Digitale Signalprozessoren Moderne DSPs treiben die Entwicklung digitaler Hörgeräte voran

Ein Gastbeitrag von Christophe Waelchli*

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Dank bei den Fortschritten digitaler Signalverarbeitung wird aus dem klassischen Hörgerät ein modernes Wearable. Ergänzt wird es durch drahtlose Schnittstellen und unterstützt von KI-Funktionen.

Moderne DSP-Technik: Aus einem einfachen Hörgerät wird dank digitaler Schaltungen sowie drahtloser Funktechnik ein smartes Wearable.
Moderne DSP-Technik: Aus einem einfachen Hörgerät wird dank digitaler Schaltungen sowie drahtloser Funktechnik ein smartes Wearable.
(Bild: On Semi)

Das Beispiel der digitalen Hörgeräte zeigt, wie sich Elektronik auf dem Markt der Endanwender in den letzten Jahren entwickelt hat. Ein digitales Hörgerät ist in vielerlei Hinsicht eine perfekte Embedded-Einheit. Es unterliegt den übergeordneten Anforderungen des Marktes: geringe Größen, sehr niedriger Energieverbrauch, hohe Leistungsfähigkeit und ständig neue Funktionen bei guter Audioqualität.

Dabei unterstützt die Halbleitertechnik alle Endmärkte, indem die Integration in einem vorhersehbaren Zyklus erhöht wird. Ganz wie es im Mooreschen Gesetz beschrieben wird. Ein höherer Integrationsgrad führt zu mehr Funktionen, was wiederum kleinere Endprodukte ermöglicht. Dafür gibt es kein besseres Beispiel als ein Gerät, das ins Ohr passt oder unauffällig dahinter sitzt.

Bluetooth Low Energy und KI im Hörgerät

Verbessert haben sich die Hörgeräte mit der nicht-linearen Verstärkung. Dank ihr lassen sich verschiedene Geräusche basierend auf dem empfangenen Signal objektiv verstärken. Mit den digitalen Signalprozessoren (DSP) verbesserte sich auch die Qualität der Hörgeräte. Sie wurden präziser und verschiedene Frequenzen ließen sich selektiv verstärken. Die Hörgeräte entwickelten sich stetig weiter: Die Einführung von funkbasiertem Personal Area Networking, insbesondere durch Bluetooth-Low-Energy (BLE) war die dritte Generation von Hörgeräten geboren.

Vernetzte Hörgeräte können über Smartphone-Apps gesteuert werden, wobei einige die Möglichkeit bieten, Anrufe entgegenzunehmen und Musik wiederzugeben. Darüber hinaus setzt die Branche auf künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen. Damit sollen sich mehr Funktion integrieren lassen. Das führt zur vierten Generation von Hörgeräten, die vielleicht die größten Auswirkungen verglichen zu allen vorherigen Modellen haben wird.

Das menschliche Ohr ist eine besonders gute Stelle, um unterschiedliche Arten von Sensoren zu platzieren. Aktuelle Hörgeräte enthalten Sensoren, die für medizinische Zwecke nützlich sind. Möglich ist beispielsweise, die Herzfrequenz und den Blutsauerstoff zu überwachen, den Anteil von Glukose im Blut zu messen oder sogar einen Sturz zu erkennen. Solche Sensoren sind auch für Endanwender interessant, um Schritte zu zählen oder die Herzfrequenz zu überwachen.

Smartphone und Bluetooth ans Hörgerät anbinden

Bild 1: Dank der Bluetooth-Funktechnk verbindet sich das Hörgerät mit einem Smartphone.
Bild 1: Dank der Bluetooth-Funktechnk verbindet sich das Hörgerät mit einem Smartphone.
(Bild: On Semi)

Während die nicht-lineare Verstärkung und DSPs einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und die Benutzung von Hörgeräten hatten, ist die Funkanbindung noch viel mächtiger. Mit einer drahtlosen Anbindung zu einem beliebigen Gerät steigen die Möglichkeiten des Hörgeräts und es wird Teil einer IoT-Anwendung.

