《電子技術(shù)應(yīng)用》
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人工耳蝸言語(yǔ)處理系統(tǒng)的CIS算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第11期
吳 震,,王 常,張榮芬,,方 波,,鄧朝勇
貴州大學(xué) 理學(xué)院 貴州省微納電子與軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng)550025
摘要: 采用雙麥克風(fēng)工作模式提高語(yǔ)音采集效果,。為解決傳統(tǒng)CIS算法在信噪比低的情況下語(yǔ)音識(shí)別率差的問(wèn)題,,在CIS算法設(shè)計(jì)前端增加了基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器。通過(guò)Matlab仿真,,語(yǔ)音中的噪聲得到很大程度上消除,。為了降低運(yùn)算量,、減少硬件資源和功耗,通過(guò)FFT運(yùn)算在頻域?qū)崿F(xiàn)帶通濾波功能,。在硬件實(shí)現(xiàn)中,,與刺激芯片聯(lián)合仿真,刺激幅度與刺激時(shí)間均滿足要求,。
中圖分類號(hào): TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)11-0062-04
Design and implementation of cochlear implants′ speech signal processing system based on CIS algorithm
Wu Zhen,,Wang Chang,Zhang Rongfen,,F(xiàn)ang Bo,,Deng Chaoyong
Key Lab of Micro-Nano Electronics and Software Technology, College of Science, Guizhou University, Guiyang 550025,China
Abstract: Double microphone working mode to improve speech acquisition effects is put forword in this paper. In order to solve the problem of that the traditional CIS algorithm is difficult to get a good rate of speech recognition under the low signal-to-noise ratio envirment, an adaptive filter based on LMS algorithm is designed in front of CIS portion. Through Matlab simulation, the noise in the voice is largely eliminated. In addition, in order to reduce the amount of computation,,hardwire resoures and power waste, band pass filter is realized by FFT operation. In hardwire, the stimulus amplitude and stimulus duration meet the requirements in the stimulation with stimulating chip.
Key words : cochlear implant,;CIS algorithm;adaptive filter,;FFT,;FPGA

    人工耳蝸是一種植入式的聽覺(jué)輔助設(shè)備,是目前唯一可以使全聾患者恢復(fù)聽覺(jué)的電子設(shè)備,,它可以代替患者把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)[1],,電信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理,根據(jù)耳蝸對(duì)不同頻率的感知需求去刺激聽覺(jué)神經(jīng),。目前,,大部分人工耳蝸是基于通用DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的,功耗較大,,對(duì)電池的要求非常高,。另外也有用模擬電路實(shí)現(xiàn)的,功耗低,,但面積大,,算法中的參數(shù)不具有可編程性,對(duì)患者的應(yīng)用面窄,,多數(shù)停留在試驗(yàn)階段,。本文采用雙麥克風(fēng)工作模式,在加入噪聲處理模塊[2]的基礎(chǔ)上,,基于FFT運(yùn)算設(shè)計(jì)了一個(gè)資源占用少,、效率高的CIS算法模塊[3],同時(shí)設(shè)計(jì)了完整的測(cè)試系統(tǒng),,完成聲音采集,、處理、刺激脈沖輸出全部功能驗(yàn)證,。

1 CIS算法
    連續(xù)交替取樣語(yǔ)音處理方案CIS(Continuous Interleaved Sampling)[4]是美國(guó)學(xué)者Wilson于1991年提出的對(duì)壓縮模擬法的改進(jìn)方案,,它使用非同時(shí)交替脈沖來(lái)避免各語(yǔ)音通道間的相互影響,,其原理如圖1所示。語(yǔ)音信號(hào)預(yù)加重后由一組帶通濾波器分為4~8個(gè)通道,,每個(gè)通道經(jīng)過(guò)全波整流,、低通濾波可以得到各通道的包絡(luò)信號(hào);再用對(duì)數(shù)或平方律壓縮到適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)范圍,;最后,,由一組時(shí)間上交替的雙相脈沖序列調(diào)制對(duì)應(yīng)的包絡(luò)信號(hào),從而獲得各電極的刺激脈沖,。CIS方案通過(guò)利用交替的刺激脈沖,,有效地克服了通道之間的相互干擾;同時(shí),,對(duì)每一個(gè)通道而言,,它還具有相對(duì)較高的刺激速率,因?yàn)橄噜復(fù)ǖ篱g的脈沖時(shí)延很小,,可以達(dá)到較高的刺激速率,,CIS方案能更好地跟蹤語(yǔ)音信號(hào)的細(xì)節(jié)變化。國(guó)外主要的人工耳蝸產(chǎn)品均采用該方案,。

