基于DSP的數(shù)字助聽器開拓

 1、數(shù)字助聽器開拓是必然的技術(shù)支持

助聽器的設(shè)計具有嚴(yán)格的技術(shù)要求。助聽器必須足夠小的體積(以便置于人耳之中或其后部)、極低的運行功耗且不得引入噪聲或失真。為滿足這些要求，現(xiàn)有的助聽器件消耗的電流低于1mA，工作電壓為1V，并占用不到 的硅片面積(通常這意味著兩個或三個元件需要彼此堆疊放置)。

典型的模擬助聽器由具有非線性輸入/輸出功能以及頻率相關(guān)增益的放大器所組成。但是，與數(shù)字處理相比，這種模擬處理的缺點在于其依賴定制電路、不具備可編程性且成本較高。相比于同類模擬器件，近來的數(shù)字器件已經(jīng)在器件成本和功耗方面有所改進(jìn)。數(shù)字器件具有的最大優(yōu)點是其處理功率和可編程性的改善，它使得設(shè)計能夠針對特定的聽力受損情況和環(huán)境對助聽器進(jìn)行客戶化設(shè)計?？梢圆捎幂^為復(fù)雜的處理方法(而非簡單的聲音放大和可調(diào)頻率補(bǔ)償)來使傳送到受損人耳的聲音質(zhì)量有所改善。但是，這種方案的實現(xiàn)需要仰仗DSP所具有的復(fù)雜處理能力。

2、 聽力損失的分類與解決

聽力損失通?？煞譃閮深悾杭磦鲗?dǎo)型聽力損失和感覺神經(jīng)型聽力損失(SNHL)。當(dāng)通過患者外耳或中耳的聲音傳送異常時會發(fā)生傳導(dǎo)型聽力損失，而SNHL則發(fā)生在耳蝸中的感覺細(xì)胞或聽覺系統(tǒng)中更高級的神經(jīng)機(jī)理出現(xiàn)故障的場合。

2.1 傳導(dǎo)型聽力損失的解決-聲音進(jìn)行放大

傳導(dǎo)型聽力損失當(dāng)發(fā)生傳導(dǎo)型聽力損失時，聲音不能通過中耳或外耳的進(jìn)行正確的傳導(dǎo)。由于聲音衰減主要是因傳導(dǎo)損失所致，因此對聲音進(jìn)行放大是恢復(fù)接近正常聽力所必不可少的。傳統(tǒng)的模擬助聽器無需特殊的信號處理就能發(fā)揮很好的作用。但是，在那些具有某種程度的聽力障礙的患者中，只有5%是純粹由傳導(dǎo)型聽力損失所造成的。

2.2 感覺神經(jīng)型聽力損失(SNHL) 的解決

SNHL包括因器官老化而引起的聽力損失、噪聲引發(fā)的聽力損失以及由損害聽力系統(tǒng)的藥物所導(dǎo)致的聽力損失。多數(shù)類型的SNHL似乎是由耳蝸功能失效引起的。SNHL被認(rèn)為是由于內(nèi)耳絨毛細(xì)胞和/或外耳絨毛細(xì)胞受損引起的。但是潛在的生理學(xué)病因是復(fù)雜的，不同的人將表現(xiàn)出不同的病狀，這意味著聽力圖相同的患者其聽力損失情況未必相同。而且，在不同的頻率范圍內(nèi)，患者聽力受損的情形甚至也有可能存在差異。

SNHL的影響通常會導(dǎo)致某些頻率范圍內(nèi)的輸入信號缺損、靈敏度嚴(yán)重不足以及聽覺濾波器濾波范圍變大等問題。這些影響反過來又會大大影響患者對聲音的感覺。與聽力正常的人相比，SNHL患者最有可能遇到的問題就是需要加大音量(即患者的舒適聆聽電平范圍與正常值相比受到壓縮)以及頻率分辨率降低。聲音感覺方面的這些改變會顯著影響聽者對語音的理解能力。

