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Diplomarbeit - CodeMinistry

1. Frequenz in Hz Abbildung 22 Frequenzgang des auf 14bit vorzeichenbehaftet quantisierten Blackman Harris Fensters HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 AA Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter z e Simulation d Diplomarbeit See EE PO Kapitel 9 Die FFT am Eingang Diese Funktionseinheit hat die Aufgabe den Amplitudengang des gefensterten Originalsignals zu berechnen Aufgrund dieses Amplitudenganges wird sp ter das FIR Filter berechnet Der FFT Algorithmus ist eine Methode zum schnellen Berechnen der DFT Diskrete Fourier Transformierte Dazu wird das Originalsignal in zwei gleichgrosse H lften geteilt Diese H lften werden wiederum geteilt so lange bis nur noch Bl cke von 2 Samples vorhanden sind Von diesen Mini Bl cken kann nun die DFT auf einfache Weis
2. H H A ses Bananen ses r sn br m e LR enne seenen nee sx ae e sees aa a a nn A mmm p mm emm sm p em e ge D a D D rer EEE iss a teen rt sbb kk p zen ss asss sgeeantkkes E ass ss side wesse sans sn s a n a ss O TO ka w a e sw snap a sa ann fax xx vn nx REN TE A e er Ee Se UN e e Yrms 13697 Om Vrms 2 598 Em Freqg 2 955 2 Hz Abbildung 50 Messung mit Amplitude 2VRMS ohne Recruitment Es ist nur ein minimaler Amplitudenunterschied erkennbar Das heisst das Eingangssignal wird fast v llig unver ndert wieder ausgegeben Dies entspricht dem erwarteten Resultat f r diese Messung F 4 2 Messung 2 Amplitude 1VRrms ohne Recruitment Die Messung ergibt das in Abbildung 51 gezeigte Resultat HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 nta Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D l oma rbe it EE 1 85003 2 35009 2 008 200 1 RUN ee arta i B yYrms c1 3J46 6m Yrms 2 9 350 mY Freat22 9580 4 Hz Abbildung 51 Messung mit Amplitude 1VRMS ohne Recruitment Es ist ebenfalls nur ein kleiner Unterschied messbar Er betr gt nur rund 1 und ist damit sehr klein Das Resultat entspricht somit den Erwartungen F 4 3 Messung 3 Amplitude 2Vrms mit Recruitment Die Messung ergibt das in Abbildung 52 gezeigte Resultat 1 550037 2 RS00t EU 005S 200er D ns s rer a sans kees sens O ao a ep Raa nn 8 8 w a mm ww wx wann E gt gt n k L E amp u u a d d pm n s
3. Erwartete Verte Samuel Hess Lukas Roggli HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 AA Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D oma rbe it ee AA A 4 Interpretation der Messresultate In allen Grafiken ist die Tendenz der empfundenen Schallpegel richtig In allen Bereichen entspricht das Empfinden der Probanden den theoretischen Werten trotz der vagen Zuordnung von subjektivem Lautst rkeempfinden zu physikalischen Pegeln in Tabelle 4 Um noch genauere Resultate zu erhalten sollten mehr Probanden verwendet werden und die Eichung noch exakter durchgef hrt werden Durch die gute bereinstimmung der Messresultate mit den erwarteten Werten kann die Simulation als gut bezeichnet werden Auch das Recruitment wird richtig wahrgenommen HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 AA Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Simulation der Innenohrschwerh rigkeit Diplomarbeit 45 Anhang B Tabelle der Koeffizienten Frequenzpunkte und Frequenzbander Die insgesamt 512 Abtastpunkte fur den Amplitudengang des Filters reprasentieren alle einen bestimmten Frequenzpunkt Diese Frequenzpunkte werden in der Simulation zu insgesamt 14 Frequenzb ndern zusammengefasst Diese Frequenzb nder entsprechen den sogenannten Kritischen B ndern des menschlichen Geh rs welche Zwicker und Terhardt in ZT80 angeben Im Simulationsalgorithmus werden diese B nder mit Buchstaben von A bis N bezeichnet Der bersichtlichk
4. z 22 45 Anhang C Tabelle der Kritischen B nder u 2202020002n00n n0nnnnunnnnnnannun nun nnnnn nun ERKENNEN 47 Anhang D Geschwindigkeitsmessungen 2u2s uu0n2nnnnnnnnnnnunannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnannunnnnnnnnnnnnnnnannenn 48 Anhang E Messung der Zeitverz gerung zwischen Eingang und Ausgang SEENEN EEN 49 Anhang F Messung der Skalierung und des Recruitment ue 440202n00nn nenn nun non nn non nn 51 Anhang G Frequenzgang des FIR Filters 4420 0000020000nnnnnn ann nnnnnnnn man nun nn nennen nnnnnnnnnnn nun 55 A 1 E 60 HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 eri wt Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Simulation der 1 Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit Kapitel 1 Einleitung 1 1 Motivation Eine zunehmende Zahl von Menschen leidet an eingeschr nktem H rverm gen Dies kann verschiedene Ursachen haben in jedem Fall jedoch bedeutet es f r die betroffenen Personen eine Einschr nkung ihrer Lebensqualit t F r einen normalh renden Menschen ist es schwierig sich ein realistisches Bild von H rst rungen zu machen Der Innenohr H rschadensimulator der im Rahmen dieser Diplomarbeit entwickelt wurde kann normalh renden Personen eine Vorstellung davon geben was es bedeutet mit einer H rst rung zu leben 1 2 Einsatzgebiet des Horschadensimulators Ein typisches Einsatzgebiet f r diesen Simulator liegt in der Pr vention Wenn man sich bew
5. Berner Fachhochschule Hochschule f r Technik und Architektur Burgdorf Abteilung Elektrotechnik Simulation der innenohrschwerhorigkeit Auftraggeber Externe Betreuung Interne Betreuung Experte Diplomand Audiologische Abteilung des Inselspitals Bern Dr sc techn Dr med Martin Kompis Dr Urs Brugger Ivo Oesch Dr P Winter Marcel Suter Simulation der Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit Zusammenfassung Dieser Bericht gibt eine bersicht ber die Diplomarbeit Simulation der Innenohrschwerh rigkeit Ziel dieser Diplomarbeit war es eine realistische Simulation der Innenohrschwerh rigkeit in Echtzeit d h ohne merkliche Zeitverz gerung aufzubauen und zu testen Der Leser erh lt eine Einf hrung in die Funktionsweise und die Bedienung dieses Simulators Zwei typische H rsch digungen des Innenohres wurden ber cksichtigt einerseits eine frequenzabh ngige D mpfung andererseits das sogenannte Recruitment eine lautstarke und frequenzabh ngige D mpfung Der Simulationsalgorithmus konnte aus einer vorangehenden Semesterarbeit bernommen werden Damit das System in Echtzeit l uft wurde ein digitaler Signalprozessor DSP mit einer f r Audiosignale geeigneten Hardwareumgebung eingesetzt Hauptaufgabe der Diplomarbeit war nun die Programmierung des DSP in der zugeh rigen Assemblersprache Zus tzlich wurde ein Kommunikationsprotokoll f r eine serielle Kommunikation RS 232 m
6. Schlusswort W hrend dieser Diplomarbeit konnte ein funktionsf higer Innenohr H rschadensimulator entwickelt werden der den Vorgaben aus der Aufgabenstellung entspricht Durch die einfache Handhabung und die grafische Benutzeroberflache kann dieser H rschadensimulator auch von technisch nicht versierten Personen bedient und somit sehr vielseitig eingesetzt werden Viele Menschen gehen mit ihrem Geh r sorglos um und die Zahl der Personen welche H rhilfen tragen nimmt st ndig zu Wenn dieser H rschadensimulator dazu beitragen kann einen gewissenhaften Umgang mit dem Geh r zu f rdern ist ein wichtiges Ziel erreicht Dank Mein Dank gilt allen in dieser Diplomarbeit involvierten Personen e Dr sc techn Dr med M Kompis Leiter der Audiologischen Abteilung des Inselspitals Bern e Dr U Brugger Betreuer der Diplomarbeit e Ivo Oesch Assistent an der HTA Burgdorf e Dr P Winter Experte Besonders danken m chte ich Ivo Oesch f r die vielen wertvollen Tips Ohne sein grosses Wissen ber die Praxis Aspekte der digitalen Signalverarbeitung h tte diese Diplomarbeit nicht im vorliegenden Rahmen realisiert werden k nnen Im weiteren danke ich den Assistenten Walter Hersperger und Luciano Borgna f r ihre praktische und freundliche Hilfe Erich Suter und Samuel Hess haben als Lektoren fungiert ihnen danke ich ebenfalls Abbildung 45 Immer sch n l cheln Der Autor dieser Diplomarbeit in den letzten Tagen vor dem Abgabeterm
7. nur im Simulationsband M Wintersemester 2001 2002 HTA Burgdorf Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit BOO G 5 Interpretation der Messresultate Es lassen sich folgende Eigenschaften der FIR Filter feststellen e m tieffrequenten Bereich bis einige 100 Hertz ist die Simulation recht ungenau Besonders im Bereich unter 100 Hertz stimmt der gemessen Frequenzggang nicht mit dem vorgegebenen Freqeunzgang berein e Der Durchlassbereich der Filter ist im hochfrequenten Bereich sehr genau e Die Steilheit im Ubergangsbereich ist sehr gut e Die D mpfung im Sperrbereich liegt deutlich unter den Erwartungen Obwohl die Filter nicht in allen Punkten den Erwartungen entsprechen sind sie trotzdem geeignet eine H rst rung zu simulieren Es kann davon ausgegangen werden dass das menschliche Ohr eine kleinere Trennsch rfe als die Filter haben Durch den Effekt der Maskierung ist das menschliche Ohr zudem nicht in der Lage laute und leise Signale gleichzeitig so differenziert wahrzunehmen dass die m ssige Sperrd mpfung zum tragen k me HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 nta Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Origke Simulation der Innenohrschwerh lomarbel ip Anhang H Zeitplan Abbildung 73 EE den Zeitplan der f r diese Diplomarbeit erstellt wurde 3 Rasa aaa Aaa emy own osmy smy mmy temy zm GU LO Oe Uz ZO LOS
8. z B Oszilloskop z B Kopfhorer verstarker Originalsignal veranderte Signal Abbildung 14 Hardware Installation des H rschaden Simulators Durch Einschalten der Stromversorgung Dr cken der Reset Taste auf der R ckseite der Datenverarbeitungseinheit wird der Simulator gestartet 4 2 Installation der Software Grafische Benutzeroberflache Die Grafische Benutzeroberfl che ist in LabVIEW programmiert Auf dem verwendeten PC muss LabView selbst jedoch nicht installiert werden Es gen gt das gesamte Verzeichnis GUI welches sich auf dem beigelegten Datentr ger befindet in ein beliebiges Verzeichnis auf der Harddisk des PCs zu kopieren Anschliessend kann durch Doppelklicken auf die Datei Application exe die grafische Benutzeroberfl che gestartet werden HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 ica anos E Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Innenohrschwerh rigkeit Dipl om arb eit Simulation der 1 1 4 3 Inbetriebnahme Ist die Installation der Hard und Software abgeschlossen steht der Inbetriebnahme des Innenohr H rschadensimulators nichts mehr im Wege In der grafischen Benutzeroberfl che kann der gew nschte H rschaden eingestellt und per Knopfdruck auf den DSP heruntergeladen werden HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 AA Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit 1P Kapitel 5 Grafische Benutzeroberflache Die grafische Benutze
9. HTA HTA Burgdorf HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 A vw Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D l oma rbe it EE E 1 14 2 Programmablauf Beginnend mit dem Reset startet die Programmausf hrung in der Routine Start Der Codec und verschiedene Variabeln werden initialisiert Anschliessend wird automatisch das Hauptprogramm die Routine Main ausgef hrt Diese pr ft ob der PC neue Parameter herunterladen m chte und wechselt gegebenfalls in den Kommunikationsmodus Anschliessend veranlasst das Hauptprogramm eine Neuberechnung der Filterkoeffizienten Ist das Filter fertig berechnet wird das Hauptprogramm wiederholt Ein Abbruch ist nicht vorgesehen der Simulator l uft bis zum n chsten Reset oder dem Ausschalten der Speisung weiter Routine Start Routine Main repeat if Fi false else Kommunikationsroutine aufrufen BE Codec und Sport initialisieren Nicht ben tigte Interrupts maskieren Sporti initialisieren Neues Filter berechnen until Reset oder Stromausfall Abbildung 37 Nassi Shneidermann Diagramm der Routie Start Abbildung 38 Nassi Shneidermann Diagramm der Routine Main 14 3 Die wichtigsten Routinen Im folgenden werden die Aufgaben der wichtigsten Routinen kurz erl utert Im brigen wird auf den Kommentar im Code verwiesen Dort kann f r jede Routine Header die Funktion und eine kurze Erkl rung eingesehen werden Der Code befindet sich auf dem beigelegten Datentr ger
10. Um nun f r jede Frequenz eine lautst rkeabh ngige D mpfung zu erreichen werden die Pegel jeder Frequenz potenziert Diese Potenz wird als R Parameter oder R Wert bezeichnet Der Einfachheit halber k nnen nur ganzahlige Potenzen vorgegeben werden Im Code wird dies durch mehrmaliges Multiplizieren der Zahlen mit sich selber realisiert Beispiele e Hat die Potzenz bei einer bestimmten Frequenz den Wert 0 so ist das Resultat 1 und es wird bei dieser Frequenz keine lautst rkeabh ngige D mpfung simuliert e Hat die Potzenz bei einer bestimmten Frequenz den Wert 1 so ist das Resultat die Zahl selbst und es wird bei dieser Frequenz ein Recruitment mit dem Wert 1 simuliert Dies entspricht in MG93 dem Wert N 2 e Hat die Potzenz bei einer bestimmten Frequenz den Wert 2 so ist das Resultat das Quadrat der Zahl und es wird bei dieser Frequenz ein Recruitment mit dem Wert 2 simuliert Dies entspricht in MG93 dem Wert N 3 Abbildung 25 zeigt grafisch das Resultat der Zuordnung der Lautst rken dieser Beispiele f r eine bestimmte Frequenz HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 ica anos E Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Simulation der Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit eo e Beispiel 1 kein Recruitment Beispiel 2 Recruitment mit dem Wert 1 et Beispiel 3 Recruitment mit dem Wert 2 Simulierter Pegel dB Skala oO oO oO oO oO o Oo Oo oO o o CH m wT LO O M oo o o be Originalpegel