2 耳蝸系統(tǒng)工作原理
    本文采用雙麥克風(fēng)模式進(jìn)行工作[5],兩個(gè)麥克風(fēng)加減后的數(shù)據(jù)分別送給自適應(yīng)濾波器模塊的主通道和參考通道,。一方面兩個(gè)麥克風(fēng)把采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)送入FPGA語(yǔ)音處理模塊,,另一方面輸出到SD卡上。3.3 V可充電鋰電池作為電源,,電源管理模塊采用Sipex公司的SPX1117低壓差穩(wěn)壓器把調(diào)節(jié)后的3.3 V電壓供給刺激芯片,、麥克風(fēng)、FPGA模塊及SD卡模塊,。FPGA模塊接收采集進(jìn)來(lái)的數(shù)字信號(hào),,進(jìn)行語(yǔ)音處理,并將處理后的結(jié)果依照刺激芯片要求的數(shù)據(jù)幀格式順序發(fā)送給刺激芯片,,刺激芯片通過(guò)電極陣列產(chǎn)生一系列的刺激脈沖,。耳蝸系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 雙麥克風(fēng)系統(tǒng)
    麥克風(fēng)采用AD公司 ADMP421微型數(shù)字麥克風(fēng),。ADMP421是一款高性能,、低功耗、數(shù)字輸出,、底部收音式全向MEMS麥克風(fēng),。根據(jù)人工耳蝸系統(tǒng)特點(diǎn),該麥克風(fēng)非常適合本系統(tǒng),。根據(jù)語(yǔ)音傳輸特點(diǎn)和自適應(yīng)濾波器性能要求,,選取兩個(gè)麥克風(fēng)間距為9.8 mm,。通過(guò)FPGA模塊中I2S電路與SD卡模塊對(duì)麥克風(fēng)的控制,實(shí)現(xiàn)聲音采集與存儲(chǔ)功能,。利用TI公司TLVAIC23音頻芯片進(jìn)行聲音回放驗(yàn)證,,音頻芯片控制模塊主要對(duì)AIC23進(jìn)行正確配置,ROM中存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù),。AIC23的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)端口作為輸入端輸入麥克風(fēng)采集的數(shù)據(jù),,通過(guò)LINEOUT端口輸出,實(shí)現(xiàn)了聲音的正確回放,。
4 FPGA模塊
4.1 語(yǔ)音處理模塊基本功能

    麥克風(fēng)采集進(jìn)來(lái)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)用FIFO進(jìn)行分幀處理,。由于語(yǔ)音信號(hào)具有短時(shí)穩(wěn)定性(約為10 ms~30 ms),又因?yàn)楹竺嬖陬l域上進(jìn)行頻帶劃分濾波,,所以幀長(zhǎng)取為256,,既滿足語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)性,又利于后面的FFT計(jì)算,。采集的兩路語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)ANC(自適應(yīng)濾波器模塊)去噪,,然后把去噪后的語(yǔ)音信號(hào)做256點(diǎn)的FFT,并在各個(gè)通道上進(jìn)行分頻,,并求出各個(gè)通道上的平均能量,,最后進(jìn)行非線性壓縮,壓縮后的信號(hào)順序輸出到后面的刺激芯片,。FPGA模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。


    該去噪模塊每19個(gè)時(shí)鐘周期處理一個(gè)數(shù)據(jù),并且在這19個(gè)時(shí)鐘周期中對(duì)自適應(yīng)濾波器6個(gè)系數(shù)進(jìn)行更新,。本設(shè)計(jì)采用高斯白噪聲為測(cè)試噪聲,。自適應(yīng)濾波器的Matlab與Verilog仿真圖如圖4所示。

4.3 FFT模塊
    FFT模塊采用基于WAFT16的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),,主要由RAM,、16點(diǎn)FFT模塊(FFT16)、截位處理模塊(Cnorm)構(gòu)成,。DR,、DI分別代表實(shí)步數(shù)據(jù)與虛步數(shù)據(jù),en為使能端,,start為開始信號(hào),。為了進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理,此處采用兩個(gè)深度為256的RAM做乒乓操作,,當(dāng)ANC寫上面的RAM時(shí),,F(xiàn)FT16模塊讀取下面一個(gè)RAM的數(shù)據(jù),反之亦然。為解決FFT運(yùn)算溢出問(wèn)題,,F(xiàn)FT16模塊后面增加了截位處理模塊(Cnorm),,完成16點(diǎn)FFT計(jì)算后,直接截掉低2位,。旋轉(zhuǎn)因子存儲(chǔ)在ROM中,,需要時(shí)直接進(jìn)行ROM尋址。另外,,此處采用順序輸入,、倒序輸出的策略,即輸出時(shí)按0,、16,、32、48...的順序進(jìn)行輸出,。其Verilog實(shí)現(xiàn)后的仿真示意圖如圖5所示,。

