|
|
发表于 2019-10-9
|
|阅读模式
面向听力补偿应用的新一代多媒体无线音频系统研究
1 引言
无线调频技术（frequency modulation,FM）是目前发展最为成熟、应用范围最广、成本最低的无线技术之一。在技术应用上，大部分无线耳机、一部分无线音箱、无线话筒等采用的是FM技术。一 般将助听器和植入装置以外的助听设备称为辅助听觉装置（assistive listening devices,ALDs）,包括感应线圈系统、硬连线系统、红外线系统、FM系统等。FM调频系统的主要功能是将声源以无线方式传递给听障者，聋校教学，以改善信噪比。这种辅助听觉装置的实现方式一般为声音信号被麦克风拾取，然后以无线电调频为载波传递给听障者使用的接收器。
之所以在听力辅助产品中采用FM技术，是因为FM技术存在着以下优点：①它的传输距离较远，普通产品可以达到二三十米的距离，在改变发射功率和接收天线灵敏度后还可以增加距离；②FM可以实现“广播式”连接，即只要调至相同频率后一个发射机可以匹配多个接收机，比较适合教学使用；③FM技术穿透能力强，即便是有墙壁的阻挡也不成问题，适合于教室、家庭及公共场所应用。
但当前基于FM技术的听力辅助设备也存在一些缺点：①当前听力辅助设备采用的FM信号保密性不强，低段70～108 MHz频率的FM信号用收音机就可以捕获。而如果采用高频段保密性将有较大提高；②随着无线技术的发展，生活水平的提高，以及人们不断增长的听觉需求，对音质的要求也越来越高，受到传输带宽的限制，当前听力辅助装置中的FM无线技术普遍音质不佳，最高22 kHz的采样率被称之为“收音机音质”；③当前采用的FM无线技术易受到干扰、出现串频等现象，稳定性欠佳。传统无线调频系统提供不足50 dB的信噪比，也远远不能满足听力障碍者的需求。事实上，从FM技术在听力辅助产品中的应用可以看到，由于市场的从属地位，FM的发展及创新基本是由助听器主流厂商决定的，缺乏市场的竞争力，其结果是FM等产品的研发和应用均明显落后于助听器产品。
本文基于2.4 GHz技术，提出了一种面向听力补偿应用的多媒体无线音频系统。该系统包括发射器与接收器，发射器不仅能够通过麦克风采集声音，还可以用内置的媒体播放器无线发送音频文件中的声音信号，接收器连接在听障者配戴的助听器或人工耳蜗上，可用于教室、家庭、公共场所的听力补偿。保密性好、距离远，音质清澈（12 kHz频宽、CD音质）与传统无线调频系统FM的功能及效果相比，本文提出的新一代多媒体无线音频系统突破性地应用多项技术组合，有效地将高品质的音频信号传输给广大助听器和人工耳蜗使用者，为听障人士提供了更好的学习条件和多样化的生活、娱乐工具。
2 基于2.4 GHz技术的听力补偿无线音频装置
2.4 GHz频段近年来被蓝牙和WIFI等主流无线技术广泛采用，将该频段技术应用于无线音频传输具备很多优点：①传输距离远。2.4 GHz技术已成为很多个人消费电子产品的新解决方案，这主要得益于其传输距离远的特性，对于无线音频传输来说，采用该技术也同样具备该特性，经测试，采用F系列芯片组的本产品，可在目视无障碍前提下、30～80 m的范围内轻松传输麦克风拾音和内置音频文件数据，大大突破了传统FM产品30 m的传输距离；②传输速度快。能更好地保证HDCD等高清音频的高保真传输。采用2.4 GHz频率作为载波，从传输速率来看，目前WIFI技术的理论传输速率已突破108 Mbps；其未来与超宽带技术结合的产品有望实现更快的速度。这样无线音频传输可以突破以往的局限，采用最具保真度的采样频率，从源头上保证音质传输与接收效果，而不再是传统的单声道信号传送；③动态范围广。当前，助听器与人工耳蜗不仅在通道数、运算速度等方面有了长足进步，在
处理声音的频宽方面也从6 kHz拓展到8 kHz，甚至10 kHz或更广。而传统的FM目前还多停留在7 kHz以内，明显滞后于助听器和人工耳蜗的进步。基于这一现状及2.4 GHz技术的优势，多媒体无线音频系统采用的新一代数字平台将音频处理带宽定义在12 kHz，并可以根据助听器和人工耳蜗的发展不断更新应用到产品中，从而让用户享受到更佳的音效、更细腻的音色、更宽广的动态范围，政策法规，尤其满足了对音乐、戏剧聆听有高要求的特定人群；④信号稳定性高，保密性强。 每信道6 MHz的频宽间隔保证了信号的稳定性。同时，该装置可支持点对点和点对多点的多种传输模式，具备多个备选频段，可轻松避开用户担心的干扰频率。