11. dB Skala Abbildung 25 Zuordnung der Lautstarken in den Beispielen Tur das Recruitment 10 2 Lautstarkeunabhangige Dampfung Bei der lautst rkeunabh ngigen linearen D mpfung werden die Pegel jeder Frequenz mit einem Faktor der kleiner als 1 ist multipliziert In der grafischen Benuzeroberfl che kann diese D mpfung in dB vorgegeben werden Diese Werte in dB werden als D Werte oder D Parameter bezeichnet Im Code werden diese dB Werte in lineare Faktoren im Bereich von 0 bis 1 umgerechnet bevor die Multiplikationen ausgef hrt werden Beispiele e Wird f r eine bestimmte Frequenz die D mpfung OdB vorgegeben wird der entsprechende Amplitudenwert mit dem Faktor 1 multipliziert e Wird f r eine bestimmte Frequenz die D mpfung 20dB vorgegeben wird der entsprechende Amplitudenwert mit dem Faktor 0 1 multipliziert e Wird f r eine bestimmte Frequenz die D mpfung 50dB vorgegeben wird der entsprechende Amplitudenwert mit dem Faktor 0 00316 multipliziert zeigt grafisch das Resultat der Zuordnung der Lautst rken dieser Beispiele f r eine bestimmte Frequenz 100 90 80 70 i Beispiel 1 keine D mpfung 60 Beispiel 2 D mpfung mit 2008 50 40 Beispiel 3 D mpfung mit 50dB 30 20 10 oO CH CH O O oO rm oo je gt Simulierter Pegel dB Skala 2 30 4 5 6 100 Originalpegel dB Skala Abbildung 26 Zuordnung der Lautst rken in den Beispielen f r die lineare D mpfung Das in der Frequenz
12. rechter Ausgangskanal des EZ Kit Lite Diracstoss hnlicher Impuls Abbildung 47 Messaufbau f r die Messung der Zeitverz gerung Abbildung 47 zeigt den Messaufbau f r die Messung Am Ausgang des EZ Kit Lite erscheinen zwei Signale Auf dem rechten Signalpfad erscheint das gesampelte Eingangssignal ohne Ver nderung Dies wird auch als Loopback bezeichnet Auf dem linken Signalpfad erscheint das Ausgangssignal der Simulation E 3 Messungen Die Messung ergibt das in Abbildung 48 gezeigte Resultat HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 nta Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter zu i lation d Diplomarbeit ee O i ESOO 2 85007 3 5V 8 30 5 00 3ng142 STOP WE made nn ee AAA A ARA ann lan A A AAA en a en EN ee ca zs sa a a HH sa A H EHE EEE EN aa au aa EEE EEE ET m TEE ET ET N ET En gt DEE Sees aS ee A Tee IR Ee pe et TE O Leen ee e ti 25 30ms t2 0 000 s At 25 30ms 17At 39 53 Hz Abbildung 48 Messung der Zeitverz gerung E 4 Interpretation der Resultate Die Zeitverz gerung entspricht dem in Kapitel 7 berechneten Wert Somit werden die richtigen Daten mit dem jeweiligen Filter gefiltert HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 nta Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D l oma rbe it EE 1 Anhang F Messung der Skalierung und des Recruitments F 1 Einleitung Damit die Simulation die Eingangspegel in korrekte Ausgangspegel umsetzt wurde im Code an zwei Stellen eine Skalie
13. ren Presse und Informationszentrum Spadenteich 1 20099 Hamburg http www dcs shef ac uk guy hearing Dr Guy Brown COM325 Computer Speech and Hearing University of Sheffield http 209 25 198 130 layout php HeadRoom Corporation 521 East Peach Street Bozeman MT 59715 Jonathan Stein Dgital Signal Processing A Computer Science Perspective John Wiley amp Sons Inc 605 Third Avenue New York NY 10158 0012 USA 2000 Brian C J Moore und Brian R Glasberg Simulation of the effects of loudness recruitment and threshod elevation on the HTA Burgdorf A Abt Elektrotechnik Simulation der Innenohrschwerh rigkeit 40 Homepage von Analog Devices mit guten Beispielprogramen und Informationen Gute Infos ber Rauschen dB Pegel Line Level Online Simulation von R umen Akustisches Memory Spiel Online Simulation von einfachen H rsch den Wintersemester 2001 2002 Autor Marcel Suter D i D oma rbe it ee A 1 intelligibility of speech in quiet and in a background of speech Department of Experimental Psychology Universitiy of Cambridge Downing Street Cambridge England 1993 MGV99 Brian C J Moore Brian R Glasberg und Deborah A Vickers Further evaluation of al model of loudness perception applied to cochlear hearing loss Department of Experimental Psychology Universitiy of Cambridge Downing Street Cambridge England 1999 PAC http www iurc montp in
14. 24 OU H Oe 105 GU LO OU ai GU LO 0 UO LO CL Oe uag CH H 90 10 LO CLC Uu LO CL CL Hm LU CL SO HN LO CL FO ag CLC UO LO CLC Un LO LL SO Un LO LL 0 Sd H CL 0 UOR LO LL LO Yor LO UL LE HN LO UL De Un LO UL OF ai LO UL De uap OLM UO CU HO FL UO LO UL e Un GU LU DU HN CH HO FL UOR GOU LOG WES GU LO L UO OH LO FL UOI GU LO OU ai LIE LLE Sd LOch Fb Sd Loch FE 344 LO CLC Uu LO CL 80 uag LU CL SO HN LO CL FO ag H CL FO 310 LO LL 90 ag LO LL SO Un LO LL OO Sd HOH OH 344 LO LL LO Yor LO UL LC HN LO UL CC a LO UL OF ai LO UL CC a OO fe 310 GU LO L UO LO UL d Un GU LU DU HN LOO Ce UOW A te 15 H LL te 15 e LL 15 LL LL e We LL LL Kc LL LL 15 LL 15 e II LL LL USE USANK e US paa do wc Gungjsjssnewojdig yaso elo UOTE as sJjacdjss z pul BUMJa Ysa Je e Ie jabag Uayosenye Jap uayag LOE NWS Jap uasa L USES NO uaJapualWwa du na Jang SH poang ayos edo d wd Yapen H uayu 1115 vaJayuewa dun Boy dWes 4ouanba 4 us4ejyge BUAAO DUI 10 paypan pop agge Bunge Y UaIglrdI Jap walgoagd 43 uoe yuawajduj 1332374 SUeARB ICH uayasag 43414 BUSEY ys De USJEJNqe az SIULIPDDSOSISAADIEL LSPS Jess JAAS SU UaUOUEMUIZade uallausuls3 LOL d 1361053 U3UI3JUSUU3xA 3IEMPIEH ola jaqebgy uaaa Bunuejg LUataisbua LOS pus tiro yadq ewogd y Abbildung 73 Zeitplan Wintersemester 2001 2002 HTA Burgdorf se Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter
15. 39362 6953 263 22652 9297 328 28251 5625 393 33850 1953 458 39448 8281 264 22739 0625 329 28337 6953 394 33936 3281 459 39534 9609 265 22825 1953 330 28423 8281 395 34022 4609 460 39621 0938 266 22911 3281 331 28509 9609 396 34108 5938 461 39707 2266 267 22997 4609 332 28596 0938 397 34194 7266 462 39793 3594 268 23083 5938 333 28682 2266 398 34280 8594 463 39879 4922 269 23169 7266 334 28768 3594 399 34366 9922 464 39965 625 270 23255 8594 335 28854 4922 400 34453 125 465 40051 7578 271 23341 9922 336 28940 625 401 34539 2578 466 40137 8906 272 23428 125 337 29026 7578 402 34625 3906 467 40224 0234 273 23514 2578 338 29112 8906 403 34711 5234 468 40310 1563 274 23600 3906 339 29199 0234 404 34797 6563 469 40396 2891 27 5 23686 5234 340 29285 1563 405 34883 7891 470 40482 4219 276 23772 6563 341 29371 2891 406 34969 9219 471 40568 5547 277 23858 7891 342 29457 4219 407 35056 0547 472 40654 6875 278 23944 9219 343 29543 5547 408 35142 1875 473 40740 8203 279 24031 0547 344 29629 6875 409 35228 3203 474 40826 9531 280 24117 1875 345 29715 8203 410 35314 4531 475 40913 0859 281 24203 3203 346 29801 9531 411 35400 5859 476 40999 2188 282 24289 4531 347 29888 0859 412 35486 7188 477 41085 3516 283 24375 5859 348 29974 2188 413 35572 8516 478 41171 4844 284 24461 7188 349 30060 3516 414 35658 9844 479 41257 6172 285 24547 8516 350 30146 4844 415 35745 1172 480 41343 75 286 24633 9844 351 30232 6172 416 35831 25 481 41429 8828 287 24720 1172 352 30318 75 4
16. I D jeosa0e dul mm LC sy oom u juod J9SJ909MaU se Abt Elektrotechnik ip D i D l oma rbe it EE 14 5 Routine do compc Die Routine do_compc bernimmt die Kommunikation zwischen dem PC und dem DSP Abbildung 40 zeigt das Nassi Shneidermann Diagramm Routine do compe case Befehl of ASCII Zeichen 3 R Wferte empfangen of ASCII Zeichen 4 D Wferte empfangen otherwise until Befehl 1 ASCII Zeichen 1 Kommunikationsmodus beenden Interrupt sport rx einschalten Abbildung 40 Nassi Shneidermann Diagramm der Routine do_compc Zuerst wird der Interrupt f r den seriellen Port O abgeschaltet Somit werden w hrend der ganzen Dauer der Kommunikation keine Samples vom Codec verarbeitet F r das Einschalten der Kommunikation werden Routinen des Moduls INIT ROUTINES benutzt Mit der Routine SET_BAUDRATE wird die Baudrate auf 9600 Baud festgelegt Anschliessend wird die Kommunikation durch Aufrufen der Routine ENA KOM PC eingeschaltet Die Synchronisation mit dem PC ist notwendig weil die ersten Zeichen verloren gehen k nnen falls nicht sofort nachdem der PC ein Zeichen gesendet hat in den Kommunikationsmodus gewechselt wird Siehe dazu auch Kapitel 6 2 2 Anschliessend wird sooft ein neuer Befehl eingelesen bis der Befehl zur R ckkehr in den Simulationsmodus empfangen wird In der Case Struktur werden die Befehle f r das Herunterladen der D und R Werte detektiert und ins entsprechende Codes
17. RESP 0 10 Div Exd Y 20 dB 20k 80dB Breitbandig Log Hz Abbildung 58 Frequenzgang bei der Voreinstellung 0 0 FREG RESP 0 0 Div Fxd Y 20 20k mn mm mmm mmm la zm mm zem wi wn eng om ae om me wem wm zm ee mm lux ze ex ser OdB Breitbandig Log Hz Abbildung 57 Frequenzgang bei der Voreinstellung FREQ RESP 4 7 9239 p d EI Ab ag DH y 4 d i i i i D d i i 1 i 1 i i D i 4 4 j i o o Div Fxd Y 20 dB Abbildung 59 Frequenzgang einer D mpfung von 80dB Abbildung 60 Frequenzgang einer D mpfung von 80dB nur im Simulationsband B nur im Simulationsband A Autor Marcel Suter Wintersemester 2001 2002 x Z 5 53 oO DT 50 O o ty Eo I et 2 2 2 x O L O x O E co 2 oi S 0 c c c S a D kasnatesnslsnanitaws ab aas D SN tt KEE hele 5 un De Fnamstsmmsbenstzm mmm mm a A A ainsi nin WE E a St St E A aS OS a O a H Q We N Din paa N Mei de E ES Y ce E E E z cf g o 06 o 00 ee Gebei eh a 0 Ces E i Sg 3 Ps ec Were Zeie neues D Ss D 2 2 gt au OE DS a ee AAA ee ee OE S N N N fa co c U a tl EE EE c 0 D D D E gt SE gt k Y 0 3 5 dios EE ZE gs u uw E een LC v N t a eo e co E a o aia lidades a ee E H sl O Gel O ease tec cep re epee cede nee O E i g S E ELN g E S go o gt gt D go a g
18. angegeben sind HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 ica anos E Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Simulation der Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit ge Tabelle 1 Befehls Vokabular des PC s Befehlsszeichen Beliebiges Zeichen Um die Aufmerksamkeit des DSP w hrend der laufenden Simulation zu erhalten muss ein oder mehrere beliebige Zeichen gesendet werden Sobald der DSP ein Zeichen festgestellt hat stellt er das Ausgangssignal ab und wartet auf das ASCll Zeichen Nr 2 ASCII Zeichen Nr 1 Mit der Simulation fortfahren ASCII Zeichen Nr 2 Zeichen um den DSP vom Simulationsmodus in den Befehlsmodus zu versetzen ASCII Zeichen Nr 3 Signalisiert dem DSP dass anschliessend die R Werte bertragen werden ASCII Zeichen Nr 4 Signalisiert dem DSP dass anschliessend die D Werte bertragen werden Der DSP quittiert jeden Befehl mit einer R ckmeldung aus seinem R ckmeldevokabular Somit erh lt der Benutzer die erfolgreiche Ausf hrung seiner Befehle best tigt Die verschiedenen R ckmeldungen sind in Tabelle 2 aufgelistet Damit alle R ckmeldestrings exakt gleich lang sind wurden Underscores eingef gt Dies erleichtert das automatische Einlesen und Erkennen der verschiedenen R ckmeldungen in LabVIEW Tabelle 2 R ckmelde Vokabular des DSP einige Vokabularnummern sind noch nicht belegt und k nnen f r Erweiterungen benutzt werden Der eingestellte H rschaden wird simuliert Die Simulat
19. im Verzeichnis DSP Sourde 14 4 Routine do_create1filt Die Routine do_createffilt ist die wichtigste Routine des ganzen H rschadensimulators denn hier passiert die Hauptarbeit das Berechnen von neuen Filters Alle Vorg nge welche in den Kapitel 7 bis Kapitel 11 beschrieben werden finden hier statt Die Routine ruft eine Vielzahl von Unterroutinen auf um am Schluss ein komplett berechnetes Filter zur Verf gung zu stellen Dieses neue Filter wird dann von der Interrupt Service Routine der seriellen Ports O Routine Handle data angewendet Abbildung 39 zeigt das Datenflussdiagramm dieser Routine HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 A Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter fu in H 95 Wu ct ke ZISWNA K dsoibew Bunaeys pun w s Bulyiys pu ZLSINQ Be DI CLSING oJazbBeul vi duweJesuuou Bew y Seuwieoejdu E R P p CLSWd juauodxay90 q m Z9 QUIEeJ9SOP Daul E E apnyubeuduloo S S pa CLSINd Loic y A SIAWEJOSOP Ze O ZL SINO Jos Bewiaseud J09AP cLSWG D E Jos dsei6ew a eesase du w Y us o us ZISNd E 7 Jos eseseuyd 5 A E aseydppe ZLSGINd e 66 pamopuim ejepBlio 3 55 E pl E E WA jam Gunsa exs EL SINO pun ejep duer D Buryiys mu sjj9o9 do9 BulmopuImop F Es ZLGINO Bewissejdui gt D Tee JOS JoisifDos puodas o Av CLSINGOIID 2 del juauodxay90 q ngxu Gen 3 E O pe josjjao9pasn Julod rd A z y R ajdwes a saye sep ne Jo 1619Z et lt CLSING jnqxs julod
20. kann insgesamt 512 Frequenzen direkt beeinflussen Diese Frequenzpunkte sind gleichm ssig ber das gesamte zur Verf gung stehende Frequenzband von OHZ bis 44 1kHz verteilt wobei bei f 2 eine Spiegelsymmetrie auftritt Die Tabelle in Anhang B gibt dar ber Auskunft welche Frequenz von welchem Frequenz Abtastpunkt direkt beeinflusst wird F r eine noch detailliertere Beschreibung des Frequency Sampling Verfahrens wende man sich an die Literatur In EV90 Seite 217ff und in SDS88 Seite 265ff wird das Verfahren beschrieben 11 2 Visualisierung eines berechneten Filters Die folgenden Abbildungen zeigen ein Filter welches der DSP anhand eines vorgegebenen Amplitudenganges berechnet hat Die Abtastpunkte f r den Amplitudengang und die Filterkoefizienten wurden direkt aus dem Speicher des DSP geholt und mit Matlab visualisiert Der Phasen und Amplitudengang sowie die Pole und Nullstellen wurden in Matlab aus den Filterkoeffizienten berechnet Abbildung 29 zeigt den vorgegebenen Frequenzgang Er entspricht einer D mpfung von 80dB im Simulationsband F und keiner D mpfung in allen anderen B ndern Weitere Erkl rung zu den Simulationsb ndern sind in Kapitel 5 zu finden Die Abbildung 30 bis Abbildung 33 zeigen die verschiedenen Eigenschaften des Filters Es ist klar ersichtlich dass das Filter dem vorgegebenen Amplituden und Phasengang entspricht HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 ica anos E Abt Elektrotechnik Autor Ma
