人耳

将声音转换成人脑可以理解的东西涉及内耳、中耳和外耳、毛细胞、神经元和中枢神经系统。当发出声音时，外耳拾起声波，声波通过中耳的微小骨被转换成机械振动。振动移动到内耳，通过蜗牛形结构（称为耳蜗）中的液体传播。液体沿着耳蜗基底膜移动不同的点。沿基底膜的位移包含声信号的频率信息。此处显示了膜的示意图（未按比例绘制）。

耳蜗的频率灵敏度

不同的频率使薄膜在不同的位置位移最大。低频率导致薄膜在其顶端附近移位，而高频率则刺激其底部的薄膜。膜在某一点位移的振幅与激发它的频率的振幅成正比。当一个声音由多个频率组成时，基底膜会在多个位置移位。通过这种方法，耳蜗将复杂的声音分成频率成分。

基底膜的每个区域都附着在毛细胞上，毛细胞随基底膜的位移成比例地弯曲。弯曲会引起电化学反应，刺激神经元通过中枢神经系统将声音信息传递给大脑。

用人工耳蜗减轻耳聋

耳聋最常见的原因是内耳毛细胞的退化或丧失，而不是相关神经元的问题。这意味着，如果可以通过毛细胞以外的方式刺激神经元，一些听力就可以恢复。人工耳蜗就是这样。植入物直接用电刺激神经元，向大脑提供有关声音的信息。

如何将声波转换成电脉冲是信号处理帮助解决的问题。多通道人工耳蜗有以下共同部件：

正如耳蜗的基底膜将波分解为其分量频率一样，耳蜗植入物中的信号处理器也将声信号分解为分量频率，然后将每个分量频率传输到电极。通过外科手术将电极植入聋人的耳蜗中，这样每个电极都能刺激耳蜗中的适当区域，以获得它们所传输的频率。发射高频（高音调）信号的电极放在底座附近，而发射低频（低音调）信号的电极放在顶点附近。电极附近的神经纤维受到刺激，并将信息传递给大脑。响亮的声音产生高振幅的电脉冲，刺激更多的神经纤维，而安静的声音刺激更少。这样，有关构成声音的成分的频率和振幅的信息可以传输到聋人的大脑。

探索这个例子

模型顶部的框图代表了一个人工耳蜗语音处理器，从拾取声音的麦克风(输入源块)到所产生的电脉冲。从传送最低频率的频道0到传送最高频率的频道7，频率以音调递增。

要听到原始输入信号，双击模型底部的原始信号块。双击“重构信号块”，即可听到模拟人工耳蜗的输出信号。

你可以对模型做一些改变，看看不同的变量如何影响人工耳蜗语音处理器的输出。请记住，在进行更改之后，必须重新运行模型以实现更改，然后才能再次侦听重构信号。

同步对交错回放

研究表明，为了给人工耳蜗使用者提供良好的听觉理解，人工耳蜗植入器大约需要8个频率通道。在8通道以上，重构信号通常不能得到足够的改善来证明复杂性的上升。因此，这个例子将输入信号分解成八个分量频率，或电脉冲。

模型左下方的“生成脉冲语音合成”模块允许您同时或顺序播放每个电子通道。通常情况下，植入人工耳蜗的用户在同时使用频率时，会经历较差的效果，因为电脉冲相互作用，造成干扰。以交错方式发射脉冲为许多人减轻了这个问题。你可以切换合成模式从生成的脉冲块合成的语音，以听到这两种模式之间的差异。放大时间范围块，观察脉冲是否交错。

适应噪音环境

噪声对人工耳蜗使用者来说是一个重大挑战。选择添加噪声输入源块中的参数，用于模拟噪声环境对重建信号的影响。观察信号是否变得难以听到。模型中的去噪块使用软阈值块尝试从信号中去除噪声。当消除干扰参数的选择，可以监听重构信号，观察到并不是所有的噪声都被去除了。噪声问题没有完美的解决方案，任何降噪技术所带来的结果都必须与其成本相权衡。

信号处理策略

滤波器组信号处理模块的目的是将输入语音信号分解成8个重叠子带。语音信号的低频比高频包含更多的信息。为了在包含最多信息的地方获得尽可能多的分辨率，子带之间的间隔使低频带比高频带更窄。在这个例子中，四个低频带的间隔是相等的，而其余四个高频带的每一个都是其低频邻居带宽的两倍。为检查八个滤波器组的频率内容，使用尖声地说源类型在Input Source块中。

在这个例子中说明了两个滤波器组的实现:一个并行的，单速率的，二阶段IIR滤波器组和一个级联的，多速率的，多级FIR滤波器组。双击设计滤波器按钮检查其设计和频率规格。

并行单速率SOS IIR滤波器组:在该滤波器组中，六阶IIR滤波器被实现为二阶分段(SOS)。八个滤波器以输入信号的速率并行运行。你可以通过双击来查看它们的频率响应绘制IIR滤波器组响应按钮。

级联多速率多级FIR滤波器组:该滤波器组的设计基于一种方法的原理，在每个滤波器级结合下采样和滤波。每个子带的总体滤波器响应是通过级联其组件获得的。双击设计滤波器按钮，以检查如何使用音频工具箱中的设计函数来构造这些滤波器组。

由于下采样应用于每个滤波器级，因此后级以输入信号速率的一小部分运行。例如，最后的滤波器级以输入信号速率的八分之一运行。因此，这种设计非常适合在耳蜗植入语音处理器中使用的处理周期有限的低功耗DSP上实现。您可以通过双击绘图FIR滤波器组响应按钮。请注意，与并行单速率SOS IIR滤波器组相比，这种设计产生了更清晰和更平坦的子带清晰度。这是多速率、多级滤波器设计方法的另一个好处。有关相关示例，请参见多级速率转换在DSP系统工具箱中™ FIR滤波器设计实例。

确认和引用

感谢Philip Loizou教授在创建这个示例时的帮助。

有关Loizou教授的人工耳蜗研究的更多信息，请访问: