數(shù)字助聽器原理及解決方案

隨著迅速發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新，助聽器產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)生變化;激烈的競(jìng)爭(zhēng)和更快上市的需求，導(dǎo)致產(chǎn)品生命周期縮短以及需要更大的差異化。利用可編程或特定應(yīng)用架構(gòu)的DSP技術(shù)，將有助于打造更精巧、舒適且功能豐富的助聽器。..

很少有應(yīng)用比現(xiàn)代助聽器面臨更多的技術(shù)限制。針對(duì)這個(gè)領(lǐng)域，在較小型的設(shè)計(jì)中提高性能水平和降低功耗的需求更大于消費(fèi)電子。這種壓力還因助聽器產(chǎn)業(yè)目前每年成長(zhǎng)4-6%(根據(jù)一些知名市場(chǎng)公司的研究資料)的事實(shí)而加劇，并由中國(guó)和印度人口老齡化以及新市場(chǎng)發(fā)展而推動(dòng)。因此，有必要以改善的功能滿足更廣泛患者的需求。

透過整合更精密的數(shù)字訊號(hào)處理(DSP)半導(dǎo)體方案，將使制造商能夠滿足助聽器用戶的這些需求。本文將詳細(xì)介紹影響DSP技術(shù)的各種設(shè)計(jì)考慮，以及在當(dāng)今助聽器內(nèi)的應(yīng)用。

簡(jiǎn)單來說，助聽器的工作原理是：聲波由麥克風(fēng)接收，并轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬電子訊號(hào)。透過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)拾取這個(gè)模擬訊號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字訊號(hào);接著再用DSP算法進(jìn)行處理和調(diào)節(jié)。然后該數(shù)字訊號(hào)被重新轉(zhuǎn)換為模擬形式，傳遞到接收器，并轉(zhuǎn)換成由助聽器用戶聽到的聲波。

現(xiàn)代數(shù)字助聽器原理

為了盡量減少這些設(shè)備的視覺沖擊，提高佩戴者的舒適性，市場(chǎng)上開始導(dǎo)入更分離式的新款式。常用的耳背式(BTE)裝置現(xiàn)在開始被位于耳道內(nèi)更深處的助聽器所取代，如深耳道(CIC)和耳道內(nèi)不可見(IIC)的裝置，或微型耳罩式裝置，又稱微型耳背式(mini-BTE)或OTE。助聽器這種「可聽到但看不見」 的趨勢(shì)需要大量系統(tǒng)微縮小型化到為裝置供電的IC。

傳統(tǒng)的BTE助聽器必須將多個(gè)組件(包括電池)整合于輕量的小型系統(tǒng)中。新興的入耳式(ITE)設(shè)計(jì)更面臨空間限制的嚴(yán)苛挑戰(zhàn)

客制化需求

原始設(shè)備制造商(OEM)正探索可實(shí)現(xiàn)助聽器本身獨(dú)特的數(shù)據(jù)訊號(hào)處理算法的IC解決方案。這將支持更高能效的「平臺(tái)」策略到位，讓不同的助聽器款式都可利用同樣的核心DSP創(chuàng)建。例如，輕度聽力受損可由一組特定的算法加以解決，而高功率組件則克服嚴(yán)重的聽力受損，均可使用相同的平臺(tái)，但以更多的優(yōu)點(diǎn)或功能與性能加以區(qū)別。

與可攜式電子裝置無線互連

業(yè)界對(duì)于以無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)助聽器和電子裝置(如智能型手機(jī))之間的音頻訊號(hào)傳輸極其感興趣。透過2.4GHz頻段(基于藍(lán)牙和ZigBee無線標(biāo)準(zhǔn))，無線連接可以使助聽器用戶直接從電子裝置體驗(yàn)音頻。例如，用戶可以從手持裝置串流音樂，或以其助聽器作為耳機(jī)進(jìn)行通話。無線連接還能增加用戶和裝置之間的互動(dòng)。使用智能型手機(jī)，助聽器用戶可以很容易地調(diào)整和自定義參數(shù)和設(shè)置(如音量控制)，而不需要繁瑣的繼電器配件。由于無線技術(shù)沒有最終的標(biāo)準(zhǔn)，工程師必須能夠快速適應(yīng)新興標(biāo)準(zhǔn)，如藍(lán)牙低功耗(BLE)。