21. ss ssss ss a ew Be TE ET ron D D D ap SEH an nb ew Raas an H H D D YT AAA AAA D asss sans passant s ts ss sx mm wm w fe em mm wm Bee mu mu ken mu mn em fen wm mm m mg we Ben mn em eem ken mmm mm wm vrmst13 171 mY rms 23 350 Om Fregqt27 984 3 Hz Abbildung 53 Messung mit Amplitude 1VRMS mit Recruitment Der Ausgangspegel der Simulation betragt hier 49 05 des Pegels des unveranderten Signals Das bedeutet eine Dampfung von Faktor 2 was 6dB entspricht Das entspricht den Erwartungswert welcher bei 50 liegt Das simulierte Recruitment d mpft den Einganspegel abh ngig von seinem eigenen Pegel F 5 Interpretation der Resultate Die Skalierung und die Simulation des Recruitments ist f r ein Sinussignal von 1kHz sehr exakt Es darf davon ausgegangen werden dass dies auch f r andere Frequenzen gilt HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 riada we Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D l oma rbe it EE 5 Anhang G Frequenzgang des FIR Filters G 1 Einleitung Um die Implementation der Berechnung des FIR Filters zu verifizieren wurde der Frequengang des FIR Filters bei verschiedenen Vorgaben berpr ft Mithilfe des GUI wurden verschiedene Frequenzgange vorgegeben Das Recruitment kam dabei nicht zum Einsatz Die Eingangsspanung beim EZ Kit Lite betr gt 2VRMS dies ist zul ssig weil der Verst rker des Codecs im Assembler Code abgeschaltet wurde Um den Freq
22. werden Dazu kommt das sogenannte Frequency Sampling Verfahren zum Einsatz Aus dem diskretisierten Spektrum wird mittels IDFT inverse diskrete Fouriertransformation ein FIR Filter berechnet Die Koeffizienten des FIR Filters werden anschliessend in einem Zwischenspeicher abgelegt 6 2 6 Faltung Das nun berechnete FIR Filter wird auf das Originalsignal angewendet Die Samples des Originalsignals werden mit den Koeffizienten gefaltet und an den Ausgang weitergeleitet HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 A Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D oma rbe it ee 1 Kapitel 7 Der Eingangs Ringspeicher Der Eingangs Ringspeicher hat mehrere Aufgaben Einerseits dient er als Datenquelle fur die Fensterung Andererseits bezieht auch die Faltungsroutine ihre Daten aus diesem Ringspeicher Abbildung 17 zeigt die Aufteilung des Ringspeichers Fullrichtung des Ringspeichers ltestes Mit den Altesten 512 Sample Samples wird die Faltung ausgef hrt Rinngspeicher mit total 1371 Elementen S i A d Mit den neuesten 512 Samples wird das neue Filter berechnet Abbildung 17 Eingangs Ringspeicher Sobald ein neues Sample vom AD Wandler eintrifft wird das aktuell lteste Sample mit diesem neuen Sample berschrieben Die L nge des Ringspeichers bestimmt die Verz gerung der Daten Diese Verz gerung ist gewollt Damit kann erreicht werden dass die Daten mit denen ein neues Filter berechne
23. whitenoise_1 30ct_ 60dfssine_rectmod wav whitenoise_1 30ct_ 70Odfssine_rectmod wav whitenoise_1 30ct_ 80dfssine_rectmod wav whitenoise_1 30ct_ 90dfssine_rectmod wav Der Proband beurteilte das Signal nach den subjektiven Lautst rkebezeichnung in Tabelle 4 Um die Angaben auszuwerten wurde jeder Bezeichnung eine physikalische Lautst rke zugeordnet HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 A vw Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D oma rbe it ee A E Tabelle 4 Subjektive Lautst rkebezeichnungen und ihre physikalische Zuordung sehr laut unangenehm laut schmerzhaft A 3 Messungen Die von den Probanden angegebenen subjektiven Lautst ken wurden anschliessend in die physikalische Lautst rke umgerechnet und grafisch ausgewertet Die folgenden Abbildungen zeigen die empfundenen Pegel der Probanden D mpfung OdB ohne Recruitment D mpfung OdB mit Recruitment kein Horschaden simuliert 100 100 90 20 _ 80 z 0 SD 70 a 0 Ce D ken 60 Di 60 Ou 5 5 50 a E 5 40 g 0 2 30 E 30 Lu 20 SS 20 10 10 0 0 i O oO Er E 0 0 0 Oo 0 0 O oo 0000000 O O O N Oo H D OF 9 0 7 A Oo FO OF D 0 Originalpegel Originalpegel Dampfung 50dB ohne Dampfung 50dB mit Recruitment Recruitment 100 100 90 90 N 80 z 0 SD 70 SZ 0 Ce 60 60 5 5 50 g 0 E 5 40 g 0 2 30 E 30 D op 20 10 10 0 0 O O EN Oo Oo 0 E EN E a O O 000000 E 5 m A Oo FO OF OOO m A Oo FH OF D 0 Originalpegel Originalpegel
24. 15 Kapit l 8 Die FENSTELUNG EE 17 Kapitel9 Die FFT am Eer ENEE Ee 20 9 1 Routine von Analog DevicesS ooccconcconcconcccnnocnconnnonnnonnnonononononanonanonanonanonanenanonanenanananinon 20 9 2 PS ACS S UN lr ul ING are ee A nee 20 Kapitel 10 Die nichtlineare D mpfung cccocccocccncccnnccnncconcnnnconaconaronnronnronnrennrrnnrrnnrrnnrnnnrrnnrrnnrrnnrnnncnas 21 10 1 Lautst rkeabh ngige D amptung nenn nnnne nenne nennnnnnennnnenn 21 10 2 Lautst rkeunabh ngige mptung nenne nennennne nenn nennen 22 Kapitel 11 Generieren des FIR Filters 220 22002200020002n002n0nanun nun nun nun nun nun ann nnnnnnnnnnnnn anne 23 11 1 Funktionsweise des Frequency Sampling Verfahrens nenn nenne nennenenn 23 11 2 _ Visualisierung eines berechneten Filters nenne nenn nenn nenne nennenennn 25 AO A o niienniiiS 27 12 1 Die Faltung als Gumulatonselement nenne nenne nenn nenn nenne nennenenennnn 27 12 2 Neue Filterkoeffizienten umkopieren nenn anne nenne nennonenn nenn nnnne nennen 27 Kapitel 13 Kommunikation zwischen DSP und PC 22 2002200022002n0nanunnun nun nun nun ann nenn 28 13 1 Funktionsweise der Kommunikation nenn nenne nenne nnnn nenn san nennenennnnen 28 Kapitel 14 Programmierung des DSP Codebeispiele uusuzaussnunuanununnunnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnn 30 14 1 AUB deS C ele 30 142 PEO nien e 2 0 GE 31 14 3 Die wichtigsten Roulinen a u uuuuu nenn 31 14 4 Routine do Cre
25. 17 35917 3828 482 41516 0156 288 24806 25 353 30404 8828 418 36003 5156 483 41602 1484 289 24892 3828 354 30491 0156 419 36089 6484 484 41688 2813 290 24978 5156 355 30577 1484 420 36175 7813 485 41774 4141 291 25064 6484 356 30663 2813 421 36261 9141 486 41860 5469 292 25150 7813 357 30749 4141 422 36348 0469 487 41946 6797 293 25236 9141 358 30835 5469 423 36434 1797 488 42032 8125 294 25323 0469 359 30921 6797 424 36520 3125 489 42118 9453 295 25409 1797 360 31007 8125 425 36606 4453 490 42205 0781 296 25495 3125 361 31093 9453 426 36692 5781 491 42291 2109 297 25581 4453 362 31180 0781 427 36778 7109 492 42377 3438 298 25667 5781 363 31266 2109 428 36864 8438 493 42463 4766 299 25753 7109 364 31352 3438 429 36950 9766 494 42549 6094 300 25839 8438 365 31438 4766 430 37037 1094 495 42635 7422 301 25925 9766 366 31524 6094 431 37123 2422 496 42721 875 302 26012 1094 367 31610 7422 432 37209 375 497 42808 0078 303 26098 2422 368 31696 875 433 37295 5078 498 42894 1406 304 26184 375 369 31783 0078 434 37381 6406 499 42980 2734 305 26270 5078 370 31869 1406 435 37467 7134 500 43066 4063 306 26356 6406 371 31955 2734 436 37553 9063 501 43152 5391 307 26442 7734 372 32041 4063 437 37640 0391 502 43238 6719 308 26528 9063 373 32127 5391 438 37726 1719 503 43324 8047 309 26615 0391 374 32213 6719 439 37812 3047 504 43410 9375 310 26701 1719 375 32299 8047 440 37898 4375 505 43497 0703 311 26787 3047 376 32385 9375 441 37984 5703 506 43583 2031 312 26873 4
26. 375 377 32472 0703 442 38070 7031 507 43669 3359 313 26959 5703 378 32558 2031 443 38156 8359 508 43755 4688 314 27045 7031 379 32644 3359 444 38242 9688 509 43841 6016 315 27131 8359 380 32730 4688 445 38329 1016 510 43927 1344 316 27217 9688 381 32816 6016 446 38415 2344 511 44013 8672 317 27304 1016 382 32902 7344 447 38501 3672 318 27390 2344 383 32988 8672 448 38587 5 319 27476 3672 384 33075 449 38673 6328 320 217562 5 385 33161 1328 450 38759 7656 321 21648 6328 386 33247 2656 451 38845 8984 HTA Burgdorf Abt Elektrotechnik Wintersemester 2001 2002 Autor Marcel Suter D H D oma rbe it EE A d Anhang C Tabelle der Kritischen B nder Zwicker und Terhardt ZT80 publizerten eine Tabelle mit der Auflistung von 24 Frequenzb ndern von O bis 15 5 kHz siehe Tabelle 5 Diese Frequenzb nder werden auch als kritische B nder engl critical bands bezeichnet Diese Frequenzb nder sind charakteristisch f r das Empfinden der Tonh he im menschlichen Geh r Die Simulation des H rschadens soll f r jedes dieser Frequenzb nder separat eingestellt werden k nnen Aus Gr nden der bersichtlichkeit in der grafischen Benutzeroberfl che wurden oft zwei B nder zu einem Band zusammengefasst Im tiefen Frequenzbereich sind die Bandbreiten der Filter gleichbleibend w hrend sie im mittleren und hohen Bereich ab ca 500Hz proportional zum Logarithmus der Frequenz zunehmen Tabelle 5 Werte der Critical band rate und Cr
27. 64 14125 7813 204 17571 0938 17 1464 25781 87 7493 55469 165 14211 9141 205 17657 2266 18 1550 39063 88 7579 6875 166 14298 0469 206 17743 3594 19 1636 52344 89 7665 82031 167 14384 1797 207 17829 4922 20 1722 65625 90 7751 95313 168 14470 3125 208 17915 625 G 21 1808 78906 91 7838 08594 169 14556 4453 209 18001 7578 22 1894 92188 92 7924 21875 170 14642 5781 210 18087 8906 23 1981 05469 93 8010 35156 171 14728 7109 211 18174 0234 24 2067 1875 94 8096 48438 172 14814 8438 212 18260 1563 25 2153 32031 95 8182 61719 173 14900 9766 213 18346 2891 26 2239 45313 96 8268 75 174 14987 1094 214 18432 4219 27 2325 58594 97 8354 88281 175 15073 2422 215 18518 5547 H 28 2411 71875 98 8441 01563 176 15159 375 216 18604 6875 29 2497 85156 99 8527 14844 177 15245 5078 217 18690 8203 30 2583 98438 100 8613 28125 178 15331 6406 218 18776 9531 31 2670 11719 101 8699 41406 179 15417 7734 219 18863 0859 32 2756 25 102 8785 54688 220 18949 2188 33 2842 38281 103 8871 67969 221 19035 3516 34 2928 51563 104 8957 8125 222 19121 4844 35 3014 64844 105 9043 94531 223 19207 6172 36 3100 78125 106 9130 07813 224 19293 75 37 3186 91406 107 9216 21094 225 19379 8828 38 3273 04688 108 9302 34375 226 19466 0156 39 3359 17969 109 9388 47656 227 19552 1484 40 3445 3125 110 9474 60938 228 19638 2813 41 3531 44531 111 9560 74219 229 19724 4141 42 3617 57813 112 9646 875 230 19810 5469 43 3703 71094 113 9733 00781 231 19896 6797 44 3789 84375 114 9819 14063 232 19982 8125 45 3875
28. 97656 115 9905 27344 233 20068 9453 46 3962 10938 116 9991 40625 234 20155 0781 47 4048 24219 117 10077 5391 235 20241 2109 48 4134 375 118 10163 6719 236 20327 3438 49 4220 50781 119 10249 8047 237 20413 4766 50 4306 64063 120 10335 9375 238 20499 6094 51 4392 77344 121 10422 0703 239 20585 7422 J 52 4478 90625 122 10508 2031 240 20671 875 53 4565 03906 123 10594 3359 241 20758 0078 54 4651 17188 124 10680 4688 242 20844 1406 55 4737 30469 125 10766 6016 243 20930 2734 56 4823 4375 126 10852 7344 244 21016 4063 57 4909 57031 127 10938 8672 245 21102 5391 58 4995 70313 128 11025 246 21188 6719 59 5081 83594 129 11111 1328 247 21274 8047 60 5167 96875 130 11197 2656 248 21360 9375 61 5254 10156 131 11283 3984 249 21447 0703 132 11369 5313 250 21533 2031 133 11455 6641 251 21619 3359 134 11541 7969 252 21705 4688 135 11627 9297 253 21791 6016 136 11714 0625 254 21877 7344 137 11800 1953 255 21963 8672 138 11886 3281 256 22050 139 11972 4609 HTA Burgdorf e Abt Elektrotechnik Wintersemester 2001 2002 Autor Marcel Suter Diplomarbeit Simulation der Innenohrschwerh rigkeit 46 257 22136 1328 322 27734 7656 387 33333 3984 452 38932 0313 258 22222 2656 323 27820 8984 388 33419 5313 453 39018 1641 259 22308 3984 324 27907 0313 389 33505 6641 454 39104 2969 260 22394 5313 325 27993 1641 390 33591 7969 455 39190 4297 261 22480 6641 326 28079 2969 391 33677 9297 456 39276 5625 262 22566 7969 327 28165 4297 392 33764 0625 457
29. A a Seuil de perception o 20 ik 2E 20K Frequences Hz Abbildung 3 Der Horbereich des menschlichen Ohres Der fur die Kommunikation notwendige Bereich ist dunkelgrun dargestellt Quelle PAC Das Ohr besteht aus drei Teilen Siehe dazu Abbildung 4 Jeder dieser Bereiche hat bestimmte Aufgaben zu erf llen Selbst wenn nur ein Teil dieses komplizierten Systems gest rt ist k nnen wir bestimmte Laute z B die Mitlaute S F oder Zischlaute wie Sch nicht mehr so gut h ren und folglich ein Gespr ch nur schwer verstehen Abbildung 4 bersicht ber das menschliche Ohr Quelle PAC HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 A vw Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Simulation der Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit G Aussenohr E Die Ohrmuschel f ngt die Schallwellen auf und sammelt sie Uber den Geh rgang werden sie zum Trommelfell weitergeleitet Mittelohr M Das Trommelfell wird durch die Schallwellen in Schwingungen versetzt Diese werden ber die Geh rkn chelchen Hammer Ambo und Steigb gel so bezeichnet wegen ihrer typischen Form verst rkt und auf eine Membran im Innenohr bertragen Siehe dazu auch Abbildung 5 Innenohr I Die H rschnecke ist mit Fl ssigkeit gef llt Die bis hierher bertragenen Bewegungen pflanzen sich darin als Druckwellen fort Dadurch werden tausende von Haarzellen gereizt Uber den H rnerv gelangen diese Reize zum Gehirn
