РАЗРАБОТКА КАРМАННОГО ЦИФРОВОГО СЛУХОВОГО АППАРАТА НА ADSP-2183

4.1 Проблемы аппаратной реализации цифровых слуховых аппаратов

Основной проблемой цифровой реализации СА, мешающей их внедрению на рынок СА, основную долю которого занимают заушные и внутриушные аппараты, являются габариты и потребляемая мощность питания цифровых процессоров, с производительностью достаточной для реализации сложных алгоритмов обработки сигналов в реальном времени. В настоящее время наметилось две тенденции. Наряду с созданием спецпроцессоров для СА появляются DSP общего назначения с малым энергопотреблением порядка 100 мВт, и габаритами порядка 1 см². Например, 16-разрядные DSP фирмы Analog Devices ADSP-2183/2189 (производительность 52/75 MIPS, напряжение питания 3,3/(2,5 — ядро, 3,3 — периферия) В, 32/80 Кслов оперативной памяти (ОЗУ) на кристалле) и фирмы Texas Instruments TMS320c549/5410 (100 MIPS, ядро 2,5 В, 32/64 Кслов ОЗУ на кристалле) [2].

При батарейном питании возникает несколько проблем. Во-первых, ресурса батарей должно хватать минимум на день непрерывной работы СА. Во-вторых, цифровые схемы чувствительны к изменению напряжения питания по мере разряда батарей. В-третьих, напряжение батарей отличается от напряжения заменяющих их аккумуляторов. Для решения перечисленных проблем используются преобразователи напряжения DC-DC MAX866, которые обеспечивают питающее напряжение 3,3 В от двух пальчиковых элементов типа 316 (АА) или аналогичных аккумуляторов во всем диапазоне разряда от 3,2 до 2,0 В. При использовании аккумуляторов ёмкостью 1100 мАч общая продолжительность работы аппарата достигает 10 часов. Общий потребляемый ток зависит от программной загрузки DSP и для программы 3-полосной компрессии составляет около 60 мА.

Другой острой проблемой портативной реализации является динамический диапазон (SNR) аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП-ЦАП). Необходимо обеспечить низкий уровень собственных шумов во всём диапазоне входных звуковых сигналов. Поэтому желательно, чтобы АЦП имел динамический диапазон порядка 80 дБ. Это требует порядка 14 эффективных разрядов АЦП, при этом вес младшего разряда при напряжении питания 3,3 В составляет 200 мкВ. Сигма-дельта звуковые кодеки, имеющие такой SNR (например, AD1849), питаются от 5 В и потребляют значительную мощность. Альтернативным решением может быть использование кодека с меньшим SNR и входного микрофонного усилителя с программируемым коэффициентом усиления. В качестве преобразователя в данном СА используется речевой сигма-дельта кодек AD73311. Он имеет SNR для АЦП порядка 55 дБ, для ЦАП порядка 60 дБ, встроенные фильтры, программируемую частоту дискретизации до 64 кГц, питание 3,3 В (60 мВт) и программируемое входное усиление (PGA) в диапазоне 0…+38 дБ [2].

Особое внимание должно быть уделено развязке цифровых и аналоговых цепей. Микрофонный вход работает с сигналами с амплитудой начиная от 5 мкв, поэтому аналоговые цепи должны быть тщательно проработаны, экранированы и развязаны по питанию. В данном СА эта проблема решается использованием отдельных преобразователей MAX866 для питания цифровых и аналоговых цепей, причем для снижения наводок цифровая часть AD73311 питается так же от источника аналогового напряжения. В микрофонном усилителе используется малошумящий операционный усилитель SSM 2135.

4.2 Структурная схема прототипа цифрового слухового аппарата

Блок-схема прототипа цифрового СА представлена на рисунке 9. СА имеет выносной микрофон и телефон с ушным вкладышем. На рисунках 10 и 11 приведены экспериментальные характеристики разработанного прототипа цифрового СА. Представлены АЧХ максимального акустического усиления сквозного линейного канала и уровня звукового давления насыщения.

Помимо ADSP-2183 СА содержит дополнительный микропроцессор PIC16C84, выполняющий роль супервизора включения питания и начальной загрузки DSP.

Рабочие программы хранятся в постоянной EEPROM памяти с последовательным интерфейсом. Используются микросхемы фирмы Atmel 24C64 и 24C256 емкостью 64 и 256 килобит.

