為助聽(tīng)器應用搭建有效的硬件平臺

與便攜消費電子領(lǐng)域一樣，助聽(tīng)器設計也面臨提升工作性能、增添新功能、延長(cháng)電池使用時(shí)間，同時(shí)維持小巧外形的壓力。這些慣而有之的抵觸因素，使助聽(tīng)器開(kāi)發(fā)成為極復雜且富有挑戰之事。本文詳述助聽(tīng)器用數字信號處理器(DSP)制造商必須應對的關(guān)鍵問(wèn)題，用以達到最終使用者的期望。

總體系統挑戰

助聽(tīng)器中集成的數字IC技術(shù)支持對聲音進(jìn)行放大及處理。IC也可能涉及提供其他功能，如無(wú)線(xiàn)通信，或是用于更高級助聽(tīng)器型號的可充電電池管理。雖然某些簡(jiǎn)單系統設計僅需簡(jiǎn)單的DSP及存儲器IC，其他設計則要求6個(gè)或7個(gè)IC(包括無(wú)線(xiàn)控制器、模擬前端、電源穩壓器等)，再加上分立元件(如電容、電路保護元件)，用以配合更多功能。

此電路有必要在提供的聲音質(zhì)量和運算能力方面實(shí)現高水平?？紤]到較小的電池尺寸及所要求的電池使用時(shí)間，設計必須將能耗降至最低。此外，必須考慮物理尺寸。通常情況下會(huì )在硬件平臺中的功能性與其占用的空間之間做出折衷取舍。

DSP架構

助聽(tīng)器工程師在選擇應由哪種DSP架構構成其硬件平臺的方面擁有多種選擇。在選擇范圍的一端，是通用開(kāi)放可編程設計架構。此類(lèi)架構允許修改或更新信號處理算法。它適應多種可能的信號處理算法，因而將設計靈活性增至最高。但在靈活性方面也存在代價(jià)，可能使裸片尺寸更大，隨之導致能耗更高?？紤]到當代助聽(tīng)器對低能耗及小尺寸的要求，通用開(kāi)放可編程設計架構就不太適合了。

在選擇范圍的另一端，是封閉式平臺架構(通常稱(chēng)作固定功能)，其中信號處理被硬件連線(xiàn)至半導體結構中。此選擇同時(shí)符合功率預算及電路板尺寸要求，但提供的設計靈活性不夠。此選擇雖然可以調節某些參數，但IC的基礎功能無(wú)法更改，除非進(jìn)行成本高昂且耗時(shí)的重新設計工作。在這兩個(gè)極端之間，存在半可編程架構，這些架構致力于克服封閉平臺的固有不足，能夠提供一定程度的可編程能力。在此架構中，主信號處理功能被硬連線(xiàn)在邏輯模塊中，但可編程DSP器件能夠以軟件實(shí)現額外功能，而無(wú)須芯片設計返工(re-spin)。但如果硬連線(xiàn)模塊必須進(jìn)行大幅修改，或是可編程處理器無(wú)法適應常規算法概念，那就需要新的芯片了。雖然靈活性增高了，但使用半可編程DSP仍存在能效受損的風(fēng)險。

另一種架構方法是應用專(zhuān)用開(kāi)放可編程平臺。此類(lèi)平臺針對極特定應用(如助聽(tīng)裝置用數字音頻處理)之信號處理需求而設計及優(yōu)化，同時(shí)還提供通用架構之軟件靈活性。雖然此類(lèi)架構的能效不如封閉式架構高，但通過(guò)良好構思的芯片設計及恰當的工藝幾何尺寸，可以將此效應降至最低。

半導體工藝

能耗、裸片尺寸及系統性能皆受使用的工藝節點(diǎn)影響。針對更小、更快、更廉價(jià)、更可靠及更低能耗IC的需求，已經(jīng)推動(dòng)了更精微的半導體幾何尺寸的開(kāi)發(fā)。日趨復雜的助聽(tīng)器信號處理算法也在推動(dòng)針對更強運算資源的需求。轉向更小工藝幾何尺寸可以滿(mǎn)足此需求，同時(shí)還幫助應對此類(lèi)具有嚴格能耗及尺寸限制的應用。

