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On Ezairo 7100為助聽器應用有效的硬體平臺

 2014-07-28

作者:ON Christophe Waelchli

 

就像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,同時維持小巧外形因數的壓力。 這些慣而有之的抵觸因素,使助聽器開發成為極複雜且富有挑戰之事。本文詳述助聽器用數位信號處理器(DSP)製造商必須因應的關鍵問題,用以達到最終使用者的頗高期望。

 

總體系統挑戰

 

助聽器中集成的數位IC技術支援對聲音進行放大及處理。IC也可能涉及提供其它功能,如無線通訊,或是用於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及記憶體IC,其它設計則要求6或7顆IC(包含無線控制器、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品質和運算能力方面實現高水準。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。通常情況下會在蘊含在硬體平臺中的功能性與它佔用的空間之間作出折衷取捨。

 

DSP架構

 

助聽器工程師在選擇應由哪種DSP架構構成其硬體平臺之基礎方面擁有多種選擇。在選擇範圍的一端,是通用開放可程式設計設計架構之選擇。此類架構允許修改或更新信號處理演算法。它適應多種可能的信號處理演算法,因而將設計靈活性增至最高。但此靈活性也存在代價,可能使裸片尺寸更大,隨之使能耗更高。考慮到當代助聽器對低能耗及小尺寸的要求,通用開放可程式設計設計架構就不是太適合了。

 

在選擇範圍的另一端,是封閉式平臺架構(通常稱作固定功能),其中信號處理被硬體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,除非進行成本高昂而且耗時的重新設計工作。在這兩個極端之間,存在半可程式設計架構,這些架構致力於克服封閉平臺的固有不足,能夠提供一定程度的可程式設計能力。在此架構中,主信號處理功能被硬連線在邏輯模組中,但可程式設計DSP器件能夠以軟體實現額外功能,而無須晶片設計返工(re-spin)。然而,如果硬連線模組必須進行大幅修改,或是可程式設計處理器無法適應常規演算法概念,那麼,就需要新的晶片了。雖然靈活性增高了,但使用半可程式設計DSP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平臺。此類平臺針對極特定應用(如助聽裝置用數位音訊處理)之信號處理需求而設計及優化,同時還提供通用架構之軟體靈活性。雖然此類架構的能效不如封閉式架構高,但通過良好構思的晶片設計及恰當選擇工藝幾何尺寸,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。日趨複雜的助聽器信號處理演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,同時還幫助因應此類應用具有的嚴格能耗及尺寸限制。

 

然而,工程師需要注意幾項細節問題。首先,在較小的工藝節點時,設計及製造複雜程度大幅升高。有一些跟佈線相關的意涵及嚴格設計規則必須遵循,而且隨著節點變得更小,規則數量增多。其次,必須將設計、驗證、佈線、光罩組(mask set)及設計工具所需要的財務投資考慮在內。在最小的工藝節點這些成本大幅升高,使最新半導體幾何尺寸僅對批量極大之應用實用。

 

晶片級集成

 

至關重要的是審慎考慮什麼功能元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。如果功能模組被集成到單個裸片上,那麼,在就失去了單獨改變任何這些模組的能力;而當需要修改時,就必須修改整個晶片。這就可能既耗時又耗財。

 

在多內核架構中採用標準處理器

 

許多面臨提升性能及降低能耗挑戰的工程師正轉向以基於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演算法。它還推動在平臺中引入無線功能,用於助聽器、遙控器、連接及其它電子設備之間的資料傳輸。常常會有的一項錯誤認知是標準處理器內核在應用於助聽器方面太過於低效。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,這些優勢變得不那麼明顯了。提供可程式設計設計靈活性的標準內核已經演進到這樣一個點:它們可以與專用內核一起用於某些處理任務,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)系統等類型的類比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使資料能在一個耳朵與另一個耳朵之間交換,用於雙耳處理。這能增強語音清晰度,説明使用者確定聲音來源。NFMI的有效作用距離是1米,故採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),從而在更遠距離內通信。通常情況下,藍牙技術會用於繼電器與藍牙相容型音訊源之間的通信鏈路。

 

新近的助聽裝置使用RF技術,使資料傳輸範圍達9米,省去了繼電器。

 

 

ON Ezairo® 7110框圖

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如我們所視,助聽器設計人員尋求在不斷變化發展且技術持續進步的市場應用有效的硬體平臺時,有許多需要關注的領域。隨著新的趨勢出現,以及始終存在潛在的不確定性氣氛,設計靈活性至關重要——因此,晶片供應商必須提供適合的產品。為了回應此趨勢,ON 已經開發出Ezairo 7100。這是高集成度的系統級晶片(SoC)方案,包含4核24位開放可程式設計DSP,使製造商有條件開發自己的獨特演算法。此器件的能耗低於0.7 mA,支援10.24 MHz時鐘度;而時鐘降頻(clock throttling)擴充了其運算能力。集成的無線控制器(相容於NFMI及RF技術)支援更高能效的資料傳輸。血糖機,血壓計,體溫計,健康器材,醫療儀器,低週波脈衝按摩器,醫學影像,遠端醫療監控,超音波