30. Additionally a communication protocol for serial communication RS 232 with a personal computer PC was set up By means of a graphical user interface the user can specify a specific hearing loss that then will be simulated Because of the limited speed of the processor the simulation is only realised in mono The input signal of the simulator is a line level signal with a maximum amplitude of 0 707 Vrus corresponding to a peak peak voltage of 2V At the output the simulator provides likewise a line level signal with the same maximum amplitude The sampling rate is 44 1kHz With a headphone amplifier and headphone one can listen to the simulated hearing loss On the basis of two test runs with normalhearing persons the correct function of the simulator could be proven Burgdorf im Januar 2002 M Suter HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 eri Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter m Simulation der Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit Inhaltsverzeichnis Kapitell EINIEIUNG EE 1 1 1 KAOT oe E E E A 1 1 2 Einsatzgebiet des H rschadensmulators nenne nenn nenn nenn anne nennen 1 123 Aufbau dieses Diplomberichts A 1 1 4 ic 1 Kapitel 2 Ausgangslage f r die Diplomarbeit ooccconnnniccnncncccoccnnocnnoncnnnnnnnononnnnonnnnancnnannrornananernnannns 2 2 1 o ASA assess aaseanesestdancoses 2 2 2 Geleistete Vorarbeiten anne nenne nenn nnnnnnnnnnnnne nenne nenne nnnnnnnnennnnne 3 2 3 MORE VE 4 Kapitel 3 Das menschlich
31. Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 A Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit ed a Hate 0 Ti 37 12 9 b La wm be vm eeh mm mm pm wn m gt ge om mm 3 emm e eee ee re mr bh wm len wen wm wm mmm mm wer meer mm wn mem mie wh men gen a jo c hub 0 mi2 T 32 2 mg Jas Abbildung 27 Frequency Sampling Methode a gew nschte Amplitudencharakteristik 0 abgetastete Amplitudencharakteristik c erhaltene Impulsantwort mittels IDFT d exakter Amplitudenverlauf e dazugeh render Phasengang Quelle EV90 HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 A Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit ea d po IL IT mm din Ee mia CA MI OASE RE N A WINNIE 20 2r Abbildung 28 Frequency Sampling Methode mit anderer Phasencharakteristik Die Impulsantwort in c wird erhalten wenn der Phasengang in e verwendet wird Der exakte Amplitudengang ver ndert sich nun zu d Quelle EV90 In der aktuellen Implementation ist der Phasengang linear ansteigend was sich in einer konstanten Gruppenlaufzeit aussert Die Zeitverz gerung des Signalses ist so zwar maximal vom Amplitudengang her ist dies jedoch die optimalste Variante Dies entspricht einem Filter in Abbildung Der Simulator verwendet ein FIR Filter mit 512 Koeffizienten Ein solches FIR Filter
32. Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit e Kapitel 2 Ausgangslage fur die Diplomarbeit 2 1 Aufgabenstellung Die Aufgabenstellung f r diese Diplomarbeit ist in Abbildung 1 und Abbildung 2 gegeben Berner Fachhochschule Hochschule f r Technik und Architektur Burgdorf Abteilung Elektrotechnik Labor f r Signalverarbeitung Prof Dr U Brugger Diplomarbeit f r Herrn Marcel Suter SIMULATION DER INNENOHRSCHWERH RIGKEIT IN ECHTZEIT 1 Einleitung Innenohrschwerh rigkeiten sind insbesondere im fortgeschrittenen Lebensalter h ufig Dabei werden einfallende akustische Signale nicht nur ged mpft sondern durch das sogenannte Recruitment in der deutschsprachigen Literatur manchmal als Lautheitsausgleich bezeichnet auch verzerrt wahrgenommen In der Semesterarbeit wurden Vorarbeiten f r ein System zur Simulierung von Innenohrschwerh rigeiten in Echtzeit begonnen In der Diplomarbeit soll nun darauf aufbauend ein funktionierendes Echtzeitsystem erarbeitet und getestet werden 2 Aufgabe 2 1 Realisierung des Echtzeitsystems auf der Basis des Simulationsalgorithmus von Moore und Glasberg J Acoust Soc Am 94 2050 2062 1993 auf einem ADSP2181 DSP System insbesondere mit e Einer Filterbank realisiert im Frequenzbereich mittels FFT Frequenzaufteilung entsprechend den kritischen B ndern des menschlichen Geh rs Graphischer Benutzeroberfl che e Abtastrate wenn m glich 44 1 kHz W hlbarer St rke der Auspr gung
33. N 1 ikn 2 X k X a nje ire k 0 1 2 N 1 Gleichung 1 n 0 N 1 o Allen n 0 12 N 1 k 0 Gleichung 2 2 zial Der Amplitudengang eines mit der Frequency Sampling Methode berechneten Filters ist nur an den vorgegebenen Abtastpunkten exakt F r die Frequenzen zwischen den Abtastpunkten k nnen betr chtliche Abweichungen von der gew nschten Amplitude entstehen obwohl der Abstand der Abtastpunkte relativ klein ist Bei dem verwendeten FIR Filter mit 512 Koeffizienten und einer Abtastfrequenz von 44 1kHz betr gt der Abstand zwischen den exakt beeinflussbaren Freqenzen Abtastpunkte 86 13Hz Der exakte Amplitudengang des berechneten Filters ist auch vom Phasengang abh ngig wie die Abbildung 27 und die Abbildung 28 zeigen Das Filter in Abbildung 27 hat einen linearen Phasengang und einen ziemlich ebenen Amplitudengang das Filter in Abbildung 28 hat einen Phasengang der berall O ist Daraus resultiert ein Amplitudengang der in den vorgegebenen Punkten zwar ebenfalls exakt ist dazwischen gibt es jedoch unerw nschte berh hungen Durch eine spezielle Skalierung des gew nschten Frequenzgangs Hinzuf gen von Phaseninformation kann mittels einer normalen nicht inversen DFT die Impulsanwort eines Filters wie in Abbildung 27 berechnet werden Die Punkte der Impulsantwort sind bei einem FIR Filter gleichbedeutend mit den Koeffizienten So ist es m glich mit sehr wenig Aufwand dieses Filter zu berechnen HTA
34. Nebenprodukte zusatzlich zu der Hauptamplitude Die Hauptamplitude tritt zudem nicht bei der eigentlichen Signalfrequenz auf sondern leicht daneben Siehe dazu Abbildung 20 HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 A Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit 18 une nn nn Ah Mk 0 MA Y VV Ni UI Uf PE ELVIR 1H ER J 1Hz 5 N 18 2 X k RA L te J 0 vu juli 3 34 BA 9 f lina Abbildung 20 DFT einer Sinusschwingung wobei die Fensterl nge gleich dem 2 25 fachen der Periodendauer ist Quelle DVGO1 Durch eine geeignete Fensterung Multiplikation des Originalsignals im Zeitbereich mit geeigneten Fensterkoeffizienten k nnen nun die Nebenprodukte der Hauptamplitude ged mpft werden Mit der Wahl der Fensterkoeffizienten kann die Frequenzselektivit t Frequenzaufl sung der DFT und die D mpfung der Nebenprodukte bestimmt werden F r den H rschadensimulator muss die DFT nur eine schwache spektrale Aufl sung haben der Hauptlappen des Fensters darf deshalb breit sein Die D mpfung der Nebenlappen ist somit umso besser Durch ein solches Fenster k nnen die Amplitudenmaxima im Spektrum zuverl ssig detektiert werden Aufgrund von Versuchen mit der Audio Software CoolEdit w hle ich ein Blackman Harris Fenster aus Matlab kann dieses Fenster mit dem Befehl blackmanharris berechnen Das in der Simulation verwendete Blackman Har
35. Register Set temp_vect DM257 db_scalefactors DM81 dB Wert in linearen Skalierungswert umrechnen Spiegel symmetrisches Ablegen der temp_vect Skalierungswerte DM257 Spiegel rvect symmetrisches PM512 Ablegen der Skalierungswerte dvect DM512 Abbildung 41 Datenflussdiagramm des Codeabschnittes Empfangen der D Werte links und Empfangen der R Werte rechts 14 5 2 Empfangen der R Werte Der Empfang der R Werte l uft hnlich ab wie bei den D Werten F r die R Werte wird jedoch nur der Zahlenbereich von O bis 5 benutzt Der Wert O entspricht keinem Recruitment der Wert 5 einem sehr starken Recruitment Der Wert 5 entspricht den in Angaben in MG93 Formeln 4 und 5 dem Wert N 6 Die R Werte werden nun in die Variable rvect abgelegt wobei die Spiegelsymmetrie wiederum ausgenutzt wird Abbildung 41 rechts zeigt den Empfang der R Werte als Signalfussdiagramm HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 ica anos E Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D l oma rbe it EE E 14 5 3 Reihenfolge der D und R Werte Weil der Frequenzgang der Filter bei fs 2 spiegelsymmetrisch sind mussen nur 257 Parameterwerte ubertragen werden Dies beschleunigt die Datenubertragung auf der RS 232 Schnittstelle Der DSP berechnet aus den 257 Werten wieder alle 512 Parameter Die Aufteilung der 257 Parameter funktioniert nach folgenden Prinzip e Der erste Wert ist der DC Wert Er hat keine spiegels
36. ateiflt Bean nenne nenn nnnnnnnnnn nenne nenne nnnnnnnnn nenne nenne nenne nenne 31 143 e tee e E un 33 14 5 1 Empfangen der D Werte nenne nenne nnnnnnnnn anne nenne nenne nnnnnnnnnnnnne nennen 33 14 5 2 Empfangen der R Werte nenne nenne nnnnnnnnn anne nenne nenne nnnnnnnnnnnnne nennen 34 14 5 3 Reihenfolge der D und R Werte nenne nenne nenn onenennnne nennen 35 Kapitel 15 Die FIAITOW A Po o AA 36 15 1 RH ME dee ele EE 36 15 2 Technische Daten des DSP cis 36 15 3 Hardware ErwelterUngen ccccscccseccceeeccseeceuceceueceueecauceceeesueeseueeceusesaueeseeessaeeseueessueess 37 HTA Burgdorf Abt Elektrotechnik Wintersemester 2001 2002 Autor Marcel Suter m Simulation der Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit ANN 15 4 Ein und Ausgandspedel nenne nnnnennnnnnnnn nenn nenne nenne nnnnnnnnnnnnnenn 3 deenen 37 Kapitel 16 Erweiterungs und Optimierungsm glichkeiten eur 2nu02nnnnn0nnnnnnnnnnannnnnn nenn 38 16 1 o o GEN seien A 38 16 2 Spiegelsymmetrie ausnutzen nenne nenne nnnnnnnnn anne nenne nnnnennnnnnnnnnnnne nennen 38 1693 ECKE E E 38 16 4 Lautst rkenanhebung smuleren nenn nenn anne nenne nennonennn nenn nenn nennen 38 Kapitel 17 Schlusswort und Dank siii 39 Kapitel 18 Weide E 40 Anhang A Verifikation der Simulation u 20002n0002n000nn0nnnunannnn anno nnnnn nun nnnnnnnnnnnnnnn nun nnnnnn 42 Anhang B Tabelle der Koeffizienten Frequenzpunkte und Frequenzb nder
37. ausfallen Abbildung 16 zeigt das Blockdiagramm des Simulators Der direkte Signalweg ist mit dicken Pfeilen angedeutet Die restlichen Komponenten sind fur die Berechnung des andernden FIR Filters zustandig Die Filterlange des FIR Filters betragt N 512 Der Eingangsringspeicher jedoch besteht aus 1371 Elementen und ist gleichzeitig fur eine Verzogerung der Daten vor der Faltung zustandig Faltung von N Datenpunkten INPUT mit N Koeffizienten OUTPUT FIR Filter anwenden Eingangs Ringspeicher Filterkoeffizienten M Elemente FIR Filter Fensterung generieren Lange N Nichtlineare Verstarkung Im Frequenzbereich FFT der Lange N Amplitudengang bestimmen Abbildung 16 Blockdiagramm des Horschaden Simulators In den folgenden Unterkapiteln werden die Komponenten kurz beschrieben Ein ausf hrlicher Beschrieb folgt in den n chsten Hauptkapiteln 6 2 Komponenten 6 2 1 Eingangs Ringspeicher Dieser Ringspeicher speichert die eingehenden Daten Er ist M Elemente gross wobei M gt N Somit kann eine Verz gerung der Signale erreicht werden Dies ist notwendig damit die Daten auf denen das neu berechnete Filter beruht mit ebendiesem Filter gefaltet werden 6 2 2 Fensterung Die Fensterung multipliziert die Originaldaten mit einem ebensolangen Set von Koeffizienten Dies ist eine Vorbereitung auf die nachfolgende Stufe Durch die Fensterung kann die Frequenzselektivit t der diskreten Fouriertransformation beeinflus
38. betr gt dann M D hF f 512 1371 Speicherpl tze Die schlussendliche Verz gerung vom Einganssignal zum Ausgangssignal der Simulation ist noch etwas gr sser es kommt noch die Gruppenlaufzeit des Filters hinzu Diese betr gt noch einmal 5 804 Millisekunden womit die Gesamtverz gerung 25 3 Millisekunden betr gt Das Funktionieren dieser Verz gerung wurde ausgemessen Das Messprotokoll ist in Anhang C zu finden HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 AA Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D oma rbe it ee 1 7 Kapitel 8 Die Fensterung Der Funktionsblock Fensterung bezieht seine Daten aus dem Eingangs Ringspeicher und wendet auf diese Daten ein Fenster an Dies dient als Vorbereitung auf die nachfolgende Fourier Transformation Die Diskrete Fouriertransformation liefert nur den exakten Amplitudenwert einer Frequenz wenn die Signalperiode ein ganzzahliges Vielfaches der Abtastperiode ist Siehe dazu Abbildung 19 Abbildung 19 DFT einer Sinusschwingung wobei die Fensterl nge gleich dem Zweifachen der Periodendauer ist Quelle DVGO1 Die Diskrete Fourier Transformation DFT geht immer von periodischen Signalen aus Dies ist jedoch bei einem kontinuierlichen Signal wie es Sprache oder Musik darstellt nicht der Fall Wenn die gew hlte Abtastperiode nicht einem ganzzahligen Vielfachen des Signales besteht tritt ein Effekt auf der als Verschmieren oder Lecken bezeichent wird Deshalb ergeben sich
39. das sie erkennt und auswertet Abbildung 5 Funktionsweise der Schalleitung im Ohr Quelle PAC Abbildung 6 Orte der Empfindlichkeit f r bestimmte Frequenzen in der Cochlea Quelle PAC 3 2 Das gesunde Innenohr In der erbsengrossen Cochlea H rschnecke passiert die Umwandlung der Schallwellen in Nervenreize Die Cochlea macht eine Art Fourierzerlegung des Schallimpulses weil sie an bestimmten Orten f r bestimmte Frequenzen empfindlich ist Sind an einem Ort die Haarsinneszellen gesch digt tritt im entsprechenden Frequenzbereich eine Innenohrschwerh rigkeit auf Abbildung 6 zeigt die Orte der Empfindlichkeit f r verschiedene Frequenzen Interessant ist dabei dass hohe Frequenzen am Anfang der Schnecke und tiefe Frequenzen am Ende der Schnecke geh rt werden HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 AA Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Diplomarbeit EE d Abbildung 7 Schnitt durch die Cochlea Die Schallwellen pflanzen sich in Richtung der roten bzw blauen Pfeile fort Quelle PAC Abbildung 7 zeigt einen Schnitt durch die Windungen der Cochlea Die Schneckeng nge werden durch zwei Membrane in 3 Sektionen eingeteilt Durch eine Sektion wandern die Schallwellen von Schneckenanfang zu Schneckenende rote Pfeile und von dort durch eine zweite Sektion wieder zum Schneckenanfang zur ck blaue Pfeile In der dritten Sektion befinden sich das Cortische Organ und die Haarsinneszellen welche die Schallwelle
