科委_骨导终端课题验收研发报告

1、课题：市科技计划项目“、市重点工作及区县应急项目预启动”项目“骨传导语音终端及语训系统研发”课题书课题名称：骨传导语音终端及语训系统研发所属项目名称：、市重点工作及区县应急项目预启动课题委托（甲方）：市科学技术课题承担（乙方）：美通科技发展起止年限：2011 年 04 月至 2012 年 12 月市科学技术二一二年编制研发的格式要求1、研发侧重课题任务的开发方法、技术路线以及取得的研究成果，要求语言简练；2、的密级与课题任务书规定的密级相同；3、文本按 word 格式A4 纸（“页面设置”按 word 默认值）编排、打印、制作。正文内容字体为宋体；字号为小 4 号；字符间距为标准；行距为20

2、磅。目录只编排到二级标题；4、文本第一次出现外文名称时要写清全称和缩写，再出现时可以使用缩写；5、课题可以参考以下大纲，也可根据课题实际情况自行调整；6、正式研发中，删除此模板中所有带括号的内容；7、一般不少于 2 万字，根据课题具体情况而定。1 课题背景1.1 国内外研究开况概述目前，骨传导语音传感技术在国内外均处于研究开发阶段，较成产品军方。只有研制开发了适合正常人使用的骨传导耳机，并装备于但是，由于灵敏度较低不能够满足听障人助听需要，因此主要应用于军事通信。根据查新结果，现将国外进展和一些应用产品如下：只有骨传导耳机产品上市研制的骨传导耳机只适用于正常的人群佩戴。既能够满足听障患者（一般

3、来讲，性听障患者是的人群）的尚未见到产品及相关。通过查新，结论也是没有类似产品。正在开发一种“仿生听觉处理器”。该“仿生听觉处理器”采用了先进的模拟式解决方案。该处理器中采用了 1 块尺寸为 9.23x 9.58mm2 的单（AMI半导体公司 1.5 微米 BiCMOS 组件）。该由麦克风前级电路、自动增益控制电路、滤波器、包探测器、对数模/数转换器和数字输出元件组成，可植入体内。电量消耗较少，可由电量为 100 毫安的电池驱动，最多可进行 1000次无线式充电，使用 长达 30 年。根据初步分析，“仿生听觉处理器”对聋人的效果如何？何时能够？都有待观望。步兵”（FELIN）使用了骨导耳机。法

4、国“装备法国“装备与通信步兵”（FELIN）在声音感知方面，以骨导耳机取代了通常使用与通信的麦克风。这个设备通过士兵头部的骨骼向其传递声音，而不像通常情况下那样通过耳鼓膜接收声波信号。这在异常嘈杂的战场环境中，特别是士兵无法用耳朵正常指令的情况下尤为有效。而声音信号的拾取则是通过独立于头盔的一根头带完成，士兵即便摘下头盔，仍然可以和队友可靠联系。根据查新得到的技术指标分析，该产品仅适用于正常人使用，对聋人无效。国内也有几家企业研究骨传导技术产品。这些都是针对正常人使用的，主要有以下几家：一是，赤那思科技实业。该公司主要研究骨传导耳机，与本公司开发的骨传导耳机有些类似，但是，该公司的产品不能够满

5、足聋人需要。就目前掌握的情况看，赤那思公司侧重于系统集成，缺乏技术，产品品种单一；二是，徐州富通盈精密技术器类产品，其中有针对骨传导耳机开发了。该公司主要开发检测仪振动仪；该公司不发展骨传导耳机和骨传导助的喉结技术开发；三是，市奥智利科技发展。该公司采用传统对讲系统，不具有可比性和可替代性。相比于美通的骨导助语音终端产品，国内外基本处于空白。1.2 研究开发工作的目的、范围和意义1.2.1 本课题开发工作的目的本课题旨在研究颅骨传声机理，突破骨传导语音传感器制造技术；基于骨传导语音技术研制骨传导语音终端及语训系统，在解决听障人辅助问题的同时，帮助听障人恢复语言能力；研究骨传导语音终端设计、制造