4.4 求各通道平均能量
    該模塊主要是根據(jù)已有的通道頻帶劃分進(jìn)行各通道的能量計(jì)算,本系統(tǒng)采用8通道,,其頻帶劃分如下:
    wn(1)=[51 400],;        wn(2)=[400 630];
    wn(3)=[630 920],;        wn(4)=[920 1 270],;
    wn(5)=[1 270 1 720];    wn(6)=[1 720 2 700],;
    wn(7)=[2 700 3 700],;    wn(8)=[3 700 5 500];
    因?yàn)樽鯢FT運(yùn)算后的輸出數(shù)據(jù)為復(fù)數(shù),,所以需要求模運(yùn)算(即開平方運(yùn)算)。本系統(tǒng)采用非冗余的循環(huán)算法[7]進(jìn)行開平方運(yùn)算,,用簡(jiǎn)單的加減移位操作實(shí)現(xiàn)開平方運(yùn)算,,而且處理一個(gè)數(shù)據(jù)只需要N/2個(gè)時(shí)鐘周期。由于FFT模塊的輸出數(shù)據(jù)為20 bit,,故每隔10個(gè)時(shí)鐘周期才能實(shí)現(xiàn)一次開平方運(yùn)算,;又因?yàn)锳NC是每隔19個(gè)周期才輸出一個(gè)數(shù)據(jù),所以每隔19個(gè)周期刷新或者復(fù)位一次開平方運(yùn)算模塊,,并且在每次復(fù)位后的第10個(gè)周期有開平方運(yùn)算輸出,。為了聯(lián)系后續(xù)模塊,采用valid信號(hào)控制開平方運(yùn)算模塊的輸出,,只有valid=1時(shí),,輸出才有效。其Verilog仿真的時(shí)序圖如圖6所示。

4.5 非線性壓縮與通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式模塊
    壓縮模塊是基于y=x^0.2冪函數(shù)實(shí)現(xiàn)的,,其中x為16 bit無(wú)符號(hào)數(shù),。由于壓縮模塊的輸入數(shù)據(jù)非常小,所以采用線性近似法實(shí)現(xiàn)冪函數(shù),。經(jīng)計(jì)算,,13條近似直線就能保證壓縮模塊輸出誤差在4%以內(nèi)。通道數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊主要實(shí)現(xiàn)壓縮通道的數(shù)據(jù)與刺激芯片幀格式相匹配,。因?yàn)榇碳ば酒枰?2 bit能量數(shù)據(jù),,而壓縮后的8通道數(shù)據(jù)均為16 bit,通過(guò)Matlab可知,,所有數(shù)據(jù)高4位為零,,所以取低12位數(shù)據(jù),并且按串行數(shù)據(jù)輸出格式輸出,。
4.6 FPGA模塊結(jié)果分析
    以上模塊結(jié)構(gòu)都采用Q15的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行可綜合的Verilog HDL描述,,并在Xilinx Spantan6系列FPGA上實(shí)現(xiàn),資源占用情況為:整個(gè)系統(tǒng)占用5 014個(gè)slice,,時(shí)序上整個(gè)系統(tǒng)的處理速度主要由自適應(yīng)濾波器模塊決定,。用ModelSim進(jìn)行功能仿真后,將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab并與Matlab下的處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,,最后各通道進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮后的結(jié)果對(duì)比如圖7所示,。

 

 

    由圖7可以看出定點(diǎn)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算的結(jié)果十分吻合,其誤差最大不超過(guò)6.5%,。
5 耳蝸系統(tǒng)聯(lián)合仿真
    采用經(jīng)流片驗(yàn)證后的刺激芯片[8]進(jìn)行聯(lián)合仿真,。根據(jù)耳蝸系統(tǒng)要求制作PCB版圖(包括核心板與底板)。核心板主要包括FPGA,、電池和數(shù)據(jù)采集模塊(SD卡),;底板主要包括麥克風(fēng)、電源管理模塊和刺激芯片模塊,,如圖8所示,。焊接芯片進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)合仿真,通過(guò)示波器觀察刺激芯片指定通道的刺激波形如圖9所示,。經(jīng)計(jì)算一個(gè)脈沖刺激時(shí)間為26 ?滋s,,刺激幅度為784 mV,與預(yù)期值相符,。

    本文完整地實(shí)現(xiàn)了耳蝸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試,,詳細(xì)論述了基于頻域?yàn)V波CIS算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程,在CIS算法的基礎(chǔ)上,,增加了自適應(yīng)去噪模塊,,很好地濾除掉混在語(yǔ)音信號(hào)中的噪聲。另外,還可以加入超低功耗的MCU,,根據(jù)不同的患者,,對(duì)CIS算法中的可編程參數(shù)進(jìn)行控制,以克服模擬電路在參數(shù)可編程性方面的缺點(diǎn),。在時(shí)序與誤差方面滿足目前醫(yī)療電子領(lǐng)域?qū)φZ(yǔ)音處理的要求,。該語(yǔ)音處理模塊移植性良好,為實(shí)現(xiàn)專用集成電路提供了可靠依據(jù),,且為進(jìn)一步研究人工耳蝸系統(tǒng)提供了有效的應(yīng)用平臺(tái),。
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