40. des Recruitments insbesondere mit der M glichkeit das Recruitment ganz auszuschaiten lineares Filter e Anschliessbar an g ngige Audio Ger te Line level wenn m glich Eingangsseitig auch Mic level 2 2 Verifizierung der impfementierten Simulation e Simulation verschiedener H rverm gen wie folgt o normales Geh r o mittelgradige Schwerh rigkeit von 50 dB breitbandig mit und ohne Recruitment o hochgradige Schwerh rigkeit von 70 dB breitbandig mit und ohne Recruitment o Hochtonabfall von 0 dB bei 500 auf 80 dB bei 8000 Hz fallend mit und ohne Recruitment e Versuch einer Lautst rkeskalierung mit 2 normalh renden Versuchspersonen Lautst rkeskalierung Zuordnung von Signalen 20 80 dB in 10 dB Schritten in die subjektiven Kategorien sehr laut Abbildung 1 Aufgabenstellung Seite 1 HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 ica anos E Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D l oma rbe it EE E laut mittel leise sehr leise und nicht h rbar mit Schmalbandrauschen 1 3 Oktavrauschen Mittenfrequenz 1000 Hz f r die Simulationen normales Geh r und der mittelgradigen Schwerh rigkeit mit und ohne Recruitment e Simulation des H reindrucks f r jede der obigen Zust nde des normalen und pathologischen Geh rs mit je einem kurzen Musikausschnitt und einer Textpassage 1 Satz Format wav Dateien Beginn der Diplomarbeit 22 10 2001 Abgabe Diplomarbeit 14 1 2002 e d haa Le A E fy 7 7 gt e r
41. e Ohr eine EiNfUhrUNQ ncccooccnccnoncncononcncnnnnancononnnronnnnanennnnnnronnannrenenaanns 5 3 1 SA 5 3 2 Das gesunde Innenohr NEEN 6 3 3 Das gesch digte Innenohr occcconccccnncccnncncncconnocannnnonnononononnonnnonannnnnnnnnnnonannonannennncnnnninanns 8 3 4 Auswirkungen der Innenohrschwerbongkert nenn nenn nenne nennenenennen 9 Kapitel 4 Aufbau des Simulators 2u0 200 20000000n0n n0nnnunnnun nun nun nun nun nun nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn une 10 4 1 Installation der Hardware NNN 10 4 2 Installation der Software Grafische Benutzeroberfl che Rn 10 4 3 oi A A 11 Kapitel 5 Grafische Benutzeroberfl che occoonconncconnciocnccnonncconccconconnrcnanronnnrronnrnnnrenanrrnanrnancrnnnrnnn 12 5 1 Einteilung der Simulationsb nder nenn nenne nenne nenn nnnne nenne nennenenennen 12 9 2 Senden von neuen Parametern occcoccncnccnncccncncnnnncncnncnonononnnnnnnnnnnnnnnnnrnnnnrnnnnnnnnnnnnnnncnnnnnnnos 12 Kapitel 6 Grundprinzip der Simulation 2220220002000 00nan0nnnunnnunnnunnnun nun ann nnnnnnnnnnnnnnnnn anne 13 6 1 Je 13 6 2 FON OOM CTS Nee ista 13 6 2 1 EINGANGS RINGSDSICNEM E 13 022 gi EE e WEE 13 O tetas 14 6 2 4 Nichtlineare D mpfung cccccceccsseeccseeceececeucecauceceeeceeseucecsecssacecsueeseeesaeessueeseaeessaees 14 6 2 5 E EE einen 14 A nn a 14 Kapitel 7 DerEingangs RingSpeliCher oooncconcconnconccccnccnonnccnnnccnnnrenarrnnnronnrrnnrrnnnrrnnnrnnnrrnnnrenanrenaarnnss
42. e berechnet werden Anschliessend werden die DF T s dieser Bl cke so zusammengef hrt dass schlussendlich die DFT des urspr nglichen Signales erhalten wird Eine Einf hrung in diese Methode findet man bei AD Weiterf hrende Hinweise sind in DVG01 und DSPA92 zu finden 9 1 Routine von Analog Devices DSPA92 stellt eine funktionst chtige FFT Routine zur Verf gung die vom H rschadensimulator verwendet wird Weitere Informationen zur Funktionsweise sind dort zu finden 9 2 Betragsbestimmung Der Real und Imagin rteil der DFT wird anschliessend zu einem Betrag verrechnet indem der Real und Imaginarteil je potenziert addiert und anschliessend die Quadratwurzel bestimmt wird Dies entspricht dem Vorgehen zur Bestimmung der L nge Hypotenuse in einem rechtwinkligen Dreieck Abbildung 23 zeigt dieses Vorgehen Quadratwurzel Realteil Imagin rteil Abbildung 23 Berechnung des Betrages aus Real und Imagin rteil HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 GETT vw Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit e 1 Kapitel 10 Die nichtlineare Dampfung Bei der Simulation des H rschadens geht es darum eine bestimmte Eingangs Lautst rke einer anderen Ausgangs Lautst rke zuzuordnen Dies ist mathematisch betrachtet eine Funktion die bestimmten Werten bestimmte andere Werte zuordnet Die Ausgestaltung dieser Funktion bestimmt wie die Simulation sich verh
43. ebene entworfene Filter wird anschliessend mit der Frequency Sampling Method in ein Set von Koeffizienten umgerechnet HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 AA Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit P3 Kapitel 11 Generieren des FIR Filters Aus dem gew nschten Amplitudengang soll nun ein FIR Filter mit ebendiesem Amplitudengang berechnet werden Eine einfache und f r den H rschadensimulator geeignete Methode zum Berechnen von FIR Filtern ist die sogenannte Frequency Sampling Methode 11 1 Funktionsweise des Frequency Sampling Verfahrens Bei der Frequency Sampling Methode wird der gew nschte Frequenzgang an bestimmten Punkten vorgegeben Diese Frequenzpunkte werden auch als Abtastpunkte bezeichnet Ausgehend von diesem Abgetasteten Frequenzgang k nnen nun durch eine inverse DFT die Koeffizienten berechnet werden Damit das Filter nach der R cktransformation reelle Koeffizienten enth lt hat der Frequenzgang bei f 2 eine Spiegelsymmetrie DFT statt IDFT verwenden Da f r die Berechnung des Amplitudengangs des Eingangssignals bereits ein FFT Algorithmus benutzt wird ist es sinnvoll auch f r die Berechnung des FIR Filters diesen Algorithmus zu benutzen Dies ist m glich wie die Gleichungen 1 und 2 zeigen Die DFT und die IDFT unterscheiden sich nur durch einen Skalierungsfaktor Somit ist es ohne weiteres m glich den bereits bestehenden Code zu benutzen
44. egment verzweigt Hat der Benutzer den Befehl zur R ckkehr in den Simulationsmodus gegeben wird die Routine DIS_KOM_PC aufgerufen die alle verwendeten Resourcen wieder freigibt Am Schluss wird der Interrupt des seriellen Ports O wieder eingeschaltet 14 5 1 Empfangen der D Werte Die D Werte sind ASCIlI Zeichen im Bereich von 55dec dezimal bis maximal 255dec Dieser Bereich wird zuerst in den Zahlenbereich von O bis 200 umgerechnet F r die D Werte wird jedoch nur der Zahlenbereich von O bis 80 benutzt wobei diese Zahl gerade die D mpfung in dB f r den ensprechenden Frequenzpunkt vorgibt Da der DSP nicht mit dB s rechnen kann m ssen diese Zahlenwerte in lineare Koeffizienten im Bereich von O bis 1 konvertiert werden O enspricht dabei einer unendlichen D mpfung 1 entspricht keiner D mpfung F r diese Konversion wird eine Tabelle benutzt Anschliessend werden die konvertierten Koeffizienten unter Ausnutzung der Spiegelsymmetrie in die Variable dvect abgelegt Abbildung 41 links zeigt den Empfang der D Werte als Signalflussdiagramm HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 ica anos E Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D oma rbe it ee A Empfangen der D Werte Empfangen der R Werte SPORT1 SPORT1 GET_CHAR Monitorroutine GET_CHAR Monitorroutine AA First Regist t irst Register Se AN First Register Set Wertebereich umrechnen Wertebereich umrechnen AR First
45. einem Simulationsband zusammengefasst Eine Aufstellung der kritischen B nder und der zugeh rigen Frequenzbereiche ist in Anhang C zu finden 5 2 Senden von neuen Parametern Ist der gew nschte H rschaden eingestellt kann durch W hlen des korrekten COM Ports Serielle Schnittstelle und Dr cken der Taste Parameter senden die aktuelle Einstellung auf den DSP heruntergeladen werden W hrend dem Herunterladen erlischt die Kontrolllampe DSP l uft und die Datenverarbeitungseinheit pausiert die Simulation Das Herunterladen dauert rund eine halbe Sekunde Sind alle Parameter heruntergeladen leuchtet die Kontrolllampe DSP l uft wieder auf HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 A Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D l oma rbe it EE 1 Kapitel 6 Grundprinzip der Simulation 6 1 Idee Die Simulation des Horschadens basiert auf einer zeitvarianten Zeitlich andernden Filterung Das bedeutet dass sich das Filter immer wieder andert und zwar rund 80 mal pro Sekunde Das eigentliche Simulationselement ist ein Finite Impulse Response Filter FIR Filter Das Originalsignal passiert dieses FIR Filter und erscheint als verandertes Ausgangssignal am Ausgang des Simulators Das FIR Filter wird nun periodisch neu berechnet und dem Originalsignal in geeigneter Weise angepasst Das Kernproblem liegt also darin dieses FIR Filter zu berechnen Dies soll sehr schnell geschehen damit die Sprunge bei wechselndem FIR Filter klein
46. eit auf der grafischen Oberfl che wegen sind oft zwei kritische B nder zu einem Simulationsband zusammengefasst 62 5340 23438 140 12058 5938 180 15503 9063 2 D 63 5426 36719 141 12144 7266 181 15590 0391 8 9 D 5 2 D 64 5512 5 142 12230 8594 182 15676 1719 S Sa E e 65 5598 63281 143 12316 9922 183 15762 3047 usa 255 66 5684 76563 144 12403 125 184 15848 4375 5 28 S 67 5770 89844 145 12489 2578 185 15934 5703 5 2 2 2 68 5857 03125 146 12575 3906 186 16020 7031 69 5943 16406 147 12661 5234 187 16106 8359 0 0 70 6029 29688 148 12747 6563 188 16192 9688 A 1 86 1328125 71 6115 42969 149 12833 7891 189 16279 1016 2 172 265625 72 6201 5625 150 12919 9219 190 16365 2344 B 3 258 398438 73 6287 69531 151 13006 0547 191 16451 3672 4 344 53125 74 6373 82813 152 13092 1875 192 16537 5 C 5 430 664063 75 6459 96094 153 13178 3203 193 16623 6328 6 516 796875 76 6546 09375 154 13264 4531 194 16709 7656 D 7 602 929688 77 6632 22656 155 13350 5859 195 16795 8984 8 689 0625 78 6718 35938 156 13436 7188 196 16882 0313 9 775 195313 79 6804 49219 157 13522 8516 197 16968 1641 E 10 861 328125 80 6890 625 158 13608 9844 198 17054 2969 11 947 460938 81 6976 75781 M 159 13695 1172 199 17140 4297 12 1033 59375 82 7062 89063 160 13781 25 200 17226 5625 13 1119 72656 83 7149 02344 161 13867 3828 201 17312 6953 14 1205 85938 84 7235 15625 162 13953 5156 202 17398 8281 F 15 1291 99219 85 7321 28906 163 14039 6484 203 17484 9609 16 1378 125 86 7407 42188 1
47. en eingehalten werden Als erstes habe ich mich mit der evaluierten Hardware n her auseinandergesetzt Dies passierte anhand der zugeh rigen Literatur sowie der Realisation von einigen einfachen Programmen f r den DSP Anschliessend widmete ich mich dem Hauptteil der Diplomarbeit der Implementation des Simulationsalgorithmus f r den DSP Diese Arbeit war sehr anspruchsvoll und nahm wie erwartet die meiste Zeit in Anspruch Am Schluss wurde die Simulation durch Versuche mit 2 Studenten berpr ft HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 AA Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D a D l oma rbe it en EE a Kapitel 3 Das menschliche Ohr eine Einf hrung 3 1 bersicht Das menschliche Ohr ist ein kleines Wunderwerk W hrend des ganzen Lebens dient es uns als wichtiges Organ f r die allt gliche Kommunikation Es erm glicht uns zum Beispiel die Freude an der Musik und schliesslich ist es ein immer waches Fr hwarnsystem im Strassenverkehr Das gesunde Ohr kann Schallwellen im Bereich von 20 Hertz bis 20 Kilohertz verarbeiten Es hat einen maximalen Dynamikumfang von 120 Dezibel Nur sehr gute Mikrofone k nnen einen hnlichen Dynamikumfang verarbeiten Der CD Player als Vergleich hat eine Dynamik von nur rund 96 Dezibel Abbildung 3 zeigt den Schallpegelbereich den das menschliche Ohr wahrnehmen kann Limite sup rieure de perception OO o A a o a CD a Ultrasons Intensit s dB Infrasons E
48. en und schaltet in den Kommunikationsmodus um Dies geschieht durch Aufrufen der Routine do_compc im Modul com Diese Routine bernimmt nun die Kommunikation zwischen dem DSP und dem PC M glicherweise muss der PC mehrere Zeichen senden bis der DSP anhand des Flags Fl ein Zeichen erkennt F llt das Zeichen in eine Zeitl cke wo der DSP das Flag Fl nicht abfragt geht das Zeichen verloren Das State Event Diagramm in Abbildung 35 stellt die Funktionsweise dieses Kommunikationsmodus dar Fl zeigt signalisiert den Empfang eines Zeichens Simulation stoppen Simulation gestoppt warten auf ASCII Zeichen Nr 2 Simulation lauft ASCll Zeichen Nr 1 empfangen Wechsel in den Simulationsmodus ASCll Zeichen Nr 2 empfangen Wechsel in den Befehlsmodus Gelee ASCII Zeichen Nr 4 Empfang der D Werte initiieren ASCll Zeichen Nr 3 empfangen Empfang der R Werte initiieren Alle D Werte empfangen R ckkehr in Befehlsmodus Alle R Werte empfangen R ckkehr in Befehlsmodus Empfang von 257 D Werten Empfang von 257 R Werten Abbildung 35 State Event Diagramm des Kommunikationsmodus Sobald der Kommunikationsmodus durch die Routine do_compc aktiviert wurde wartet der DSP auf das ASCll Zeichen Nr 2 welches dem DSP den Wechsel in den Befehlsmodus anzeigt Danach erfolgt das Herunterladen von neuen Daten mit Hilfe von weiteren Befehlen welche in der Tabelle 1
49. eunzgang zu erhalten vergleich ich die Spannung des Simulators linker Ausgangskanal mit dem direkt an den Ausgang gef hrten Originalsignal Loopbackbetrieb mit dem rechten Ausgangskanal G 2 Messaufbau Control Systems Analyzer Source Sinus 2VRMS linker Ausganskanal des EZ Kit Lite rechter Ausgangskanal des EZ Kit Lite Abbildung 54 Messaufbau f r Frequenzgangmessung G 3 Einstellungen am Analyzer Ausgangslage Direkt nach dem Einschalten anschliessend folgende Einstellungen vornehmen MEAS MODE Swept Sine Log Sweep FREQ Start Frequency 20Hz Freq Span 3 Decades Sweep Rate 121 Sec Decade SOURCE Source Level 2 Volt RMS RANGE Auto 1 Up amp Down Auto 2 Up amp Down MEAS DISP Freq Resp Je nach Belieben nun noch die Y Skala bestimmen Fertig G 4 Messungen Verschiedene Messunge mit verschiedenen Frequenzgangen ergeben die folgenden Resultate in den folgenden Abbildungen Zu Beachten Abbildung 55 hat eine andere Skalierung der Y Achse als die anderen Abbildungen HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 nta Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Origke Simulation der Innenohrschwerh lomarbel ip FREG RESP FREG RESP 0 40 Div tog Hz Fxd Y 20 Log Hz Abbildung 56 Frequenzgang bei der Voreinstellung 5008B Breitbandig Abbildung 55 Frequenzgang bei der Voreinstellung OdB Breitbandig FREG RES 0 0 O Fxd Y 20 dB 80 0 FREG