6、和检测技术标准，填补国内技术空白；为产品生产、推广和实施提供技术支持。1.2.2 课题开发工作的范围本课题的开发工作涵盖如下几个方面：器件骨喇叭的研发，制造及检测；骨导助终端的技术调研及设计（包括方案调研，电路设计，结构设计和佩戴方式），开发，检测；语训系统的构建，包括研制语训发射机，实现助终端与发射机的匹配及工作模式等；应用示范，包括特殊教育学校的产品推广，语训体系建设等内容。实际上本课题涵盖整个骨导助包括从基础研究到应用推广的的全过程。，现将主要产品的技术说明如下。骨传导语音终端，主要的技术指标达到:主机：输出功率：150mw频率响应：200-4000Hz信噪比：60db失真度：2%调频接

7、收：FM76-87MHz接收灵敏度：50 dB骨耳机：声力灵敏度级：20dB谐波失真：不高于 5%2）语音发射机指标：发射机功率：50mw发射机频率：FM76-87MHz语训系统失真度：5%1.2.3 本课题研究开发工作的意义(1)骨传导语音终端能够帮助听障人感知声音恢复语言能力我国有 2780 多万听障患者，帮助听障患者康复是一项重要民生工程，高科技产品骨传导语音终端的诞生为广大听障患者康复带来了。“十聋九哑”，失聪者失语，欲使失语患者恢复语言能力首先需要解决失聪问题。目前，为失聪佩戴助，是解决失聪的主要方式。助给患者带来会话帮助的同时，也让患者树立了生活的信心，了失聪残疾人的尊严。但是，传

8、统的助并没有从根本上解决失聪问题，更没有解决好失语问题，因此，“哑巴”并没有消除。气导助历史悠久，市场占有率较高。但是，气导助存在以下问题：一是，只适应部分轻度、中度耳聋患者，对于绝大部分重度或极重度听障患者基本无效。对神经性和混合性耳聋患者基本无效；二是，听到不等于听清楚，大部分失聪患者由于传导系统发育不全，或者后天病变引起的缺失等，即便是听到声音也不能够识别，就像敲打一面破锣虽然能够发出声音，但已经失真一样，导致有些患者尽管佩戴了气导助，也听到了声音，但是由于发育不全或缺损，仍然不能够恢复语言功能，因此，目前聋哑学校教学仍然采取手语教学法；三是，气导助的频率响应必须符合的要求，否则听不见或

9、是声音很大。在补偿不合适的情况下，耳机越大，越容易引起昏晕或呕吐等不适应症，然而，验配精准的助几乎是一件十分的事情；四是，只能塞入耳道使用，佩戴方式单一，长时间使用会有感，严重时，会导致耳道炎症，进一步病变。从中医“久听伤耳”的观点看，持久使用气导助会听觉功能，有可能进一步加重下降。对于耳道闭锁的患者气导助无法使用。骨传导语音终端依赖颅骨的振动直接刺激听神经拾取声音，可以绕过听觉，不仅能够确保听到，而且还能够确保不失真，从而有助于患者语言功能的恢复，并从根本上克服传统“气传导”助在使用中的弊端。骨传导语音终端在重度和极重度听障人群中将逐步代替气传导助主流。，成为助听设备的新(2)骨传导语音终端

10、有助于保护市场潜力巨大音频技术是仅次于服务的信息获取技术。信息化建设对服务提出更高要求的同时，也要求音频技术加快发展。传统的气传导耳机话筒组已经制约着信息化建设的步伐，成为很多行业信息化建设的瓶颈。比如，特警在处置突发事件时，既需要保持通信正常，又需要解放耳朵拾取周边声音，因此，需要一种不占用耳道的通信终端，骨传导技术成为特警处置突发事件的必须技术。再如，、直升机、潜艇、油田矿山等高噪音环境中工作的，可以使用骨传导语音终端清楚地接受到设备传来的指令信息。又如，呼叫中心、监控台、部门等特殊行业的从业者，长年累月使用耳机等设备，致使退化甚至耳聋的概率非常大，骨传导语音终端可以帮助他们避免此种情况的

