Signalprozessoren

Eine effektive Hardware-Plattform für Hörgeräte

06.08.14 | Autor / Redakteur: Christophe Waelchli * / Hendrik Härter

Moderne Hörgeräte: Mit digitalen Signalprozessoren steht Entwicklern eine flexible und frei-programmierbare Plattform zur Verfügung.
Moderne Hörgeräte: Mit digitalen Signalprozessoren steht Entwicklern eine flexible und frei-programmierbare Plattform zur Verfügung. (Bild: Alexander Raths - Fotolia.com)

Worauf müssen Hersteller digitaler Signalprozessoren achten, wenn diese für moderne Hörgeräte eingesetzt werden sollen? Denn für den Entwickler ist eine flexible Plattform entscheidend.

Wie überall im Umfeld der tragbaren Consumerelektronik unterliegen auch Hörgeräte dem Druck, leistungsfähiger zu sein, neue Funktionen zu bieten und die Batterielebensdauer zu verlängern – und das alles bei einem gleichbleibenden kompakten Formfaktor. Dieser ständige Interessenkonflikt macht die Entwicklung von Hörgeräten so komplex und anspruchsvoll. Der folgende Beitrag beschreibt die wichtigsten Fragen, die Hersteller digitaler Signalprozessoren (DSPs) für Hörgeräte beachten müssen, um den hohen Erwartungen der Endkunden gerecht zu werden.

Ergänzendes zum Thema
 
Flexible Plattform für den Entwickler

Die Digital-IC-Technik in Hörgeräten ermöglicht die Verstärkung und Anpassung von Lauten. ICs können auch andere Funktionen bereitstellen, wie drahtlose Kommunikation oder das Management wiederaufladbarer Batterien bei anspruchsvolleren Modellen. Einfache Systeme benötigen meist nur einen einzigen DSP und Speicher; andere wiederum erfordern sechs oder sieben ICs inklusive Funk-Controller, Analog-Frontend oder Leistungsregler und diskrete Bauteile, wie Kondensatoren oder Schaltkreis-Schutzvorrichtungen, um mehr Funktionen zu unterstützten.

Der Schaltkreis muss eine hohe Leistungsfähigkeit in Bezug auf die abgegebene Klangqualität und die Rechenleistung haben. Mit der kleinen Batterie und der geforderten langen Batterielebensdauer muss das Design einen minimalen Stromverbrauch aufweisen. Auch die physikalische Größe muss berücksichtigt werden. Meist müssen Abwägungen zwischen der Funktionalität der Hardware-Plattform und deren Platzbedarf getroffen werden.

DSP-Architekturen für große Designfreiheiten

Entwickler von Hörgeräten können aus unterschiedlichen DSP-Architekturen für ihre Hardware-Plattform wählen. An dem einen Ende des Spektrums gibt es die universelle, frei programmierbare Option. Mit dieser Architektur ist es möglich, die Signalverarbeitungs-Algorithmen anzupassen und zu aktualisieren. DIe DSP-Architektur bietet verschiedene Signalverarbeitungsmöglichkeiten, um für den Entwickler die größtmögliche Designflexibilität zu garantieren. Diese Flexibilität hat jedoch ihren Preis: ein größerer Chip und ein höherer Stromverbrauch. Durch die Anforderungen geringer Stromverbrauch und kleine Baugröße ist ein universeller, frei programmierbarer DSP also weniger geeignet.

Auf der anderen Seite des Spektrums befindet sich die geschlossene Plattform-Architektur (meist als Festfunktion implementiert), in der die Signalverarbeitung fest verdrahtet im Chip vorliegt. Diese Option erfüllt sowohl das Kostenbudget als auch die Anforderungen an die Platinengröße, bietet aber ausreichend Flexibilität. Einige Parameter lassen sich zwar einstellen, die grundlegende Funktion des ICs lässt sich aber nicht ändern, ohne ein kosten- und zeitspieliges Redesign in Kauf zu nehmen.

System-on-Chip-Lösung: Im Blockdiagramm des Ezairo 7100 ist der frei-programmierbare Quad-Core-DSP mit 24 Bit enthalten.
System-on-Chip-Lösung: Im Blockdiagramm des Ezairo 7100 ist der frei-programmierbare Quad-Core-DSP mit 24 Bit enthalten. (ON Semi)

Zwischen diesen beiden Extremen gibt es halbprogrammierbare Architekturen, die die Nachteile geschlossener Plattformen umgehen, indem sie ein gewisses Maß an Programmierbarkeit bieten. In dieser Architektur sind die wesentlichen Signalverarbeitungsfunktionen fest verdrahtet in Logikblöcken, aber ein programmierbares DSP-Element ermöglicht die Umsetzung zusätzlicher Funktionen in Software, ohne das Chip-Design verändern zu müssen.

Sind jedoch wesentliche Änderungen an den festverdrahteten Blöcken erforderlich, oder der programmierbare Prozessor kann die gewöhnlichen Algorithmen nicht verarbeiten, dann ist ein neuer Chip gefordert. Mit der gewonnen Flexibilität bei halbprogrammierbaren DSPs steigt aber auch das Risiko, die Energieeffizienz zu gefährden.

Ein weiterer Ansatz ist die Implementierung einer anwendungsspezifischen, frei programmierbaren Plattform. Diese wird für die Signalverarbeitungsanforderungen einer sehr speziellen Anwendung entwickelt und optimiert, um beispielsweise die digitale Audioverarbeitung für Hörgeräte abzusichern. Zudem bietet das System genügend Flexibilität von Softwareseite dank einer universellen Architektur. Obwohl diese Architekturen nicht so energieeffizient sind wie geschlossene, lässt sich der Stromverbrauch minimieren, indem ein durchdachtes Chipdesign erfolgt und eine geeignete Prozessgeometrie verwendet wird.

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