2.4 GHz多媒体无线音频系统发射器工作流程（见图1）：
采用高保真立体声模块，当音频信号输入后被A/D模块转变为数字信号，采样率达到44 kHz以上。目前P2P协议的2.4 GHz无线传输可以达到每秒2 MHz的数据量，超过了CD级音质每秒1.4 MHz的数据量，所以2.4 GHz能做到无损传输；经过数据压缩后在射频单元，以2.4 GHz载波频率发射出去，整体电路简单可靠，功率小，适合教学及个人使用。通过加大功率或外置天线等方式，可提高信号灵敏度，有效增加发射距离，百米以上距离可以轻松实现，不仅能满足室内的需求，更可让用户走出户外。
综合2.4 GHz技术的高保真音质、保密性高、扩展性强、传输距离远等优点，本研究认为这是今后ALDs无线听力辅助产品的发展趋势。
3 面向听力康复教育和训练的无线音频系统
本文提出的无线音频系统是一套完整的面向听力康复教育和训练的多媒体无线音频系统，如图2所示。因此，除实现了基于2.4 GHz技术的听力补偿外，还实现了面向听力康复教育和训练的相关功能，包括麦克风灵敏度调节，语音示范，多媒体课件下载、存储，数据记录等功能。
3.1 自由麦克风灵敏度调节功能
在发射器中，通过对输入声音的前端放大，可以将麦克风灵敏度增益提高20 dB，并让使用发射器的讲课人根据自身声音状况自由调节发射器输出增益，调控设置为1～16级（16级为最大增益），将当前的FM系统信噪比从40 dB提高到65 dB以上，为讲课声音小的教师提供了非常有效的帮助。
3.2 语音示范功能
如同听力正常者学习外语时也会经常借助耳机听取标准发音的示范音一样，听障者在学习语言的时候更应该如此，尤其是学龄儿童，他们在语言学习期接收到的语音信息，将是他们学习的基础和范本。中国地域广阔，方言种类繁多，虽然在听障儿童教学时都要求采用标准的普通话教学，但事实上大部分教师没有经过严格的训练，自身的普通话不标准，很大程度上影响了教学，再加上缺乏教学手段，简单靠教师提高说话响度是不能解决问题的。因为虽然教师声音大，但并不能保证儿童听见和听清楚了。为此，在信号源方面，除了发射器原有的麦克风输入外，耳病预防，增加了数据记录功能、媒体播放功能和数据存储单元，把标准化的音频文件变为可重复性的操作，排除了人为因素可能造成的失误，为语音教学达到了良好的示范效果。
3.3 数据记录功能
可以将会议、讲话、教师讲课等重要内容同步录音，并可反复播放收听和作为电子文档存至电脑。语音教学的实时动态记录更符合教学管理的要求。媒体播放功能:可将电子音频文件从电脑下载至发射器，也可以预先制作音频课件，把音频课件的电子格式存至发射器，任意选择相应音频文件作为上课内容播放，大大降低了教师的工作强度；成年人可以自己选取数字音频文件随机播放，并可编辑文件，全面满足学习、娱乐等不同生活情境的听觉体验活动。为老年人设计的版本还提供独立的收音机功能，让使用者无需外接更多音频设备就能够实现需求。
3.4 教学标准化功能
与语言的标准化教学机构合作，将正版教学内容集成到多媒体无线音频系统中，做到标准化，减少因个人原因造成的失误；同时减轻了教师的工作压力，把更多精力放在矫正和监听教学的效果上，提高教学效率和质量。毕竟一个人的精力是有限的，通过标准化的工作可节约大量人力。把主要精力放在制作标准化教学课件（语音课件）和矫正发音上面，将对语言教学起到事半功倍的效果。
4 结论
本文提出了一种新型的面向听力补偿应用的多媒体无线音频系统。该系统基于2.4 GHz技术设计开发了无线传输装置，并根据听力康复教育和训练的需要实现了数据记录、媒体播放、语言教学等功能。相比当前的基于FM的听力补偿产品，本文提出的系统具有信噪比高，传输距离远，适合室内、室外教学，宽动态范围等音频信号处理，高保真音效等优点。
为满足听障者的需求，还需不断完善无线音频系统的功能，如减小接收器体积，延长使用（供电）时间，发射器与接收器双向交流的实现，根据需要多频率综合使用，兼容蓝牙等多种类无线产品应用。在生活场景中，使之有更广泛的应用空间，如会议系统、公众场所的广播系统等，都是下一阶段需要完成的工作。 |
|