11、发生，有效保护。骨传导语音终端由于具有通话质量高、抗噪音能力强、保护、解放耳朵等特点，已经成为某些特殊行业和领域的必需技术和产品。此外，基于骨导技术还可以开发各种耳机终端，可广泛地应用于、民品市场。随着、CD 机、MP3器等便携式装置大量上市，和多电脑、PDA、电视机的应用，骨传导语音终端都是可以与之结合应用的，对促进信息化建设，保护潜力。具有意义。因此骨传导产品应用面广泛，有巨大的市场(3)骨传导语音终端技术领先有助于建立自有民族品牌目前市场上销售的助主要是气导助，不仅效果较差而且几乎都被德国、美、和丹麦等国外品牌占领着市场，缺少国产民族品牌产品。以通为代表的国内企业研发的骨传导语音终端是一

12、项拥有知识的高科技产品，不仅填补了国内空白，在世界上也处于领先水平。发展骨传导语音终端不仅完全有可能打造一个国产助国际市场。目前，我国还没有骨传导技术的民族品牌，而且有可能占领。通过本课题实施将以美通现有企业标准为基础，加以支持和向国际市场具有重要意义。，形成，对民族品牌走2 研况2.1 课题研发方案综述骨传导语音终端的总体技术方案是通过采用 MEMS 技术实现骨传导语音终端中的骨耳机，并实现小型化和度；利用高性能音频 DSP 实现多种助功能，并利用MIC 和合理的电路设计实现助终端的技术指标；利用发射机与终端的配合，利用 FM 这种无线语音传输方案实现骨导语训系统；利用语训系统在特殊教育学校

13、实现典型应用。研发方案细分为以下几个步骤：（1）研究实现骨导振子的低功耗和度技术通过 MEMS 和精细加工实现骨导振子的低功耗和度。骨振子是一种典型的微型传感器。其主要特点有：体积小、重量轻、耗能低、性能稳定；惯性小、谐振频率高、响应时间短。目前的骨振子的功率比较大，最高功率大于 200mw。如何进一步减低功率，缩小体积，增加骨导助的使用时间是骨导振子的下一步发展方向。具体的技术路线为MEMS 和微细加工。MEMS 技术的发展为压力传感器的发展提供了技术支撑。硅表面微加工压力传感器是 MEMS 的重要研究领域之一。本课题首先对压力传感器的工作原理进行分析,并且总结前期技术的发展。以体积小、灵敏

14、度高、可集成为设计目的,利用牺牲层技术设计压力传感器力敏。用MEMS 技术加工制作的微结构传感器具有微型化、可集成化、阵列化、智能化、低功耗、低成本、高可靠性、易批量生产、可实现多点多参数检测等一系列优点。微细加工的出现和发展早是与大规模集成电路密切相关的，集成电路要求在微小面积的半导体上能容纳的电子元件，以形成功能复杂而完善的电路。电路微细图案中的最小线条宽度是提高集成电路集成度的标志，微细加工对微电子工业而言就是一种加工尺度从微米到纳米量级的制造微小尺寸元器件或薄模图形的先进制造技术。目前微型加工技术主要有基于从半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的硅平面加工和体加工工艺，微细加工工艺方面

15、取得相当大的进展。结合MEMS 和精细加工技术，骨导振子可以在实现和工艺方面继续加强，一方面通过电流效率和降低驱动电压来降低功耗；另一方面通过加工工艺，提度。灵敏度的提高和降低功耗是互补的过程，最终目的是实现小型化和低功耗。（2）研究合理的音频链路设计技术和音频处理方法与一般的助一样，应具有低工作电压、低功耗、小尺寸封装。本产品还有自身的技术参数要求，要求总谐波失真加噪声(THD+N)小、电源变动抑制率(PSSR)高、信噪比(SNR)高、效率高等。更主要的是本产品需要内置数字音量控制和内置 DAC。本产品的技术指标要求高，所以对选型，电路设计包括 PCB 设计的要求很高。因此，技术路线方面需要

16、与国内外知名音频厂商合作，选用高增益，低噪声的放大器；另外采取多种技术提高 THD，包括音频链路的和多层的PCB 设计来降低电路本身噪声，以提高整机指标。音频处理方法采用现代的数字处理技术，能够实现多种功能，如响度控制，频率调节等。音频处理的选型，要能，功耗，指标等多方面的内容，并且要考虑验配等用户调节等需求。(3)研究主机降噪等助功能现代数字助利用数字语音处理实现各种语音功能，包括降噪，频率调整等。主机降噪技术首先是进行数字化，然后通过降噪处理算法及声音路径的分析，借鉴气导助处理思路，提高骨导音频的音质和语音清晰度。另外，要考虑骨导耳机的响应特性，采用技术对骨导音频进行频率控制。另也采取多种

