很少有應用比現代助聽器面臨更多的技術限制。針對這個領域,在較小型的設計中提高性能水準和降低功耗的需求更大於消費電子。這種壓力還因助聽器產業目前每年成長4-6%(根據一些知名市場公司的研究資料)的事實而加劇,並由中國和印度人口老齡化以及新市場發展而推動。因此,有必要以改善的功能滿足更廣泛患者的需求。

透過整合更精密的數位訊號處理(DSP)半導體方案,將使製造商能夠滿足助聽器用戶的這些需求。本文將詳細介紹影響DSP技術的各種設計考量,以及在當今助聽器內的應用。

簡單來說,助聽器的工作原理是:聲波由麥克風接收,並轉換成一個類比電子訊號。透過類比-數位轉換器(ADC)拾取這個類比訊號,並把它轉換成一個數位訊號;接著再用DSP演算法進行處理和調節。然後該數位訊號被重新轉換為類比形式,傳遞到接收器,並轉換成由助聽器用戶聽到的聲波。

20161214 Onsemi TA31P1 現代數位助聽器的運作原理

為了儘量減少這些設備的視覺衝擊,提高佩戴者的舒適性,市場上開始導入更分離式的新款式。常用的耳背式(BTE)裝置現在開始被位於耳道內更深處的助聽器所取代,如深耳道(CIC)和耳道內不可見(IIC)的裝置,或微型耳罩式裝置,又稱微型耳背式(mini-BTE)或OTE。助聽器這種「可聽到但看不見」 的趨勢需要大量系統微縮小型化到為裝置供電的IC。

20161214 Onsemi TA31P2 傳統的BTE助聽器必須將多個元件(包括電池)整合於輕量的小型系統中。新興的入耳式(ITE)設計更面臨空間限制的嚴苛挑戰

客製化需求

原始設備製造商(OEM)正探索可實現助聽器本身獨特的數據訊號處理演算法的IC解決方案。這將支持更高能效的「平台」策略到位,讓不同的助聽器款式都可利用同樣的核心DSP創建。例如,輕度聽力受損可由一組特定的演算法加以解決,而高功率元件則克服嚴重的聽力受損,均可使用相同的平台,但以更多的優點或功能與性能加以區別。

與可攜式電子裝置無線互連

業界對於以無線技術實現助聽器和電子裝置(如智慧型手機)之間的音訊訊號傳輸極其感興趣。透過2.4GHz頻段(基於藍牙和ZigBee無線標準),無線連接可以使助聽器用戶直接從電子裝置體驗音訊。例如,用戶可以從手持裝置串流音樂,或以其助聽器作為耳機進行通話。無線連接還能增加用戶和裝置之間的互動。使用智慧型手機,助聽器用戶可以很容易地調整和自定義參數和設置(如音量控制),而不需要繁瑣的繼電器配件。由於無線技術沒有最終的標準,工程師必須能夠快速適應新興標準,如藍牙低功耗(BLE)。

選擇DSP架構

有許多不同類型的DSP架構可用於現代半導體。由於該架構對於助聽器設計的整體能效將有相當大的影響,OEM工程團隊應確保認真考慮可用的選擇,最後做出決定選擇一個最適用的方案。

封閉式架構 採用一個DSP直接硬線連架構的封閉式固定功能架構,可為系統的功耗和尺寸實現最佳化。遺憾的是,其代價卻是犧牲了系統的靈活性。雖然一些較小的參數仍然可調整,但如果沒有大規模的重設工作(這極其昂貴和耗時),也無法改變IC的基本功能。

開放式可編程架構 開放式可編程架構為OEM提供了更好的設計靈活性,因為DSP演算法相對上易於修改。然而,這種靈活性可容納在一個更大的系統中,但這無法滿足現代助聽器嚴苛的功率和尺寸要求。

半可編程及特定應用、開放式可編程架構 一種能夠結合封閉式和開放式可編程架構有利特性的替代架構正在崛起。半可編程架構的基本DSP功能是硬線接入邏輯模組和額外的可編程DSP元素,額外的能力可以在軟體中實現。雖然這提供了一些靈活性,但半可編程架構仍然比封閉式架構有更大的功率預算。

特定應用、開放式可編程架構提出了另一種方法。在此的DSP架構是基於深入瞭解應用需求而設計並最佳化的,以便為特定應用處理特殊的訊號處理要求。它有開放可編程架構的軟體可編程能力,以及相對上接近封閉式架構的電源能效,提供妥善實施的設計佈局以及利用適合的半導體幾何結構。這樣的架構有助於促進OEM廠商目前所需要的平台途徑。

例如,安森美半導體(ON Semiconductor)的Ezairo 7100是精巧且極其精密的系統單晶片(SoC)解決方案,針對下一代助聽器而設計。它結合了類比前端、ARM Cortex-M3處理器以及24位元四核心DSP(基於特定應用、開放式可編程架構)於一個半導體晶片中。封閉式和開放式可編程混合架構的實施,意味著IC在10.24MHz的最大時脈速度作業時的功耗小於0.7mA。這能夠降低系統功耗,同時仍然賦予工程師必要的設計靈活性(演算法可調整),以創建功能豐富的助聽器設計,使其從市場競爭中脫穎而出。

20161214 Onsemi TA31P3 ON Ezairo 7110方塊圖

總之,助聽器產業的技術正不斷發生變化——利用迅速發展的創新以及針對新興市場。強勁的競爭和更快上市的需求,導致產品生命週期縮短,以及需要更大的差異化。利用可編程或特定應用架構的DSP技術(如安森美半導體的先進SoC),將有助於工程師打造更精巧且功能豐富的助聽器,提高用戶的舒適度和滿意度。