级放大由仪表放大器AD624(A1-1)与外接的滑动变阻器构成，见图4，其中，麦克风模块采集的声音信号转换成的电信号经过滤波电容C1-1输入到A1-1的反向输入端，而A1-1的正向输入端接地，滑动变阻器RV1-1一端连在放大器(A1-1)的100倍管脚(管脚13)，另一端连到放大器的RG2管脚(管脚3)，该放大芯片的两个电源端分别接+12伏电压和-12伏电压，并且在在芯片的信号输出端和电源管脚使用了作为电源滤波的钽电容(C3-1，C5-1)，陶瓷电容(C2-1，C4-1)和用于去除高频噪声的磁珠(M1-1，M2-1)，见图4。AD624芯片是一款高精度、低噪声仪表放大器，它融低噪声、高增益精度、低增益温度系数和高线性度于一体，有突出的降低噪声的性能，输入噪声的典型值小于4nV/Hz(1kHz)，因而非常适合用于高分辨率麦克风信号数据的采集，有利于提高第一级放大效果和降低噪声的引入。AD624芯片本身具有固定的1倍、100倍、200倍、500倍和1000倍的固定增益的电路连接形式，可以选择接在不同的管脚来选择不同的增益。本电路采用的是在AD624芯片的100倍增益管脚外接一个3k欧姆的滑动变阻器的方法，这样的话可增益可调整的范围更宽，其范围在12-100倍之间，调节得到最佳的一级放大倍数。另外的话，如果两个AD624调节的放大倍数不同，则相当于设置了不同的权重，可作为后续算法中的权重参数。对于权重固定的情况，可以直接通过AD624直接调整得到，这样的话减少了算法的计算量，而如果所用到的算法的权重不是固定的，则需要让AD624对各路信号的方法倍数相同，权重则通过算法设置系数来得到。

一级放大后通过带通滤波电路，该电路用于滤除所需频带外的信号，而保留所需要的语音频带的信号。带通滤波电路由二阶高通和二阶低通电路组成，二阶高通和二阶低通电路均是同相输入的有源滤波电路，其中，二阶高通滤波电路由电容C6-1，C7-1和电阻R2-1，R3-1，R4-1，R5-1作为外围电路，该二阶高通滤波电路的截止频率由电容C6-1，C7-1和电阻R2-1，R5-1决定，并且取C6-1与C7-1的电容值相同，R2-1与R5-1的电阻值相同。二阶低通滤波电路由电容C8-1，C9-1和电阻R6-1，R7-1，R8-1，R9-1，该二阶低通滤波电路的截止频率由电容C8-1，C9-1和电阻R8-1，R9-1决定，并且取C8-1与C9-1的电容值相同，R8-1与R9-1的电阻值相同，见图5。使用的放大器为运算放大器OP275，该放大器精度比较高而价格比较低。二阶低通和二阶高通电路均采用同相输入的有源滤波电路，带通滤波的通带范围是300Hz-10kHz，由于电子耳蜗使用者需要的主要语音信息是300-3400Hz，因而该通带能包含语音的主要信息，并且该通带范围不包括50Hz工频，减少了设计50Hz限波器的复杂性。

二级放大采用了运算放大器OP275，采用反相输入方式，使用外接滑动变阻器调节增益，放大倍数为1-8.7倍。一级仪表放大与二级运算放大均采用从负相端输入信号，正相端接地的连接方式，基准电压为0。经过二阶带通滤波后的信号经过电阻R10连到放大器(A3)的反向输入端，而由固定电阻R12与滑动变阻器RV2来对二级增益调整以达到合适的放大倍数。另外芯片电源管脚使用旁路电容进行滤波，信号输出端进入USB声卡之前使用了信号磁珠(M1-1～M4-1，M1-2～M4-2和M6，M7)来滤除噪声，见图6。放大器芯片除了使用旁路电容外，还使用电源磁珠来减少电源的高频噪声，调理后的信号在输入USB声卡前加了信号磁珠以减少纹波干扰。

USB声卡用于完成A/D转换以及数据的USB高速通讯，选用了创新Audigy2NX外置USB声卡，TP麦克风模块采集的声音信号经过硬件调理电路放大和滤波后由USB声卡的Line口进入，转化成数字量后通过USB传输方法到达计算机用于后续算法研究。所采集的多路数据可以通过选取其中几路，并结合调整延迟，权重，角度以及融合其他语音增强的方法来实现语音增强，不同的通路选取和组合可勇于研究适合于不同噪声环境的情况。