17、降低噪音对骨导耳机的影响，提高骨导听声的舒适度。(4)研究骨传导语训系统技术利用多及无线技术构建骨传导多功能语言训练系统。该骨传导多功能语言训练系统的难点主要是如何让不同类型的听障人听到声音、发出声音以及无线音频传输的音器的实现等。采用骨传导耳机和骨传导麦克可以使不同类型的听障人听到和发出声音；采用多技术和无线射频技术，可以实现音的、和音频的发射和接收等功能。骨传导多功能语言训练系统主要由骨传导麦克、骨传导耳机和带有 2 个无线传输模块的音器组成。其中骨传导麦克将头骨振动发出的音频传送到音音器；骨传导耳机将音器的音频通过头骨传输给使用者；器内有两个无线射频模，一个无线模块负责无线发送，另外一个

18、模块负责无线接收，这样可以实现 1 台音器同时发送和接收音频无线信号，并且能够和音。因为每个音器都有一个无线发送和无线接收模块，所以可以实现1 人多人收听（称为“1 对多”通信）功能和 2 人之间同时（称为“1对 1”通信）等功能。使用该语言训练系统组成的“一对多”系统框图如图 1所示。耳部分应满足一般人群的耳朵大小。目前，骨喇叭主要采用电磁类设计，一般采用线圈作为振动输出，并使用电磁吸合产生振动。由于骨喇叭的驱动需要大电流及高电压，因此提出了供电需求。根据 200mw 的有效值，80 欧的负载计算，其输出信号有效值为 4V，电流为 50ma。这种功率要求已经超出消费电子的音频设计范畴。另外，

19、骨振子是由线圈绕制而成，其负载特性为感性，如何匹配是个问题。经过研究，采用可高压供电的 AB 类模拟功放可满足骨喇叭的匹配要求。骨振子本身的频响特性也很有特点，其响应往往存在着一个峰值。骨振子将峰值设计在语音频点的中心位置，这样照顾到话音的需求，但高频段的振动力度较小，因此需要对其骨振子的输入电信号中的高频部分进行的需求。和优化，也提出了频域调整（2）技术路线技术实现主要依靠工艺调整，结合灵敏度，功耗，体积，可加工型各方面因素，进行优化。目前在 40 欧超声波焊接耳机系列已成熟，下一步往低阻耳机方向发展，可进一步降低工作电压和降低耳机尺寸，实现指标的优化。下面图为型号骨振子的频率响应特性。E1

20、062.2.2 助终端方面：（1）需求分析骨导助终端面向极重度听障，包括校园儿童及社会上重度及极重度人群。结合目前对极重的解决方案，主要依靠输出力度来实现；结合老型号模拟机的经验，要求等效模拟的有效值功率能够达到 200mW。数字骨导助利用语音DSP 实现环境噪声降噪技术 Environment Noise Reduction（ENR），支持输出响度控制 Automatic Gain Control for Output（AGCO）和宽动态范围压缩 WideDynamic Range Compres（WDRC）功能，实现更好的言语清晰度和个性化配置。设计时通过电路与骨导耳机搭配，以满足指标要求

21、。（2）关键调研骨导助的系统框架非常简单，前面是 MIC，中间是信号放大器，后面是骨导耳机。但由于整个系统是串联环节，前级对后级影响很大，因此频率特性和电路噪声控制技术尤其重要，另外在大放大倍数系统中，噪声和会比较严重，系统设计着一些调整。另外，由于采用算法，带来很多功能，也带来一些声音的变化，对助的理解和评价显得尤为重要。从设计的角度出发，需要实现 MIC，音频处理单元的合理选型与设计和骨喇叭的驱动。下面分别从三个方面进行说明。a.MIC 的设计作为助对，选用了的 MIC，选型主要考虑如下要素：灵敏度和 MIC 本底噪声。经过比的某型 MIC，其指标如下。(3)可能，使 MIC 与腔体，如使