由于SNHL不僅僅是聲音傳輸?shù)膯栴}，而實際上是聲音處理的問題，因此這種損失不大可能通過簡單的放大來彌補(bǔ)-把失真的聲音放大并不會使其變得更加清晰。所以，幫助SNHL患者的一種有效途徑或許是通過信號的預(yù)處理來對合成音調(diào)頻譜進(jìn)行改善的方法來補(bǔ)償聽力損失。

不同表現(xiàn)形式的SNHL不大可能采用一種相同的最佳處理方法來補(bǔ)救。對聲音進(jìn)行處理能夠使語音變得更加清晰。但是，最佳處理算法會因人而異，而且，即使是同一個人，由于所處聆聽環(huán)境(比如既有安靜的房間也有噪雜的運動場)的不同，處理算法甚至也有可能改變。要想適應(yīng)這些差異，關(guān)鍵在于助聽器的靈活性。

2.3 傳統(tǒng)助聽器組成及功能 傳統(tǒng)助聽器一直采用的是裝在與最終用戶相配的定制耳模內(nèi)的放大器。助聽器系統(tǒng)包括傳聲器、放大器、鋅-空氣電池和接收器/揚聲器。大多數(shù)此類放大器均采用了某種用于對增大的音量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膲嚎s函數(shù)(基本上是非線性輸入/輸出關(guān)系)。此外，不同頻段中的增益是可以調(diào)節(jié)的，且頻段的數(shù)量各不相同，但通常為兩個或三個。很多最新型的助聽器具有數(shù)字可編程性，這意味著盡管它們采用模擬信號處理，但其處理則受控于可由聽覺病矯治專家進(jìn)行調(diào)節(jié)的數(shù)字參數(shù)。此外，一些模擬助聽器具有幾套“程序”(即幾組參數(shù))，以適應(yīng)不同的聆聽環(huán)境。

3、基于DSP的數(shù)字助聽器

3.1 先述用ASIC(專用集成電路)制作的數(shù)字助聽器

市面上的一些數(shù)字助聽器是具有可編程系數(shù)的ASIC。這些ASIC能夠提供典型模擬器件所無法提供的幾套算法和多個頻段。例如，數(shù)字助聽器具有以下功能組合：2-14個具有可調(diào)交叉頻率的頻段、傳聲器、用于定向聆聽的對偶傳聲器、背景噪聲抑制、自動增益控制(AGC)、語音增強(qiáng)、反饋抑制和高響度保護(hù)?？傊?，數(shù)字助聽器能夠處理的數(shù)量是令人吃驚的，尤其在與模擬助聽器所采用的傳統(tǒng)處理相比較時更是如此。

3.2 基于DSP的數(shù)字助聽器組成與功能

基于DSP的助聽器能夠?qū)崿F(xiàn)軟件控制功能的擴(kuò)展，從而包括頻率整形、反饋抑制、噪聲抑制、雙耳處理、耳廓和耳道濾波、混響抑制并備有用于接收來自數(shù)字電話、電視機(jī)或其他音頻設(shè)備的直接數(shù)字輸入的接口。

可編程DSP還意味著無需改變硬件即可對助聽器的算法及特性進(jìn)行客戶化設(shè)計或變更。助聽器從業(yè)人員可以采用可行的算法來進(jìn)行近乎實時的成本效益型試驗。甚至還有可能具備可由用戶選擇的程序，以便在惡劣的聆聽場合切換到精細(xì)處理的聲音，或在安靜環(huán)境下切換回傳統(tǒng)的、失真較低的聲音。

