專利名稱：一種電子耳蝸前端指向性語(yǔ)音增強(qiáng)的預(yù)處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子學(xué)、計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于雙TP型微型麥克風(fēng)的電子耳蝸前端指向性語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)，以提高在噪聲環(huán)境下，傳入電子耳蝸使用者 的語(yǔ)音信號(hào)的信噪比，并用于研究提高言語(yǔ)識(shí)別率的方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)現(xiàn)有耳聾殘疾病人2700余萬(wàn)，每年新增聾兒3萬(wàn)人，耳聾病人是最常見的五 種殘疾(智力、視力、肢體、精神及聽力)中人數(shù)最多的一種。電子耳蝸是目前唯一使重度聾 和全聾患者恢復(fù)聽覺的方法。電子耳蝸使用者在安靜環(huán)境下基本能夠無(wú)障礙的進(jìn)行交流， 但在噪聲環(huán)境下，特別是信噪比較低的情況下，電子耳蝸使用者的言語(yǔ)識(shí)別率大大降低。提 高在噪聲環(huán)境下電子耳蝸使用者的言語(yǔ)識(shí)別率，除了開發(fā)更有效的言語(yǔ)處理策略外，采用 麥克風(fēng)陣列來(lái)提高電子耳蝸前端采集到的語(yǔ)音信號(hào)的信噪比，尤其對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)源與噪聲 源的空間位置不一致時(shí)，該方法能有效地分離出語(yǔ)音信號(hào)，提高傳輸?shù)诫娮佣伒恼Z(yǔ)音信 號(hào)的信噪比，相當(dāng)于將電子耳蝸恢復(fù)到工作在相對(duì)“安靜”的環(huán)境下，有利于提高言語(yǔ)識(shí)別 率。目前應(yīng)用于臨床的電子耳蝸的麥克風(fēng)基本上是單個(gè)全向性麥克風(fēng)或者單個(gè)指向 性麥克風(fēng)，其指向性效果不能達(dá)到有效分離出語(yǔ)音信號(hào)的目的，同時(shí)由于電子耳蝸對(duì)體積 有嚴(yán)格的限制，不可能采用很多麥克風(fēng)，為此，本發(fā)明采用了 Knowles公司的兩個(gè)TP型微 型麥克風(fēng)模塊組成麥克風(fēng)陣列，該TP型微型麥克風(fēng)模塊集成了全向性TO型麥克風(fēng)模塊和 指向性TD型麥克風(fēng)模塊的功能于一體，但體積與單個(gè)TO型或者TD型麥克風(fēng)模塊相當(dāng)，尺 寸僅是3. 61mm*3. 61mm*2. 59mm，滿足了電子耳蝸前端對(duì)信號(hào)采集的麥克風(fēng)尺寸的要求。兩 個(gè)TP型微型麥克風(fēng)模塊，每個(gè)TP型麥克風(fēng)均有兩個(gè)采集口，能同時(shí)輸出全向性和指向性信 號(hào)，因而系統(tǒng)能同時(shí)獲取四路采集的信號(hào)，并且能調(diào)節(jié)延遲、角度和權(quán)重等參數(shù)，以滿足指 向性較為復(fù)雜的極性圖的設(shè)計(jì)要求，具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣意義，是研究電子耳蝸前 端指向性語(yǔ)音增強(qiáng)的有效硬件平臺(tái)。國(guó)內(nèi)也有相關(guān)的一些發(fā)明專利。由中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所顏永紅等人發(fā)明的一種《基于小型麥克風(fēng)陣列的定向語(yǔ) 音增強(qiáng)方法》(專利公開號(hào)CN101587712A)，其語(yǔ)音增強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方法是利用兩個(gè)全指向性 麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)；利用自適應(yīng)谷點(diǎn)形成算法對(duì)所采集到的聲音進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到延 遲相減信號(hào)x(t)和自適應(yīng)濾波后的信號(hào)ζ (t)；根據(jù)x(t)和z(t)的語(yǔ)譜X(w)和Z(W)；然 后計(jì)算出初步增益G’ (w)及目標(biāo)信號(hào)存在概率P(w)；然后根據(jù)P (w)，對(duì)初步增益G’ (w)進(jìn) 行修正，得出最終增益G(W)；得到最終的增強(qiáng)語(yǔ)音信號(hào)r(t)。該專利使用的只是兩個(gè)全向 性麥克風(fēng)，只有兩路采集，對(duì)于復(fù)雜噪聲環(huán)境下兩路采集信息不足以滿足更高的語(yǔ)音增強(qiáng) 需求。由西安交通大學(xué)殷勤業(yè)等發(fā)明的專利《一種麥克風(fēng)陣列及實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)增強(qiáng)的方 法》(公開號(hào)CN101351058)。專利權(quán)利要求是一種麥克風(fēng)陣列，包括多個(gè)具有相同單元方向因子的陣元，其特征在于，所述陣元均勻徑向地向外排列在一個(gè)半徑為R的圓周上構(gòu)成2π 弧度范圍的信號(hào)接收處理的圓形陣列。該專利含較多麥克風(fēng)，不利于電子耳蝸小體積的要 求，另外該麥克風(fēng)的放置方法是均勻圓周放置，而沒有間距，權(quán)重和角度等參數(shù)信息。