22、用橡胶或者材料。b.音频处理单元的设计为更好满足功能需求，采用数字音频处理器作为算法单元。从功能上考虑，应满足如下需求：采用了输出音量的控制机制（AGC-O）。语音处理模块不仅要实现降噪，而且要对当前的使用环境等进行分析，选择合理的处理机制，是本系统的难点。从目前掌握的看，主要有如下的三种参考，一种是 ONSemi，主要是belasigna（如 BS300），Ezario5900 和已编程 DSP 系列，其系统架构如图 1 所示；此种下为 ONSemi 的独家技术，其最大的特点在于算法处理模块为双核，分别是 HEAR 模块与 CFX 模块。HEAR 模块用于实现各种音频的算法，CFX 模块用于

23、系统控制与简单算法处理。ONSemi 利用此种架构，一方面构建了 Ezario5900 的助，另一方面在便携式设备推出了 belasigna，通常可用于智能或者 PDA 的音频处理。另外一种为 SDT hybrid 形式，这种形式已经内置算法，通过参数配置即可使用，比较易用，也是项目目前采用的。活性不高。综合看，ONSemi 的 SDT hybrid 是项目 DSP的首选参考技术，经综合考虑，选用 SB3231作为音频处理器。c.骨导喇叭驱动从电路来讲，还要考虑与骨导喇叭的匹配。目前放大器常见的形态如下图。通过功耗评估，在此评估调节下，单电池升压与双电池降压功耗差距不大，因此采节锂电池对作为系

24、统电源，低压电源均从锂电池对电源变换得到。采用 AVR 编程，通过程序控制各外设的工作，包括 FM，数字电位器的驱动，数字助的控制，开关机控制及音频链路控制等。结构采用公司提供的结构，在此不再赘述。硬件方案如下表。分为控制程序和 SB3231 的配置程序两部分。配置程序用于完成SB3231 的工作模式设置，助完成配置。相关功能设置等，由 ONSemi 的 IDS控制程序为Atmega8a 的单片机程序，为完全独立编写的程序。主程序为初始化，死循环（包括休眠，扫描按键）和 2 个中断程序。初始化模块包括atmege8a 的自身资源初始化，校园和社会版本的判断，模块名输入输出实现方式备注MIC 音

25、频模块6mm MIC2822 的 BTL 方式MIC 直接进入 SB3231， SB3231 进行前置放大和音量调节级放大，后级放大为 2822的放大42db 的音量调节范围，输出为 0dbFS，应对应最大供电电源 1.2V 所对应的 PCM（为 PDM 通过 32K 采样得到），FM 音频RDA5802100mv 左右的模拟音频信号数字 FM输出需要与MIC 混合，混音模 块SB3231 实现音频混合，充电管 理外部充电器 VCCEXT双节锂电池对所需要的VCCBAT 电源充电控制 MOS 管供电管 理锂电池对输出的VCC8V4SB3231 工作所需的 VCC1V2；AVR 及FM 等数字控

26、制所需的 VCC3V3；2822 工作所需要的 VCC8V4_2822均通过LDO 实现;2822 的电源通过磁珠或者电感与锂电池对输出相连详见系统供电树开关机 模块外部按键及 AVR 的自锁信号通过对可控外设的初始化等。中断服务程序包括功能切换程序和充电器检测程序。2.3.3 语训发射机(1)需求分析研究现有的无线传输方案，采用适合教室语训的无线语音通信技术，实现骨传导语音终端配套的语训系统。发射机实现教师的语言、处理、和无线发射。研究语音信息处理，通过语音处理不仅能够保证系统稳，还能够保障语音输出清晰，降低功耗，加强易用性，直观性和便捷性。骨传导语音终端包含无线接收功能，将射频信号还原为语

