适用于助听器的语音信号转换系统及语音信号处理方法

技术领域

本发明涉及语音处理技术领域，尤其涉及一种适用于助听器的语音信号转换系统及语音信号处理方法。

背景技术

助听器是一种惠及听力障碍人士的一种特殊用途的产品，但是，目前老年人或耳聋患者对市场上现有的助听器较为抵触，经过调查研究发现：市场上效果较好的中高端和高端助听器价格较为昂贵，超出大部分老年人和听力障碍患者的心理承受预期，因此大部分老年人或耳聋患者接触的都是价格较为便宜的中低端助听器，但这类助听器存在芯片结构和算法复杂、语音信号处理效果差等问题，现有的助听器内部配置有较多的电子元件，使得助听器的整体复杂度和尺寸都有所增加，而且增加了信号之间的干扰；同时助听器模数转换器编码产生的偏移还会进一步影响数字语音信号处理的效果，降低了助听器的佩戴舒适度。

发明内容

针对现有技术中存在的助听器模数转换器编码产生的偏移，使得语音信号处理效果差的问题，本发明提供了一种适用于助听器的语音信号转换系统及语音信号处理方法，其结构设计简单合理，可提高语音信号处理效果，提高佩戴舒适度。

为解决上述问题，本发明专利采用以下技术方案：

一种适用于助听器的语音信号转换系统，其包括集成于所述助听器中的语音采集模块，所述语音采集模块用于拾取连续的模拟语音信号，其特征在于，其还包括集成于所述助听器中并与所述语音采集模块顺次连接的语音采集模块、抗混叠滤波模块、可编程增益放大模块、带偏移补偿的模数转换模块、数字音频信号处理模块、语音输出模块；

所述抗混叠滤波模块包括模拟低通滤波器，用于移除采集到的所述模拟语音信号中的高频谐波成分；

所述可编程增益放大器模块用于对所述抗混叠滤波器输出的语音信号的动态范围进行调整，获取调整语音信号；

所述带偏移补偿的模数转换模块用于对所述调整语音信号进行模数转换，获取数字语音信号；

所述数字音频信号处理模块用于对所述数字语音信号进行听力补偿处理和数字信号算法处理，获取离散数字信号序列；

所述语音输出模块用于对所述离散数字信号序列进行数模转换并输出模拟音频信号。

其进一步特征在于，

所述语音采集模块包括麦克风，所述麦克风用于拾取连续的所述模拟语音信号，并将所述模拟语音信号转换为电压信号；

所述语音输出模块包括数模转换器和扬声器，所述数模转换器用于将所述离散数字信号序列转换为所述模拟音频信号，并通过所述扬声器将所述模拟音频信号输出；

所述带偏移补偿的模数转换模块包括二阶三位Sigma Delta调制模块、偏移补偿模块、降采样滤波模块；

所述二阶三位Sigma Delta调制模块采用过采样和量化噪声方法对所述调整语音信号进行整形，并输出高过采样比信号，所述过采样为128倍过采样，所述带偏移补偿的模数转换模块输出的所述数字语音信号用三位补码表示；

所述偏移补偿模块用于对所述二阶三位Sigma Delta调制模块的直流偏移进行补偿，获取补偿信号；

所述降采样滤波模块用于对所述补偿信号进行降采样、滤波，获取所述离散数字音频信号序列；

所述二阶三位Sigma Delta调制模块包括二阶环路积分滤波器、八电平量化器、三位DAC、8-3编码器，所述三位DAC的输入端与所述八电平量化器的输出端连接，所述三位DAC的输出端与所述二阶环路积分滤波器的输出端连接，所述8-3编码器的输入端与所述八电平量化器的输出端连接；

所述二阶环路积分滤波器包括低通滤波器和高通滤波器，所述低通滤波器、高斯高通滤波器分别用于对所述调整语音信号进行低通滤波、调整量化噪声进行高通滤波，获取滤波信号；

所述八电平量化器包括七个比较器，所述比较器用于将所述滤波信号量化为离散电压信号，所述滤波信号为处于负参考电压和正参考电压之间的表示音频信号强度的电压，所述离散电压信号用温度计码表示；

