TI 數(shù)字助聽器解決方案

設計注意事項

設計挑戰(zhàn)

助聽器的設計人員有著嚴格的技術要求。助聽器必須足夠小以便放入人體的耳內(nèi)或耳后，運行功率必須超低，并且沒有噪聲或失真。為滿足這些要求，現(xiàn)有的助聽設備消耗的功率要低于 1mA，工作電壓為 1V，利用的芯片面積少于 10mm2，這通常意味著兩個或三個設備相互疊放。典型的模擬助聽器由具有非線性輸入/輸出功能和頻率相關增益的放大器組成。但此模擬處理依賴于自定義電路，與數(shù)字處理相比，缺乏可編程性且成本更高。最新的數(shù)字設備與其對應的模擬設備相比，降低了設備成本，減少了功率消耗。數(shù)字設備最大的優(yōu)勢在于其提高的處理能力和可編程性，允許定制助聽器以適用于特定的聽力損傷和環(huán)境。代之以簡單的聲音放大和可調節(jié)的頻率補償，可獲得更復雜的處理策略來提高提供給受損耳朵的聲音質量。但此類策略需要 DSP 可提供的極度復雜的處理功能。

一般而言，聽力損失分為兩類：傳導性聽力損失和神經(jīng)性聽力損失 (SNHL)。當通過病人的外耳或中耳的聲音傳導異常時會發(fā)生傳導性聽力損失，而當耳蝸中的感覺細胞或聽覺系統(tǒng)中較高的神經(jīng)機制出現(xiàn)問題時會發(fā)生神經(jīng)性聽力損失。

如果是傳導性聽力損失，則無法正常地通過中耳或外耳傳輸聲音。由于聲音主要由傳導性損失衰減，因此只需放大聲音就可恢復接近正常的聽力。不需要任何特殊的信號處理，傳統(tǒng)的模擬助聽器即可良好地工作。但是，只有 5% 遭受某些聽力損失的人歸因于傳導性損失。

另一種聽力損失是 SNHL。它包括與年紀變老有關的聽力損失，以及噪聲引起的聽力損失和服用了對聽覺系統(tǒng)有害的藥物導致的聽力損失。大多數(shù) SNHL 是由耳蝸故障所導致。SNHL 被認為是由對內(nèi)毛細胞和外毛細胞或二者的損害所導致。但是，底層的生理學極其復雜。不同的人有不同的病理，這意味著聽力圖相同的病人不一定有相同類型的聽力損失。而且，病人甚至在不同的頻率范圍內(nèi)損傷程度不一。

SNHL 的結果通常導致：1) 在某些頻率通道沒有輸入，2) 缺乏敏感度，以及 3) 聽覺濾波器擴大。反過來這些結果在很大程度上損傷了聽眾的聲覺。與聽力正常的聽眾相比，患 SNHL 的聽眾除了其它困難之外，最常遇到響度重振（與正常的相比，舒適的聽力水平范圍被壓縮）和頻率分辨率損失。聲覺中的這些變化顯著地影響了聽眾理解語音的能力。

由于 SNHL 不僅僅是聲音傳輸?shù)膯栴}這么簡單，而實際上是聲音處理的問題，通過簡單的放大不能治療這種損失 - 使模糊不清的聲音更大不能使它們更清晰。因此，幫助 SNHL 病人的一個可能有效的方式是通過預處理信號來增強復雜的聲調模式，以補償聽力損失。

通過相同的最佳治療不可能治愈 SNHL 的各種表現(xiàn)。處理聲音可使語音更容易理解。但是，最佳處理算法因個體而異，甚至在不同的聽力條件下（如安靜的房間與喧鬧的體育場）為個別人而有所改變。適應這些差異的關鍵在于助聽器的靈活性。