但是，工程師需要注意以下幾個(gè)細節問(wèn)題。首先，在較小的工藝節點(diǎn)時(shí)，設計及制造復雜程度大幅升高。有一些與布線(xiàn)相關(guān)的嚴格設計規則必須遵循，而且隨著(zhù)節點(diǎn)變得更小，規則數量逐漸增多。其次，必須將設計、驗證、布線(xiàn)、光罩組(maskset)及設計工具所需要的財務(wù)投資考慮在內。最小工藝節點(diǎn)的這些成本大幅升高，使最新半導體幾何尺寸僅適用于批量極大的應用。

芯片級集成

至關(guān)重要的是審慎考慮什么功能組件應當被集成到相同半導體裸片上。當進(jìn)行設計劃分決策時(shí)，靈活性是一項關(guān)鍵因素。如果功能模塊被集成到單個(gè)裸片上，那就失去了單獨改變這些模塊的能力;當需要修改時(shí)，就必須修改整個(gè)芯片，既耗時(shí)又耗財。

在多內核架構中采用標準處理器

許多面臨提升性能及降低能耗挑戰的工程師正轉向基于多處理器內核的助聽(tīng)器平臺。多內核表示不同運算單元可以同時(shí)執行多個(gè)指令，因而可提升總體速度。通過(guò)獲得的運算能力提升，有可能支持以新的聽(tīng)力學(xué)概念為基礎的更先進(jìn)算法。它還推動(dòng)在平臺中引入無(wú)線(xiàn)功能，用于助聽(tīng)器、遙控器、連接及其他電子設備之間的數據傳輸。常常會(huì )有的一項錯誤認知是標準處理器內核在應用于助聽(tīng)器方面太過(guò)于低效。這主要是因為助聽(tīng)器應用嚴格的功率耗散要求，已經(jīng)導致定制設計的內核幾乎被獨家使用。雖然專(zhuān)有內核擁有尺寸及能效方面的優(yōu)勢，但隨著(zhù)業(yè)界轉向更深亞微米(deeper sub-micron)技術(shù)，這些優(yōu)勢已經(jīng)變得不那么明顯了。提供可編程設計靈活性的標準內核已經(jīng)演進(jìn)到：它們可以與專(zhuān)用內核一起用于某些處理任務(wù)，如運行專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)基帶功能以?xún)?yōu)化能耗。

無(wú)線(xiàn)技術(shù)

拾音線(xiàn)圈(teleciol)或調頻(FM)系統等類(lèi)型的模擬無(wú)線(xiàn)技術(shù)在助聽(tīng)器中的應用已達數十年。近年來(lái)，近場(chǎng)磁感應(NFMI)及射頻(RF)技術(shù)已經(jīng)引入助聽(tīng)器領(lǐng)域。NFMI使數據能在一個(gè)耳朵與另一個(gè)耳朵之間交換，用于雙耳處理。這能增強語(yǔ)音清晰度，幫助使用者確定聲音來(lái)源。NFMI的有效作用距離是1m，故采用此技術(shù)的助聽(tīng)器也必須使用中間繼電器裝置(通常戴在使用者的脖子上)，從而可以在更遠距離內通信。通常情況下，藍牙技術(shù)會(huì )用于繼電器與藍牙兼容型音頻源之間的通信鏈路。

最新的助聽(tīng)裝置使用RF技術(shù)，使數據傳輸范圍達9m，省去了繼電器。

高集成度的系統級芯片(SoC)方案Ezairo 7100

助聽(tīng)器設計人員在不斷變化發(fā)展且技術(shù)持續進(jìn)步的市場(chǎng)尋求有效的硬件平臺時(shí)，有許多需要關(guān)注的領(lǐng)域。隨著(zhù)新趨勢的出現，以及始終存在潛在的不確定性，設計靈活性至關(guān)重要。因此，芯片供應商必須提供適合的產(chǎn)品。為了應對此趨勢，安森美半導體已經(jīng)開(kāi)發(fā)出Ezairo 7100(圖)。這是高集成度的系統級芯片(SoC)方案，包含4核24位開(kāi)放可編程DSP，使制造商有條件開(kāi)發(fā)自己的獨特算法。此器件的能耗低于0.7mA，支持10.24MHz時(shí)鐘度;而時(shí)鐘降頻(clockthrottling)擴充了其運算能力。集成的無(wú)線(xiàn)控制器(兼容于NFMI及RF技術(shù))可支持更高能效的數據傳輸。

圖：安森美半導體Ezairo 7110框圖。