Для загрузки и отладки рабочих программ DSP, а также для прошивания программ в EEPROM в СА реализована связь с персональным компьютером (ПК) через последовательный порт RS-232. В этих режимах работы интерфейс с ПК со стороны DSP поддерживается с помощью программы монитора, которая обеспечивает загрузку рабочих программ и доступ к внутренней памяти DSP из ПК.

СА должен обеспечивать максимальное выходное звуковое давление до 130 дБ, поэтому для увеличения выходной мощности телефонного усилителя его выходной каскад собран по мостовой схеме на МС34119.

4.3 Реализованные алгоритмы обработки сигналов

На вышеописанной цифровой платформе реализованы следующие экспериментальные алгоритмы обработки сигналов:

Формирование произвольно заданной АЧХ СА, согласованной с индивидуальной аудиограммой пациента. Используются фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ) и длиной до 512 коэффициентов при частоте дискретизации от 8 до 16 кГц.

Многополосная компрессия сигнала. Входной сигнал с помощью линейки КИХ-фильтров с линейной фазой разделяется на частотные полосы, в каждой из которых реализуется амплитудная компрессия сигнала с индивидуальным заданием параметров — времени атаки и восстановления, коэффициента компрессии, максимального усиления и выходного уровня приведения сигнала, что позволяет для каждого пациента наилучшим образом отобразить широкий динамический диапазон входных сигналов в пониженный динамический диапазон остаточного слуха и избежать как дискомфортных перегрузок, так и роста раздражающего шума в паузах речи. Выбор числа и границ частотных полос в общем случае определяется индивидуальными характеристиками, при этом необходимо учитывать общую тенденцию разделения мощных НЧ и слабых ВЧ компонент речи в различные полосы. Во-первых, восприятие ВЧ компонент речи страдает, в первую очередь, у большинства пациентов, поэтому для них необходимы другие параметры компрессии. Во-вторых, такое разделение позволит снизить эффект маскировки слабых компонент сильными, который у пациентов с нейросенсорной тугоухостью увеличивается. В-третьих, правильный выбор границ позволяет разделить смежные формантные пики большинства гласных звуков в смежные полосы, что позволяет подчеркнуть более слабые второй и третий формантные пики (порядка 10–15 дБ от уровня первой форманты).

Алгоритм повышения словесной разборчивости пациентов с нейросенсорной тугоухостью в присутствии мешающих шумов за счёт адаптивной фильтрации на основе анализа признаков речевых сигналов. Одной из характеристик нейросенсорной тугоухости является понижение помехоустойчивости восприятия речи из-за усиления эффекта маскировки одних звуков другими, по сравнению с нормальным слухом, вследствие расширения критических полос слуха (понижения частотной селективности). Поэтому понижение входного отношения сигнал/шум, измеренного в широкой полосе, для речи до 0 дБ приводит к резкому падению словесной разборчивости по сравнению с нормальным слухом. Любая речь на расстоянии начинает восприниматься невнятно. Задачей алгоритма является повышение отношения сигнал/шум (в широкой полосе) для речи, предъявляемой пациенту, по отношению к таковому на входе аппарата за счёт фильтров с динамически изменяющимися характеристиками (Патент RU-2047946).

Алгоритм спектрального переноса значимых областей, который является способом хоть как-то улучшить восприятие речи пациентами, которые практически ничего не слышат выше 1 кГц. При этом они не воспринимают формантную структуру гласных звуков, а также фрикативные согласные, типа “ж-ш”, “ц-ч-с”. Подобный перенос при соответствующей тренировке способен облегчить чтение по губам [2].

5. РАСЧЕТ СХЕМЫ СЛУХОВОГО АППАРАТА

5.1 Технические характеристики карманного прототипа слухового аппарата

При проектировании карманного прототипа слухового аппарата я использовала 16-разрядный DSP фирмы Analog Devices ADSP-2183, представляющий собой однокристальный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов. Ток потребления такого процессора составляет примерно 44 мА, а напряжение питания равно 3,3 В.

В качестве преобразователя в данном СА использовала речевой сигма-дельта кодек AD73311 с током потребления 10 мА и напряжением питания 3,3 В.

В микрофонном усилителе присутствует малошумящий операционный усилитель SSM 2135, ток потребления которого составляет 6 мА.

