分享：基于DSP的数字助听器开拓

只看该作者 · 2011-8-22 14:51

摘要：通过对模拟助听器的技术分析,主要介绍用对DSP(数字信号处理器)芯片技术开发数字助听器方案的优异性,并介绍所选择的高功效数字信号处理器TMS320C5402 定点DSP芯片结构特征与应用。关链词：助听器听力损失 DSP芯片
1、 数字助听器开拓是必然的技术支持
助听器的设计具有严格的技术要求。助听器必须足够小的体积(以便置于人耳之中或其后部)、极低的运行功耗且不得引入噪声或失真。为满足这些要求，现有的助听器件消耗的电流低于1mA，工作电压为1V，并占用不到的硅片面积(通常这意味着两个或三个元件需要彼此堆叠放置)。
典型的模拟助听器由具有非线性输入/输出功能以及频率相关增益的放大器所组成。但是，与数字处理相比，这种模拟处理的缺点在于其依赖定制电路、不具备可编程性且成本较高。相比于同类模拟器件，近来的数字器件已经在器件成本和功耗方面有所改进。数字器件具有的最大优点是其处理功率和可编程性的改善，它使得设计能够针对特定的听力受损情况和环境对助听器进行客户化设计。可以采用较为复杂的处理方法(而非简单的声音放大和可调频率补偿)来使传送到受损人耳的声音质量有所改善。但是，这种方案的实现需要仰仗DSP所具有的复杂处理能力。
2、 听力损失的分类与解决听力损失通常可分为两类：即传导型听力损失和感觉神经型听力损失(SNHL)。当通过患者外耳或中耳的声音传送异常时会发生传导型听力损失，而SNHL则发生在耳蜗中的感觉细胞或听觉系统中更高级的神经机理出现故障的场合。
2.1传导型听力损失的解决-声音进行放大传导型听力损失当发生传导型听力损失时，声音不能通过中耳或外耳的进行正确的传导。由于声音衰减主要是因传导损失所致，因此对声音进行放大是恢复接近正常听力所必不可少的。传统的模拟助听器无需特殊的信号处理就能发挥很好的作用。但是，在那些具有某种程度的听力障碍的患者中，只有5%是纯粹由传导型听力损失所造成的。
2.2感觉神经型听力损失(SNHL) 的解决SNHL包括因器官老化而引起的听力损失、噪声引发的听力损失以及由损害听力系统的药物所导致的听力损失。多数类型的SNHL似乎是由耳蜗功能失效引起的。SNHL被认为是由于内耳绒毛细胞和/或外耳绒毛细胞受损引起的。但是潜在的生理学病因是复杂的，不同的人将表现出不同的病状，这意味着听力图相同的患者其听力损失情况未必相同。而且，在不同的频率范围内，患者听力受损的情形甚至也有可能存在差异。
SNHL的影响通常会导致某些频率范围内的输入信号缺损、灵敏度严重不足以及听觉滤波器滤波范围变大等问题。这些影响反过来又会大大影响患者对声音的感觉。与听力正常的人相比，SNHL患者最有可能遇到的问题就是需要加大音量(即患者的舒适聆听电平范围与正常值相比受到压缩)以及频率分辨率降低。声音感觉方面的这些改变会显著影响听者对语音的理解能力。
由于SNHL不仅仅是声音传输的问题，而实际上是声音处理的问题，因此这种损失不大可能通过简单的放大来弥补-把失真的声音放大并不会使其变得更加清晰。所以，帮助SNHL患者的一种有效途径或许是通过信号的预处理来对合成音调频谱进行改善的方法来补偿听力损失。
不同表现形式的SNHL不大可能采用一种相同的最佳处理方法来补救。对声音进行处理能够使语音变得更加清晰。但是，最佳处理算**因人而异，而且，即使是同一个人，由于所处聆听环境(比如既有安静的房间也有噪杂的运动场)的不同，处理算法甚至也有可能改变。要想适应这些差异，关键在于助听器的灵活性。
2.3 传统助听器组成及功能传统助听器一直采用的是装在与最终用户相配的定制耳模内的放大器。助听器系统包括传声器、放大器、锌-空气电池和接收器/扬声器。大多数此类放大器均采用了某种用于对增大的音量进行补偿的压缩函数(基本上是非线性输入/输出关系)。此外，不同频段中的增益是可以调节的，且频段的数量各不相同，但通常为两个或三个。很多最新型的助听器具有数字可编程性，这意味着尽管它们采用模拟信号处理，但其处理则受控于可由听觉病矫治专家进行调节的数字参数。此外，一些模拟助听器具有几套“程序”(即几组参数)，以适应不同的聆听环境。