所述8-3编码器用于将所述离散电压信号转换为由三位二进制数表示的补码信号，所述二阶三位Sigma Delta调制模块输出所述补码信号；

所述8-3编码器产生的偏移电平值为-0.5；

一种语音信号处理方法，该方法基于上述适用于助听器的语音信号转换系统实现，其特征在于，所述方法包括：

S1、通过所述语音采集模块拾取连续的模拟语音信号；

S2、通过所述抗混叠滤波模块移除所述模拟语音信号中的高频谐波成分；

S3、通过可编程增益放大器模块用于对所述抗混叠滤波器输出的语音信号的动态范围进行调整，获取调整语音信号；

S4、通过所述带偏移补偿的模数转换模块对所述调整语音信号进行模数转换，获取数字语音信号；即利用偏移补偿模块对由编码产生的偏移进行补偿；

S5、通过所述数字音频信号处理模块用于对所述数字语音信号进行听力补偿处理和数字信号算法处理，获取离散数字信号序列；

S6、通过所述语音输出模块对所述离散数字信号序列进行数模转换并输出模拟音频信号。

其进一步特征在于，

步骤S4、所述带偏移补偿的模数转换模块包括所述二阶三位Sigma Delta调制模块、偏移补偿模块、降采样滤波模块，所述二阶三位Sigma Delta调制模块包括二阶环路积分滤波器、八电平量化器、三位DAC、8-3编码器；通过所述带偏移补偿的模数转换模块对所述调整语音信号进行模数转换，包括：S41、所述二阶三位Sigma Delta调制模块采用过采样和量化噪声方法对所述调整语音信号进行128倍过采样和噪声整形，无失真保留语音信号频谱，同时将噪声频谱搬移至信号频带外；

S42、通过所述偏移补偿模块对所述二阶三位Sigma Delta调制模块的直流偏移进行补偿，获取补偿信号；

S43、通过所述降采样滤波模块对所述补偿信号进行降采样、滤波，获取所述离散数字音频信号序列；

步骤S41中、所述二阶三位Sigma Delta调制模块采用过采样和量化噪声方法对所述调整语音信号进行128倍过采样和噪声整形，包括：S411、利用所述二阶环路积分滤波器对所述调整语音信号进行低通滤波、调整量化噪声进行高通滤波，获取滤波信号；

S412、利用所述八电平量化器对处于负参考电压(-VREF)和正参考电压(+VREF)之间的所述滤波信号进行量化，获取所述离散电压信号，所述离散电压信号以温度计码表示；

S413、利用所述8-3编码器将所述离散电压信号转换为由三位二进制数表示的补码信号[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3]，将所述补码信号作为所述2阶3位Sigma Delta调制器的最终输出；

S414、通过所述三位DAC将以温度计码表示的所述离散电压信号转换为所述两级环路积分滤波器的模拟输入电压信号的一部分。

采用本发明上述结构可以达到如下有益效果：

(1)本申请语音信号转换系统中的模数转换模块为带偏移补偿的模数转换模块，具有偏移补偿功能，其以简单的数字组合逻辑的方式实现编码产生的偏移的补偿，相比于现有的助听器模数转换模块通过配置较多的电子元件对编码产生的偏移进行处理的方式，本申请语音信号转换系统无需配置多个电子元件，大大简化了系统结构，同时提高了语音信号的处理效果及佩戴舒适度。

(2)本申请中带偏移补偿的模数转换模块包括二阶三位Sigma Delta调制模块、偏移补偿模块、降采样滤波模块，结构简单，并以数字电路方式实现，极大提高了电路的稳定性；在使用偏移补偿模块对语音信号进行直流偏移补偿前，采用二阶三位Sigma Delta调制模块对语音信号进行128倍过采样和噪声整形，有利于提高后续补偿效果，在使用偏移补偿模块对语音信号进行偏移补偿后，采用降采样滤波模块对补偿后的语音信号进行降采样、滤波，有效滤除语音信号中的干扰信号，从而大大提高了语音信号的处理效果。

附图说明

为了更清楚说明本发明专利实施例中的技术方案，下面将对本发明专利实施例描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明专利的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明专利实施例的内容和这些附图获得其他附图。

图1为本发明语音信号转换系统的系统结构框图。

图2为本发明语音信号转换系统的二阶三位Sigma Delta调制模块的结构框图。

图3为当输入单频正弦波信号时，采用二阶三位Sigma Delta调制模块对处于负参考电压(-VREF)和正参考电压(+VREF)之间的表示信号强度的连续幅度正弦波信号量化前后对比图。

图4为采用偏移补偿模块前，降采样滤波模块输出的数字离散正弦波信号的频谱图。

图5为采用偏移补偿模块后，降采样滤波模块输出的数字离散正弦波信号的频谱图。

具体实施方式

以下将结合部分实施例，对本发明专利方案进行更详细的描述，所描述的实施例仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部。基于本发明专利中的实施例，在本领域技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明专利的保护范围。