由北京大學(xué)科技開發(fā)部遲惠生等發(fā)明的《小尺度麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)和方 法》(公開號(hào)CN1967658)采用多個(gè)麥克風(fēng)并應(yīng)用波束形成方法，具體結(jié)構(gòu)為信號(hào)采集部 分由麥克風(fēng)陣列和AD轉(zhuǎn)換器組成，麥克風(fēng)陣列由3個(gè)成等邊三角形放置的全指向性麥克風(fēng) 組成；信號(hào)處理部分由麥克風(fēng)一致性校正模塊、自適應(yīng)噪聲消除模塊、信噪比估計(jì)模塊和聲 源位置自適應(yīng)模塊組成；麥克風(fēng)一致性校正模塊，由三個(gè)FIR濾波器組成，其中一個(gè)濾波器 為全通濾波器，另外兩個(gè)濾波器基于三個(gè)麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)構(gòu)造而成；自適應(yīng)噪聲消除模 塊，由自適應(yīng)噪聲消除濾波器組成，它基于改進(jìn)的自適應(yīng)零限波束形成方法構(gòu)造而成；信噪 比估計(jì)模塊，用于計(jì)算噪聲的能量，并將計(jì)算結(jié)果與設(shè)定的門限閾值進(jìn)行比較，輸出對(duì)自適 應(yīng)噪聲消除模塊中濾波器長(zhǎng)度的控制信號(hào)；聲源位置自適應(yīng)模塊，由波束形成器和語(yǔ)音能 量分析器組成。該專利使用了 3個(gè)麥克風(fēng)，麥克風(fēng)數(shù)量偏多，不能很好滿足電子耳蝸小體積 的需求，而且該專利所使用的麥克風(fēng)都是全向的，只有3路信息，另外該專利的方法是讓3 個(gè)全指向性麥克風(fēng)放置成等邊三角形，位置固定，麥克風(fēng)夾角也固定，因而缺少角度和權(quán)重 fn息ο由北京中星微電子有限公司張晨和馮宇紅發(fā)明的《大距離麥克風(fēng)陣列噪聲消除的 方法和噪聲消除系統(tǒng)》(公開號(hào)CN101192411)是一種大距離麥克風(fēng)陣列噪聲消除的方法， 其特征在于，所述方法包括對(duì)兩個(gè)麥克風(fēng)采集到的信號(hào)進(jìn)行波束形成處理，得到增強(qiáng)后的 目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)和消弱后的目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)；以及檢測(cè)兩個(gè)麥克風(fēng)采集到的信號(hào)中是否存在目 標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)；利用目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果控制自適應(yīng)濾波系數(shù)的更新，根據(jù)經(jīng)過控制的 自適應(yīng)濾波系數(shù)，對(duì)所得到的增強(qiáng)后的目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)和消弱后的目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)，進(jìn)行自適 應(yīng)濾波處理。該專利雖然也使用了兩個(gè)麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音增強(qiáng)，不過應(yīng)用在大距離的條件下， 不適合應(yīng)用在電子耳蝸上，另外也只是使用兩個(gè)麥克風(fēng)采集到兩路數(shù)據(jù)用于后續(xù)處理。由美商富迪科技股份有限公司張銘發(fā)明的《小型陣列麥克風(fēng)裝置以及其波束形成 方法》(公開號(hào)CN101222785)，采用一種小型陣列麥克風(fēng)裝置，包括至少三個(gè)全向麥克風(fēng)， 排列在一共同平面但不位于同一直線上，另有一個(gè)方向性麥克風(fēng)形成裝置，用以接收前三 個(gè)麥克風(fēng)的電子信號(hào)，組合其中兩個(gè)麥克風(fēng)輸出具有一個(gè)雙向型態(tài)的第一方向性麥克風(fēng)信 號(hào)，以及另兩個(gè)麥克風(fēng)輸出具有一個(gè)第二雙向型態(tài)的一第二方向性麥克風(fēng)信號(hào)?？梢钥吹?， 該發(fā)明使用了多個(gè)全向性麥克風(fēng)進(jìn)行組合，使用的3個(gè)全向性麥克風(fēng)，只有3通道信息，并 且該方法想通過方向性麥克風(fēng)形成裝置把前面的全向性麥克風(fēng)采集轉(zhuǎn)成方向性和全向性 輸出，這增加了復(fù)雜性，沒有使用我們選擇的TP性麥克風(fēng)模塊直接含有方向性和全向性輸 出簡(jiǎn)潔，麥克風(fēng)數(shù)量偏多，導(dǎo)致體積難以減少。同樣由美商富迪科技股份有限公司張銘發(fā)明的《小陣列麥克風(fēng)系統(tǒng)、噪聲抑制裝 置及其抑制方法》(公開號(hào)CN101071566)，該專利是一種小陣列麥克風(fēng)系統(tǒng)，適用于語(yǔ)音 識(shí)別機(jī)制，包括陣列麥克風(fēng)，具有多個(gè)麥克風(fēng)，每一麥克風(fēng)可提供一接收信號(hào)；第一語(yǔ)音 啟動(dòng)檢測(cè)器，利用所述接收信號(hào)提供一第一語(yǔ)音檢測(cè)信號(hào)，用以代表在音束內(nèi)的所需語(yǔ)音 是否存在；以及第二語(yǔ)音啟動(dòng)檢測(cè)器，利用所述接收信號(hào)提供一第二語(yǔ)音檢測(cè)信號(hào)，用以表 示當(dāng)在音束內(nèi)的所需語(yǔ)音不存在時(shí)，在音束外的噪聲是否存在；其中，該語(yǔ)音識(shí)別機(jī)制接收該第一語(yǔ)音檢測(cè)信號(hào)、第二語(yǔ)音檢測(cè)信號(hào)以及所述輸出信號(hào)。