傳統(tǒng)上，助聽器一直是裝在適合最終用戶的定制耳模中的放大器。助聽系統(tǒng)包含一個麥克風、一個放大器、一節(jié)鋅空氣電池和一個接收器/揚聲器。大多數(shù)放大器都采用了某種壓縮功能，實際上是非線性輸入/輸出關系，用于補償響度重振。還可以調節(jié)不同頻帶中的增益，頻帶的數(shù)量也有所不同，但通常是兩個或三個頻帶。許多最新的助聽器是數(shù)字可編程的，這意味著雖然它們有模擬信號處理功能，但由聽力學家可調節(jié)的數(shù)字參數(shù)來控制處理。此外，一些模擬助聽器對于不同的聽力環(huán)境具有多個“程序”，或參數(shù)集。

市場上一些數(shù)字助聽器是帶有可編程系數(shù)的 ASIC。這些 ASIC 提供一些算法集和多個頻帶，這是典型模擬設備不可能具有的。例如，數(shù)字助聽器具有以下功能組合：2 到 14 個具有可調節(jié)交叉頻率的頻帶、一個麥克風、定向測聽的雙麥克風、背景噪音降低、自動增益控制 (AGC)、語音增強、反饋消減和噪聲保護?？傊?，可完成的處理量令人驚嘆，特別是與模擬助聽器中的傳統(tǒng)處理功能相比，更是如此。

設計示例

基于 DSP 的助聽器可擴展軟件控制的功能，以包括頻率成形、反饋消減、噪聲降低、雙耳處理、耳殼與耳道過濾、混響消除以及提供從數(shù)字電話、電視或其它音頻設備的直接數(shù)字輸入?？删幊?DSP 還意味著助聽算法/功能可定制或在不改變硬件的情況下改變。助聽專業(yè)人員幾乎可在實時的前提下經(jīng)濟地采用可用的算法。甚至還可以將用戶可選擇的程序用于切換到聽力難的情況下經(jīng)過高度處理的聲音，或返回安靜環(huán)境中的傳統(tǒng)、失真較少的聲音。

基于 DSP 的助聽器方框圖

上面的方框圖顯示了基于 DSP 的數(shù)字助聽器的主要元素。典型的數(shù)字助聽器由三個相互疊放的半導體裸芯片組成：EEPROM 或非易失性存儲器、一個數(shù)字設備和一個模擬設備。最新進展允許將這些模塊集成到兩個甚至一個半導體裸芯片中。由于電池電壓的范圍是 1.35V 到 0.9V，這些設備旨在以 0.9V 的電壓操作。有些實施使用電源管理來監(jiān)視電池電壓，并警告用戶何時電池電量不足，當電壓降得太低時，適時地關閉系統(tǒng)。模擬設備通常包括 Σ-Δ 模數(shù)轉換器、具有壓縮輸入限制功能的麥克風前置放大器、遙控數(shù)據(jù)解碼器、時鐘振蕩器和電壓穩(wěn)壓器。Σ-Δ A/D 的頻率范圍通常為 20kHz，分辨率為 16 位（14 位線性）。數(shù)字設備包括 DSP、邏輯支持功能、編程接口和輸出級。輸出級通常為全數(shù)字，使用利用揚聲器阻抗的脈寬調制 (PWM) 輸出與 D 類放大器執(zhí)行模數(shù)轉換。

總之，當前的模擬和數(shù)字助聽器的功耗大致相等。模擬設備的總電流功耗大約為 0.7mA 至 1.0mA，而數(shù)字設備消耗 0.5mA 至 0.7mA。一節(jié)大約提供 30mAh 至 65mAh 與 50?A 自放電電流的鋅空氣電池為此系統(tǒng)供電。壽命終止電壓大約為 0.9V。由于數(shù)字助聽器中的處理量增加，直接對比數(shù)字和模擬助聽器的功耗并不完全公平。與模擬助聽器等效的具有處理功能的數(shù)字助聽器消耗的功率甚至更低。

特色產(chǎn)品

AIC111- 微功耗音頻編解碼器

AIC111 是一款微功耗 DSP 或與微控制器兼容的音頻編解碼器，為個人醫(yī)療設備（助聽器、聽覺預處理和低功耗耳機）等應用提供高性能模擬接口解決方案。AIC111 支持一個 1.3V CMOS 數(shù)字 SPI 接口，并包括一個外部麥克風電源和偏置電源以及電池低電量監(jiān)視器和指示器。

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