3、 基于DSP的数字助听器
3.1先述用ASIC(专用集成电路)制作的数字助听器
市面上的一些数字助听器是具有可编程系数的ASIC。这些ASIC能够提供典型模拟器件所无法提供的几套算法和多个频段。例如，数字助听器具有以下功能组合：2-14个具有可调交叉频率的频段、传声器、用于定向聆听的对偶传声器、背景噪声抑制、自动增益控制(AGC)、语音增强、反馈抑制和高响度保护。总之，数字助听器能够处理的数量是令人吃惊的，尤其在与模拟助听器所采用的传统处理相比较时更是如此。
3.2基于DSP的数字助听器组成与功能基于DSP的助听器能够实现软件控制功能的扩展，从而包括频率整形、反馈抑制、噪声抑制、双耳处理、耳廓和耳道滤波、混响抑制并备有用于接收来自数字电话、电视机或其他音频设备的直接数字输入的接口。
可编程DSP还意味着无需改变硬件即可对助听器的算法及特性进行客户化设计或变更。助听器从业人员可以采用可行的算法来进行近乎实时的成本效益型试验。甚至还有可能具备可由用户选择的程序，以便在恶劣的聆听场合切换到精细处理的声音，或在安静环境下切换回传统的、失真较低的声音。
3.21 DSP的数字助听器组成与技术支持
DSP的数字助听器组成方框如图1所示,它显示出基于DSP的数字助听器的组成要素。一个典型的数字助听器由三个彼此堆叠的半导体硅片所组成：即EEPROM或非易失性存储器、数字器件和模拟器件。近期技术的发展使得这些模块可被集成到两块甚至一块半导体硅片中。由于电池电压的范围在7.35V-0.9V之间，因此这些器件的工作电压被设计为0.9V。有些实现方案采用了电源管理来对电池电压实施监控，当电池电量低时则向用户报警，并在电池电压降得过低时缓慢关闭系统。模拟器件通常包括∑△型模拟-数字转换器(ADC)、具有压缩输入限制功能的传声器前置放大器、遥控数字解码器、时钟振荡器以及稳压器。∑△型ADC的典型频率范围为20kHz，分辨率为16位(线性分辨率为14位)。数字器件则包括DSP、逻辑支持功能、程序接口以及输出级。输出级通常是全数字式的，采用脉宽调制(PWM)输出和D类放大器，并运用扬声器阻抗来执行模拟—数字转换。
图2所示为高功效数字信号处理器DSP芯片内部组成框图。TMS320C5402 DSP提供了延长数字助听器电池使用寿命所需的高功效。在160MHz频率条件下，该处理器提供了具有高度并行性的算术逻辑单元(ALU)、专用硬件逻辑电路、片上存储器和附加的片上外围元件。该DSP的运算灵活性及速度基于一个专用性的指令集。之所以应用TMS320C5402 定点DSP芯片,是因它具有如下特点:
具有三个分离的16位数据存储器总线和一个程序存储器总线高级多总线架构；40位ALU(算术及逻辑单元)；可用于Viterbi运算符的求和/比较选择的比较、选择和存储(CSSU)；可用于8M×16位最大可寻址外部程序空间的扩展寻址模式；由由两个8K×l6位片上双存取程序/数据RAM功能块所组成的16X16位片上RAM；用于程序代码的单指令重复和功能块重复；是条件存储指令；其片上外围元件分别有软件可编程等待状态发生器和存储切换、具有内部振荡器或外部时钟脉冲源的片上可编程锁相环(PLL钟发生器、一个16位定时器、6通道直接存储器存取(DMA)控制器、三个多通道缓冲串行端口(McBSP)、8/16位增强型并行主机/端口接口(HPl8/16)；用户可以自已配置IDLE休闲域(即可采用IDLEl、IDLE2和IDLE3指令进行功耗控制)；可用于使CLKOUT失效的CLKOUT关断控制；封装型式为144引脚BGA和144引脚方形扁平封装(LQFP)
4、 结束语应说现有的模拟助听器和数字助听器的功耗大致相等。模拟器件的总消耗电流约为0.7mA～1.0mA，而数字器件则为0.5mA-0.7mA。可提供约30-65mAh并具有50pA自放电电流的1.35V锌-空气电池为该系统供电。电池耗尽时的电压约为0.9V。但是，由于数字助听器的处理量不断增加，因此将数字助听器优异特性是模拟助听器无法达到的,它将被市埸所认同并逐一成为计据新趋势。