雖然該專利直接使用一個(gè)全 向性麥克風(fēng)和一個(gè)方向性麥克風(fēng)，兩個(gè)麥克風(fēng)，不過僅僅是兩路采集信息，采集通道信息不 足，沒有使用TP麥克風(fēng)的單個(gè)麥克風(fēng)直接含有全向性輸出和方向性輸出有優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的目前應(yīng)用于臨床的電子耳蝸的麥克風(fēng)基本上是單個(gè)全向性麥克風(fēng)或者 單個(gè)指向性麥克風(fēng)，其指向性效果不能達(dá)到有效分離出語(yǔ)音信號(hào)的目的，同時(shí)由于電子耳 蝸對(duì)體積有嚴(yán)格的限制，不可能采用很多麥克風(fēng)。為了提高電子耳蝸小體積限制下的麥克 風(fēng)前端指向性語(yǔ)音增強(qiáng)的功能，本發(fā)明的目的在于提供一種用于提高電子耳蝸前端語(yǔ)音采 集信噪比，以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音與噪聲空間位置不一致是的指向性語(yǔ)音增強(qiáng)效果，以最終達(dá)到提高 電子耳蝸使用者的言語(yǔ)識(shí)別率，并能用于進(jìn)一步研究開發(fā)適合不同環(huán)境的多通道選擇和特 定的波束形成和語(yǔ)音增強(qiáng)算法。本發(fā)明的特征在于是一種基于雙TP型微型麥克風(fēng)的電子耳蝸前端指向性語(yǔ)音 增強(qiáng)系統(tǒng)用的預(yù)處理系統(tǒng)，所述預(yù)處理系統(tǒng)包含雙TP型微型麥克風(fēng)，預(yù)處理電路以及供電 電路，其中雙TP型微型麥克風(fēng)，包括一個(gè)全向性TO微型麥克風(fēng)和一個(gè)指向性TD型麥克風(fēng)， 并共用一個(gè)采集聲管、電源和接地連接，具有兩個(gè)聲音端口和下述四條連接導(dǎo)線電源線， 全向性信號(hào)輸出線，指向性信號(hào)輸出線和地線，所述雙TP型麥克風(fēng)模塊采用兩個(gè)采集聲管 且管端口的位置方式為12S/9S的麥克風(fēng)組成麥克風(fēng)陣列，系統(tǒng)允許采集到四路信號(hào)，標(biāo)記 為[K” K2，K3，K4],其中=K1代表MIC11，即第一個(gè)MIC全向輸出;K2代表MIC12，即第一個(gè)MIC 指向輸出；Κ3代表MIC21，即第二個(gè)MIC全向輸出；Κ4代表MIC22，即第二個(gè)MIC指向輸出； 所述四路信號(hào)的組合方式依次為[1，1，0，0]，
, [1,0,1,0],
, [1,0,0, 1]，W，1，1，0]，其中[1，1，0，0]，
為僅使用其中一個(gè)麥克的全向輸出和指向輸 出，這兩種方式所采集的信息少，形成的極性圖簡(jiǎn)單，而[1，0，1，0]為采用兩個(gè)MIC的全向 輸出端，
為采用兩個(gè)MIC的指向輸出端，通道選通電路用于選通四路采集信號(hào)的 某幾路信號(hào)后于后續(xù)處理；預(yù)處理電路，包括由儀表放大器AD624(A1_1)組成的一級(jí)放大，由運(yùn)算放大 器0P275(A2-1)構(gòu)成的二階高通和二階低通電路組成的帶通濾波電路，由運(yùn)算放大器 0P275(A3-1)組成的二級(jí)放大電路，其中儀表放大器AD624 (Al-I)，連接了外接的滑動(dòng)變阻器，所述的滑動(dòng)變阻器的兩端分 別連放大器(Al-I)的100倍管腳和RG2管腳，所述雙TP型微型麥克風(fēng)采集的聲音信號(hào)轉(zhuǎn) 換成電信號(hào)后經(jīng)過濾波電容(Cl-I)輸入到所述儀表放大器AD624的反向端，電源電壓V。經(jīng) 過磁珠和電容進(jìn)行濾波，供電電壓有+12V和-12V ；帶通濾波電路，由運(yùn)算放大器0P275(A2_1)構(gòu)成的二階高通和二階低通電路組成，二階低通和二階高通電路均采用同相輸入的有源濾波電路，其中，二階高通濾波電路還 包括電容C6-1、C7-1和電阻R2-1、R3-1、R4-1、R5-1，該二階高通濾波電路的高通截止頻率 由所述電容C6-1、C7-1和電阻R2-1、R5-1決定；二階低通濾波電路包括電容C8_1、C9_1和 電阻R6-1、R7-1、R8-1、R9-1，該二階低通濾波電路的截止頻率由所述電容C8_l、C9-1和電 阻 R8-1、R9-1 決定；
二級(jí)放大采用運(yùn)算放大器0P275(A3_1)，通過從負(fù)相端輸入信號(hào)、正相端接地的連 接方式構(gòu)成，使用外接滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)增益，經(jīng)過二階帶通濾波后的信號(hào)經(jīng)過電阻RlO連 到放大器的反向輸入端，而由固定電阻R12與滑動(dòng)變阻器RV2來(lái)對(duì)二級(jí)增益調(diào)整以達(dá)到合 適的放大倍數(shù)；供電的電源部分，采用適配器提供5V直流電源；然后經(jīng)過雙電源輸出模塊提供 +12V和-12V電壓給相關(guān)的放大器芯片，1. 25V的電壓是由基準(zhǔn)電壓芯片REF2912產(chǎn)生并通 過了一個(gè)由兩個(gè)阻值為4. 53k和15. 4k的電阻通過串接，所述兩個(gè)電阻之間與地再跨接一 個(gè)22uF的電容構(gòu)成電壓調(diào)理電路給麥克風(fēng)模塊的電壓端供電。