50. gelsymmetrisch ist k nnte die Betragsbildung und auch die nichtlineare D mpfung nur auf die untere H lfte des Frequenzspektrums angewendet werden Anschliessende wird die obere H lfte des Frequenzspektrums durch Umkopieren der entsprechenden Koeffizienten gebildet 16 3 GUI erweitern Das GUI ist sehr einfach gehalten Zus tzlich zu den vorhandenen Reglern k nnte noch eine Grafikanzeige implementiert werden welche die simulierte Lautst rken nderung angibt Die Fehlererkennung w hrend der Daten bertragung vom PC zum DSP ist ebenfalls nur sehr einfach Nicht alle Fehler k nnen zuverl ssig erkannt werden Ab und zu kommt es vor dass die Parameter nicht korrekt an den DSP gesendet werden 16 4 Lautst rkenanhebung simulieren In der aktuellen Version der Simulation k nnen Signale nur ged mpft jedoch nicht in der Lautst rke angehoben werden Die Simulation des Recruitment ist korrekt wenn davon ausgegangen wird dass das Recruitment bei 100dB SPL vollst ndig ist Siehe dazu MG93 Das bedeutet dass ein Ton mit 100dB SPL nicht bed mpft wird T ne die leiser sind werden abh ngig von ihrer Lautst rke bed mpft M chte man z B aber einen 80dB SPL lauten Ton auf 100dB SPL umsetzen ist eine Verst rkung von 20dB n tig Dies ist jedoch bei dieser Simulation nicht m glich HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 A Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D l oma rbe it EE a Kapitel 17 Schlusswort und Dank
51. i RC A ss bss neeennwv www ww ena ew asss san gne ts san ss ek a u se sbkesss en a rw ans wenn www wf HN AE O MA NENNEN EEN a Ss Ss ss ses ts sans san ER nes Rank RS ny mgoen np a sg BRAERwnnw B D Roo p AA ss II Wir es D D o NEE ON OR EC ET s e ee ksa ss rss sz sr pp nk a mmm kr kv rass esst sr dun es sie sn sa a ap seess enn a a E I L 1 A a gt toos DH D H a i l L l I D ee ee EE E ee nuna See ee pannaan EE ee ee EE ee ee EE eee ee i H D DH UCNE CR OC OI O TO ka w n sanun E T ew H D H Yrms 13697 Om Vrms 2 598 Em Freqg 2 955 2 Hz Abbildung 52 Messung mit Amplitude 2VRMS mit Recruitment Der Pegelunterschied ist auch hier extrem klein Das bedeutet dass die Simulation keine Lautst rken nderung ergibt Dies entspricht den Erwartungen f r dieses Signal weil ein sehr lautes Eingangsignal auch ein sehr lautes Ausgangssignal ergeben soll E AA Messung 4 Amplitude 1Vrms mit Recruitment Die Messung ergibt das in Abbildung 53 gezeigte Resultat HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 til Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D oma rbe it ee A 1 85009 2 500 f 0 00s 200k i STOP CI Br Be Br Be Sr ve Bu u A MT TM A _ rk D D Ss ks ks SR Ss SS nn nn u seess ster rs ps a Bag ss fanen ansnnsnnn as D D 2 D D Sr Sins sssss Bnp ss nn pr s sant ssenssssetisrrsrleeetessneeees eessen r seess ses sp sp sp np ans pn a A
52. in HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 actina vw Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Diplomarbeit Kapitel 13 Literaturverzeichnis AD AFUM95 ATSM94 DNUW DSPA92 DVGO01 ESP EV90 EZL95 FBH GB HR JS00 MG93 http www analog com Analog Devices One Technology Way P O Box 9106 Norwood MA 02062 9106 Analog Devices ADSP 2100 Family Users Manual Analog Devices One Technology Way P O Box 9106 Norwood MA 02062 9106 1996 Analog Devices ADSP 2100 Family Assembler Tools amp Simulator Manual Analog Devices One Technology Way P O Box 9106 Norwood MA 02062 9106 1996 http www neurophys wisc edu h amp b audit ory anatomy a25 html Department of Neurophysiology University of Wisconsin Analog Devices Digital Signal Processing Applications using the ADSP 2100 Family Analog Devices One Technology Way P O Box 9106 Norwood MA 02062 9106 1996 Daniel Ch von Gr nigen Digitale Signalverarbeitung Carl Hansen Verlag M nchen 2001 http www sound au com Elliott Sound Products Ad W M van den Enden und Niek A M Verhoeckx Digitale Signalverarbeitung Vieweg Verlag Verlagsgesellschaft mbH Braunschweig Deutschland 1990 Analog Devices ADSP 2100 Family EZ KIT Lite Reference Manual Analog Devices One Technology Way P O Box 9106 Norwood MA 02062 9106 1995 http www forumbesserhoeren de Forum Besser H
53. in drei Reihen je im Dreiecksmuster angelegt die inneren Haarsinneszellen sind in linienf rmigen Strukturen angelegt Abbildung 10 Mikroskopische Aufnahme des Cortischen Organes Die Tektorialmembran wurde entfernt Der Massstab weisser Balken betr gt 20 Mikrometer Quelle PAC 3 3 Das gesch digte Innenohr Ein H rschaden durch L rm entsteht im Innenohr durch Sch digung der Haarsinneszellen Die Schwingungen bei zu hohen Lautst rken sind so energiereich dass die Haarsinneszellen regelrecht abknicken und ihre F higkeit verlieren die Schwingungen als Nervenreize weiterzuleiten Zerst rte Haarsinneszellen regenerieren sich nicht mehr die so entstandenen H rsch den bleiben irreparabel Wenn das H rverm gen einmal verlorengegangen ist l sst es sich nicht mehr zur ckgewinnen HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 A vw Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Simulation der O Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit Vorboten oder Anzeichen eines H rverlustes sind Pfeifen in den Ohren Tinnitus oder die fehlende F higkeit T ne mit h heren Frequenzen wie etwa Musik richtig wahrzunehmen Oder es strengt an Gespr che in ger uschvoller Umgebung zu verstehen Es gibt zudem sogenannte ototoxische Medikamente zum Beispiel gewisse Antibiotika die ebenfalls einen irreparablen H rschaden hervorrufen k nnen Abbildung 11 zeigt gesunde Haarsinneszellen in voller Gr sse w hrend die Haarsinneszellen in Abbild
54. ion wurde angehalten Der T T 2 Simulation stopped Enter a command DSP ist bereit Daten zu empfangen Der DSP best tigt den Empfang der Recruitment Werte L Simulation running lt lt lt 3 R Values received Enter a command Ein ung ltiger Befehl wurde eingegeben 9 Error Ein ung ltiger Datenwert wurde empfangen und deshalb der Empfangsmodus f r die R Werte abgebrochen Der DSP befindet sich im b Awaiting 257 R Values in TR Empfangsmodus und erwartet 257 R Werte in aufsteigender Reihenfolge Der DSP befindet sich im c Awaiting 257 D Values in ba Empfangsmodus und erwartet 257 D Werte in aufsteigender Reihenfolge a Invalid R Value received Ein ung ltiger Datenwert wurde empfangen und deshalb der Empfangsmodus f r die D Werte abgebrochen d Invalid D Value received Enter a command HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 ica anos E Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Diplomarbeit ee 30 Kapitel 14 Programmierung des DSP Codebeispiele 14 1 Aufbau des Codes Der Code fur den Innenohr Horschadensimulator besteht aus einem kurzen Hauptprogramm und mehreren Subroutinen Die wichtigsten Subroutinen wurden selbst geschrieben Einige konnten aus bestehenden Arbeiten und aus dem Internet bernommen werden Abbildung 36 zeigt eine bersicht uber die benutzten Routinen Abbildung 36 Die einzelnen Routinen in hierarchischer Darstellung Quellenangaben AD Analog Devices
55. it einem Personalcomputer PC entworfen Mit Hilfe einer grafischen Benutzeroberfl che kann der Benutzer am PC den simulierten H rschaden vorgeben Die Simulation ist wegen der eingeschr nkten der Rechenleistung des DSP nur in Mono ausgef hrt Das Eingangssignal des Simulators ist ein Line Signal mit einem maximalen Pegel von 0 707Vrus entsprechend einer Spitze Spitze Spannung von 2V Am Ausgang liefert der Simulator ebenfalls ein Line Signal mit dem gleichen Pegel Die Samplingrate betr gt 44 1kHz Mit einem Kopfh rerverst rker und einem Kopfh rer kann der simulierte H rschaden nachempfunden werden Anhand zweier Testlaufe mit normalh renden Personen konnte die korrekte Funktion des Simulators nachgewiesen werden Abstract This report gives an overview to the diploma work Simulation of the cochlear hearing loss The goal of this diploma work was to implement and test a realistic simulation of the cochlear hearing loss in real time The reader of this report gets an introduction to the priciples of this simulation namely a frequency dependent damping and the so called recruitment a frequency and loudness dependent damping The simulation algorithm could be taken from a preceding term work For that the system runs in real time a digital signal processor DSP with a hardware environment suitable for audio signals was used The main task of the diploma work was then the programming of the DSP in the appropriate assembler language
56. itical Bandwidth in Funktion der Frequenz Quelle ZT80 Critical band rate Bark Frequency Hz Critical bandwidth Hz Center Frequency Hz 0 0 100 50 1 100 100 150 2 200 100 250 3 300 100 350 4 400 110 450 5 510 120 570 6 630 140 700 7 770 150 840 8 920 160 1000 9 1080 190 1170 10 1270 210 1370 11 1480 240 1600 12 1720 280 1850 13 2000 320 2150 14 2320 380 2500 15 2700 450 2900 16 3150 550 3400 17 3700 700 4000 18 4400 900 4800 19 5300 1100 5800 20 6400 1300 7000 21 7700 1800 8500 22 9500 2500 10500 23 12000 3500 13500 24 15500 HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 nta Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter m e Simulation d Diplomarbeit ee e EE AB Anhang D Geschwindigkeitsmessungen Die Rechenzeit von einzelnen Funktionsbl cken wurde gemessen siehe Tabelle 6 Damit ist es m glich anschliessend besonders rechenintensive Bl cke gezielt zu optimieren Zur Messung der Rechenzeit f r bestimmte Bl cke wurde vor dem Block das Flag 1 welches mit der roten LED gekoppelt ist gesetzt und gleich nach dem entsprechenden Funktionsblock wieder gel scht Mit einem Speicheroszilloskop kann nun die Zeit zwischen Ein und Ausschalten gemessen werden Diese Zeit enspricht dann der ben tigten Rechenzeit f r diesen Block Tabelle 6 Rechenzeiten von Funktionsbl cken Funktionsblock Kurzbeschreibung Fensterung Setzen der Register im 31 1uSec dowindowing Da
57. lektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit 10 Kapitel4 Aufbau des Simulators Der Horschadensimulator aus einer Datenverarbeitungseinheit und einer grafischen Benutzeroberfl che 4 1 Installation der Hardware Die Hardware wird gem ss Abbildung 14 angeschlossen e Die Verbindung der Quelle und der Senke mit der Signalverarbeitungseinheit kann mit normalen Audio Kabeln mit Cinch Steckern erfolgen Aufgrund der beschr nkten Rechenleistung ist die Simulation nur in Mono ausgef hrt e Die Stromversorgung erfolgt ber ein Netzkabel welches auf der R ckseite des Ger tes angeschlossen wird e Die Verbindung des EZ Kit Lite mit dem PC erfolgt ber ein 9 poliges serielles Kabel an einen beliebigen COM Anschluss des PC ber dieses Kabel wird anschliessend die Kommunikation vom PC zum DSP ausgef hrt Reset Taste auf der R ckseite Stromversorgung 230 Volt Serielle Schnittstelle des PC Com Anschluss Signalverarbeitungs Einheit Signalquelle mit Line Pegel 0 707 V Rus bzw 2V pp z B Mikrofon mit Vorverstarker CD Player etc e Signaleingang des E Horschaden E Simulators N Kontroll Ausgang Signalsenke f r Signalsenke f r Simulations des H rschaden Line Pegel Line Pegel Ausgang des Simulators Es 0 707Vpms bzw 0 707 Vrus bzw H rschaden erscheint das 2Vpp 2Vpp Simulators Hier unveranderte erscheint das
58. lt wie realistisch sie also ist Moore Glasberg und Vickers MGV99 zeigen eine solche Zuordung der Lautst rkepegel f r eine bestimmte Person bei verschiedenen Lautst rken und verschiedenen Frequenzen 1000 Hz FIG 3 Loudness matching functions tor subject VF for sinusoidal stimuli with frequencies of 250 500 1000 2000 and 4000 Hz Each panel shows results for a different signal frequency Asterisks show the absolute threshold for each ear The curves show predic tions of the loudness model The diag onal dotted lines indicate equal levels in the two ears The data are taken from Moore and Glasberg 1997 2000 Hz 4000 Hz Level in normal ear dB SPL Normal ear adjusted Impaired ear adjusted Absolute threshold 00 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100 Level in impaired ear dB SPL Abbildung 24 Zuordung der Lautstarkepegel bei einer bestimmten Person bei verschiedenen Frequenzen Die gestrichelte Linie zeigt die Kennlinie eines normalen Ohres Quelle MGV99 Es f llt auf dass die Werte nicht nur unter der H rkurve eines normalen Ohres liegen sie steigen auch steiler an als der Normwert gestrichelte Linie Dies wird als Recruitment bezeichnet Ensprechend dem Vorschlag in MG93 werden in der Simulation zwei Parameter verwendet einerseits einen Paramter f r das Recruitment genannt R Parameter und einen f r die lineare D mpfung genannt D Parameter 10 1 Lautst rkeabh ngige D mpfung
