為助聽器應(yīng)用搭建有效的硬件平臺

與便攜消費電子領(lǐng)域一樣，助聽器設(shè)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(fā)成為極復(fù)雜且富有挑戰(zhàn)之事。本文詳述助聽器用數(shù)字信號處理器(DSP)制造商必須應(yīng)對的關(guān)鍵問題，用以達到最終使用者的期望。

總體系統(tǒng)挑戰(zhàn)

助聽器中集成的數(shù)字IC技術(shù)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(tǒng)設(shè)計僅需簡單的DSP及存儲器IC，其他設(shè)計則要求6個或7個IC(包括無線控制器、模擬前端、電源穩(wěn)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(zhì)量和運算能力方面實現(xiàn)高水平?？紤]到較小的電池尺寸及所要求的電池使用時間，設(shè)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(gòu)

助聽器工程師在選擇應(yīng)由哪種DSP架構(gòu)構(gòu)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(shè)計架構(gòu)。此類架構(gòu)允許修改或更新信號處理算法。它適應(yīng)多種可能的信號處理算法，因而將設(shè)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(dǎo)致能耗更高?？紤]到當(dāng)代助聽器對低能耗及小尺寸的要求，通用開放可編程設(shè)計架構(gòu)就不太適合了。

在選擇范圍的另一端，是封閉式平臺架構(gòu)(通常稱作固定功能)，其中信號處理被硬件連線至半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中。此選擇同時符合功率預(yù)算及電路板尺寸要求，但提供的設(shè)計靈活性不夠。此選擇雖然可以調(diào)節(jié)某些參數(shù)，但IC的基礎(chǔ)功能無法更改，除非進行成本高昂且耗時的重新設(shè)計工作。在這兩個極端之間，存在半可編程架構(gòu)，這些架構(gòu)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(gòu)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(xiàn)額外功能，而無須芯片設(shè)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(yīng)常規(guī)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(fēng)險。

另一種架構(gòu)方法是應(yīng)用專用開放可編程平臺。此類平臺針對極特定應(yīng)用(如助聽裝置用數(shù)字音頻處理)之信號處理需求而設(shè)計及優(yōu)化，同時還提供通用架構(gòu)之軟件靈活性。雖然此類架構(gòu)的能效不如封閉式架構(gòu)高，但通過良好構(gòu)思的芯片設(shè)計及恰當(dāng)?shù)墓に噹缀纬叽?，可以將此效?yīng)降至最低。

半導(dǎo)體工藝

能耗、裸片尺寸及系統(tǒng)性能皆受使用的工藝節(jié)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(jīng)推動了更精微的半導(dǎo)體幾何尺寸的開發(fā)。日趨復(fù)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(zhuǎn)向更小工藝幾何尺寸可以滿足此需求，同時還幫助應(yīng)對此類具有嚴(yán)格能耗及尺寸限制的應(yīng)用。

但是，工程師需要注意以下幾個細(xì)節(jié)問題。首先，在較小的工藝節(jié)點時，設(shè)計及制造復(fù)雜程度大幅升高。有一些與布線相關(guān)的嚴(yán)格設(shè)計規(guī)則必須遵循，而且隨著節(jié)點變得更小，規(guī)則數(shù)量逐漸增多。其次，必須將設(shè)計、驗證、布線、光罩組(maskset)及設(shè)計工具所需要的財務(wù)投資考慮在內(nèi)。最小工藝節(jié)點的這些成本大幅升高，使最新半導(dǎo)體幾何尺寸僅適用于批量極大的應(yīng)用。

芯片級集成

至關(guān)重要的是審慎考慮什么功能組件應(yīng)當(dāng)被集成到相同半導(dǎo)體裸片上。當(dāng)進行設(shè)計劃分決策時，靈活性是一項關(guān)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(dāng)需要修改時，就必須修改整個芯片，既耗時又耗財。

在多內(nèi)核架構(gòu)中采用標(biāo)準(zhǔn)處理器

許多面臨提升性能及降低能耗挑戰(zhàn)的工程師正轉(zhuǎn)向基于多處理器內(nèi)核的助聽器平臺。多內(nèi)核表示不同運算單元可以同時執(zhí)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(xué)概念為基礎(chǔ)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(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。常常會有的一項錯誤認(rèn)知是標(biāo)準(zhǔn)處理器內(nèi)核在應(yīng)用于助聽器方面太過于低效。這主要是因為助聽器應(yīng)用嚴(yán)格的功率耗散要求，已經(jīng)導(dǎo)致定制設(shè)計的內(nèi)核幾乎被獨家使用。雖然專有內(nèi)核擁有尺寸及能效方面的優(yōu)勢，但隨著業(yè)界轉(zhuǎn)向更深亞微米(deeper sub-micron)技術(shù)，這些優(yōu)勢已經(jīng)變得不那么明顯了。提供可編程設(shè)計靈活性的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核已經(jīng)演進到：它們可以與專用內(nèi)核一起用于某些處理任務(wù)，如運行專有無線基帶功能以優(yōu)化能耗。

無線技術(shù)

拾音線圈(teleciol)或調(diào)頻(FM)系統(tǒng)等類型的模擬無線技術(shù)在助聽器中的應(yīng)用已達數(shù)十年。近年來，近場磁感應(yīng)(NFMI)及射頻(RF)技術(shù)已經(jīng)引入助聽器領(lǐng)域。NFMI使數(shù)據(jù)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(shù)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(yuǎn)距離內(nèi)通信。通常情況下，藍牙技術(shù)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(shù)，使數(shù)據(jù)傳輸范圍達9m，省去了繼電器。

高集成度的系統(tǒng)級芯片(SoC)方案Ezairo 7100

助聽器設(shè)計人員在不斷變化發(fā)展且技術(shù)持續(xù)進步的市場尋求有效的硬件平臺時，有許多需要關(guān)注的領(lǐng)域。隨著新趨勢的出現(xiàn)，以及始終存在潛在的不確定性，設(shè)計靈活性至關(guān)重要。因此，芯片供應(yīng)商必須提供適合的產(chǎn)品。為了應(yīng)對此趨勢，安森美半導(dǎo)體已經(jīng)開發(fā)出Ezairo 7100(圖)。這是高集成度的系統(tǒng)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(fā)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(shù))可支持更高能效的數(shù)據(jù)傳輸。

圖：安森美半導(dǎo)體Ezairo 7110框圖。