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关于数字助听器的市场分析及拆解

电子设计 2018-07-27 10:36 次阅读

​(文章来着电子发烧友:紫檀)
近年来,全球智能听力保护装置市场发展稳定,平均增长率为13.88 %。 2016年全球智能听力保护设备市场超过8.4亿美元,智能听力保护装置产量约为850万台,到2022年预计将达到20.5亿美元。

Source : The Market for Smart Wearable Technology - WiFore Consulting 2016年11月

根据MarketsandMarkets 统计,现今 60 亿美元的全球助听器产业预计将以6%的年增长率增长,这一趋势将持续到 2020 年。根据世界卫生组织(WHO)推算,全球有残疾性听力损失总计3.6亿人。65岁以上人群中,大约3人当中1人受到听力损失的影响。

一般认为,60岁及以上老年人口占人口总数达到10%,即意味着进入老龄化社会。我国从1999年进入人口老龄化社会到2017年,老年人口净增1.1亿,其中2017年新增老年人口首次超过1000万,预计到2050年前后,我国老年人口数将达到峰值4.87亿,占总人口的34.9%。

根据全国老龄工作委员会办公室公布的数据显示:

·         2012年,我国老年人口数量达到1.94亿,比上年增加891万,占总人口的14.3%。

·         2013年,我国60岁及以上老年人口已达2.02亿,占总人口的14.9%。

·         2014年,60岁以上老年人口达到2.1亿,占总人口的比例15.5%。

·         2015年,我国60岁以上老年人口达到2.22亿,占总人口的16.1%。

·         2016年,我国60周岁及以上人口2.3亿人,占总人口的16.7%;65周岁及以上人口1.5亿人,占总人口的10.8%。

·         2017年,中国老年人口(60岁以上)2.41亿人,已占全国总人口的17.3%,仅2017年,新增加的老年人口就超过一千万人。

·         预计到2020年,全国60岁以上老年人口将增加到2.55亿人左右,占总人口比重提升到17.8%左右;高龄老年人将增加到2900万人左右,独居和空巢老年人将增加到1.18亿人左右,老年抚养比将提高到28%左右;

据世卫组织估计,到2016年,65岁以上老年人当中将有三分之二患有听力障碍,60岁及以上老年人听力受损的患病率范围从12.8% 到34.7%。听觉衰退是老年人最为直观的功能性退化,老年人由于这样的生理症状会转变成心理症状,从而陷入沉默,远离社会,甚至造成忧郁、痴呆等病症。

根据国际确认的听损(药物性听损、老年性听损、先天性听损、突发性听损、噪音性听损、疾病致听损)发病率,全球约有2.78亿人患有中度以上的听力损失,其中因聋致残者接近1亿。据统计,全国患有不同程度听力障碍的人群数量2.19亿人,占到总人口的15.84%。其中有7000万人的听力障碍是致残级,这就意味着每20个中国人里就有1个听力堪忧的人。我国是世界上耳聋人数最多的国家之一,目前中国助听器佩戴率仅为5%,而美国为24.6%。我国助听器产业的发展提供巨大的消费市场。预计到2020年我国助听器产业市场规模将达到50亿元。

 

虽然国内市场前景火爆,但市场却常年被外国品牌占据,国产助听器品牌市场占有率很低。目前单只助听器的价格从几千到几万不等,国外进口品牌占据约90%的市场份额,以丹麦瑞声达、瑞士锋利、德国西门子、丹麦奥迪康、丹麦唯听、美国斯达克为代表。国产助听器(品牌:厦门欧仕达、厦门新声、杭州惠耳、杭州爱可声)不到10%的市场份额。

助听器就是合理放大声音的装置,分为模拟助听器和数字助听器。助听器的工作原理是:声波由麦克风接收,并转换成一个模拟电子讯号。透过模拟-数字转换器(ADC)拾取这个模拟讯号,并把它转换成一个数字讯号;接着再用DSP算法进行处理和调节。然后该数字讯号被重新转换为模拟形式,传递到接收器,并转换成由助听器用户听到的声波。

数字助听器基本上是一台微型电脑,采用数字电子技术对声音进行处理,它可以处理声音使之尽可能的逼真,可以通过数字技术对声音信号进行分段处理,多通道宽动态压缩(压缩阈值可从30dB起)、自动降噪、动态声反馈抑制、快慢时程探测器、输出自动增益控制和软削峰、方向性麦克风、麦克风性能自动匹配、多存储器、宽范围高低频滤波器、低电压、存储器转换提示音、多通道编程,最大限度地满足使用者不同的听力需求。它的最大特点是信噪比高,声音更清晰,更利于提高辨别力。

典型助听器的组成器件

助听器主要是由三大部分组成,主芯片、授话器和麦克风,助听器的主要零部件是由跨国集团所控制,如:助听器中使用的芯片来自三大厂商——高通、恩智浦半导体 NXP(已被高通收购)、安森美半导体(ON Semiconductor)。随着技术的发展,助听器进入数字时代,而DSP芯片的应用,使得助听器的功能发生革命性的进步。

