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电子耳蜗语音处理电路设计与实验研究

2020-12-02阅读(302)

电子耳蜗语音处理电路设计与实验研究

论文摘要

电子耳蜗是一种利用微电子技术使失聪患者恢复听觉的神经电刺激装置,受到临床医学、神经工程及康复工程界学者的高度重视。电子耳蜗的体外语音信号处理电路是其关键组成部分之一,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部分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。本课题在分析人体听觉器官生理结构、电子耳蜗语音信号处理及相关关键技术的基础上,设计了电子耳蜗体外语音处理电路。该电路使用数字信号处理器芯片TMS320VC5402构建了语音处理模块,以音频芯片TLV320AIC23设计了语音信号采集模块,采用无线数传芯片nRF2401A设计了信号发射模块,并设计了其它相应外围模块。其中,数字信号处理器作为核心器件,在进行语音信号处理的同时,还通过多通道缓冲串行口、复用主机接口等接口管理控制这些功能模块电路的初始化及其工作状态设定。在硬件设计基础上,本课题提出了一种基于连续间隔采样CIS方案和连续可变斜率增量调制CVSD算法的新型语音信号处理方案,该方案在完成普通CIS方案频带划分及声-电转换功能的同时,能以较小的语音质量损失获取较大的压缩率以便于无线数据的传输。最后在DSP开发代码设计工作站CCS软件环境中,实现了相应的语音信号处理,使处理信号成为能够提供给体内刺激器语音信息的信号。在语音信号采集、处理、发射各功能模块设计的基础上,针对其小体积的要求,对电子耳蜗体外语音处理电路进行了PCB整体布局上的优化设计,使其达到了基本的便携要求。同时,以电子耳蜗语音处理电路中上述功能模块所要求达到的性能指标为依据,设计了相关的测试方案,分析了实验要点,解决了实验过程中的问题,并对测试结果进行了讨论。结果表明:本课题电子耳蜗语音处理电路可以完成对语音信号的采集、对信号进行分组滤波、编码压缩和量化以进行声电映射、打包组帧及无线发送的功能,达到了电子耳蜗语音处理电路功能上的基本要求。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  • 1.1 电子耳蜗简介
  • 1.2 电子耳蜗的发展历程和应用现状
  • 1.3 课题意义及主要研究内容
  • 1.3.1 课题的目的和意义
  • 1.3.2 本课题主要研究内容
  • 1.3.3 本论文的结构
  • 2 电子耳蜗的关键技术
  • 2.1 听觉系统的基本结构
  • 2.1.1 人耳结构
  • 2.1.2 耳蜗与毛细胞
  • 2.1.3 听觉的产生及其编码模式
  • 2.2 电子耳蜗的功能组成
  • 2.3 电子耳蜗关键技术研究进展
  • 2.3.1 语音信号处理方案
  • 2.3.2 语音信号传输研究进展
  • 2.3.3 其它关键技术研究进展
  • 3 电子耳蜗语音信号处理方案
  • 3.1 语音信号的基本知识
  • 3.1.1 语音信号的产生与特点
  • 3.1.2 语音信号的时频域分析
  • 3.2 CIS-CVSD 语音处理方案
  • 3.3.1 CIS 语音处理方案
  • 3.3.2 CVSD 算法原理
  • 3.3.3 本课题语音处理方案
  • 4 电子耳蜗语音处理硬件电路设计
  • 4.1 硬件系统总体设计思路
  • 4.2 数字信号处理器简介
  • 4.2.1 TM5320VC5402 性能简介
  • 4.2.2 TM5320VC5402 接口应用
  • 4.3 语音信号采集模块电路设计
  • 4.3.1 TLV320AIC23 简介
  • 4.3.2 语音采集电路设计
  • 4.4 数据发射模块电路设计
  • 4.4.1 nRF2401A 简介
  • 4.4.2 数据发射电路设计
  • 4.5 外围模块电路设计
  • 4.5.1 电源管理电路设计
  • 4.5.2 时钟电路设计
  • 4.5.3 程序存储电路
  • 4.5.4 仿真接口电路
  • 4.6 电子耳蜗语音处理电路PCB 设计的注意事项
  • 4.6.1 数模混合信号PCB 设计
  • 4.6.2 信号终端匹配设计
  • 4.6.3 RF 无线射频电路PCB 设计
  • 4.7 硬件总体布局设计
  • 4.7.1 电路原理图
  • 4.7.2 实物图
  • 5 电子耳蜗语音处理电路软件设计
  • 5.1 DSP 程序的软件开发
  • 5.1.1 DSP 程序的软件开发工具
  • 5.1.2 公共目标文件简介
  • 5.1.3 DSP 程序开发语言的选择
  • 5.2 系统软件总体设计思路
  • 5.3 DSP 及周围器件的初始化
  • 5.3.1 TMS320VC5402DSP 的初始化
  • 5.3.2 TLV320AIC23 的初始化
  • 5.3.3 nRF2401A 的初始化
  • 5.4 CIS 结合CVSD 的语音编码方案的软件实现
  • 5.4.1 CIS 处理方案的设计
  • 5.4.2 CVSD 编码的设计
  • 5.4.3 数据组帧发射的设计
  • 6 电子耳蜗语音处理电路功能的实验测试
  • 6.1 语音采集测试
  • 6.2 滤波器组划分通道实现的测试
  • 6.3 RF 射频模块发射测试
  • 6.4 CVSD 编解码测试
  • 6.5 整体设计方案测试
  • 7 总结与展望
  • 7.1 总结
  • 7.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  • 附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录

    • 相关论文文献

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