基于双TP型麦克风的电子耳蜗前端指向性语音增强系统的研制

　　1　引　　言

　　电子耳蜗是目前唯一使重度聋和全聋患者恢复听力的方法。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[1-2]。提高在噪声环境下电子耳蜗使用者的言语识别率,除了开发有效的言语处理策略外,另一有效的方法就是采用麦克风阵列的方法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,本文采用了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3.61 mm×3.61 mm×2. 59 mm,满足了电子耳蜗前端对信号采集的麦克风尺寸的要求。本系统采用两个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。

　　2　系统平台设计

　　2.1　总体设计

　　系统设计着眼于开发具有实际应用价值的电子耳蜗前端采集系统以便进行指向性语音增强的研究,整个系统的结构框图如图1。选用了Knowles的TP微型麦克风模块,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。其中,一级前置放大电路由仪表放大器AD624及外接滑动变阻器组成,仪表放大器AD624本身有固定的1倍、100倍、200倍、500倍和1 000倍的固定增益的电路连接形式,本电路采用的是在AD624芯片的100倍增益管脚外接一个3 kΩ的滑动变阻器进行调节得到最佳的一级放大倍数,其范围在12~100倍。带通滤波使用了由运算放大器OP275构成的二阶低通滤波器和二阶高通滤波器级联组成,频带范围为300 Hz~10 kHz;二级放大电路由OP275采用差分输入的方式,使用外接电阻调节增益,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。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。整个系统的电源使用适配器提供直流电源(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+12 V和-12 V电压给放大器芯片;而麦克风所需要的1. 3 V精准电压由一基准电压芯片REF2912专门提供。