27、音信号，并经处理后送到骨传导耳机。该还原系统是骨传导语音终端的一部分，与助系统共同骨导助终端。通过接收语训发射机的信号，产生学生与教师的互动进行语言训练，从而实现语训系统的功能和效果。数字发射机主要用于老师日常授课。为此需要实现的功能有：校园频段的发射频率。足够的，可以保证教室内无死角。发射频率可调，可显示。USB 充电。电量显示，自动关机等。外观小巧美观。需求实现方式：模块名称包含内容实现方法备注SB3231 控制程序器选择；AGCO 控制GPIO；I2CRDA5802 控制程序初始化；搜台，休眠，音量调节等I2C按键程序（不包括电源）0（切换按键）中断；实现按键扫描等;分支中断；GPIOL

28、ED 指示程序用于指示系统目前的状态GPIO；电源管理程序包括开关机程序；充电器中断等；GPIO；中断；用户设置程序用于用户的 FM 音量设置，AGCO 设置，用户使用的社会版本还是校园版本；E2PROM采用 FM 发射模块，已经过测试，发射频率，都可以满足要求。显示方面采用 ATMEGA8 单片机配合 OLED 屏结合人机接口实现。单片机与 FM 发射模块采用 I2C 连接，3.3v 系统可以直接对接。（2）总体设计依据需求分析，控制器件使用微处理器（ATMEGA8）来实现对各个模块的控制，实现所需的功能。FM 发射采用锐迪科微电子的收发一体RDA5820接近时可到100dbuv，能够满足1

29、5m 内无死角的要求(15m 内有 40dbuv 的场强)。由于气 MIC 的输出比较小，采用常用的音频前置放大管 9014 作为 mic 放大器，能够满足 RDA5820 对音频输入信号的要求，调整相应电阻可实现放大倍数可调。采用 OLED 作为显示，具有低功耗，显示清晰的特点。采用按键对 FM 的频率进行设置等。参考各器件手册，各模块都可以在单节锂电池供电范围内正常工作，同时由于 MIC 信号对噪声的敏感性，因此整个系统只使用 单节锂电池直接供电。此外有 USB 充电电源。方面为独立设计，本设计采用了单片机为的控制器件，其需要的配合才可以正常工作。良好的程序不仅能够保证系统稳定，还能够降低

30、功耗。加强易用性，直观性，便捷性。为了获取简便的操作，本系统力求操作简便直观，总体流程图如下：降低功耗设计方面增加单片机与 OLED 休眠模式，正常工作状态下，仅有FM 发射模块一直工作，其余模块大多处于休眠模式进而降低功耗。2.3 主要研究成果2.3.1 产品实现(1)多种型号骨导耳机 E201，E107模块名称对应功能RDA5820RDA5820驱动DisplayOLED 显示模块驱动Simple_codeOLED 显示数据库Key_Scan按键扫描Delay_init单片机初始化MyAvr常用定义，全局变量ADC电池电压EEPRom上次工作频率后挂式骨传导助 (3)语训发射机 A108T

31、2.3.2 知识完成专利申报 9 项，获得1 篇。5 项，其中实用新型专利 1 项，外观专利 4 项；知识详见下表骨传导语音终端及语训系统研发课题专利汇总表序号专利名称专利号申请日公告日备注2.3.4 产品标准MTA106 产品标准MTA108 产品标准2.3.5 研发基础建设1）明确助检测及评价方法：从多个角度进行评价，有如下思路。（1）主机电路功能检测目的：检测主机是否满足功能设计要求实施阶段：电路开发阶段和电路半成品生产阶段（2）主机电路性能检测目的：检测主机是否满足设计主机电路性能要求实施阶段：电路开发和评估阶段，电路半成品生产阶段（3)整机目的：评价产品是否达到开发预期，主要是用户体

32、验，在典型环境下的言语清晰度，降噪处理。从验证来讲，主要是验证助的效果和使用感受。首先听人能够获取比较好的音质效果和比较好的使用体验。然后再通过多个聋人试听，1骨传导麦克风201120430090.X2011.11.032012.08.15实用新型2骨传导麦克风201110342917.62011.11.03发明3骨传导麦克风201110342919.52011.11.03发明4骨传导麦克风201120430086.32011.11.03实用新型5骨传导助201230027305.32012.2.132012.08.22外观6骨传导助听发射器201230027345.82012.2.132012.7.4外观7骨传导助听接收器201230027405.62012.2.132012.08.29外观8耳背式骨传导助201230215824.22012.06.012012.10.17外观9盒式骨传导助201230215486