电源部分用于提供给放大器芯片和麦克风模块提供电源。电源部分中使用适配器提供5V直流电源(对于便携应用使用电池直接进行直流供电)，然后经过双电源输出模块提供+12V和-12V电压给放大器芯片，所选用的能同时提供+12V和-12V电压的电源模块是NR5D12，该电源模块内部带稳压电路，具有纹波低的特点，见图7。

适配器提供的5V电压通过TI公司的基准电压芯片REF2912产生1.25V的精确稳定电压来满足麦克风模块的需要，该芯片通过二极管反向导通电压的方式产生基准电压，外部只需要一个电容滤波即可，电压纹波非常低。同时芯片封装很小，符合本次设计对体积和电压稳定性的要求。由于麦克风模块对电压的稳定性要求很高，所以REF2912产生1.25V的电压没有直接给麦克风供电，而是通过了一个由两个阻值为4.53k和15.4k的电阻通过串接，电阻之间与地再跨接一个22uF的电容构成电压调理电路，然后再给麦克风供电，见图8。

整个采集和调理电路还通过使用钽电容等作为旁路电容和磁珠等来组成电源滤波，并进行覆铜以及用屏蔽盒包装电路等方式来降低噪声干扰。

Claims (1)

1.一种电子耳蜗前端指向性语音增强的预处理系统，其特征在于：是一种基于双TP型微型麦克风的电子耳蜗前端指向性语音增强系统用的预处理系统，所述预处理系统包含双TP型微型麦克风，预处理电路以及供电电路，其中：

双TP型微型麦克风，包括一个全向性TO微型麦克风和一个指向性TD型麦克风，并共用一个采集声管、电源和接地连接，具有两个声音端口和下述四条连接导线：电源线，全向性信号输出线，指向性信号输出线和地线，所述双TP型麦克风模块采用两个采集声管且管端口的位置方式为12S/9S的麦克风组成麦克风阵列，系统允许采集到四路信号，标记为[K₁，K₂，K₃，K₄]，其中：K₁代表MIC11，即第一个MIC全向输出；K₂代表MIC12，即第一个MIC指向输出；K₃代表MIC21，即第二个MIC全向输出；K₄代表MIC22，即第二个MIC指向输出；所述四路信号的组合方式依次为：[1，1，0，0]，[0，0，1，1]，[1，0，1，0]，[0，1，0，1]，[1，0，0，1]，[0，1，1，0]，其中：[1，1，0，0]，[0，0，1，1]为仅使用其中一个麦克的全向输出和指向输出，这两种方式所采集的信息少，形成的极性图简单，而[1，0，1，0]为采用两个MIC的全向输出端，[0，1，0，1]为采用两个MIC的指向输出端，通道选通电路用于选通四路采集信号的某几路信号后于后续处理；

预处理电路，包括由仪表放大器AD624(A1-1)组成的一级放大，由运算放大器OP275(A2-1)构成的二阶高通和二阶低通电路组成的带通滤波电路，由运算放大器OP275(A3-1)组成的二级放大电路，其中：

仪表放大器AD624(A1-1)，连接了外接的滑动变阻器，所述的滑动变阻器的两端分别连放大器(A1-1)的100倍管脚和RG2管脚，所述双TP型微型麦克风采集的声音信号转换成电信号后经过滤波电容(C1-1)输入到所述仪表放大器AD624的反向端，电源电压V₀经过磁珠和电容进行滤波，供电电压有+12V和-12V；

带通滤波电路，由运算放大器OP275(A2-1)构成的二阶高通和二阶低通电路组成，二阶低通和二阶高通电路均采用同相输入的有源滤波电路，其中，二阶高通滤波电路还包括电容C6-1、C7-1和电阻R2-1、R3-1、R4-1、R5-1，该二阶高通滤波电路的高通截止频率由所述电容C6-1、C7-1和电阻R2-1、R5-1决定；二阶低通滤波电路包括电容C8-1、C9-1和电阻R6-1、R7-1、R8-1、R9-1，该二阶低通滤波电路的截止频率由所述电容C8-1、C9-1和电阻R8-1、R9-1决定；

二级放大采用运算放大器OP275(A3-1)，通过从负相端输入信号、正相端接地的连接方式构成，使用外接滑动变阻器调节增益，经过二阶带通滤波后的信号经过电阻R10连到放大器的反向输入端，而由固定电阻R12与滑动变阻器RV2来对二级增益调整以达到合适的放大倍数；

供电的电源部分，采用适配器提供5V直流电源；然后经过双电源输出模块提供+12V和-12V电压给相关的放大器芯片，1.25V的电压是由基准电压芯片REF2912产生并通过了一个由两个阻值为4.53k和15.4k的电阻通过串接，所述两个电阻之间与地再跨接一个22uF的电容构成电压调理电路给麦克风模块的电压端供电。

Images