下面结合附图1～5，对本发明专利实施例提供的一种适用于助听器的语音信号转换系统做进一步详细描述。

如图1、图2所示，一种适用于助听器的语音信号转换系统，其包括集成于助听器中且顺次连接的语音采集模块1、抗混叠滤波模块2、可编程增益放大模块3、带偏移补偿的模数转换模块4、数字音频信号处理模块5、语音输出模块6；语音采集模块1包括麦克风，麦克风用于拾取连续的模拟语音信号，并将模拟语音信号转换为电压信号。

抗混叠滤波模块2包括模拟低通滤波器，用于移除采集到的模拟语音信号中的高频谐波成分，防止了采集到模拟语音信号中高频谐波成分(高频谐波成分指模拟语音信号中超过采样频率一半的信号)导致的频谱混叠。

可编程增益放大器模块3用于对抗混叠滤波器输出的语音信号的动态范围进行调整，获取调整语音信号，当输入信号幅度较小时，可编程增益放大器模块3对模拟音频信号进行放大，当输入信号幅度较大时，可编程增益放大器模块3对模拟音频信号进行一定程度的衰减，将输入的语音信号的幅度调整到助听器模数转换器模块合适的输入量程范围内，从而避免了后续带偏移补偿的模数转换模块4的输入信号过载。

带偏移补偿的模数转换模块4用于对调整语音信号进行模数转换，获取数字语音信号，即将模拟的音频信号转换为数字的音频信号；带偏移补偿的模数转换模块4包括二阶三位Sigma Delta调制模块41、偏移补偿模块42、降采样滤波模块43。二阶三位Sigma Delta调制模块41采用过采样和量化噪声方法对调整语音信号进行整形，并输出高过采样比信号，过采样为128倍过采样，带偏移补偿的模数转换模块4输出的数字语音信号用三位补码表示；利用过采样和量化噪声方法对调整语音信号进行整形，将语音调整信号中的噪声提升到高频，从而降低量化电平的数目，并提高模数转换精度；偏移补偿模块42用于对二阶三位Sigma Delta调制模块41的直流偏移进行补偿，获取补偿信号；二阶三位Sigma Delta调制模块41的直流偏移由偶数电平编码引起，偏移补偿模块42的补偿作用有效避免了因偶数电平编码引入的直流偏移；降采样滤波模块43用于对补偿信号进行降采样、滤波，获取离散数字音频信号序列；偏移补偿模块42输出的128倍高过采样比信号进行128倍降采样滤波后转换为数字音频信号处理器所需的低采样率。

二阶三位Sigma Delta调制模块41包括二阶环路积分滤波器411、八电平量化器412、三位DAC 413、8-3编码器414；三位DAC 413的输入端与八电平量化器412的输出端连接，三位DAC 413的输出端与二阶环路积分滤波器411的输出端连接，8-3编码器414的输入端与八电平量化器412的输出端连接；二阶环路积分滤波器411包括低通滤波器和高通滤波器，低通滤波器、高斯高通滤波器分别用于对调整语音信号进行低通滤波、调整量化噪声高通滤波，获取滤波信号；低通滤波器、高通滤波器分别对应低通的信号传递函数和高通的噪声传递函数，当能量主要集中于低频的音频时，通过128倍的高过采样比无失真保留语音信号频谱，同时将噪声频谱搬移到信号频带外，提高模拟信号到数字转换的精度。八电平量化器412包括七个比较器，比较器用于将滤波信号量化为离散电压信号，滤波信号为处于负参考电压和正参考电压之间的表示音频信号强度的电压，离散电压信号用温度计码表示，利用7个比较器将经过环路积分滤波器处理后的麦克风采集到的处于负参考电压(-VREF)和正参考电压(+VREF)之间的表示音频信号强度的电压量化为8个以温度计码表示的离散电压信号，三位DAC 413将温度计码转换为两级环路积分滤波器的模拟输入电压信号的一部分；8-3编码器414用于将8个以温度计码表示的电压信号离散电压信号转换为由三位二进制数表示的补码信号[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3]，二阶三位Sigma Delta调制模块41输出补码信号；温度计码是指二进制数表示时，用1的个数来表示数字的大小。8-3编码器414产生的偏移电平值为-0.5，偏移补偿模块通过数字组合逻辑电路将8-3编码器输出的补码信号右移1位，高位补符号位并扩展为4位后再加1的方式实现对由编码产生的偏移的补偿，偏移补偿模块所实现的方式包括但不限于对N位编码器输出的偏移进行补偿。

