數(shù)字助聽(tīng)器語(yǔ)音處理核心算法研究.pdf

1、在聽(tīng)損患者的聽(tīng)力矯正治療中,佩戴助聽(tīng)器是最簡(jiǎn)單有效的方法。傳統(tǒng)的模擬助聽(tīng)器通過(guò)硬件電路放大聲音,雖然提高了語(yǔ)音信號(hào)的響度,但并不能彌補(bǔ)患者缺失的關(guān)鍵頻率分量,在這種情況下,患者雖然能夠聽(tīng)到聲音卻仍然不能理解語(yǔ)言。先進(jìn)的數(shù)字助聽(tīng)器通過(guò)麥克風(fēng)陣列采集語(yǔ)音信號(hào),利用DSP芯片實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音處理算法,對(duì)患者缺失的聽(tīng)力進(jìn)行個(gè)性化、智能化的補(bǔ)償與矯正,以提高患者對(duì)語(yǔ)言的可懂度。
　　 本文回顧了數(shù)字助聽(tīng)器語(yǔ)音處理算法的研究歷史與背景,介紹了數(shù)

2、字助聽(tīng)器軟硬件方案,指出了數(shù)字助聽(tīng)器語(yǔ)音處理算法中的熱點(diǎn)和難點(diǎn),并在深入探索聽(tīng)損患者聽(tīng)力缺失特點(diǎn)的基礎(chǔ)之上,針對(duì)聽(tīng)力矯正的需求研究了數(shù)字助聽(tīng)器語(yǔ)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(tīng)覺(jué)特征的數(shù)字助聽(tīng)器非等寬子帶濾波器組多通道響度補(bǔ)償算法。由于傳統(tǒng)的多通道響度補(bǔ)償算法基于等寬濾波器組設(shè)計(jì),并不符合人耳聽(tīng)覺(jué)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(bǔ)償算法。該算法根據(jù)耳蝸濾波器特點(diǎn),在Bar

3、k域分割子帶,對(duì)于人耳關(guān)注的語(yǔ)音段信號(hào)采用較窄的子帶分割,而在對(duì)語(yǔ)言理解貢獻(xiàn)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(tīng)力測(cè)試結(jié)果和信號(hào)聲壓級(jí)確定響度補(bǔ)償增益。仿真實(shí)驗(yàn)證明基于非等寬子帶濾波器組的多通道響度補(bǔ)償算法在不增加計(jì)算量的基礎(chǔ)上能夠更精細(xì)地調(diào)節(jié)各子帶的補(bǔ)償能量,提高患者對(duì)語(yǔ)言的理解能力。
　　 2、根據(jù)相鄰頻帶之間無(wú)混疊并且濾波器組在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)頻率響應(yīng)平坦的完美重構(gòu)條件,推導(dǎo)了非等寬濾波器組分析濾波

4、器和綜合濾波器設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)八通道子帶濾波器組仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yīng)系統(tǒng)估計(jì)算法。自適應(yīng)系統(tǒng)估計(jì)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(jì)算量小,但是收斂速度非常慢;RLS算法收斂速度快,但是計(jì)算量巨大;AP算法雖然綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn),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(jià)函數(shù)

5、是凸函數(shù),都可以在計(jì)算量不大的情況下快速地收斂。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上,提出了一種新的加權(quán)次梯度投影算法,利用待估計(jì)路徑的先驗(yàn)知識(shí),修改算法按指數(shù)規(guī)律下降。仿真實(shí)驗(yàn)證明,該算法在已有部分信道先驗(yàn)知識(shí)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(tīng)器回聲消除方案。數(shù)字助聽(tīng)器的回聲損害系統(tǒng)硬件和患者殘余聽(tīng)力,最有效的解決方法是估計(jì)出外界回聲路徑和回聲信號(hào),并將其從系統(tǒng)輸入中減去。本文研究了帶預(yù)

6、濾波單元的數(shù)字助聽(tīng)器回聲估計(jì)方法,首先通過(guò)預(yù)濾波單元消除輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相關(guān)性,然后通過(guò)加權(quán)次梯度投影算法自適應(yīng)地估計(jì)外界回聲路徑,最后將回聲估計(jì)信號(hào)從系統(tǒng)輸入中減去,以達(dá)到消除回聲的目的。通過(guò)對(duì)白噪聲和真實(shí)語(yǔ)音片段作為輸入的仿真實(shí)驗(yàn)證明,算法對(duì)于不同長(zhǎng)度的回聲路徑都取得了優(yōu)良的估計(jì)性能,有效消除了系統(tǒng)回聲。
　　 5、在時(shí)延估計(jì)和聲源定位算法的研究基礎(chǔ)之上,結(jié)合自適應(yīng)波束形成算法,本文提出一種適用于數(shù)字助聽(tīng)器的方向性語(yǔ)音增

7、強(qiáng)方案。利用麥克風(fēng)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(yǔ)音增強(qiáng)技術(shù)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(jìn)而提高言語(yǔ)可懂度。時(shí)延估計(jì)算法估計(jì)麥克風(fēng)陣各陣元之間的時(shí)延差,該時(shí)延差異結(jié)合陣列的兒何知識(shí)就可以計(jì)算出聲源的空間位置,是聲源定位問(wèn)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(yīng)PSP-AED時(shí)延估計(jì)算法,該算法可以在房間共振和噪聲的環(huán)境下對(duì)聲源至各麥克風(fēng)的傳播路徑進(jìn)行估計(jì),進(jìn)而估

8、計(jì)出麥克風(fēng)陣元之間的時(shí)延差。仿真實(shí)驗(yàn)證明,相比較基于互相關(guān)的GCC時(shí)延估計(jì)算法和NLMS自適應(yīng)估計(jì)算法,PSP-AED算法的收斂速度和精度都得到提高,對(duì)噪聲的魯棒性能好。在時(shí)延估計(jì)算法獲得目標(biāo)聲源的空間位置的情況下,方向性語(yǔ)音增強(qiáng)方案結(jié)合自適應(yīng)MVDR、GSC、LCMV和零陷LCMV波束形成器將波束方向指向目標(biāo)聲源,抑制干擾聲和噪聲。仿真實(shí)驗(yàn)證明在無(wú)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(duì)聽(tīng)損患

9、者的聽(tīng)力缺失特點(diǎn),研究了以提高言語(yǔ)可懂度為目的的數(shù)字助聽(tīng)器語(yǔ)音處理算法。由于應(yīng)用的特殊性,對(duì)該領(lǐng)域的研究目前國(guó)內(nèi)外都還處于起步階段,存在一些需要進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題,例如體積尺寸微型化對(duì)麥克風(fēng)陣信號(hào)采集和語(yǔ)音處理算法的影響、漢語(yǔ)或其他語(yǔ)言特征對(duì)聽(tīng)損患者理解語(yǔ)言的影響、聲物象識(shí)別及聲場(chǎng)景重建研究等。對(duì)這些問(wèn)題的進(jìn)一步研究,將提高數(shù)字助聽(tīng)器語(yǔ)音處理算法性能,促進(jìn)數(shù)字助聽(tīng)器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,提高聽(tīng)損患者的聽(tīng)力矯正水平,改變我國(guó)在康復(fù)治療領(lǐng)域的落后現(xiàn)