3.3 DSP的數(shù)字助聽器組成與技術(shù)支持

圖1 基于DSP的數(shù)字助聽器組成框圖

DSP的數(shù)字助聽器組成方框如圖1所示,它顯示出基于DSP的數(shù)字助聽器的組成要素。一個典型的數(shù)字助聽器由三個彼此堆疊的半導(dǎo)體硅片所組成：即EEPROM或非易失性存儲器、數(shù)字器件和模擬器件。近期技術(shù)的發(fā)展使得這些模塊可被集成到兩塊甚至一塊半導(dǎo)體硅片中。由于電池電壓的范圍在7.35V-0.9V之間，因此這些器件的工作電壓被設(shè)計為0.9V。有些實現(xiàn)方案采用了電源管理來對電池電壓實施監(jiān)控，當(dāng)電池電量低時則向用戶報警，并在電池電壓降得過低時緩慢關(guān)閉系統(tǒng)。模擬器件通常包括∑△型模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、具有壓縮輸入限制功能的傳聲器前置放大器、遙控數(shù)字解碼器、時鐘振蕩器以及穩(wěn)壓器。∑△型ADC的典型頻率范圍為20kHz，分辨率為16位(線性分辨率為14位)。數(shù)字器件則包括DSP、邏輯支持功能、程序接口以及輸出級。輸出級通常是全數(shù)字式的，采用脈寬調(diào)制(PWM)輸出和D類放大器，并運用揚聲器阻抗來執(zhí)行模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換。

基于DSP助聽器的技術(shù)支持-高功效數(shù)字信號處理器TMS320C5402 定點DSP芯片的應(yīng)用

圖2所示為高功效數(shù)字信號處理器DSP芯片內(nèi)部組成框圖。TMS320C5402 DSP提供了延長數(shù)字助聽器電池使用壽命所需的高功效。在160MHz頻率條件下，該處理器提供了具有高度并行性的算術(shù)邏輯單元(ALU)、專用硬件邏輯電路、片上存儲器和附加的片上外圍元件。該DSP的運算靈活性及速度基于一個專用性的指令集。之所以應(yīng)用TMS320C5402 定點DSP芯片,是因它具有如下特點:

具有三個分離的16位數(shù)據(jù)存儲器總線和一個程序存儲器總線高級多總線架構(gòu);40位ALU(算術(shù)及邏輯單元);可用于Viterbi運算符的求和/比較選擇的比較、選擇和存儲(CSSU);可用于8M×16位最大可尋址外部程序空間的擴(kuò)展尋址模式;由由兩個8K×l6位片上雙存取程序/數(shù)據(jù)RAM功能塊所組成的16X16位片上RAM;用于程序代碼的單指令重復(fù)和功能塊重復(fù);是條件存儲指令;其片上外圍元件分別有軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器和存儲切換、具有內(nèi)部振蕩器或外部時鐘脈沖源的片上可編程鎖相環(huán)(PLL鐘發(fā)生器、一個16位定時器、6通道直接存儲器存取(DMA)控制器、三個多通道緩沖串行端口(McBSP)、8/16位增強(qiáng)型并行主機(jī)/端口接口(HPl8/16);用戶可以自已配置IDLE休閑域(即可采用IDLEl、IDLE2和IDLE3指令進(jìn)行功耗控制);可用于使CLKOUT失效的CLKOUT關(guān)斷控制;封裝型式為144引腳BGA和144引腳方形扁平封裝(LQFP)

4、結(jié)束語

應(yīng)說現(xiàn)有的模擬助聽器和數(shù)字助聽器的功耗大致相等。模擬器件的總消耗電流約為0.7mA～1.0mA，而數(shù)字器件則為0.5mA-0.7mA?？商峁┘s30-65mAh并具有50pA自放電電流的1.35V鋅-空氣電池為該系統(tǒng)供電。電池耗盡時的電壓約為0.9V。但是，由于數(shù)字助聽器的處理量不斷增加，因此將數(shù)字助聽器優(yōu)異特性是模擬助聽器無法達(dá)到的,它將被市埸所認(rèn)同并逐一成為計據(jù)新趨勢。