TI 數字助聽(tīng)器解決方案

設計注意事項

設計挑戰

助聽(tīng)器的設計人員有著(zhù)嚴格的技術(shù)要求。助聽(tīng)器必須足夠小以便放入人體的耳內或耳后，運行功率必須超低，并且沒(méi)有噪聲或失真。為滿(mǎn)足這些要求，現有的助聽(tīng)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(zhù)兩個(gè)或三個(gè)設備相互疊放。典型的模擬助聽(tīng)器由具有非線(xiàn)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(lài)于自定義電路，與數字處理相比，缺乏可編程性且成本更高。最新的數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(tīng)器以適用于特定的聽(tīng)力損傷和環(huán)境。代之以簡(jiǎn)單的聲音放大和可調節的頻率補償，可獲得更復雜的處理策略來(lái)提高提供給受損耳朵的聲音質(zhì)量。但此類(lèi)策略需要 DSP 可提供的極度復雜的處理功能。

一般而言，聽(tīng)力損失分為兩類(lèi)：傳導性聽(tīng)力損失和神經(jīng)性聽(tīng)力損失 (SNHL)。當通過(guò)病人的外耳或中耳的聲音傳導異常時(shí)會(huì )發(fā)生傳導性聽(tīng)力損失，而當耳蝸中的感覺(jué)細胞或聽(tīng)覺(jué)系統中較高的神經(jīng)機制出現問(wèn)題時(shí)會(huì )發(fā)生神經(jīng)性聽(tīng)力損失。

如果是傳導性聽(tīng)力損失，則無(wú)法正常地通過(guò)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(tīng)力。不需要任何特殊的信號處理，傳統的模擬助聽(tīng)器即可良好地工作。但是，只有 5% 遭受某些聽(tīng)力損失的人歸因于傳導性損失。

另一種聽(tīng)力損失是 SNHL。它包括與年紀變老有關(guān)的聽(tīng)力損失，以及噪聲引起的聽(tīng)力損失和服用了對聽(tīng)覺(jué)系統有害的藥物導致的聽(tīng)力損失。大多數 SNHL 是由耳蝸故障所導致。SNHL 被認為是由對內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(xué)極其復雜。不同的人有不同的病理，這意味著(zhù)聽(tīng)力圖相同的病人不一定有相同類(lèi)型的聽(tīng)力損失。而且，病人甚至在不同的頻率范圍內損傷程度不一。

SNHL 的結果通常導致：1) 在某些頻率通道沒(méi)有輸入，2) 缺乏敏感度，以及 3) 聽(tīng)覺(jué)濾波器擴大。反過(guò)來(lái)這些結果在很大程度上損傷了聽(tīng)眾的聲覺(jué)。與聽(tīng)力正常的聽(tīng)眾相比，患 SNHL 的聽(tīng)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(tīng)力水平范圍被壓縮）和頻率分辨率損失。聲覺(jué)中的這些變化顯著(zhù)地影響了聽(tīng)眾理解語(yǔ)音的能力。

由于 SNHL 不僅僅是聲音傳輸的問(wèn)題這么簡(jiǎn)單，而實(shí)際上是聲音處理的問(wèn)題，通過(guò)簡(jiǎn)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(gè)可能有效的方式是通過(guò)預處理信號來(lái)增強復雜的聲調模式，以補償聽(tīng)力損失。

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

傳統上，助聽(tīng)器一直是裝在適合最終用戶(hù)的定制耳模中的放大器。助聽(tīng)系統包含一個(gè)麥克風(fēng)、一個(gè)放大器、一節鋅空氣電池和一個(gè)接收器/揚聲器。大多數放大器都采用了某種壓縮功能，實(shí)際上是非線(xiàn)性輸入/輸出關(guān)系，用于補償響度重振。還可以調節不同頻帶中的增益，頻帶的數量也有所不同，但通常是兩個(gè)或三個(gè)頻帶。許多最新的助聽(tīng)器是數字可編程的，這意味著(zhù)雖然它們有模擬信號處理功能，但由聽(tīng)力學(xué)家可調節的數字參數來(lái)控制處理。此外，一些模擬助聽(tīng)器對于不同的聽(tīng)力環(huán)境具有多個(gè)“程序”，或參數集。

市場(chǎng)上一些數字助聽(tīng)器是帶有可編程系數的 ASIC。這些 ASIC 提供一些算法集和多個(gè)頻帶，這是典型模擬設備不可能具有的。例如，數字助聽(tīng)器具有以下功能組合：2 到 14 個(gè)具有可調節交叉頻率的頻帶、一個(gè)麥克風(fēng)、定向測聽(tīng)的雙麥克風(fēng)、背景噪音降低、自動(dòng)增益控制 (AGC)、語(yǔ)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(tīng)器中的傳統處理功能相比，更是如此。

設計示例

基于 DSP 的助聽(tīng)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(guò)濾、混響消除以及提供從數字電話(huà)、電視或其它音頻設備的直接數字輸入?？删幊?DSP 還意味著(zhù)助聽(tīng)算法/功能可定制或在不改變硬件的情況下改變。助聽(tīng)專(zhuān)業(yè)人員幾乎可在實(shí)時(shí)的前提下經(jīng)濟地采用可用的算法。甚至還可以將用戶(hù)可選擇的程序用于切換到聽(tīng)力難的情況下經(jīng)過(guò)高度處理的聲音，或返回安靜環(huán)境中的傳統、失真較少的聲音。

基于 DSP 的助聽(tīng)器方框圖

上面的方框圖顯示了基于 DSP 的數字助聽(tīng)器的主要元素。典型的數字助聽(tīng)器由三個(gè)相互疊放的半導體裸芯片組成：EEPROM 或非易失性存儲器、一個(gè)數字設備和一個(gè)模擬設備。最新進(jìn)展允許將這些模塊集成到兩個(gè)甚至一個(gè)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(shí)施使用電源管理來(lái)監視電池電壓，并警告用戶(hù)何時(shí)電池電量不足，當電壓降得太低時(shí)，適時(shí)地關(guān)閉系統。模擬設備通常包括 Σ-Δ 模數轉換器、具有壓縮輸入限制功能的麥克風(fēng)前置放大器、遙控數據解碼器、時(shí)鐘振蕩器和電壓穩壓器。Σ-Δ A/D 的頻率范圍通常為 20kHz，分辨率為 16 位（14 位線(xiàn)性）。數字設備包括 DSP、邏輯支持功能、編程接口和輸出級。輸出級通常為全數字，使用利用揚聲器阻抗的脈寬調制 (PWM) 輸出與 D 類(lèi)放大器執行模數轉換。

總之，當前的模擬和數字助聽(tīng)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，而數字設備消耗 0.5mA 至 0.7mA。一節大約提供 30mAh 至 65mAh 與 50?A 自放電電流的鋅空氣電池為此系統供電。壽命終止電壓大約為 0.9V。由于數字助聽(tīng)器中的處理量增加，直接對比數字和模擬助聽(tīng)器的功耗并不完全公平。與模擬助聽(tīng)器等效的具有處理功能的數字助聽(tīng)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(gè)人醫療設備（助聽(tīng)器、聽(tīng)覺(jué)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(gè) 1.3V CMOS 數字 SPI 接口，并包括一個(gè)外部麥克風(fēng)電源和偏置電源以及電池低電量監視器和指示器。

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