發(fā)明效果與之前的專利相比，本發(fā)明克服了已有技術(shù)的麥克風(fēng)數(shù)量多而采集通 道數(shù)少的不足之處，目前已有的專利情況是直接應(yīng)用于電子耳蝸的專利中使用的麥克風(fēng) 最多為兩個(gè)，并且沒有同時(shí)使用全向性麥克風(fēng)和方向性麥克風(fēng)，通道數(shù)最多為兩路，而且其 他有關(guān)麥克風(fēng)陣列的方法并不是針對(duì)電子耳蝸中的小間距系統(tǒng)中應(yīng)用的專利，有些是數(shù)量 太多并且是大距離的，應(yīng)用場(chǎng)合不是電子耳蝸產(chǎn)品，另外一些雖然同時(shí)使用了全向性麥克 風(fēng)和方向性麥克風(fēng)，并且能應(yīng)用于小間距條件，但存在麥克風(fēng)數(shù)量多而采集通道少的情況。 另外，目前所有的專利均沒有涉及到我們采用的該TP麥克風(fēng)模塊。我們選取的雙麥克風(fēng)四 通道數(shù)據(jù)采集多路選通并同時(shí)含全向性麥克風(fēng)和方向性麥克風(fēng)采集輸出的系統(tǒng)能很好滿 足電子耳蝸小體積的需求，而豐富的多路采集信息有利于研究適合不同環(huán)境的前端語(yǔ)音增 強(qiáng)方法，有較高的使用價(jià)值和推廣意義。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)其一，所采用的麥克風(fēng)模塊體積非常小。本發(fā)明采用Knowles公司先進(jìn) 的TP微型麥克風(fēng)模塊作為電子耳蝸前端采集的聲電轉(zhuǎn)換模塊，每個(gè)模塊的尺寸僅是 3. 61mm*3. 61mm*2. 59mm。其二，本發(fā)明嚴(yán)格按照電子耳蝸的實(shí)際體積要求，僅選用兩個(gè)麥克風(fēng)模塊，而所能 采集到的則是4路數(shù)據(jù)，是采集信息豐富而小體積的良好結(jié)合。其三，本發(fā)明設(shè)計(jì)的四通道采集同時(shí)含全向性麥克風(fēng)和方向性麥克風(fēng)采集輸出。其四，本發(fā)明的四通道采集多通道選通可以用于開發(fā)適合不同噪聲環(huán)境的使用需 要，并能結(jié)合調(diào)整延遲，權(quán)重和角度等信息來(lái)設(shè)計(jì)滿足不同條件的復(fù)雜波束形成和語(yǔ)音增 強(qiáng)方法。本發(fā)明提出一種基于雙TP型微型麥克風(fēng)模塊的四通道采集多通道選通的電子耳 蝸前端麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括前置放大電路、帶通濾波電路、后級(jí)放大電路、 USB外置聲卡構(gòu)成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和分別為整個(gè)系統(tǒng)芯片及麥克風(fēng)供電的電源電路及紋波 穩(wěn)壓調(diào)理電路，見圖1。本發(fā)明使用同時(shí)具有全向性和方向性采集的小間距的TP微型麥克 風(fēng)模塊，系統(tǒng)具有四路數(shù)據(jù)采集多路選通特征，對(duì)電子耳蝸前端語(yǔ)音進(jìn)行增強(qiáng)并用于研究 提高言語(yǔ)識(shí)別率的算法。硬件調(diào)試采用延遲和波束形成方法，首先對(duì)陣列中各個(gè)麥克風(fēng)上接收到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償，以使各通道語(yǔ)音信號(hào)同步，然后再對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行相加和平均得到陣列的 輸出；對(duì)硬件系統(tǒng)所采集的四路信息通過選通不同的信號(hào)組合來(lái)研究算法并形成適合于不 同噪聲環(huán)境下的最佳指向方法和極性圖；結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的小間距的基于雙TP型微型麥 克風(fēng)的電子耳蝸前端指向性語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)提高了在噪聲環(huán)境下電子耳蝸使用者的言語(yǔ)識(shí)別率，系統(tǒng)提供了用于研究電子耳蝸前端麥克風(fēng)陣列語(yǔ)音增強(qiáng)算法的有效硬件平臺(tái)，預(yù)示 了該系統(tǒng)在電子耳蝸言語(yǔ)識(shí)別研究中的應(yīng)用前景。各部分連接關(guān)系如圖1所示。兩個(gè)TP型微型麥克風(fēng)模塊組成的麥克風(fēng)陣列置于電子耳蝸前端用于采集聲音信 號(hào)并完成聲電轉(zhuǎn)換；該TP型微型麥克風(fēng)集成了全向性TO型麥克風(fēng)模塊和指向性TD型麥克 風(fēng)模塊的功能于一體；每個(gè)TP型微型麥克風(fēng)均有兩個(gè)采集口，并共用一個(gè)采集聲管、電源 和接地連接，因而該TP型麥克風(fēng)模塊具有兩個(gè)聲音端口和四條連接導(dǎo)線(V+、全指向性信 號(hào)、指向性信號(hào)和接地線)，結(jié)合電子耳蝸外觀和設(shè)計(jì)需要，本系統(tǒng)選用采集聲管端口位置 為12S/9S的TP型麥克風(fēng)，也就是在引線焊接點(diǎn)相臨一側(cè)與對(duì)面正中央為聲管開口方向，見 圖2。該模塊尺寸僅是3. 61mm*3. 61mm*2. 59mm,與單個(gè)TO型或者TD型麥克風(fēng)模塊相當(dāng)，能 同時(shí)輸出全向性信號(hào)和指向性信號(hào)，兩個(gè)TP型微型麥克風(fēng)模塊能獲取四路采集信息。微型 麥克風(fēng)的接在獨(dú)立的小PCB板上，便于調(diào)整距離和位置，該板直徑為1cm，見圖3。前置放大電路的一級(jí)放大電路由儀表放大器AD624(A1_1)與外接的滑動(dòng)變阻器 構(gòu)成，采用在AD624芯片的100倍增益管腳外接一個(gè)3k歐姆的滑動(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到 最佳的一級(jí)放大倍數(shù)；并且在在芯片的信號(hào)輸出端和電源管腳使用了作為電源濾波的鉭電 容(C3-1，C5-1)，陶瓷電容(C2-1，C4-1)和用于去除高頻噪聲的磁珠(Ml_l，M2-1)。