一种语音信号处理方法，该方法基于上述适用于助听器的语音信号转换系统实现，其特征在于，所述方法包括：

S1、通过所述语音采集模块1拾取连续的模拟语音信号；

S2、通过所述抗混叠滤波模块2移除所述模拟语音信号中的高频谐波成分；

S3、通过可编程增益放大器模块3用于对所述抗混叠滤波器输出的语音信号的动态范围进行调整，获取调整语音信号；

S4、通过所述带偏移补偿的模数转换模块4对所述调整语音信号进行模数转换，获取数字语音信号；即利用偏移补偿模块对由编码产生的偏移进行补偿；带偏移补偿的模数转换模块4包括二阶三位Sigma Delta调制模块41、偏移补偿模块42、降采样滤波模块43，二阶三位Sigma Delta调制模块41包括二阶环路积分滤波器411、八电平量化器412、三位DAC413、8-3编码器414；通过带偏移补偿的模数转换模块4对调整语音信号进行模数转换，包括：S41、二阶三位Sigma Delta调制模块41采用过采样和量化噪声方法对调整语音信号进行128倍过采样和噪声整形，无失真保留语音信号频谱，同时将噪声频谱搬移至信号频带外；

S42、通过偏移补偿模块42对二阶三位Sigma Delta调制模块的直流偏移进行补偿，获取补偿信号；偏移补偿模块输出的4位带符号补码二进制数经过降采样滤波模块进行128倍降采样滤波后产生20位带符号补码作为带偏移补偿的模数转换器结构的最终输出，并作为数字音频信号处理模块的输入以进行进一步的听力补偿处理和数字信号算法处理；偏移补偿模块实现偏移补偿的方式为通过数字组合逻辑电路将编码器输出的3位补码右移1位，高位补符号位并扩展为4位后再加1的方式；偏移补偿模块包括但不限于对N位编码器输出的偏移进行补偿。

S43、通过降采样滤波模块43对补偿信号进行降采样、滤波，获取离散数字音频信号序列；

步骤S41中、二阶三位Sigma Delta调制模块41采用过采样和量化噪声方法对调整语音信号进行128倍过采样和噪声整形，包括：S411、利用二阶环路积分滤波器411对调整语音信号进行低通滤波、调整量化噪声进行高通滤波，获取滤波信号；

S412、利用八电平量化器412对处于负参考电压(-VREF)和正参考电压(+VREF)之间的滤波信号进行量化，获取离散电压信号，离散电压信号以温度计码表示；

S413、利用8-3编码器414将离散电压信号转换为由三位二进制数表示的补码信号[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3]，将补码信号作为2阶3位Sigma Delta调制器的最终输出；

S414、通过三位DAC 413将以温度计码表示的离散电压信号转换为两级环路积分滤波器的模拟输入电压信号的一部分；

S5、通过数字音频信号处理模块5对数字语音信号进行听力补偿处理和数字信号算法处理，获取离散数字信号序列；数字音频信号处理模块5为现有常用技术；

S6、通过语音输出模块6对离散数字信号序列进行数模转换并输出模拟音频信号。

图3给出了采用上述的二阶三位Sigma Delta调制模块对输入的单频正弦波信号的仿真结果，横轴表示采样点数，纵轴表示幅度，曲线A表示输入的单频正弦波信号，曲线B表示二阶三位Sigma Delta调制器输出的对应编码结果连成的曲线。图中可以看出，二阶三位Sigma Delta调制模块将处于负参考电压(-VREF)和正参考电压(+VREF)之间的表示信号强度的连续幅度正弦波信号量化编码到3位2进制补码表示的数值范围内。

采用上述带偏移补偿的模数转换模块及利用该方法的助听器语音信号转换系统，对输入频率为6000Hz的单频正弦波信号进行了模拟信号到数字域离散数字信号序列的转换，图4为采用偏移补偿模块前，降采样滤波模块输出的数字离散正弦波信号的频谱图，图5为采用偏移补偿模块后，降采样滤波模块输出的数字离散正弦波信号的频谱图，横轴表示频率，纵轴表示幅度，通过图4和图5的对比可以看出，采用本申请带偏移补偿的模数转换模块及利用该方法的助听器系统后，由编码产生的固有偏移被很好的消除，使得最终输出为原始纯净的单频正弦波信号的频谱，从而提高了模拟信号到数字离散信号的转换效果，进一步提高了数字音频信号处理的效果，不仅简化了电路结构，也提高了语音信号的处理效果，提高了患者佩戴舒适度。

以上结合部分具体实施例描述了本发明专利技术的原理。这些描述仅用于说明本发明专利原理，而不能以任何方式解释为对本发明专利保护范围的限制。在图1，2实施例的基础上，还可以根据需求选择所需的语音处理模块，得到其它实施例。基于此处解释，本领域的技术人员在不需要付出创造性劳动即可联想到本发明专利的其他具体实施方式，这些方式都将落入本发明专利的保护范围之内。