СА должен обеспечивать максимальное выходное звуковое давление до 130 дБ, поэтому для увеличения выходной мощности телефонного усилителя его выходной каскад собран по мостовой схеме на МС34119. МС34119-это маломощный звуковой усилитель, применяемый в телефонах. Основными преимуществами такого усилителя являются: широкий рабочий диапазон подаваемого напряжения (от 2,0 В до 16 В), общий ток потребления равный 2,7 мА.

MAX866 - преобразователи DC-DC с питанием от одного элемента до уровня 3.3/5В или с регулируемым выходным напряжением.Отличительные особенности: входное напряжение от 0.8 В до 6.0 В, потребляемый ток покоя (VOUT = 3.3 В) 100 мкА, потребляемый ток в режиме Shutdown 1 мкА, частота преобразования до 250 кГц.

5.2 Расчет параметров микрофонного усилителя SSM2135

SSM2135-это малошумящий операционный усилитель. Для его расчета нам понадобятся следующие его характеристики:

U_см=2мВ;

∆i_вх=50 нА

Выберем микрофон типа МД-62. Микрофон имеет параметры: номинальное сопротивление нагрузки равно 1000 Ом, чувствительность равна 88 дБ, U_вх=5 мкВ.

Определим напряжение на нагрузке:

88дБ=80дБ+8дБ=6,31*10^-8;

Мощность в нагрузке:

Р= 1мВт/6,3*10^-8=0,159*10^-8 мВт

U=√(10³*Р*R_н)=√(10³*0,159*10^-8*1000)=0,3 мВ (1)

Определим коэффициент усиления микрофонного усилителя. Напряжение на входе усилителя SSM2135: U_вх=2 В.

К=U_вх/U_вх1=2/0,3*10^-3=6000 (2)

В данном усилителе применяется усилитель типа SSM2135. Сопротивление R1 определяется из условия согласования микрофона (номинальное сопротивление нагрузки)

R1=R2=1000 Ом

Тогда по формулам находим R3 и R4:

R3=R1²/(R1+R2); (3)

R4=(R1*R2)/(R1+R2) (4)

Подставив значения R1 и R2 в формулы (3) и (4), получим значения R3=400 Ом и R4=500 Ом.

5.3 Погрешности дифференциального усилителя

Наличие напряжения смещения усилителя приводит к появлению аддитивной погрешности, значение которой определяется по следующей формуле:

γ_с=U_см/U_д (5)

где U_д-дифференциальный входной сигнал, U_д=U2-U1=0.000027-0.000023=0.000004

Следовательно, γ_с=0,000002 В/0,000004 В=0,5

То же касается и аддитивной составляющей погрешности, обусловленной входными токами усилителя:

γ_вх=(∆i_вх*R1)/U_д (6)

γ_вх=(0,000000005*1000)/0,000004=1,25

Неточность сопротивлений резисторов, входящих в схему дифференциального усилителя вызывает как мультипликативные, так и аддитивные погрешности. Поэтому используем формулу для вычисления U _вых:

U_вых=U_д*(R2*R4+(R2*R3+R1*R4)/2)/R1*(R3+R4)+

+U_сф*(R1*R4-R2*R3)/(R1*(R3+R4)) (7)

где U_сф=(U1*U2)/2=(0.000027+0.000023)/2=0.000025

Подставив значения, получим U _вых=2,5 В.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На современном рынке представлен широкий спектр слуховых аппаратов, предназначенных для компенсации потерь слуха различной степени тяжести. В основном это аналоговые аппараты, выполненные в виде карманных, заушных, внутриушных и внутриканальных вариантов.

Разработанный в процессе выполнения курсового проекта карманный прототип цифрового СА предназначен, в основном, для разработки и демонстрации в реальном масштабе времени алгоритмов цифровой обработки речевых сигналов, пригодных для пациентов с поражениями слуха различной степени тяжести, и позволяет отработать эти алгоритмы на реальных пациентах в различной акустической обстановке. Прототип построен на базе цифрового сигнального процессора (DSP) общего применения ADSP-2183 и речевого кодека AD73311 фирмы Analog Devices.

В настоящее время достигнутый уровень технологии производства DSP процессоров общего применения позволяет создавать на их основе цифровые слуховые аппараты карманного типа.

Сочетание низкой стоимости таких процессоров с широкими возможностями применения сложных адаптивных алгоритмов преобразования сигналов позволяет использовать такие СА для помощи пациентам с тяжелыми нарушениями слуховой функции.