59. n 100dB SPL zuzuordnen 15 5 Samplingrate Gem ss der Vorgabe in der Aufgabenstellung wurde die Samplingrate auf 44 1kHz eingestellt Damit k nnen Frequenzen von theoretisch bis zu 22050Hz verarbeitet werden in der Praxis ist die obere Grenzfrequenz jedoch bei ca 20kHz erreicht Dies entspricht zusammen mit der Rechentiefe des DSP von 16 Bit der CD Qualitat wie sie handels bliche Compact Discs bieten HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 A Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit 38 Kapitel 16 Erweiterungs und Optimierungsmoglichkeiten 16 1 FFT beschleunigen Wie aus der Tabelle 6 in Anhang D hervorgeht benotigt die Berechnung der DFT mittels des FFT Algorithmus weitaus am meisten Zeit Hier ist die erste Optimierungsm glichkeit zu suchen Da die erste FFT Routine ein reelles Signal verarbeitet w rde der Einsatz einer auf reelle Signale optimierten FFT Routine eine wesentliche Beschleunigung bringen Diese Optimierung wird in JSOO beschrieben Da dann statt der 512 Punkte FFT Routine nur eine 256 Punkte FFT Routine eingesetzt werden muss kann die Anzahl der Berechnungen auf die H lfte reduziert werden Da f r eine 256 Punkte FFT statt der bisher verwendeten Radix 2 FFT Methode die noch schnellere Radix 4 FFT Methode eingesetzt werden k nnte ist nochmals eine Beschleunigung zu erwarten 16 2 Spiegelsymmetrie ausnutzen Da der Frequenzgang bei f 2 spie
60. n Koeffizienten durchgef hrt und der Wert des Registers um 64 vermindert Beim Umkopieren werden die entsprechenden 64 alten Koeffizienten einfach berschrieben Nach 8 maligem Aufruf dieser Umkopierroutine sind alle Koeffizienten durch neue ersetzt und sie werden solange eingesetzt bis wieder ein neues Filter mit neuen Koeffizienten zur Verf gung steht Dies wird der ISR durch den Wert 512 im Register AR des zweiten Registersets angezeigt HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 A Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Simulation der Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit po H Kapitel 13 Kommunikation zwischen DSP und PC Um die Kommunikation zwischen dem Digitalen Signalprozessor DSP und dem Personal Computer PC zu erm glichen wurde ein einfaches Kommunikationsprotokoll implementiert Zweck ist das Herunterladen von neuen Simulationsparametern vom PC auf den DSP Das Herunterladen kann mit einem einfachen Terminalprogramm wie z B Hyperterminal von Microsoft Windows erfolgen Einfacher ist es jedoch die mitgelieferte grafische Benutzeroberfl che zu benutzen 13 1 Funktionsweise der Kommunikation Normalerweise ist die Kommunikation ausgeschaltet Der DSP pr ft jedoch periodisch den Status des Flags Fl Dieses Flag ist mit der Empfangsleitung der RS 232 Schnittstelle verbunden Normalerweise enth lt dieses Flag den Wert 1 Sobald das Flag Fl bei der Abfrage ein O zur ckgibt erkennt dies der DSP als erhaltenes Zeich
61. n in Nervenimpulse umwandeln Eine Vergr sserung eines Schneckenganges zeigt Abbildung 8 Abbildung 8 Vergr sserte Darstellung einer Schneckenwindung In 2 und 3 wandern die Schallwellen vom Anfang zum Ende und zur ck 6 ist die Tektorialmembran welche auf dem Cortischen Organ mit den Haarsinneszellen aufliegt Quelle PAC Die Abbildung 9 zeigt nun in einer weiteren Vergr sserung das Cortische Organ Die Tektorialmembran liegt auf den usseren und den inneren Haarzellen auf In den Haarsinneszellen passiert nun der eigentliche H rvorgang Sie registrieren jede Bewegung der Tektorialmembran und HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 rss wa Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Simulation der Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit H leiten den Reiz weiter an die Nervenzellen welche mit dem Hirn verbunden sind Je nachdem an welchem Ort in der Cochlea die Reizung stattfindet empfindet das Gehirn den Nervenimpuls als ensprechende Frequenz Abbildung 9 Das Cortische Organ 6 ist Tektorialmembran welche auf den usseren Haareszellen 2 und den inneren Haareszellen 1 aufliegt Die Nervenimpulse werden ber den Nervenstrang 5 ins Gehirn weitergeleitet Quelle PAC Die Haarsinneszellen sind sehr feine Strukturen ihre Gr sse liegt im Bereich eines Mikrometers Abbildung 10 zeigt eine mikroskopische Aufnahme des Cortischen Organes mit den Haarsinneszellen Die usseren Haarsinneszellen sind
62. nstrom mit dem Frequenzgang des Filters gefiltert und somit die Amplitude jeder Frequenz so ver ndert wird wie es notwendig ist um die H rst rung zu simulieren Die gefalteten Samples werden an den Digital Analog Wandler weitergeleitet welcher sie in analoge Spannungswerte umsetzt Abbildung 34 zeigt den Vorgang des Faltens Um den Ausgangswert y n zu erhalten werden N zeitverz gerte Samples mit je dem zugeh rigen Koeffizienten bx multipliziert und aus den Resultaten die Summe gebildet x n Abbildung 34 Grafische Darstellung des Faltvorganges Quelle DVGO1 Weil der DSP f r den Faltvorgang optimiert ist kann in nur 512 Taktzyklen der ganze Faltvorgang f r ein Sample abgewickelt werden Der DSP kann in einem einzigen Taktzyklus eine Multiplikation ausf hren das Resultat aufsummieren und gleichzeitig ein neues Zeitverz gertes Sample und einen Koeffizienten in das Rechenwerk einlesen 12 2 Neue Filterkoeffizienten umkopieren Neben der Faltung f hrt die Interrupt Service Routine ISR auch noch das Umkopieren des neuen Filters durch Damit die Spr nge die bei wechselndem Filter entstehen gemildert werden konnen die neuen Koeffizienten nur h ppchenweise zum Einsatz Jedesmal wenn die ISR aufgerufen wird pr ft sie ob noch neue Filterkoeffizienten zum Umkopieren bereit stehen Dabei wird gepr ft ob der Wert des Registers AR im zweiten Registerset gr sser als 0 ist Ist dies der Fall wird das Umkopieren von 64 neue
63. oard 15 2 Technische Daten des DSP Die Rechentiefe des DSP betr gt 16bit wobei eine Fixkomma Arithmetik verwendet wird Weitere Daten sind e 30ns Instruktionszeit e 33 MIPS Million Instructions per Second e Programmspeicher 16K 24bit e Datenspeicher 16K 16bit e Abtastraten von 5 5125KHz bis 48kHz Fur weitere Informationen betreffend dem Evaluationsboard verweise ich auf die Literatur von Analog Devices e Hardwareaufbau des Evaluationsboards EZL95 e Technische Daten AD DA Wandler SPC96 e ADSP 2181 Benutzerhandbuch AFUMO95 HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 A vw Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D l oma rbe it EE E d 15 3 Hardware Erweiterungen Um die Funktionalit t des EZ Kit Lite der Aufgabenstellung anzupassen wurden das Evaluationsboard in ein Geh use eingebaut und die notwendigen Anschl sse auf die Frontplatte und die R ckwand gef hrt Abbildung 44 zeigt die Frontansicht des H rschadensimulators Abbildung 44 Frontansicht des H rschadensimulators 15 4 Ein und Ausgangspegel Die Pegel am Eingang und an den Ausg ngen des H rschaden Simulators sind auf eine Spannung von 0 707 VRrus normiert Dies enstpricht einer Peak Peak Spannung von 2Vpp Dem Benutzer steht es frei diesen Spannungen einen bestimmten akustischen Schalldruck zuzuordnen Soll die Simulation gem ss der Aufgabenstellung den Vorgaben in MG93 entsprechen ist diesen Spannungen ein Schalldruck vo
64. rcel Suter Simulation der Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit e 6 3 5 0 5 l 0 100 200 300 400 500 600 Abbildung 29 Vorgegebener Amplitudengang f r eine Filterberechnung mit dem Frequency Sampling Verfahren Er besteht aus 512 Abtastpunkten wobei der Wert O einer unendlich starken Dampfung und der Wert 32767 2 keiner Dampfung entspricht d A L Tere an Frequency Abbildung 30 Impulsantwort des FIR Filters Die Werte Abbildung 31 Amplitudengang des FIR Filters mit entsprechen gleichzeitig den einzelnen Koeffizienten linearer Y Achse Phate degrees Im 7 EE ay UAT Jr Le A RE Se ger Abbildung 32 Phasenggang des FIR Filters Abbildung 33 Pol Nullstellendiagramm des FIR Filters HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 A Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit 7 Kapitel 12 Die Faltung Die Faltung der Daten findet in der sogenanten Interrupt Service Routine des seriellen Ports O statt Jedesmal wenn der Codec einen neuen Abtastwert Sample bereitstellt wird diese Routine aufgerufen Hier findet die Faltung sowie das Umkopieren der neuberechneten Filter statt 12 1 Die Faltung als Simulationselement Die Faltungsroutine faltet die Samples des originalen Datenstroms mit dem neu berechneten Filter Dieser Vorgang bewirkt dass der Date
65. ris Fenster ist in Abbildung 21 dargestellt Die Koeffizienten des Fensters haben ein Format von 3 13 das heisst einen maximalen Betrag von 2 8192 Zum Verst ndnis der Bezeichnung des Zahlenformats wird auf die Literatur AFUMO95 verwiesen Die ersten 3 Bits der Fensterkoeffizienten sind Vorzeichenbits welche allerdings immer 0 sind Das Fenster besteht somit nur aus positiven Zahlen Der maximale Betrag des Fensters ist nur 2 statt 2 um zwei sogenannte Guard Bits zu gew hrleisten Diese Guard Bits sind notwendig um einen berlauf bei der Berechnung der DFT mit dem FFT Algorithmus zu vermeiden Weitere Informationen ber die Guard Bits sind in DSPA92 zu finden HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 Spee Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit 19 9000 8000 a 7000 Al 6000 5000 ger 4000 3000 ei 2000 1000 0 100 200 300 400 500 600 Abbildung 21 Blackman Harris Fenster fur die Fensterung Die 512 Koeffizienten sind bereits auf 14bit vorzeichenbehaftet umgerechnet Dies wird auch als 3 13 Format bezeichnet Dieses Fenster hat den in Abbildung 22 gezeigten Frequenzgang Amplitudengang N Amplitude logarithmisch
66. roberfl che erlaubt es dem Benutzer auf einfache Weise einen gew nschten Horschaden einzustellen und simulieren zu lassen Dazu wurde das gesamte H rspektrum von OHz bis rund 20kHz insgesamt 14 Simulationsb nder unterteilt F r jedes Simulationsband stehen zwei Regler zur Verf gung einen f r die lautst rkeabh ngige D mpfung Recruitment und eine f r die lineare D mpfung Abbildung 15 zeigt die Benutzeroberfl che mit den Reglern E Innenohr H rschadensimulator Parameter senden ar sr Innenohr H rschadensimulator ll i ue Jes ut Diplomarbeit an der HTA Burgdorf in Zusammenarbeit mit dem Inselspital Bern Programmiert von Marcel Suter COM Anschluss wahlen 8 al tl v p 2 y E 2 fF 2 22368 AMES NM ae am E E D E L m T E Pa CO En ey LA e m ra L gt m m ml E ra L rm m m EN VI E GC Recruitment 1 E CH Recruitment Aus o a D Bezeichnung Simulationsband A E C D E F G H J E L bi H UO Breitbandig 50d8 Breitbandig 0d8 Breitbandig 20d8 Breitbandig Lineare D mpfung vc A A A Hochtonabfall 80 S 8 RSC ii SE RSC WC Be Be WC SE WC SE Abbildung 15 Erscheinungsbild der grafischen Benutzeroberflache 5 1 Einteilung der Simulationsbander Die Einteilung der Simulationsbander erfolgte anhand der kritischen Bander des menschlichen Geh rs Der Ubersichtlichkeit auf dem Bildschirm wegen wurden meist zwei Kritische B nder zu
67. rung eingebaut Die erste Skalierung befindet sich im Codeblock nonlinearamp die zweite im Codeblock copycoeffs Um das korrekte Funktionieren dieser Skalierungen und des Recruitments zu berpr fen wurden Sinussignale mit zwei verschiedenen Eingangspegeln am Eingang des EZ Kit Lite angelegt Einmal war zudem ein quadratisches Recruitment softwarem ssig eingeschaltet das andere mal war es ausgeschaltet Das quadratische Recruitment entspricht den Angaben in MG93 Formeln 4 und 5 mit N 2 In der grafischen Benutzeroberfl che entspricht quadratisches Recruitment der Einstellung wk Somit ergeben sich vier verschedene Messresultate F 2 Messaufbau Oscilloscope HP54602B Function Generator PM 5129 linker Ausganskanal des EZ Kit Lite N rechter Ausgangskanal des EZ Kit Lite Sinus 2VRMS 1VRMS 1kHz Abbildung 49 Messaufbau f r die Messung der Skalierung und des Recruitments Abbildung 49 zeigt den Messaufbau f r die Messung der Skalierung und des Recruitments Der Funktionsgenerator speist eine Sinusspannung mit konstanter Frequenz von 1kHz und einer w hlbaren Amplitude von 1VRMS oder 2VRMS in das EZ Kit Lite ein 2VRMS entspricht einer vollen Ausnutzung des Eingangsspannungsbereichs des AD Wandlers Am Ausgang des EZ Kit Lite erscheinen zwei Signale Auf dem rechten Signalpfad erscheint das gesampelte Eingangssignal ohne Ver nderung Dies wird auch als Loopback bezeichnet Auf dem linken Signalpfad erscheint da
68. s Ausgangssignal der Simulation Der DA Wandler des EZ Kit Lite hat eine niedrigere maximale Ausgangsspannung als es dem AD Wandler am Eingang entspricht Die maximale Ausgangsspannung ist 0 707VRMS Ein Signal welches vom DSP nicht ver ndert wird hat deshalb am Ausgang trotzdem eine kleinere Amplitude als das Eingangssignal Die D mpfung entspricht dem Faktor 2 82 9 03dB Dieser Faktor tritt jedoch bei den Messresultaten nicht auf weil die simulierten Signale direkt mit dem vom DA Wandler ebenfalls bed mpften Loopback Signal des DSP rechter Signalpfad verglichen werden HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 riada we Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter zu lation d Diplomarbeit ee a F 3 Einstellungen an den Geraten Funktionsgenerator PM5127 Inv IG4021 2 Frequenz 1kHz Die Differenz zur Frequenzmessung am KO ergibt sich aus der Ungenauigkeit am Einstellrad Amplitude 2VRMS 1VRMS kein DC Anteil Oszilloskop HP 54602B Inv IK5005 2 Nachvollziehbar anhand der Plots F 4 Messungen Die vier Messungen ergaben folgende Resultate F 4 1 Messung 1 Amplitude 2Vrms ohne Recruitment Die Messung ergibt das in Abbildung 50 gezeigte Resultat 1 55007 2 RS00t EU 005 2002 D D ns s sera sans kees sens sbess sa oa ep Rn sn np 8 8 u PA 2 a sx UR osas sa a os D Se IR A A A n z e E MA E ee E eecht e ae d soso A AA aan e D H asss ss n spass O kk kW H D D D II AE el A