所述 前置放大電路由儀表放大器AD624(A1-1)作為核心器件組成，其中，麥克風(fēng)模塊采集的聲 音信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)經(jīng)過濾波電容Cl-I輸入到Al-I的反向輸入端，而放大器(Al-I)的 正向輸入端接地，滑動(dòng)變阻器RVl-I —端連在放大器(Al-I)的100倍管腳(管腳13)，另一 端連到放大器的RG2管腳(管腳3)，該放大芯片的兩個(gè)電源端分別接+12伏電壓和-12伏 電壓，見圖4。帶通濾波電路由運(yùn)算放大器0P275(A2_1)構(gòu)成的二階高通濾波器和二階低通濾 波器級(jí)聯(lián)組成，頻帶范圍為300Hz-10kHz。該電路用于濾除所需頻帶外的信號(hào)，而保留所需 要的語(yǔ)音頻帶的信號(hào)。該放大器精度比較高而價(jià)格比較低，二階低通和二階高通電路均是 同相輸入的有源濾波電路，其中，二階高通濾波電路由電容C6-1、C7-1和電阻R2-1、R3-1、 R4-1、R5-1作為外圍電路，該二階高通濾波電路的高通截止頻率由電容C6-1、C7-1和電阻 R2-UR5-1決定，并且取C6-1與C7-1的電容值相同，R2-1與R5-1的電阻值相同。二階低 通濾波電路由電容C8-1、C9-1和電阻R6-1、R7-1、R8-1和R9-1作為外圍電路，該二階低通 濾波電路的截止頻率由電容C8-1，C9-1和電阻R8-1，R9-1決定，并且取C8-1與C9-1的電 容值相同，R8-1與R9-1的電阻值相同。該放大芯片的兩個(gè)電源端分別接+12伏電壓和-12 伏電壓，并且用陶瓷電容(C10-1，C12-1)和鉭電容(C11-1，C13-1)作為旁路電容進(jìn)行電源 管腳端的電容濾波，見圖5。二級(jí)增益調(diào)整電路采用了運(yùn)算放大器0P275(A3_1)通過反相輸入方式構(gòu)成，使用 外接滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)增益，放大倍數(shù)為1-8. 7倍。其中，正相端接地的連接方式，基準(zhǔn)電壓 為0。經(jīng)過二階帶通濾波后的信號(hào)經(jīng)過電阻RlO連到放大器(A3)的反向輸入端，而由固定 電阻R12與滑動(dòng)變阻器RV2來(lái)對(duì)二級(jí)增益調(diào)整以達(dá)到合適的放大倍數(shù)。該放大芯片的兩個(gè) 電源端分別接+12伏電壓和-12伏電壓，并且用陶瓷電容(C16，C17)和鉭電容(C15，C17) 作為旁路電容進(jìn)行電源管腳端的電容濾波，見圖6。上述一級(jí)放大，二階帶通和二級(jí)增益調(diào)整電路組成前置左聲道信號(hào)的放大濾波 的預(yù)處理電路，該部分電路的元器件的名稱在電路里的標(biāo)記方法是“元件名稱-1”，而右聲道的預(yù)處理電路與左聲道預(yù)處理電路一致，元器件的名稱在電路里的標(biāo)記方法是“元件名 稱-2”。另外，放大器芯片除了使用旁路電容外，還使用電源磁珠(M1-1 M4-1，M1-2 M4-2和M6，M7)來(lái)減少電源的高頻噪聲，調(diào)理后的信號(hào)在輸入U(xiǎn)SB聲卡前加了信號(hào)磁珠以 減少紋波干擾。電源電路用于提供給放大器芯片和麥克風(fēng)模塊提供電源。電源部分中使用適配器 提供5V直流電源，然后經(jīng)過雙電源輸出模塊提供+12V和-12V電壓給放大器芯片，所選用 的能同時(shí)提供+12V和-12V電壓的電源模塊是NR5D12(P1)，見圖7。適配器提供的5V電壓 通過TI公司的基準(zhǔn)電壓芯片REF2912(P2)產(chǎn)生1. 25V的精確穩(wěn)定電壓來(lái)滿足麥克風(fēng)模塊 的需要，然后通過了一個(gè)由兩個(gè)阻值為4. 53k和15. 4k的電阻通過串接，電阻之間與地再跨 接一個(gè)22uF的電容構(gòu)成電壓調(diào)理電路，再給麥克風(fēng)供電，見圖8。
前置電路調(diào)理后的采集信號(hào)由USB外置聲卡內(nèi)部的codec芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最 后通過USB通訊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行后續(xù)的處理和算法研究。USB聲卡用于完成A/D轉(zhuǎn)換 以及數(shù)據(jù)的USB高速通訊，選用了創(chuàng)新Audigy 2NX外置USB聲卡，TP麥克風(fēng)模塊采集的聲 音信號(hào)經(jīng)過硬件調(diào)理電路放大和濾波后由USB聲卡的Line 口進(jìn)入，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后通過 USB傳輸方法到達(dá)計(jì)算機(jī)用于后續(xù)算法研究。所采集的多路數(shù)據(jù)可以通過選取其中幾路，并 結(jié)合調(diào)整延遲，權(quán)重，角度以及融合其他語(yǔ)音增強(qiáng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音增強(qiáng)，不同的通路選取 和組合可勇于研究適合于不同噪聲環(huán)境的情況。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖。圖2為本發(fā)明的選用的TP-24617-000微型麥克風(fēng)模塊的外觀及開口方式。圖3為本發(fā)明的設(shè)計(jì)的用于承載和焊接麥克風(fēng)模塊的獨(dú)立小PCB板。圖4為本發(fā)明的使用AD624的一級(jí)放大電路(左聲道)原理圖。圖5為本發(fā)明的二階有源帶通濾波電路(左聲道)原理圖。圖6為本發(fā)明的二級(jí)增益調(diào)節(jié)電路原理圖。圖7為本發(fā)明的5VDC適配器及正負(fù)雙輸出電壓的電源模塊電路原理圖。圖8為本發(fā)明的麥克風(fēng)模塊供電電路原理圖。圖9為本實(shí)施例的硬件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集流程圖。圖10為本實(shí)施例的通過延遲權(quán)重組合的指向性方法的原理圖。