選擇DSP架構(gòu)

有許多不同類型的DSP架構(gòu)可用于現(xiàn)代半導(dǎo)體。由于該架構(gòu)對(duì)于助聽器設(shè)計(jì)的整體能效將有相當(dāng)大的影響，OEM工程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)確保認(rèn)真考慮可用的選擇，最后做出決定選擇一個(gè)最適用的方案。

封閉式架構(gòu) 采用一個(gè)DSP直接硬線連架構(gòu)的封閉式固定功能架構(gòu)，可為系統(tǒng)的功耗和尺寸實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。遺憾的是，其代價(jià)卻是犧牲了系統(tǒng)的靈活性。雖然一些較小的參數(shù)仍然可調(diào)整，但如果沒有大規(guī)模的重設(shè)工作(這極其昂貴和耗時(shí))，也無法改變IC的基本功能。

開放式可編程架構(gòu) 開放式可編程架構(gòu)為OEM提供了更好的設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)镈SP算法相對(duì)上易于修改。然而，這種靈活性可容納在一個(gè)更大的系統(tǒng)中，但這無法滿足現(xiàn)代助聽器嚴(yán)苛的功率和尺寸要求。

半可編程及特定應(yīng)用、開放式可編程架構(gòu) 一種能夠結(jié)合封閉式和開放式可編程架構(gòu)有利特性的替代架構(gòu)正在崛起。半可編程架構(gòu)的基本DSP功能是硬線接入邏輯模塊和額外的可編程DSP元素，額外的能力可以在軟件中實(shí)現(xiàn)。雖然這提供了一些靈活性，但半可編程架構(gòu)仍然比封閉式架構(gòu)有更大的功率預(yù)算。

特定應(yīng)用、開放式可編程架構(gòu)提出了另一種方法。在此的DSP架構(gòu)是基于深入了解應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)并優(yōu)化的，以便為特定應(yīng)用處理特殊的訊號(hào)處理要求。它有開放可編程架構(gòu)的軟件可編程能力，以及相對(duì)上接近封閉式架構(gòu)的電源能效，提供妥善實(shí)施的設(shè)計(jì)布局以及利用適合的半導(dǎo)體幾何結(jié)構(gòu)。這樣的架構(gòu)有助于促進(jìn)OEM廠商目前所需要的平臺(tái)途徑。

例如，安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)的Ezairo 7100是精巧且極其精密的系統(tǒng)單芯片(SoC)解決方案，針對(duì)下一代助聽器而設(shè)計(jì)。它結(jié)合了模擬前端、ARM Cortex-M3處理器以及24位四核心DSP(基于特定應(yīng)用、開放式可編程架構(gòu))于一個(gè)半導(dǎo)體芯片中。封閉式和開放式可編程混合架構(gòu)的實(shí)施，意味著IC在10.24MHz的最大頻率速度作業(yè)時(shí)的功耗小于0.7mA。這能夠降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)仍然賦予工程師必要的設(shè)計(jì)靈活性(算法可調(diào)整)，以創(chuàng)建功能豐富的助聽器設(shè)計(jì)，使其從市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。

ON Ezairo 7110方塊圖

總之，助聽器產(chǎn)業(yè)的技術(shù)正不斷發(fā)生變化——利用迅速發(fā)展的創(chuàng)新以及針對(duì)新興市場(chǎng)。強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)和更快上市的需求，導(dǎo)致產(chǎn)品生命周期縮短，以及需要更大的差異化。利用可編程或特定應(yīng)用架構(gòu)的DSP技術(shù)(如安森美半導(dǎo)體的先進(jìn)SoC)，將有助于工程師打造更精巧且功能豐富的助聽器，提高用戶的舒適度和滿意度。