69. schiedlicher Lautst rke pr sentiert welche zuvor vom Simulator ver ndert wurden Die Probanden hatten die Lautst rke der Tonsequenzen zu beurteilen wobei die Reihenfolge der verschiedenen Lautst rken zuf llig war A 2 Messaufbau Signalpegel geeicht Signalpegel geeicht 0 707VRMS mit Sinuston 0 501VRMS mit Sinuston Abbildung 46 Messaufbau f r die Verifikation Abbildung 46 zeigt den Messaufbau Vorg ngig wurde die Simulation auf einen Schallpegel von 100dB SPL geeicht Dazu wurde anhand der technischen Angaben des Kopfh rers die notwendige Spannung berechnet Bei 1kHz ergibt eine Spannung von 1VRMS einen Schalldruck von 106db SPL Durch Umrechnen erh lt man f r den gew nschten Schalldruck von 100dbSPL eine notwendige Spannung von 501mVRMS Um den Bereich des AD Wandlers voll auszunutzen wurde am Eingang des Horschadensimulators eine Spannung von 0 707VRMS angelegt was einer Vollaussteuerung entspricht Die verwendeten Wav Files mit den Tonsequenzen und dem Eichsignal sind in Tabelle 3 aufgef hrt Sie befinden sich auch auf dem beigelegten Datentr ger Tabelle 3 Tonsequenzen und ihr zugeh riger Schallpegel Dateiname des WAV Files Schallpegel im Kopfh rer kein H rschaden simuliert eichsinus_1khz_ 10db wav whitenoise_1 30ct_ 10dfssine_rectmod wav whitenoise_1 30ct_ 20dfssine_rectmod wav whitenoise_1 30ct_ 30dfssine_rectmod wav whitenoise_1 30ct_ 4Odfssine_rectmod wav whitenoise_1 30ct_ 50dfssine_rectmod wav
70. serm fr cric auditi Interessante Information rund um das on Promenade autour de la cochl e menschliche Gehor PM96 John G Proakis und Dimitris G Manolakis Digital Signal Processing Prentice Hall Inc 1996 SA5 Marcel Suter Simulation der Innenohrschwerh rigkeit Semesterarbeitsbericht der Semesterarbeit im 5 Semester 2001 SDS88 Samuel D Stearns Digitale Verarbeitung analoger Signale 4 Ausgabe R Ouldenburg Verlag M nchen und Wien 1988 SH96 Stefan L Hahn Hilbert Transforms in Signal Processing Artech House Inc 685 Canton Street Norwood MA 02062 England 1996 SPC96 Analog Devices Serial Port 16 Bit SoundPort Stereo Codec Analog Devices One Technology Way P O Box 9106 Norwood MA 02062 9106 1996 ST83 R F Schmidt und G Thews Physiologie des Menschen Springer Verlag 1983 2180 E Zwicker und E Terhardt Analytical expressions for critical band rate and critical bandwidth al a function of frequency Institute of Electroacoustics Technical Univerity Munich D 8000 Munich 2 Germany 1980 HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 AA Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit Ze Anhang A Verifikation der Simulation A 1 Einleitung Um die Wirkung des H rschadensimulators zu berpr fen wurde ein Versuch mit 2 normalh renden Personen durchgef hrt Den Probanden wurden verschiedene Tonsequenzen mit unter
71. st werden HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 ica anos E Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D H D oma rbe it EE 1 A 6 2 3 FFT Der mit FFI bezeichnete Block berechnet vom gefensterten Originalsignal die diskrete Fouriertransformierte DFT Da die Blockl nge eine Potenz von 2 ist 2 512 kann der schnelle Fast Fourier Transformation Algorithmus verwendet werden Aus den komplexen Zahlen die der FFT Algorithmus liefert muss nun noch das Betragsspektrum gebildet werden Ausgehend vom Imaginar und Realteil der DFT wird der Betrag bestimmt um f r jede Frequenz die Amplitude zu erhalten Die Phaseninformation wird verworfen 6 2 4 Nichtlineare D mpfung Dies ist das eigentliche Herzst ck des Simulators Hier passiert die nichtlineare Verst rkung welche die H rst rung simulieren soll Jeder der Koeffizienten des Spektrums wird mit einer Zahl aus der Liste mit den sogenannten R Werten potenziert nichtlineare D mpfung und dann mit einer zweiten Zahl aus der Liste mit den sogenannten D Werten multipliziert lineare D mpfung So ist es m glich den Grad des Recruitments durch die erste Zahl und eine lineare D mpfung durch die zweite Zahl f r jede Frequenz vorzugeben Die Simulation des Recruitments durch Potenzieren der Lautst rke wird in MG93 beschrieben 6 2 5 FIR Filter generieren Aus dem nach der nichtlinearen D mpfung erhaltenen Filterspektrum soll nun ein entsprechendes FIR Filter gebildet
72. t a gt D go gt O gt D S e Ke 4 d ro o D ra CH nda o a5 2 g ES Wo as 8 fe 2 un 3 FE B E D lt lt lt SR p 2 Wi e O x O Ss OQ co S 00 uw oe E S z z D D D z GE SE Son 3 z Sy ek Q D BO RES Q bk Q bk Q o y 3 3 x 38 x 88 E CG T Sc T SC O a 0O o O DE o 0 a DD e y e D lt e dem gt gt gt y E S y E 1 la a 5 SE SE SE gt ka 5 5 95 UL UL E D 2 2 g a a EE o Se o i O LU o O Lil Q O EL 2 T a S d a D O Go O gt O gt gei ao O gt Oo gt Kei i Ke 5 Fo D j 5 To o CG o u Fs ri e i gt E om az 2 D en ON om ax 2 a a a a G 2 a Autor Marcel Suter Wintersemester 2001 2002 HTA Burgdorf Abt Elektrotechnik Origke FREQ RESP Div Simulation der Innenohrschwerh lomarbel ip FREG RESP ee en o dB Fxg Y 20 Fxd Y 20 nur im Simulationsband J Log Hz FREG RESP Fxg Y 20 Log Hz 20K nur im Simulationsband FREQ RESP Abbildung 67 Frequenzgang einer D mpfung von 80dB Abbildung 68 Frequenzgang einer D mpfung von 80dB Fxd Y 20 Abbildung 69 Frequenzgang einer D mpfung von 80dB Abbildung 70 Frequenzgang einer D mpfung von 80dB nur im Simulationsband L nur im Simulationsband K FREQ RESP Log Hz FREQ RESP Fxd Y 20 Abbildung 71 Frequenzgang einer D mpfung von 80dB Abbildung 72 Frequenzgang einer D mpfung von 80dB nur im Simulationsband N
73. t wird mit ebendiesem Filter gefiltert werden Abbildung 18 zeigt diesen Zusammenhang HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 AA Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter a e Simulation d Diplomarbeit Innenohrschwerh rigkeit 16 Zeitverz gerung der Daten I l l Neuestes Sample im ltestes Sample im 256 ltestes Sample im Ringspeicher Ringspeicher Ringspeicher l l l l l 512 Datenpunkte 512 Datenpunkte Zeitverz gerte Daten l l Daten mit denen das Filter berechnet wird i l l l o ol el Sl l Berechnen des Filters ol Dauer ca 13msec Si el El 5 i I i l W N 2 al lt I Si a i Ei a El Sl gl S S Si I e El N ell 5l 31 31 Zei 2 2 D D D N N N Zeitdauer w hrend der dieses Filter angewendet wird Abbildung 18 Realisierung der Zeitverz gerung mit dem Eingangs Ringspeicher Zum Zeitpunkt t beginnt die Berechnung eines neuen Filters Diese dauert ca 13 Millisekunden und ist zum Zeitpunkt t4 abgeschlossen Anschliessend wird das berechnete Filter w hrend weiteren 13 Millisekunden angewendet Damit nun die berechneten Filterkoeffizienten auf die entsprechenden Daten angewendet werden m ssen diese Daten bis zum Zeitpunkt t verz gert werden Die notwendige L nge des Ringspeichers berechnet sich aus dieser Zeitverz gerung plus zus tzlichen 512 Speicherpl tzen die f r die Faltung ben tigt werden Die Speicherl nge
74. tenadressgenerator Multiplizieren des Fensters mit den Eingangsdaten Speichern der erhaltenen Werte Scrambling Daten aus Speicher lesen und 31 17uSec doscramble1 bitinvertiert in ein anderes doscramble2 Speichersegment ablegen Imaginarteil nullsetzen Setzt alle Imagin ranteile null 15 55uSec imagzero FFT dofft1 dofft2 Initialisieren der FF T Konstanten 1 361mSec aufrufen der FFT Routine Betrag bilden Imaginarteil quadrieren Realteil 269uSec 240uSec 215uSec leicht compmagnitude quadrieren zusammenzahlen abhangig von den cometio engt Wurzel ziehen Komplettes Filter Alle Schritte zur Berechnung eines ca 13mSec leicht abh ngig von den berechnen inkl Filters werden ausgef hrt parallel Eingangswerten laufender Faltung dazu l uft die Faltung in der do_create1filt Interrupt Service Routine HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 oor we Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter m e Simulation d Diplomarbeit ee e EE AO Anhang E Messung der Zeitverz gerung zwischen Eingang und Ausgang E 1 Einleitung Um die korrekte Zeitverz gerung des Eingangs Ringsspeichers zu messen wurde ein kurzer Diracstoss hnlicher Impuls am Eingang angelegt und die Verz gerung am Ausgang gemessen Die Parameter der Simulation wurden so gew hlt dass kein H rschaden simuliert wurde E 2 Messaufbau Oscilloscope HP54602B CD Player SL PG460A Headphones OUT linker Ausganskanal des EZ Kit Lite N
75. tp YA Dr P Winter Experte Dr M Kompis Dr U Brugger i Oesch Audiologie Inselspital Abbildung 2 Aufgabenstellung Seite 2 2 2 Geleistete Vorarbeiten Als Ausgangslage diente eine vorangehende Semesterarbeit zum gleichen Thema In dieser Semesterarbeit wurde ein Simulationsalgorithmus entwickelt der die beiden wichtigsten Innenohr H rsch den simuliert Dies sind einerseits eine frequenzabh ngige D mpfung andererseits das sogenannte Recruitment eine lautst rke und frequenzabh ngige D mpfung HTA Burgdorf Wintersemester 200 1 2002 ica anos E Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D l oma rbe it EE A Der Simulationsalgoritamus wurde in der Semesterarbeit in Matlab implementiert und ausgetestet Siehe dazu auch den Semesterarbeitsbericht SA5 Ebenfalls in der Semesterarbeit wurde ein geeigneter digitaler Signalprozessor DSP mit der entsprechenden Hardware evaluiert Die Wahl fiel auf das EZ Kit Lite ein Evaluationsboard f r den ADSP 2181 von Analog Devices Dieses Evaluationsboard ist kosteng nstig enth lt jedoch alle erforderlichen Komponenten f r die Signalverarbeitung im Audiobereich Mit dieser Ausgangslage und zusammen mit den Vorgaben der Aufgabenstellung konnte nun die Diplomarbeit in Angriff genommen werden 2 3 Vorgehen Als erstes wurde ein grober Zeitplan mit allen notwendigen T tigkeiten erstellt Dieser Zeitplan ist im Anhang H ersichtlich Der Zeitplan konnte im grossen und ganz
76. ung 12 gekr mmt sind In diesem Stadium der Sch digung k nnen sie sich innerhalb 7 bis 10 Tagen noch erholen Sind die Haarsinneszellen jedoch abgebrochen Abbildung 13 bleibt ein irreparabler H rschaden bestehen Abbildung 11 Gesunde Haarsinneszellen APbildung 12 Gekr mmte Abbildung 13 Abgebrochene Quelle DNUW a Quelle Haarsinneszellen Quelle PAC 3 4 Auswirkungen der Innenohrschwerh rigkeit Der Innenohrschwerh rige hat mit folgenden Problemen zu k mpfen e Die Horschwelle ist heraufgesetzt T ne werden erst bei einem erh htem physkalischem Schalldruck wahrgenommen e Das Empfinden der Lautheit subjektiv empfundene Lautst rke ist gest rt Ein Zuwachs des physikalischen Schalldruckes wird als berproportionale Zunahme der Lautst rke empfunden Dieser Effekt r hrt von der Sch digung des Cortischen Organes mit den Haarsinneszellen her Dieses Ph nomen heisst im Englischen Recruitment e Die Frequenzselektivitat ist gest rt Ein Ton mit einer bestimmten Frequenz wird nicht mehr als einzelner Ton sondern als Frequenzgemisch wahrgenommen weil die Trennsch rfe der einzelnen Faser im H rnerv herabgesetzt ist Siehe dazu auch ST83 und GB In der Literatur werden vor allem die ersten beiden Effekte heraufgesetzte H rschwelle und Recruitment beachtet In der vorliegenden Simulation wurden deshalb diese beiden Effekte ber cksichtigt HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 actina vw Abt E
77. usst wird welche Einbussen an Lebensqualit t ein schlechtes H rverm gen bedeutet ist man eher bereit mehr Sorge zu tragen Eine weitere Einsatzm glichkeit liegt in der Ausbildung von Pflegepersonal Pflegende welche sich in die Lage ihrer schwerh rigen Patienten versetzen k nnen verstehen deren Anliegen und Probleme besser 1 3 Aufbau dieses Diplomberichts Dieser Bericht ist in f nf Teile gegliedert Der erste Teil Kapitel 1 bis Kapitel 3 bieten eine Einf hrung in die Diplomarbeit mit der Aufgabenstellung dem Vorgehen sowie als Grundlage eine bersicht ber das menschliche Ohr und die Innenohrschwerh rigkeit Der zweite Teil Kapitel 4 bis Kapitel 6 geben eine bersicht ber den Aufbau des H rschadensimulators Das Grundprinzip der Simulation wird erkl rt Der dritte Teil Kapitel 7 bis Kapitel 15 gehen n her auf die einzelnen Komponenten der Software und Hardware des H rschadensimulators ein Der vierte und letzte Teil Kapitel 16 bis Kapitel 18 beschreiben die Optimierungsmoglichkeiten und schliessen den Diplombericht ab Im Anhang sind verschiedene Messungen dokumentiert 1 4 Vorausgesetzte Kenntnissse Fur den ersten und zweiten Teil dieses Berichtes sind keine besonderen Kenntnisse notwendig fur den dritten und vierten Teil werden Grundkenntnisse in der digitalen Signalverarbeitung vorausgesetzt HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 A Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter Simulation der
78. ymmetrische Entsprechung e Die n chsten 255 Werte entsprechen den Frequenzen fs N bis fs 2 fs N Numerisch ausgedruckt sind dies die Frequenzen 86 13Hz bis 21963 86Hz mit einem Abstand von 86 13HZz e Der letzte Wert ist der Wert bei fs 2 Abbildung 42 zeigt diesen Zusammenhang 255 256 Koeffizienten SS Spiegelsymmetrische Koeffzienten Abbildung 42 Aufteilung der 257 Koeffizienten f r die Parametrisierung HTA Burgdorf Wintersemester 2001 2002 AA Abt Elektrotechnik Autor Marcel Suter D i D l oma rbe it EE 6 Kapitel 15 Die Hardware 15 1 Das Evaluationsboard Die Hardware besteht im Wesentlichen aus dem Evaluationsboard f r den digitalen Signalprozessor ADSP 2181 der Firma Analog Devices Dieses Evaluationsboard wurde von Analog Devices entwickelt und enth lt alle wichtigen Komponenten die f r eine Signalverarbeitung im Audiobereich notwendig sind Der Preis f r einen Prozessor inklusive Evaluationsboard als EZ Kit Lite bezeichnet mit den notwendigen Komponenten betr gt rund CHF 180 Abbildung 43 zeigt den ADSP 2181 mit Evaluationsboard 0000000000 gt 90009900000 wert SOT MOE a ANALOGS IDEXICES n 21XX EZ KIT LITE REV 1 0 II 0606646400600 0040000 O 4 614 010 00000006 06000000000000000000 el me tle ep poms ALL RIGHTS RESERVED GOPYRIGHT 1995 d Pad ES Int 3 a WW f LA BR r i ef Si Abbildung 43 ADSP 2181 mit Evaluationsb

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