具體實(shí)施例方式系統(tǒng)由硬件電路和用于控制聲卡采集的軟件部分組成，見圖1。兩個(gè)麥克風(fēng)置于 前端用于采集聲音信號(hào)，前置調(diào)理電路由一級(jí)前置放大電路、帶通濾波電路和二級(jí)放大電 路組成，整個(gè)系統(tǒng)的電源使用適配器提供直流電源，然后經(jīng)過雙電源輸出模塊提供+12V 和-12V電壓給放大器芯片；而麥克風(fēng)所需要的1. 3V精準(zhǔn)電壓由一基準(zhǔn)電壓芯片REF2912 專門提供。采集的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過前置調(diào)理電路處理后由USB外置聲卡內(nèi)部的Codec芯片完 成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過USB通訊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行后續(xù)的處理和算法研究。受到電子耳蝸嚴(yán)格的體積限制，本研究選擇兩個(gè)TP型麥克風(fēng)組成的具有四個(gè) 輸出信號(hào)的麥克風(fēng)陣列方式。組成該TP型麥克風(fēng)模塊是由全向性TO型麥克風(fēng)模塊和指向性TD型麥克風(fēng)模塊組合而成，并共用一個(gè)采集聲管、電源和接地連接，因而該TP型麥克風(fēng)模塊具有兩個(gè)聲音端口和四條連接導(dǎo)線(V+、全指向性信號(hào)、指向性信號(hào)和接地 線)，結(jié)合電子耳蝸外觀和設(shè)計(jì)需要，本次系統(tǒng)選用采集聲管端口位置為12S/9S的TP型 麥克風(fēng)，也就是在引線焊接點(diǎn)相臨一側(cè)與對(duì)面正中央為聲管開口方向。該模塊尺寸僅是 3. 61mm*3. 61mm*2. 59mm,與單個(gè)TO型或者TD型麥克風(fēng)模塊相當(dāng)，但每個(gè)TP型微型麥克風(fēng) 均有兩個(gè)采集口，能同時(shí)輸出全向性信號(hào)和指向性信號(hào)，因而兩個(gè)TP型微型麥克風(fēng)模塊能 獲取四路采集信息，能滿足指向性更為復(fù)雜的極性圖的設(shè)計(jì)要求，見圖2。微型麥克風(fēng)的接 在獨(dú)立的小PCB板上，便于調(diào)整距離和位置，見圖3所示，該板直徑為1cm。當(dāng)語(yǔ)音與噪聲位于不同位置時(shí)，稱信號(hào)與噪聲在空間上是分離的。本系統(tǒng)兩個(gè)TP 型麥克風(fēng)模塊組成麥克風(fēng)陣列，由于每個(gè)TP型麥克風(fēng)模塊均有一個(gè)全向性和指向性輸出， 因而系統(tǒng)可以采集到四路信號(hào)，按照MICll是第一 MIC全向輸出、MIC12是第一 MIC指向輸 出、MIC21是第二 MIC全向輸出、MIC22是第二 MIC指向輸出的順序把四路輸出標(biāo)記為[K1, K2，K3，K4]，系統(tǒng)通過開關(guān)選擇其中兩路信號(hào)輸出到聲卡的左右通道，當(dāng)K = 1時(shí)表示該路信 號(hào)選通，當(dāng)K為0時(shí)表示該路信號(hào)不被選通，由于傳輸?shù)铰暱ㄖ挥袃陕沸盘?hào)，因而四路信號(hào) 的組合方式為[1，1，0，0]，
, [1,0,1,0],
, [1,0,0,1], W，1，1，0]，其 中[1，1，0，0]，
為僅使用其中一個(gè)麥克的全向輸出和指向輸出。這兩種方式所采 集的信息少，形成的極性圖簡(jiǎn)單，一般不采用這種組合；[1，0，1，0]為采用兩個(gè)MIC的全向 輸出端，
為采用兩個(gè)MIC的指向輸出端，而[1，0，0，1]和
是對(duì)稱的， 是采用一個(gè)MIC的全向性輸出端和另一個(gè)指向性輸出端的組合，因而該系統(tǒng)的四路采集兩 路選通實(shí)際上有3種組合，可以分別研究適合不同語(yǔ)言和噪聲環(huán)境下的指向性語(yǔ)音增強(qiáng)算 法，從聲卡的左右聲道獲取數(shù)據(jù)并經(jīng)過算法處理可以得到不同的指向性效果。AD624用于信號(hào)的第一級(jí)放大，一級(jí)放大由儀表放大器AD624(A1_1)與外接的滑 動(dòng)變阻器構(gòu)成，見圖4，其中，麥克風(fēng)模塊采集的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)經(jīng)過濾波電容 Cl-I輸入到Al-I的反向輸入端，而Al-I的正向輸入端接地，滑動(dòng)變阻器RVl-I—端連在放 大器(Al-I)的100倍管腳(管腳13)，另一端連到放大器的RG2管腳(管腳3)，該放大芯 片的兩個(gè)電源端分別接+12伏電壓和-12伏電壓，并且在在芯片的信號(hào)輸出端和電源管腳 使用了作為電源濾波的鉭電容(C3-1，C5-1)，陶瓷電容(C2-1，C4-1)和用于去除高頻噪聲 的磁珠(M1-1，M2-1)，見圖4。