Damit ist es nicht länger eine isolierte Anwendung, sondern vernetzt und Teil eines Ökosystems. Bei Hörgeräten ermöglicht es eine Bluetooth-Funkanbindung, sich mit einem Smartphone zu koppeln und mit dem Gerät zu kommunizieren. Obwohl es wie eine einfache Erweiterung erscheinen mag, so ist es tatsächlich ein großer Schritt nach vorne.

Vor der Funkanbindung von Hörgeräten musste der Träger hinter das Ohr greifen, um die winzigen Tasten am Gerät bedienen. Das war vor allem für ältere Menschen als die traditionellen Träger von Hörgeräten nicht immer einfach, da sie in der Regel über eingeschränkte Fingerfertigkeit verfügen. Die Funkanbindung ermöglicht es den Anwendern, die Einstellungen des Hörgeräts zu kontrollieren und zu ändern. Sie bietet jedoch mehr als nur eine neue Möglichkeit, die Lautstärke zu erhöhen oder zu verringern.

Sobald das Hörgerät mit einer Smartphone-App verbunden ist, wird es zu einem äußerst vielseitigen Peripheriegerät. Es stellt eine sehr enge Verbindung zum Nutzer her. Hörgeräte sind mit zwei wesentlichen Funktionen ausgestattet: einem oder mehreren Mikrofonen und einem Lautsprecher.

Durch die zusätzliche Bluetooth-Anbindung können sie gleichzeitig mit dem Nutzer und dem Internet kommunizieren. Damit haben die Träger direkten Zugriff auf alles, was das Internet zu bieten hat. Edge-KI-Algorithmen erkennen Wörter wie „OK Google“ oder „Alexa“ und erweitern damit die Funktionen eines Hörgerätes ähnlich wie bei den Smart Speaker.

KI und maschinelles Lernen erleichtern Bedienung

Neben Edge-KI haben Komfort-Algorithmen einen erheblichen Einfluss auf ein verbessertes Hörerlebnis. Beispiele sind die Umgebungsklassifizierung. Damit können sich Hörgeräte an die vorherrschenden Umgebungsbedingungen anpassen oder Rauschen wird unterdrückt sowie Hintergrundgeräusche werden mit den Algorithmen herausgefiltert. Einmal mit einer App verbunden, können die Funktionen auch vom Nutzer eingestellt oder geändert werden. Dazu ist ein direktes Eingreifen notwendig.

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Mit künstlicher Intelligenz und den Methoden des maschinellen Lernens sind solche Benutzereingriffe unnötig und Hörgeräte sind in der Lage, sich automatisch an die Bedingungen oder persönlichen Vorlieben des Nutzers anzupassen. Durch verstärktes Lernen sollte sich die Leistungsfähigkeit im Laufe der Zeit verbessern. Da die Daten über eine Smartphone-App sicher mit anderen Nutzern geteilt werden können, profitieren alle Nutzer von den Verbesserungen, die das System durch KI erfährt.

Das Hörgerät entwickelt sich um smarten Wearable

Wandern all die genannten Funktionen in das Hörgerät, verbessert sich die Leistungsfähigkeit und das Benutzererlebnis von Hörgeräten erheblich. Sie sind zwar in erster Linie für Menschen mit Hörverlust oder anderen Hörbehinderungen gedacht, spiegeln aber einen allgemeinen Trend der tragbaren (Wearable) Technologie wider. Es gibt bereits Beispiele am Markt, die fortschrittliche Funktionen wie Sturzerkennung und Überwachung der Körpertemperatur integrieren. Es ist davon auszugehen, dass sich solche Entwicklungen in naher Zukunft verstärkt durchsetzen werden.

