工作原理基本如图1所示:首先,麦克风接收声波,这些声波转换为电子信号。数据转换器将这信号从模拟形式转换为数字形式,然后,信号处理算法用于数字化的信号,特定频率的信号被放大,而反馈及背景噪声被移除。然后,数字资料被重新转换回模拟形式。最后,它通过接收器,重新变为声波。
透过整合在助听器硬件平台中的集成电路,入射声被放大及处理;在更复杂的设计中,它还可以提供使用者界面功能并支持无线通信。在某些情况下,仅需要微处理器及非挥发性存储器IC;而在其他情况下,可能涉及到使用多颗IC(无线收发器、稳压器、模拟前端及各种传感器元件)。还需要指定分立元件(电容及电路保护元件),以及麦克风、接收器、天线及拾音线圈。
助听器设计领域的创新如今正在降低这些设备的视觉影响,适合深入佩戴在耳道中的新型助听器正在涌现;耳背式(BTE)设备正在逐渐被深耳道(CIC)及耳道内不可见(IIC)型产品替代,这趋势要求更进一步的系统微型化。
使用更复杂算法的后果是助听器的处理资源及存储器容量要求大幅增加,与此同时,使用者要求与智能型手机及其他电子设备无缝连接,而不需要中继器。
现场可升级能力也对助听器制造商越来越有吸引力,使初次购买之后便能够升级功能。低成本个人声音放大产品(PSAP)的出现,也模糊了旨在补偿听力受损的设备与旨在用于环境声音放大的设备之间的界限,所有这些因素对于工程师做出应用的硬件平台决策都有重要意义。
应用硬件平台有3项主要的驱动因素,设计工程师必须竭尽所能处理,包括:
获取最高性能等级 旨在提供最优声音质量及语音清晰度
保持尽可能低的功耗从而使电池使用时间不因高度的功能性整合而缩短
将实体尺寸减至最小——将组成元件占用的电路板空间尽可能地减小
跟任何一个因素相关的任何决策都会影响到其他因素,因此实际上必须折中做出取舍。
应用的数字信号处理(DSP)架构很明显对助听器的效用最为关键,设备制造商有多种架构可供选择;在一个极端的范围是封闭式、固定的功能途径,另一个极端是通用、开放式可编程的途径,以及在不同程度上结合这两种途径的架构。
开放式可编程及固定功能架构都有其优势和不足之处;采用固定功能架构时,信号处理机制被固线式至DSP芯片,优势是功率预算及PCB占用相对较低,但损失了系统灵活性。虽然某些参数可以调节,但芯片的基础功能不能改变,除非耗费大量时间和资金来重新设计。
一种架构越‘开放’,制造商就必须因应越高的软件灵活性;采用开放式可编程架构时,可以修改信号处理算法。此架构可以支持众多应用的多种可能的信号处理算法(声音、图像及传感器数据)。这加强的灵活性会导致增加尺寸和功耗,因此可编程架构绝非现代助听器的理想之选。
半可编程架构可有限度的编程,在一定程度上抵消固定结构本身的不足;关键的信号处理功能被固线式在逻辑模块中,与之相辅相成的是可编程DSP,此类DSP能够在软件中应用额外的信号处理功能,虽然获得某些灵活性,但半可编程架构仍然得损失少量的能效。
另一种途径是特定应用开放式可编程架构;这些架构经过优化,结合了开放式架构提供的软件灵活性,以符合极特定应用的信号处理需求。虽然能效不像封闭式架构那样高,但通过精巧有序的芯片设计及适合的制程技术,可以克服大多数能效局限。
一旦决定了DSP架构,要解决的下一个问题就是怎样划分电路;设计工程师必须权衡应当将哪些元件/功能模块结合并集成到单片芯片中,或联合封装在一起,或保持分立。当做出划分决策时,灵活性最为重要——如果模块被集成到单独的系统单晶片(SoC)管芯中,那么就可以节省珍贵的空间;然而,改变任何功能模块的可能性就没有了。如果需要修改,整个芯片就必须返工(respun),既耗时又耗财。例如,难干预测哪些无线标准将兴起或将何时兴起;因此,如果无线通信功能被集成到SoC中,只要使用这SoC,系统就会被锁定使用特定无线标准。某些模块的功能成熟稳定,故极适合集成。其他如无线通信之类的功能则可能会变化,具体取决干采用哪种技术。在这种情况下,就建议(为此功能)使用单独的一片芯片。
硬件平台的另一项关键元素是组成IC采用的半导体制程;使用者需要更小、更快、更便宜、更可靠及更低耗能的IC,带动开发新的半导体工具及技术。
对于助听器硬件平台而言,信号处理算法不断提升的复杂性正推动更高运算能力的需求,过渡到更小制程节点将能够实现此目的,也能帮助符合严格的功耗及封装形式的要求。但必须权衡此优势并考量事实——使用更小几何尺寸的制程时设计及制造复杂度大幅提升,相关的投资成本也上升。
如今,助听器平台通常以多个处理器内核为基础,因为这将帮助提升性能及降低能耗。虽然专用核心提供尺寸及能效方面的优势,但随着业界转向下一代制程技术,它们变得更不引人注目。提供可编程灵活性的标准核心已经到达这样一个阶段:它们可以与用于某些处理任务的专用核心配合工作,因而优化能耗。
采用标准核心不仅缩短开发时间,还降低潜在的技术风险。采用标准核心途径,设计资源可以分配给其他可以寻求差异化及增值的领域。
系统级集成问题也必须深入思考。除了IC,实现助听器系统时,电声及机械设计也极为重要。电声及转换器(transducer)元件(麦克风及接收器)必须因应跟IC一样的微型化压力在持续减小尺寸之际,仍提供高可靠性及强大的运作性能。指定最适合于设计的转换器以及它们在机座内的最优布局将帮助杜绝可能有损系统声音质量的声音走漏及振动问题。芯片堆栈技术能够在相同封装内连接半导体芯片及被动元件,大幅节省空间;芯片纤薄化方面的进展,结合集成被动元件技术,可以帮助减小尺寸。
总而言之,考虑到如今助听器市场所承受的重大压力,为助听器设备开发有效的硬件平台绝不简单。开发过程类似于把拼图的所有散片拼到一起,如果不考虑各个元素以及它们的彼此相关性,工程师将极难实现达到初始设计目标的平台。在进行助听器设计时,应当仔细考虑本文提到的各个方面。
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