最新数字助听器设计挑战及相关注意事项

2008-12-26 21:04:27来源: 电子系统设计 关键字:功率  功耗  压缩  输出  逻辑  编程

  最新的助听器是数字可编程的,这意味着虽然它们有模拟信号处理功能,但由听力学家可调节的数字参数来控制处理。在设计数字助听器时,工程师将会遇到哪些挑战?他们应该如何应对?本文将为你一一解读。

  设计挑战

  助听器的设计人员有着严格的技术要求。助听器必须足够小以便放入人体的耳内或耳后,运行功率必须超低,并且没有噪声或失真。为满足这些要求,现有的助听设备消耗的功率要低于1mA,工作电压为1V,利用的芯片面积少于10mm2,这通常意味着两个或三个设备相互叠放。典型的模拟助听器由具有非线性输入/输出功能和频率相关增益的放大器组成。但此模拟处理依赖于自定义电路,与数字处理相比,缺乏可编程性且成本更高。最新的数字设备与其对应的模拟设备相比,降低了设备成本,减少了功率消耗。数字设备最大的优势在于其提高的处理能力和可编程性,允许定制助听器以适用于特定的听力损伤和环境。代之以简单的声音放大和可调节的频率补偿,可获得更复杂的处理策略来提高提供给受损耳朵的声音质量。但此类策略需要DSP可提供的极度复杂的处理功能。

  一般而言,听力损失分为两类:传导性听力损失和神经性听力损失(SNHL)。当通过病人的外耳或中耳的声音传导异常时会发生传导性听力损失,而当耳蜗中的感觉细胞或听觉系统中较高的神经机制出现问题时会发生神经性听力损失。

  如果是传导性听力损失,则无法正常地通过中耳或外耳传输声音。由于声音主要由传导性损失衰减,因此只需放大声音就可恢复接近正常的听力。不需要任何特殊的信号处理,传统的模拟助听器即可良好地工作。但是,只有5%遭受某些听力损失的人归因于传导性损失。

  另一种听力损失是SNHL。它包括与年纪变老有关的听力损失,以及噪声引起的听力损失和服用了对听觉系统有害的药物导致的听力损失。大多数 SNHL 是由耳蜗故障所导致。SNHL 被认为是由对内毛细胞和外毛细胞或二者的损害所导致。但是,底层的生理学极其复杂。不同的人有不同的病理,这意味着听力图相同的病人不一定有相同类型的听力损失。而且,病人甚至在不同的频率范围内损伤程度不一。

  SNHL的结果通常导致:1)在某些频率通道没有输入,2)缺乏敏感度,以及3)听觉滤波器扩大。反过来这些结果在很大程度上损伤了听众的声觉。与听力正常的听众相比,患SNHL的听众除了其它困难之外,最常遇到响度重振(与正常的相比,舒适的听力水平范围被压缩)和频率分辨率损失。声觉中的这些变化显著地影响了听众理解语音的能力。

  由于SNHL不仅仅是声音传输的问题这么简单,而实际上是声音处理的问题,通过简单的放大不能治疗这种损失 - 使模糊不清的声音更大不能使它们更清晰。因此,帮助 SNHL 病人的一个可能有效的方式是通过预处理信号来增强复杂的声调模式,以补偿听力损失。

  通过相同的最佳治疗不可能治愈SNHL的各种表现。处理声音可使语音更容易理解。但是,最佳处理算法因个体而异,甚至在不同的听力条件下(如安静的房间与喧闹的体育场)为个别人而有所改变。适应这些差异的关键在于助听器的灵活性。

  传统上,助听器一直是装在适合最终用户的定制耳模中的放大器。助听系统包含一个麦克风、一个放大器、一节锌空气电池和一个接收器/扬声器。大多数放大器都采用了某种压缩功能,实际上是非线性输入/输出关系,用于补偿响度重振。还可以调节不同频带中的增益,频带的数量也有所不同,但通常是两个或三个频带。许多最新的助听器是数字可编程的,这意味着虽然它们有模拟信号处理功能,但由听力学家可调节的数字参数来控制处理。此外,一些模拟助听器对于不同的听力环境具有多个“程序”,或参数集。

  市场上一些数字助听器是带有可编程系数的ASIC。这些ASIC提供一些算法集和多个频带,这是典型模拟设备不可能具有的。例如,数字助听器具有以下功能组合:2到14个具有可调节交叉频率的频带、一个麦克风、定向测听的双麦克风、背景噪音降低、自动增益控制 (AGC)、语音增强、反馈消减和噪声保护。总之,可完成的处理量令人惊叹,特别是与模拟助听器中的传统处理功能相比,更是如此。

  设计示例

基于DSP的助听器可扩展软件控制的功能,以包括频率成形、反馈消减、噪声降低、双耳处理、耳壳与耳道过滤、混响消除以及提供从数字电话、电视或其它音频设备的直接数字输入。可编程
DSP还意味着助听算法/功能可定制或在不改变硬件的情况下改变。助听专业人员几乎可在实时的前提下经济地采用可用的算法。甚至还可以将用户可选择的程序用于切换到听力难的情况下经过高度处理的声音,或返回安静环境中的传统、失真较少的声音。

      图1:基于DSP的助听器方框图。

  上面的方框图显示了基于DSP的数字助听器的主要元素。典型的数字助听器由三个相互叠放的半导体裸芯片组成:EEPROM或非易失性存储器、一个数字设备和一个模拟设备。最新进展允许将这些模块集成到两个甚至一个半导体裸芯片中。由于电池电压的范围是1.35V到0.9V,这些设备旨在以0.9V的电压操作。有些实施使用电源管理来监视电池电压,并警告用户何时电池电量不足,当电压降得太低时,适时地关闭系统。模拟设备通常包括Σ-Δ模数转换器、具有压缩输入限制功能的麦克风前置放大器、遥控数据解码器、时钟振荡器和电压稳压器。Σ-Δ A/D的频率范围通常20kHz,分辨率为16位(14位线性)。数字设备包括DSP、逻辑支持功能、编程接口和输出级。输出级通常为全数字,使用利用扬声器阻抗的脉宽调制(PWM)输出与D类放大器执行模数转换。

  总之,当前的模拟和数字助听器的功耗大致相等。模拟设备的总电流功耗大约为0.7mA至1.0mA,而数字设备消耗0.5mA至0.7mA。一节大约提供30mAh至65mAh与50uA自放电电流的锌空气电池为此系统供电。寿命终止电压大约为0.9V。由于数字助听器中的处理量增加,直接对比数字和模拟助听器的功耗并不完全公平。与模拟助听器等效的具有处理功能的数字助听器消耗的功率甚至更低。

  特色产品

AIC111:微功耗音频编解码器
AIC111是一款微功耗DSP或与微控制器兼容的音频编解码器,为个人医疗设备(助听器、听觉预处理和低功耗耳机)等应用提供高性能模拟接口解决方案。AIC111支持一个1.3V
CMOS 数字SPI接口,并包括一个外部麦克风电源和偏置电源以及电池低电量监视器和指示器。

关键字:功率  功耗  压缩  输出  逻辑  编程

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/1226/article_486.html
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