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與便攜消費電子領域一樣，助聽器設計也面臨提升工作性能、增添新功能、延長電池使用時間，同時維持小巧外形的壓力。這些慣而有之的抵觸因素，使助聽器開發成為極復雜且富有挑戰之事。本文詳述助聽器用數字信號處理器(DSP)制造商必須應對的關鍵問題，用以達到最終使用者的期望。 總體系統挑戰 助聽器中集成的數字IC技術支持對聲音進行放大及處理。IC也可能涉及提供其他功能，如無線通信，或是用于更高級助聽器型號的可充電電池管理。雖然某些簡單系統設計僅需簡單的DSP及存儲器IC，其他設計則要求6個或7個IC(包括無線控制器、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量和運算能力方面實現高水平。考慮到較小的電池尺寸及所要求的電池使用時間，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，是通用開放可編程設計架構。此類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，可能使裸片尺寸更大，隨之導致能耗更高。考慮到當代助聽器對低能耗及小尺寸的要求，通用開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(通常稱作固定功能)，其中信號處理被硬件連線至半導體結構中。此選擇同時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的基礎功能無法更改，除非進行成本高昂且耗時的重新設計工作。在這兩個極端之間，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在邏輯模塊中，但可編程DSP器件能夠以軟件實現額外功能，而無須芯片設計返工(re-spin)。但如果硬連線模塊必須進行大幅修改，或是可編程處理器無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險。 另一種架構方法是應用專用開放可編程平臺。此類平臺針對極特定應用(如助聽裝置用數字音頻處理)之信號處理需求而設計及優化，同時還提供通用架構之軟件靈活性。雖然此類架構的能效不如封閉式架構高，但通過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影響。針對更小、更快、更廉價、更可靠及更低能耗IC的需求，已經推動了更精微的半導體幾何尺寸的開發。日趨復雜的助聽器信號處理算法也在推動針對更強運算資源的需求。轉向更小工藝幾何尺寸可以滿足此需求，同時還幫助應對此類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細節問題。首先，在較小的工藝節點時，設計及制造復雜程度大幅升高。有一些與布線相關的嚴格設計規則必須遵循，而且隨著節點變得更小，規則數量逐漸增多。其次，必須將設計、驗證、布線、光罩組(maskset)及設計工具所需要的財務投資考慮在內。最小工藝節點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。當進行設計劃分決策時，靈活性是一項關鍵因素。如果功能模塊被集成到單個裸片上，那就失去了單獨改變這些模塊的能力；當需要修改時，就必須修改整個芯片，既耗時又耗財。 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器平臺。多內核表示不同運算單元可以同時執行多個指令，因而可提升總體速度。通過獲得的運算能力提升，有可能支持以新的聽力學概念為基礎的更先進算法。它還推動在平臺中引入無線功能，用于助聽器、遙控器、連接及其他電子設備之間的數據傳輸。常常會有的一項錯誤認知是標準處理器內核在應用于助聽器方面太過于低效。這主要是因為助聽器應用嚴格的功率耗散要求，已經導致定制設計的內核幾乎被獨家使用。雖然專有內核擁有尺寸及能效方面的優勢，但隨著業界轉向更深亞微米(deeper sub-micron)技術，這些優勢已經變得不那么明顯了。提供可編程設計靈活性的標準內核已經演進到：它們可以與專用內核一起用于某些處理任務，如運行專有無線基帶功能以優化能耗。 無線技術 拾音線圈(teleciol)或調頻(FM)系統等類型的模擬無線技術在助聽器中的應用已達數十年。近年來，近場磁感應(NFMI)及射頻(RF)技術已經引入助聽器領域。NFMI使數據能在一個耳朵與另一個耳朵之間交換，用于雙耳處理。這能增強語音清晰度，幫助使用者確定聲音來源。NFMI的有效作用距離是1m，故采用此技術的助聽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，藍牙技術會用于繼電器與藍牙兼容型音頻源之間的通信鏈路。 最新的助聽裝置使用RF技術，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 助聽器設計人員在不斷變化發展且技術持續進步的市場尋求有效的硬件平臺時，有許多需要關注的領域。隨著新趨勢的出現，以及始終存在潛在的不確定性，設計靈活性至關重要。因此，芯片供應商必須提供適合的產品。為了應對此趨勢，安森美半導體已經開發出Ezairo 7100(圖)。這是高集成度的系統級芯片(SoC)方案，包含4核24位開放可編程DSP，使制造商有條件開發自己的獨特算法。此器件的能耗低于0.7mA，支持10.24MHz時鐘度；而時鐘降頻(clockthrottling)擴充了其運算能力。集成的無線控制器(兼容于NFMI及RF技術)可支持更高能效的數據傳輸。 圖：安森美半導體Ezairo 7110框圖。 |