AD624芯片是一款高精度、低噪聲儀表放大器，它融低噪聲、高 增益精度、低增益溫度系數(shù)和高線性度于一體，有突出的降低噪聲的性能，輸入噪聲的典型 值小于4nV/Hz (IkHz)，因而非常適合用于高分辨率麥克風(fēng)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集，有利于提高第 一級(jí)放大效果和降低噪聲的引入。AD624芯片本身具有固定的1倍、100倍、200倍、500倍 和1000倍的固定增益的電路連接形式，可以選擇接在不同的管腳來(lái)選擇不同的增益。本電 路采用的是在AD624芯片的100倍增益管腳外接一個(gè)3k歐姆的滑動(dòng)變阻器的方法，這樣的 話可增益可調(diào)整的范圍更寬，其范圍在12-100倍之間，調(diào)節(jié)得到最佳的一級(jí)放大倍數(shù)。另 外的話，如果兩個(gè)AD624調(diào)節(jié)的放大倍數(shù)不同，則相當(dāng)于設(shè)置了不同的權(quán)重，可作為后續(xù)算 法中的權(quán)重參數(shù)。對(duì)于權(quán)重固定的情況，可以直接通過AD624直接調(diào)整得到，這樣的話減少 了算法的計(jì)算量，而如果所用到的算法的權(quán)重不是固定的，則需要讓AD624對(duì)各路信號(hào)的 方法倍數(shù)相同，權(quán)重則通過算法設(shè)置系數(shù)來(lái)得到。一級(jí)放大后通過帶通濾波電路，該電路用于濾除所需頻帶外的信號(hào)，而保留所需要的語(yǔ)音頻帶的信號(hào)。帶通濾波電路由二階高通和二階低通電路組成，二階高通和二階低 通電路均是同相輸入的有源濾波電路，其中，二階高通濾波電路由電容C6-1，C7-1和電阻 R2-1，R3-1，R4-1，R5-1作為外圍電路，該二階高通濾波電路的截止頻率由電容C6_l，C7-1 和電阻R2-1，R5-1決定，并且取C6-1與C7-1的電容值相同，R2-1與R5-1的電阻值相同。 二階低通濾波電路由電容C8-1，C9-1和電阻R6-1，R7-1，R8_l，R9-1，該二階低通濾波電路 的截止頻率由電容C8-1，C9-1和電阻R8-1，R9-1決定，并且取C8-1與C9-1的電容值相同， R8-1與R9-1的電阻值相同，見圖5。使用的放大器為運(yùn)算放大器0P275，該放大器精度比較 高而價(jià)格比較低。二階低通和二階高通電路均采用同相輸入的有源濾波電路，帶通濾波的 通帶范圍是300Hz-10kHz，由于電子耳蝸使用者需要的主要語(yǔ)音信息是300-3400HZ，因而 該通帶能包含語(yǔ)音的主要信息，并且該通帶范圍不包括50Hz工頻，減少了設(shè)計(jì)50Hz限波器的復(fù)雜性。二級(jí)放大采用了運(yùn)算放大器0P275，采用反相輸入方式，使用外接滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié) 增益，放大倍數(shù)為1-8. 7倍。一級(jí)儀表放大與二級(jí)運(yùn)算放大均采用從負(fù)相端輸入信號(hào)，正相 端接地的連接方式，基準(zhǔn)電壓為0。經(jīng)過二階帶通濾波后的信號(hào)經(jīng)過電阻RlO連到放大器 (A3)的反向輸入端，而由固定電阻R12與滑動(dòng)變阻器RV2來(lái)對(duì)二級(jí)增益調(diào)整以達(dá)到合適的 放大倍數(shù)。另外芯片電源管腳使用旁路電容進(jìn)行濾波，信號(hào)輸出端進(jìn)入U(xiǎn)SB聲卡之前使用 了信號(hào)磁珠(M1-1 M4-1，M1-2 M4-2和M6，M7)來(lái)濾除噪聲，見圖6。放大器芯片除了 使用旁路電容外，還使用電源磁珠來(lái)減少電源的高頻噪聲，調(diào)理后的信號(hào)在輸入U(xiǎn)SB聲卡 前加了信號(hào)磁珠以減少紋波干擾。USB聲卡用于完成A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的USB高速通訊，選用了創(chuàng)新Audigy2NX外 置USB聲卡，TP麥克風(fēng)模塊采集的聲音信號(hào)經(jīng)過硬件調(diào)理電路放大和濾波后由USB聲卡的 Line 口進(jìn)入，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后通過USB傳輸方法到達(dá)計(jì)算機(jī)用于后續(xù)算法研究。所采集的 多路數(shù)據(jù)可以通過選取其中幾路，并結(jié)合調(diào)整延遲，權(quán)重，角度以及融合其他語(yǔ)音增強(qiáng)的方 法來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音增強(qiáng)，不同的通路選取和組合可勇于研究適合于不同噪聲環(huán)境的情況。 電源部分用于提供給放大器芯片和麥克風(fēng)模塊提供電源。電源部分中使用適配器 提供5V直流電源(對(duì)于便攜應(yīng)用使用電池直接進(jìn)行直流供電)，然后經(jīng)過雙電源輸出模塊 提供+12V和-12V電壓給放大器芯片，所選用的能同時(shí)提供+12V和-12V電壓的電源模塊 是NR5D12，該電源模塊內(nèi)部帶穩(wěn)壓電路，具有紋波低的特點(diǎn)，見圖7。適配器提供的5V電壓通過TI公司的基準(zhǔn)電壓芯片REF2912產(chǎn)生1. 25V的精確穩(wěn) 定電壓來(lái)滿足麥克風(fēng)模塊的需要，該芯片通過二極管反向?qū)妷旱姆绞疆a(chǎn)生基準(zhǔn)電壓， 外部只需要一個(gè)電容濾波即可，電壓紋波非常低。同時(shí)芯片封裝很小，符合本次設(shè)計(jì)對(duì)體積 和電壓穩(wěn)定性的要求。由于麥克風(fēng)模塊對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求很高，所以REF2912產(chǎn)生1.25V 的電壓沒有直接給麥克風(fēng)供電，而是通過了一個(gè)由兩個(gè)阻值為4. 53k和15. 4k的電阻通過 串接，電阻之間與地再跨接一個(gè)22uF的電容構(gòu)成電壓調(diào)理電路，然后再給麥克風(fēng)供電，見 圖8。整個(gè)采集和調(diào)理電路還通過使用鉭電容等作為旁路電容和磁珠等來(lái)組成電源濾 波，并進(jìn)行覆銅以及用屏蔽盒包裝電路等方式來(lái)降低噪聲干擾。
權(quán)利要求
一種電子耳蝸前端指向性語(yǔ)音增強(qiáng)的預(yù)處理系統(tǒng)，其特征在于是一種基于雙TP型微型麥克風(fēng)的電子耳蝸前端指向性語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)用的預(yù)處理系統(tǒng)，所述預(yù)處理系統(tǒng)包含雙TP型微型麥克風(fēng)，預(yù)處理電路以及供電電路，其中雙TP型微型麥克風(fēng)，包括一個(gè)全向性TO微型麥克風(fēng)和一個(gè)指向性TD型麥克風(fēng)，并共用一個(gè)采集聲管、電源和接地連接，具有兩個(gè)聲音端口和下述四條連接導(dǎo)線電源線，全向性信號(hào)輸出線，指向性信號(hào)輸出線和地線，所述雙TP型麥克風(fēng)模塊采用兩個(gè)采集聲管且管端口的位置方式為12S/9S的麥克風(fēng)組成麥克風(fēng)陣列，系統(tǒng)允許采集到四路信號(hào)，標(biāo)記為[K1，K2，K3，K4]，其中K1代表MIC11，即第一個(gè)MIC全向輸出；K2代表MIC12，即第一個(gè)MIC指向輸出；K3代表MIC21，即第二個(gè)MIC全向輸出；K4代表MIC22，即第二個(gè)MIC指向輸出；所述四路信號(hào)的組合方式依次為[1，1，0，0]，
，[1，0，1，0]，
，[1，0，0，1]，
，其中[1，1，0，0]，
為僅使用其中一個(gè)麥克的全向輸出和指向輸出，這兩種方式所采集的信息少，形成的極性圖簡(jiǎn)單，而[1，0，1，0]為采用兩個(gè)MIC的全向輸出端，
為采用兩個(gè)MIC的指向輸出端，通道選通電路用于選通四路采集信號(hào)的某幾路信號(hào)后于后續(xù)處理；預(yù)處理電路，包括由儀表放大器AD624(A1-1)組成的一級(jí)放大，由運(yùn)算放大器OP275(A2-1)構(gòu)成的二階高通和二階低通電路組成的帶通濾波電路，由運(yùn)算放大器OP275(A3-1)組成的二級(jí)放大電路，其中儀表放大器AD624(A1-1)，連接了外接的滑動(dòng)變阻器，所述的滑動(dòng)變阻器的兩端分別連放大器(A1-1)的100倍管腳和RG2管腳，所述雙TP型微型麥克風(fēng)采集的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后經(jīng)過濾波電容(C1-1)輸入到所述儀表放大器AD624的反向端，電源電壓V0經(jīng)過磁珠和電容進(jìn)行濾波，供電電壓有+12V和-12V；帶通濾波電路，由運(yùn)算放大器OP275(A2-1)構(gòu)成的二階高通和二階低通電路組成，二階低通和二階高通電路均采用同相輸入的有源濾波電路，其中，二階高通濾波電路還包括電容C6-1、C7-1和電阻R2-1、R3-1、R4-1、R5-1，該二階高通濾波電路的高通截止頻率由所述電容C6-1、C7-1和電阻R2-1、R5-1決定；二階低通濾波電路包括電容C8-1、C9-1和電阻R6-1、R7-1、R8-1、R9-1，該二階低通濾波電路的截止頻率由所述電容C8-1、C9-1和電阻R8-1、R9-1決定；二級(jí)放大采用運(yùn)算放大器OP275(A3-1)，通過從負(fù)相端輸入信號(hào)、正相端接地的連接方式構(gòu)成，使用外接滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)增益，經(jīng)過二階帶通濾波后的信號(hào)經(jīng)過電阻R10連到放大器的反向輸入端，而由固定電阻R12與滑動(dòng)變阻器RV2來(lái)對(duì)二級(jí)增益調(diào)整以達(dá)到合適的放大倍數(shù)；供電的電源部分，采用適配器提供5V直流電源；然后經(jīng)過雙電源輸出模塊提供+12V和-12V電壓給相關(guān)的放大器芯片，1.25V的電壓是由基準(zhǔn)電壓芯片REF2912產(chǎn)生并通過了一個(gè)由兩個(gè)阻值為4.53k和15.4k的電阻通過串接，所述兩個(gè)電阻之間與地再跨接一個(gè)22uF的電容構(gòu)成電壓調(diào)理電路給麥克風(fēng)模塊的電壓端供電。
全文摘要
一種電子耳蝸前端指向性語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)，屬于人體生理信號(hào)處理領(lǐng)域，其特征在于，含有兩個(gè)TP型微型麥克風(fēng)模塊組成的麥克風(fēng)陣列，系統(tǒng)包括前置放大電路、帶通濾波電路、后級(jí)放大電路、USB外置聲卡構(gòu)成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和分別為整個(gè)系統(tǒng)芯片及麥克風(fēng)供電的電源電路及紋波穩(wěn)壓調(diào)理電路。本發(fā)明使用同時(shí)具有全向性和方向性采集的小間距的TP微型麥克風(fēng)模塊，對(duì)電子耳蝸前端語(yǔ)音進(jìn)行增強(qiáng)并用于研究提高言語(yǔ)識(shí)別率的算法。
文檔編號(hào)G10L21/02GK101807404SQ201010117648
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者關(guān)添, 宮琴, 陳又圣 申請(qǐng)人:清華大學(xué)