數(shù)字助聽器語音處理核心算法研究.pdf

1、在聽損患者的聽力矯正治療中,佩戴助聽器是最簡單有效的方法。傳統(tǒng)的模擬助聽器通過硬件電路放大聲音,雖然提高了語音信號的響度,但并不能彌補患者缺失的關鍵頻率分量,在這種情況下,患者雖然能夠聽到聲音卻仍然不能理解語言。先進的數(shù)字助聽器通過麥克風陣列采集語音信號,利用DSP芯片實現(xiàn)實時語音處理算法,對患者缺失的聽力進行個性化、智能化的補償與矯正,以提高患者對語言的可懂度。
　　 本文回顧了數(shù)字助聽器語音處理算法的研究歷史與背景,介紹了數(shù)

2、字助聽器軟硬件方案,指出了數(shù)字助聽器語音處理算法中的熱點和難點,并在深入探索聽損患者聽力缺失特點的基礎之上,針對聽力矯正的需求研究了數(shù)字助聽器語音處理核心算法,取得了一些研究成果,包括:
　　 1、提出了符合人耳聽覺特征的數(shù)字助聽器非等寬子帶濾波器組多通道響度補償算法。由于傳統(tǒng)的多通道響度補償算法基于等寬濾波器組設計,并不符合人耳聽覺特征,本文提出一種基于非等寬子帶濾波器組的多通道響度補償算法。該算法根據(jù)耳蝸濾波器特點,在Bar

3、k域分割子帶,對于人耳關注的語音段信號采用較窄的子帶分割,而在對語言理解貢獻不大的高頻段采用較寬的子帶分割。在各子帶內(nèi),該算法根據(jù)患者的聽力測試結(jié)果和信號聲壓級確定響度補償增益。仿真實驗證明基于非等寬子帶濾波器組的多通道響度補償算法在不增加計算量的基礎上能夠更精細地調(diào)節(jié)各子帶的補償能量,提高患者對語言的理解能力。
　　 2、根據(jù)相鄰頻帶之間無混疊并且濾波器組在整個頻帶范圍內(nèi)頻率響應平坦的完美重構(gòu)條件,推導了非等寬濾波器組分析濾波

4、器和綜合濾波器設計方法,并通過八通道子帶濾波器組仿真實驗驗證了完美重構(gòu)濾波器組的性能。
　　 3、提出了加權(quán)次梯度投影自適應系統(tǒng)估計算法。自適應系統(tǒng)估計經(jīng)典算法有NLMS算法、RLS算法和仿射投影AP算法等。在這些算法中,NLMS算法雖然計算量小,但是收斂速度非常慢;RLS算法收斂速度快,但是計算量巨大;AP算法雖然綜合了兩者的優(yōu)點,但是其使用的投影算法很難定義。最近提出的次梯度投影算法用次梯度投影取代了精確的投影,只要代價函數(shù)

5、是凸函數(shù),都可以在計算量不大的情況下快速地收斂。本文在前人研究的基礎之上,提出了一種新的加權(quán)次梯度投影算法,利用待估計路徑的先驗知識,修改算法按指數(shù)規(guī)律下降。仿真實驗證明,該算法在已有部分信道先驗知識的前提下取得了優(yōu)異的收斂速度和收斂精度。
　　 4、提山了基于加權(quán)次梯度投影的數(shù)字助聽器回聲消除方案。數(shù)字助聽器的回聲損害系統(tǒng)硬件和患者殘余聽力,最有效的解決方法是估計出外界回聲路徑和回聲信號,并將其從系統(tǒng)輸入中減去。本文研究了帶預

6、濾波單元的數(shù)字助聽器回聲估計方法,首先通過預濾波單元消除輸入信號和輸出信號的相關性,然后通過加權(quán)次梯度投影算法自適應地估計外界回聲路徑,最后將回聲估計信號從系統(tǒng)輸入中減去,以達到消除回聲的目的。通過對白噪聲和真實語音片段作為輸入的仿真實驗證明,算法對于不同長度的回聲路徑都取得了優(yōu)良的估計性能,有效消除了系統(tǒng)回聲。
　　 5、在時延估計和聲源定位算法的研究基礎之上,結(jié)合自適應波束形成算法,本文提出一種適用于數(shù)字助聽器的方向性語音增

7、強方案。利用麥克風陣中不同陣元空間位置的不同,結(jié)合聲源定位和波束形成算法,方向性語音增強技術可以在非平穩(wěn)噪聲和干擾聲環(huán)境中提高信噪比和信干比,進而提高言語可懂度。時延估計算法估計麥克風陣各陣元之間的時延差,該時延差異結(jié)合陣列的兒何知識就可以計算出聲源的空間位置,是聲源定位問題的核心。本文研究了一種基于特征值分解和并行次梯度投影的自適應PSP-AED時延估計算法,該算法可以在房間共振和噪聲的環(huán)境下對聲源至各麥克風的傳播路徑進行估計,進而估

8、計出麥克風陣元之間的時延差。仿真實驗證明,相比較基于互相關的GCC時延估計算法和NLMS自適應估計算法,PSP-AED算法的收斂速度和精度都得到提高,對噪聲的魯棒性能好。在時延估計算法獲得目標聲源的空間位置的情況下,方向性語音增強方案結(jié)合自適應MVDR、GSC、LCMV和零陷LCMV波束形成器將波束方向指向目標聲源,抑制干擾聲和噪聲。仿真實驗證明在無共振和有共振環(huán)境下,該方案都取得了信干比的提升。
　　 綜上所述,本文針對聽損患

9、者的聽力缺失特點,研究了以提高言語可懂度為目的的數(shù)字助聽器語音處理算法。由于應用的特殊性,對該領域的研究目前國內(nèi)外都還處于起步階段,存在一些需要進一步深入研究的問題,例如體積尺寸微型化對麥克風陣信號采集和語音處理算法的影響、漢語或其他語言特征對聽損患者理解語言的影響、聲物象識別及聲場景重建研究等。對這些問題的進一步研究,將提高數(shù)字助聽器語音處理算法性能,促進數(shù)字助聽器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,提高聽損患者的聽力矯正水平,改變我國在康復治療領域的落后現(xiàn)