使用STM32 与音频IC 进行的音频检测

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音频检测在机加工，玻璃切割方面，有很大的用途。比如声音随着切割深度的不同，而发出不同的频率。

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电子耳蜗音频信号处理系统设计
电子耳蜗是一种利用微电子技术模拟人类听觉周围神经系统，将体外语音信号经
过一系列处理，转化成弱小的电流脉冲，将此电流脉冲发送至耳内预装的有限个电极
上，进而刺激和激发聋人患者耳内残留的听觉神经以达到重现耳聋患者听觉感觉机制
的一种装置。系统的核心电路之一为体外语音信号处理电路，其主要功能是利用声电
换能装置将声音信号转化为可以用来刺激人耳听神经的电信号。国内在电子耳蜗研究
方面起步较晚，包括体外语音处理电路在内的电子耳蜗关键技术有待进一步完善。本
课题对电子耳蜗体外语音处理电路的研究，有助于提高电子耳蜗的国产化水平，造福
于2000多万深度耳聋患者，产生巨大的社会效益和经济效益。

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本课题在对人体听觉机理理解的基础上，研析目前现有的人工耳蜗语音处理算法
以及其他相关技术上，设计了本系统中的电子耳蜗体外硬件处理电路。结合系统需求，
语音信号处理模块采用TI定点数字信号处理芯片TMS320C5515来实现，信号采集
模块采用TI音频编解码芯片TLU320AIC3204来实现，系统控制芯片采用STM32F 103
实现，采用射频线圈构建信号发射模块，并设计了外围电路模块，数字信号处理模块
作为本系统核心模块。本课题在分析研究基于特征提取和滤波器组的语音信号处理算
法的基础上，最终采取了频谱最大值处理方案一SMSP C spectral maxima sound
processor)，该语音算法既保证了语音信号的包络又降低了射频发射的功耗。最后在
DSP软件开发环境CCS中，实现了相应的语音信号处理。DSP将处理后的语音信号
发送至MCU端，MCU根据射频协议将语音信号再次处理后将语音信号转换成为能
够提供给体内刺激器语音信息的信号。

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在语音信号采集、处理、发射各功能模块设计的基础上，按照系统功能以及测试
需求对体外语音处理电路进行PCB整体设计。同时，根据各模块以及整体系统所要
达到的的性能，设计模块及整体系统的测试方案，分析数据，并在实验台上进行验证，
最终进行临床实验。结果表明，系统达到设计要求，各模块功能正确，具备临床实验
条件。根据首次临床实验现象进一步对系统软件进行优化，再次临床实验时，患者首
次听音能听清约30%}40%，通过重复训练能听清60%}70%，并且实验中患者反映系
统噪声可以接受。
本课题所设计的电子耳蜗音频信号处理系统能够重现耳聋患者听觉感觉机制，并
且临床效果较好，进一步提高了人工耳蜗的国产化水平，有效地改善听觉残疾者的生
活和工作。

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扰，有效的语音信号与外界噪声混合后很难在信号传输过程中通过调制解调来纠正传
输错误，导致信息传输失真。数字信号可以通过各种调制解调技术纠正传输过程中产
生的错误，因此为了提高语音信号在传输过程中的抗干扰能力，一般将模拟信号以一
定的采样周期进行采样使其进行离散化。在进行离散化的时候为避免信号的失真，对
采样周期的选取有一定的要求，应根据奈奎斯特采样定理来确定【‘习。对离散化的语音
信号进行数字信号处理就包含高频信号预加重处理、分帧处理、短时傅里叶变换等。
由于人体发声器官的影响，语音信号的频谱在高频部分成分相对于低频部分相对
减少，其能量相对于低频部分也减小了许多，信噪比较低，导致高频信号在传输时逐
渐衰弱，被噪声逐渐淹没，因此在进行语音信号频谱分析时，高频部分信号处理相对
困难。为了提高信号传输质量，首先要对语音信号进行预加重处理。预加重可以增加
高频部分的语音信号能量，改善其信噪比，同时还可以使高频部分信号频谱变得相对
平坦。
语音信号具有很强的时变性，频谱是一个非平稳的过程，受人体发音器官的影响
语音信号在一段时间呈现出周期性信号的特点。因此，在较短的时间内，语音信号的
特征可以认为基本不变。因此，在对语音信号进行处理时常采用分帧处理，即将语音
信号进行分段处理，常用“短时分析”表示。一般，在实际应用中常采取一帧数据时
间长度范围为Sms^} 30ms}19}。分帧的方法是用一个合适的窗函数对语音信号进行截
取。选取多长的语谱与窗函数的周期有关，而选取窗函数的周期又与语音信号的特点
有关。在本系统中将语音信号分为2ms一帧，发送至数字信号处理器内部的DMA中，
DMA可以接收5帧数据，但在信号处理时每次选取4帧数据，即将8ms的数据进行
短时处理。数据处理时前4帧数据与后4帧数据之间有3帧数据时相同的，即系统中
为保证数据的连续性采用帧移1/4的方法实现。
短时傅里叶变换即是对局部平稳信号进行短时分析。其方法是在时域中用窗函数
gU去截取语音信号s(t)，认为截取下来的信号是平稳的信号，在对这段信号进行傅里
叶变换，在不断地改变t的值，去不断地移动窗函数的中心位置，对整个语音信号进
行分析。频谱的分辨率与窗函数选取的长度有关，若要提高频率的分辨率，则必须增
加每一帧信号的采样点数，也就是降低采样时间。其定义可以用下面公式表示:

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3.2语音信号处理方案
3.2.1基于特征提取的语音处理方案
基于特征提取的方案顾名思义就是将语音信号频谱信息中能够代表不同语音的
特征参数提取出来，然后在进行处理，产生微弱的电流脉冲信号去刺激耳蜗内相应的
电极【‘7]。实际应用于电子耳蜗的特征提取方案主要有以下几种:
W)FO/F2方案
FO/F2方案是Cochlear公司为其第一代人工耳蜗Nucleus所设计的语音信号处理
方案。基频信号FO与第二共振峰F2的提取是语音信号先分别通过不同带宽的滤波器，
然后将滤波器的输出分别经过一个过零检测器来实现。用来刺激耳内电极的是微弱的
电流脉冲也即是频谱的能量，因此还需要将上述提取出的F2信号经过一个包络检测
器。F2所代表的频谱信息的能量决定着耳蜗内电极束上哪一个电极接收到微弱的电
流脉冲信号，然后刺激残留的听觉神经[}ao}
C2) FO/F1/F2方案
FO/F2方案在电极刺激上每次只刺激一组电极，电极刺激效率较低。在FO/F2方
案的基础上再提取出语音信号的另外一个共振峰频率F1及其振幅，其方法与FO/F2
提取特征频谱信息一样，只是所选取的带通滤波器不同。共振峰F1, F2的能量分别
对相应电极进行刺激，由于患者耳内电极排列相互之间较近，因此在电极刺激时F1
和F2并不是同步激活两组电极，并且根据带通滤波器的选取以及耳内电极在耳蜗上
的位置，F1, F2所对应的电极分别设置为耳蜗顶部和耳蜗底部，这样就可以最大程
度地避免刺激电极时电极之间的相互影响[fall。该方案相对于FO/F2方案来说电极刺激
率提高一倍，对患者的听音效果也明显提高。其基本原理如图3.3所示。

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使用STM32 与 音频IC 进行的音频检测

使用STM32 与音频IC 进行的音频检测