Das wird sich auf zusätzliche Funktionen ausweiten, die zum großen Teil durch die begleitende Smartphone-App und das Internet möglich werden. Sprachübersetzung und Transkription in Echtzeit sind beispielsweise zwei Funktionen, die bereits von mindestens einem Hörgerätehersteller angeboten werden. Auch andere praktische Funktionen wie die Unterdrückung von Hintergrundgeräuschen werden immer beliebter. Da sich dieser Trend fortsetzt, wird es wahrscheinlich zu einer gewissen Konvergenz zwischen Hörgeräten und Kopfhörern kommen, die üblicherweise zum Musikhören und Telefonieren verwendet werden.

Einige Hörgerätehersteller integrieren bereits nahtlose Schnittstellen zu sprachgesteuerten digitalen Assistenten. Der Trend könnte unerwartete Vorteile mit sich bringen: Der Komfort, der sich aus dem Tragen eines Hörgeräts ergibt, könnte mehr Menschen dazu ermutigen, sich mit Hörgeräten zu befassen.

Digitale Signalverarbeitung verbessert Hörgeräte

Bild 2: Blockdiagramm des Audioprozessors Ezairo 8300 für Hörgeräte und Hearables.
Bild 2: Blockdiagramm des Audioprozessors Ezairo 8300 für Hörgeräte und Hearables.
(Bild: On Semi)

Die aufgezeigte Entwicklung wird in erster Linie durch Fortschritte in der digitalen Signalverarbeitung möglich. DSP-Architekturen bieten eine höhere Verarbeitungsleistung mit weniger Taktzyklen zusammen mit einer hohen Audioqualität. Solche weiterentwickelten DSPs werden durch eine Halbleitertechnologie möglich, die eine Plattform für kleine und höher integrierte Anwendungen bietet. Damit wird die Funktionsdichte erreicht, um den nächsten Entwicklungsschritt bei Hörgeräten einzuleiten.

Ein Beispiel ist der Baustein der Ezairo-Reihe DSP-basierter Audioprozessoren von ON Semi. Der Ezairo 8300 ist auf Hörgeräte und Hearables ausgerichtet und verfügt über sechs Prozessor-Cores, die jeweils für die Leistungsfähigkeit in diesem Anwendungsbereich optimiert sind. Dazu gehören drei DSP-Cores, ein Mikrocontroller und zwei Hardwarebeschleuniger, von denen einer ein neuronaler Netzwerkbeschleuniger ist, der darauf ausgelegt ist, KI-Funktionen und maschinelles Lernen energieeffizient und ohne zusätzliche Prozessor-Intervention auszuführen. Bild 2 beschreibt den Aufbau des Ezairo 8300 mit flexiblen Eingangs- und Ausgangsstufen sowie eine Reihe integrierter Peripherie und Schnittstellen.

Mit dem Ezairo 8300 lassen sich neuartige Produkte entwickeln, einschließlich funkbasierter Hörgeräte. Sie werden entweder ärztlich verschrieben oder sind rezeptfrei erhältlich. Die im DSP integrierten A/D- und D/A-Wandler ermöglicht es dem Chip, HiFi-Audio zu verarbeiten. Das ermöglicht eine neue Generation von Hearables und Wearables mit zusätzlichem Komfort und Consumer-Funktionen. Der Mittelweg umfasst hier die konventionellen Kopfhörer und Headsets.

Fazit: Fortschritte der digitalen Signalverarbeitung

Moderne Hearables und damit auch smarte Wearables werden erst durch Fortschritte in der digitalen Signalverarbeitung möglich. Ergänzt wird die Technik mit der Möglichkeit einer Funkanbindung und durch Integration von KI sowie den Methoden des maschinellen Lernens. Benutzerfreundlichkeit und eine lange Batterielebensdauer sind die Hauptgründe für den Erfolg der Technik. Der Baustein Ezairo 8300 eignet sich, neuartige Hörgeräte zu entwickeln. Er integriert unterschiedliche Funktionen bei niedrigem Energiebedarf und basiert auf moderner 22-nm-Prozesstechnologie.

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* Christophe Waelchli arbeitet bei ON Semiconductor als Produktmanager.

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