基于DSP的數(shù)字助聽(tīng)器開(kāi)拓

 1、數(shù)字助聽(tīng)器開(kāi)拓是必然的技術(shù)支持

助聽(tīng)器的設(shè)計(jì)具有嚴(yán)格的技術(shù)要求。助聽(tīng)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(yùn)行功耗且不得引入噪聲或失真。為滿(mǎn)足這些要求，現(xiàn)有的助聽(tīng)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(gè)或三個(gè)元件需要彼此堆疊放置)。

典型的模擬助聽(tīng)器由具有非線(xiàn)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(diǎn)在于其依賴(lài)定制電路、不具備可編程性且成本較高。相比于同類(lèi)模擬器件，近來(lái)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(diǎn)是其處理功率和可編程性的改善，它使得設(shè)計(jì)能夠針對(duì)特定的聽(tīng)力受損情況和環(huán)境對(duì)助聽(tīng)器進(jìn)行客戶(hù)化設(shè)計(jì)。可以采用較為復(fù)雜的處理方法(而非簡(jiǎn)單的聲音放大和可調(diào)頻率補(bǔ)償)來(lái)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(shí)現(xiàn)需要仰仗DSP所具有的復(fù)雜處理能力。

2、 聽(tīng)力損失的分類(lèi)與解決

聽(tīng)力損失通常可分為兩類(lèi)：即傳導(dǎo)型聽(tīng)力損失和感覺(jué)神經(jīng)型聽(tīng)力損失(SNHL)。當(dāng)通過(guò)患者外耳或中耳的聲音傳送異常時(shí)會(huì)發(fā)生傳導(dǎo)型聽(tīng)力損失，而SNHL則發(fā)生在耳蝸中的感覺(jué)細(xì)胞或聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中更高級(jí)的神經(jīng)機(jī)理出現(xiàn)故障的場(chǎng)合。

2.1 傳導(dǎo)型聽(tīng)力損失的解決-聲音進(jìn)行放大

傳導(dǎo)型聽(tīng)力損失當(dāng)發(fā)生傳導(dǎo)型聽(tīng)力損失時(shí)，聲音不能通過(guò)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(duì)聲音進(jìn)行放大是恢復(fù)接近正常聽(tīng)力所必不可少的。傳統(tǒng)的模擬助聽(tīng)器無(wú)需特殊的信號(hào)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(tīng)力障礙的患者中，只有5%是純粹由傳導(dǎo)型聽(tīng)力損失所造成的。

2.2 感覺(jué)神經(jīng)型聽(tīng)力損失(SNHL) 的解決

SNHL包括因器官老化而引起的聽(tīng)力損失、噪聲引發(fā)的聽(tīng)力損失以及由損害聽(tīng)力系統(tǒng)的藥物所導(dǎo)致的聽(tīng)力損失。多數(shù)類(lèi)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(tīng)力圖相同的患者其聽(tīng)力損失情況未必相同。而且，在不同的頻率范圍內(nèi)，患者聽(tīng)力受損的情形甚至也有可能存在差異。

SNHL的影響通常會(huì)導(dǎo)致某些頻率范圍內(nèi)的輸入信號(hào)缺損、靈敏度嚴(yán)重不足以及聽(tīng)覺(jué)濾波器濾波范圍變大等問(wèn)題。這些影響反過(guò)來(lái)又會(huì)大大影響患者對(duì)聲音的感覺(jué)。與聽(tīng)力正常的人相比，SNHL患者最有可能遇到的問(wèn)題就是需要加大音量(即患者的舒適聆聽(tīng)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(jué)方面的這些改變會(huì)顯著影響聽(tīng)者對(duì)語(yǔ)音的理解能力。

由于SNHL不僅僅是聲音傳輸?shù)膯?wèn)題，而實(shí)際上是聲音處理的問(wèn)題，因此這種損失不大可能通過(guò)簡(jiǎn)單的放大來(lái)彌補(bǔ)-把失真的聲音放大并不會(huì)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(guò)信號(hào)的預(yù)處理來(lái)對(duì)合成音調(diào)頻譜進(jìn)行改善的方法來(lái)補(bǔ)償聽(tīng)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(lái)補(bǔ)救。對(duì)聲音進(jìn)行處理能夠使語(yǔ)音變得更加清晰。但是，最佳處理算法會(huì)因人而異，而且，即使是同一個(gè)人，由于所處聆聽(tīng)環(huán)境(比如既有安靜的房間也有噪雜的運(yùn)動(dòng)場(chǎng))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(tīng)器的靈活性。

