TI 數(shù)字助聽器解決方案

設(shè)計注意事項

設(shè)計挑戰(zhàn)

助聽器的設(shè)計人員有著嚴格的技術(shù)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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)備與其對應(yīng)的模擬設(shè)備相比，降低了設(shè)備成本，減少了功率消耗。數(shù)字設(shè)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(diào)節(jié)的頻率補償，可獲得更復(fù)雜的處理策略來提高提供給受損耳朵的聲音質(zhì)量。但此類策略需要 DSP 可提供的極度復(fù)雜的處理功能。

一般而言，聽力損失分為兩類：傳導(dǎo)性聽力損失和神經(jīng)性聽力損失 (SNHL)。當(dāng)通過病人的外耳或中耳的聲音傳導(dǎo)異常時會發(fā)生傳導(dǎo)性聽力損失，而當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)性損失衰減，因此只需放大聲音就可恢復(fù)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(dǎo)性損失。

另一種聽力損失是 SNHL。它包括與年紀變老有關(guān)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(dǎo)致的聽力損失。大多數(shù) SNHL 是由耳蝸故障所導(dǎo)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(dǎo)致。但是，底層的生理學(xué)極其復(fù)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(jié)果通常導(dǎo)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(jié)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(yù)處理信號來增強復(fù)雜的聲調(diào)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(yīng)這些差異的關(guān)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(fēng)、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(guān)系，用于補償響度重振。還可以調(diào)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(xué)家可調(diào)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(shè)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(diào)節(jié)交叉頻率的頻帶、一個麥克風(fēng)、定向測聽的雙麥克風(fēng)、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赏瓿傻奶幚砹苛钊梭@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(shè)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(shè)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(dǎo)體裸芯片組成：EEPROM 或非易失性存儲器、一個數(shù)字設(shè)備和一個模擬設(shè)備。最新進展允許將這些模塊集成到兩個甚至一個半導(dǎo)體裸芯片中。由于電池電壓的范圍是 1.35V 到 0.9V，這些設(shè)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(dāng)電壓降得太低時，適時地關(guān)閉系統(tǒng)。模擬設(shè)備通常包括 Σ-Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、具有壓縮輸入限制功能的麥克風(fēng)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(shè)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(diào)制 (PWM) 輸出與 D 類放大器執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

總之，當(dāng)前的模擬和數(shù)字助聽器的功耗大致相等。模擬設(shè)備的總電流功耗大約為 0.7mA 至 1.0mA，而數(shù)字設(shè)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(shè)備（助聽器、聽覺預(yù)處理和低功耗耳機）等應(yīng)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(fēng)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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