国产和进口助听器在技术上的区别表现在助听器芯片内对语音信号处理的算法,以及模具和配件的质量。所有品牌助听器产品部件基本通用,如麦克、喇叭,集成块等来自相同的供应商。核心技术上唯一的差别是对于麦克风收集进来的声音信号在芯片里面的处理方法(即算法),数字助听器DSP芯片中的算法,很大程度上决定了产品性能,每一个品牌都有自己的解决方案。基于 DSP 的助听器可扩展软件控制的功能,以包括频率成形、反馈消减、噪声降低、双耳处理、耳壳与耳道过滤、混响消除以及提供从数字电话、电视或其它音频设备的直接数字输入。由于数字助听器采用了DSP,从而提高了处理能力和可编程性,允许定制助听器以适用于特定的听力损伤和环境,从而取代了简单的声音放大和不  可调节的频率补偿,以获得更复杂的处理策略来提高提供给受损耳朵的声音质量。

基于 DSP 的助听器框图

安森美半导体(ON Semiconductor)的Ezairo 7100是精巧且极其精密的系统单芯片(SoC)解决方案,针对下一代助听器而设计。它结合了模拟前端、Arm Cortex-M3处理器以及24位四核心DSP(基于特定应用、开放式可编程架构)于一个半导体芯片中。封闭式和开放式可编程混合架构的实施,意味着IC在10.24MHz的最大频率速度作业时的功耗小于0.7mA。这能够降低系统功耗,同时保留必要的设计灵活性(算法可调整)。

助听器的高性能、低能耗ASIC IP阵容

 

Ezairo® 7100 系统框图

助听器各厂商使用的算法均不同,体现了各家独立的专业特色。而助听器的性能优略取决于使用芯片的不同计算方法和运算速度,在此仅对DSP做简单描述。

DSP(数字信号处理)芯片,指能够实现数字信号处理技术的芯片,DSP可以快速的实现对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理,以得到符合人们需要的信号形式。DSP处理器的应用领域很广,自从上世纪80年代诞生第一代DSP芯片TMS32010以来,已经有六代DSP芯片问世,并广泛应用于通信(56.1%)、计算机(21.16%)、消费电子和自动控制(10.69%)、军事/航空(4.59%)、仪器仪表(3.5%)、工业控制(3.31%)、办公自动化(0.65%)领域。未来集成化和可编程是DSP发展的两大趋势。

高端DSP市场长期被国外公司垄断,未来集成化和可编程为两大趋势。世界上DSP芯片制造商主要有3家:德州仪器(TI)、模拟器件公司(ADI)和摩托罗拉(Motorola)公司,其中TI公司占据绝大部分的国际市场份额。

全球4大DSP IP提供商

国内对DSP方面的研究起步较晚,华睿(中电科14所)、魂芯(中国电子集团第38所)等自主研发的DSP芯片逐步打破的国外垄断,但目前多用在非民用领域。

2015年中国科学院微电子研究所智能感知中心研发出国内首款智能数字助听器SoC,包含自适应预放大电路PGA和低噪声16-bit ADC,低功耗DSP包括专用指令集处理器ASIP和若干协处理器。由于种种原因,未被大规模采用。

低功耗助听器SoC及系统框图

随着科技疾速发展,人工智能为将来展开一个新的开展方向。在助听器上采用机器学习改善现有相关技术,已成为行业兴起的趋势,像是基于深度学习的多模态语音增强、以深度神经网络分类分离语音和噪声、以深度学习优化降噪等,智能体验终将无所不在,未来智能助听器会实现以下技术:

听力认知技术:即想听哪里,就听哪里。通过研究神经反应,从而解码出弱听人士在多人言语环境下想要聆听的目标说话者。这项工作结合了两项先进技术——语音处理技术和听觉注意力解码技术。

双耳波束成形技术:即超级定向麦克风技术。目标是通过让助听器变得更智能的方式,更好地改善弱听人士佩戴者在背景噪声环境下选择性聆听的能力。

视觉引导技术:将波束成形麦克风组与眼球追踪器相结合,眼球追踪器能感知眼睛的注视,并据此引导麦克风的方向。通过视觉引导定向系统能否帮助弱听人士在多噪音源环境下选择性聆听。

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发表于 06-17 05:00 69次 阅读
关于以太网控制器CS8900A的简单介绍

一种基于DSP的USB接口设计方案介绍

  本文介绍了一种基于DSP的USB 接口设计方案,分别从接口的硬件设计、接口操作原理、软件设计流程以及中断服务程序设计要...
发表于 06-12 05:00 86次 阅读
一种基于DSP的USB接口设计方案介绍

基于FPGA的电台接口转换模块设计流程浅析

一般来说,无线电台通信采用半双工通信方式,一方在发送话音信号的同时,不能接收另一方的话音信号。因此电台的通信接口分为两部...
发表于 06-06 05:00 163次 阅读
基于FPGA的电台接口转换模块设计流程浅析

基于DSP平台的USB接口硬件方案设计

引言 USB接口(Universal Serial Bus)是一种通用的高速串行接口。它最主要的特点是它的高速传输特性。USB1.1理论速度...
发表于 05-21 05:00 89次 阅读
基于DSP平台的USB接口硬件方案设计

数字信号处理技术在仪器仪表的应用

  1.1硬件功能软件化   随着微电子技术的发展,微处理器的速度越来越快,价格越来越低,已被广泛应用于仪器仪表中,使得...
发表于 05-17 09:40 138次 阅读
数字信号处理技术在仪器仪表的应用