2.3 傳統(tǒng)助聽(tīng)器組成及功能 傳統(tǒng)助聽(tīng)器一直采用的是裝在與最終用戶(hù)相配的定制耳模內(nèi)的放大器。助聽(tīng)器系統(tǒng)包括傳聲器、放大器、鋅-空氣電池和接收器/揚(yáng)聲器。大多數(shù)此類(lèi)放大器均采用了某種用于對(duì)增大的音量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膲嚎s函數(shù)(基本上是非線(xiàn)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(gè)或三個(gè)。很多最新型的助聽(tīng)器具有數(shù)字可編程性，這意味著盡管它們采用模擬信號(hào)處理，但其處理則受控于可由聽(tīng)覺(jué)病矯治專(zhuān)家進(jìn)行調(diào)節(jié)的數(shù)字參數(shù)。此外，一些模擬助聽(tīng)器具有幾套“程序”(即幾組參數(shù))，以適應(yīng)不同的聆聽(tīng)環(huán)境。

3、基于DSP的數(shù)字助聽(tīng)器

3.1 先述用ASIC(專(zhuān)用集成電路)制作的數(shù)字助聽(tīng)器

市面上的一些數(shù)字助聽(tīng)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(wú)法提供的幾套算法和多個(gè)頻段。例如，數(shù)字助聽(tīng)器具有以下功能組合：2-14個(gè)具有可調(diào)交叉頻率的頻段、傳聲器、用于定向聆聽(tīng)的對(duì)偶傳聲器、背景噪聲抑制、自動(dòng)增益控制(AGC)、語(yǔ)音增強(qiáng)、反饋抑制和高響度保護(hù)?？傊瑪?shù)字助聽(tīng)器能夠處理的數(shù)量是令人吃驚的，尤其在與模擬助聽(tīng)器所采用的傳統(tǒng)處理相比較時(shí)更是如此。

3.2 基于DSP的數(shù)字助聽(tīng)器組成與功能

基于DSP的助聽(tīng)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(lái)自數(shù)字電話(huà)、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(wú)需改變硬件即可對(duì)助聽(tīng)器的算法及特性進(jìn)行客戶(hù)化設(shè)計(jì)或變更。助聽(tīng)器從業(yè)人員可以采用可行的算法來(lái)進(jìn)行近乎實(shí)時(shí)的成本效益型試驗(yàn)。甚至還有可能具備可由用戶(hù)選擇的程序，以便在惡劣的聆聽(tīng)場(chǎng)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(tīng)器組成與技術(shù)支持

圖1 基于DSP的數(shù)字助聽(tīng)器組成框圖

DSP的數(shù)字助聽(tīng)器組成方框如圖1所示,它顯示出基于DSP的數(shù)字助聽(tīng)器的組成要素。一個(gè)典型的數(shù)字助聽(tīng)器由三個(gè)彼此堆疊的半導(dǎo)體硅片所組成：即EEPROM或非易失性存儲(chǔ)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(jì)為0.9V。有些實(shí)現(xiàn)方案采用了電源管理來(lái)對(duì)電池電壓實(shí)施監(jiān)控，當(dāng)電池電量低時(shí)則向用戶(hù)報(bào)警，并在電池電壓降得過(guò)低時(shí)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?cái)?shù)字解碼器、時(shí)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(xiàn)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(jí)。輸出級(jí)通常是全數(shù)字式的，采用脈寬調(diào)制(PWM)輸出和D類(lèi)放大器，并運(yùn)用揚(yáng)聲器阻抗來(lái)執(zhí)行模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換。

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

圖2所示為高功效數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片內(nèi)部組成框圖。TMS320C5402 DSP提供了延長(zhǎng)數(shù)字助聽(tīng)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(zhuān)用硬件邏輯電路、片上存儲(chǔ)器和附加的片上外圍元件。該DSP的運(yùn)算靈活性及速度基于一個(gè)專(zhuān)用性的指令集。之所以應(yīng)用TMS320C5402 定點(diǎn)DSP芯片,是因它具有如下特點(diǎn):

具有三個(gè)分離的16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線(xiàn)和一個(gè)程序存儲(chǔ)器總線(xiàn)高級(jí)多總線(xiàn)架構(gòu);40位ALU(算術(shù)及邏輯單元);可用于Viterbi運(yùn)算符的求和/比較選擇的比較、選擇和存儲(chǔ)(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(gè)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(chǔ)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(chǔ)切換、具有內(nèi)部振蕩器或外部時(shí)鐘脈沖源的片上可編程鎖相環(huán)(PLL鐘發(fā)生器、一個(gè)16位定時(shí)器、6通道直接存儲(chǔ)器存取(DMA)控制器、三個(gè)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(hù)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(yǔ)

應(yīng)說(shuō)現(xiàn)有的模擬助聽(tīng)器和數(shù)字助聽(tīng)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(shí)的電壓約為0.9V。但是，由于數(shù)字助聽(tīng)器的處理量不斷增加，因此將數(shù)字助聽(tīng)器優(yōu)異特性是模擬助聽(tīng)器無(wú)法達(dá)到的,它將被市埸所認(rèn)同并逐一成為計(jì)據(jù)新趨勢(shì)。