Justice as participation

O fluxo de sinais, ou a sequência de operações que serão realizadas, de um aparelho auditivo digital pode, no geral, ser dividido em três etapas principais:

1. Front end ou codec de entrada

É a etapa responsável pela aquisição do sinal analógico e a passagem deste para o mundo digital, preparando o dado para ser enviado à etapa 2. Na figura 11 é apresentado um codec de entrada. Nela há três meios principais de aquisição: microfones, para som ambiente, o telecoil, para telefones, e a Entrada Direta de Áudio (DAI), necessária para ligar o aparelho auditivo a um sistema FM. Os três podem estar presentes no mesmo aparelho e o meio ativo a cada momento depende do perfil de aplicação selecionado no aparelho. Por exemplo, se o

usuário for atender um telefone ele selecionará o perfil que ativa a entrada do telecoil. Os sinais recebidos pelos microfones passam por Amplificadores de Ganho Programável (PGA) para aumentar o nível dos sinais com baixa intensidade e assim melhorar sua conversão para digital. Um multiplexador é utilizado para selecionar quais sinais irão paras os conversores ADC de acordo com o perfil de aplicação selecionado. O número de conversores está relacionado ao número de canais de entrada, microfones, do aparelho auditivo. A saída do ADC é uma palavra (stream de bits) modulada em PCM (Pulse-code modulation).

Figura 11: Codec de Entrada

Configurações Sigma-Delta (ΣΔ) são frequentemente utilizadas para implementar ADC de baixo consumo para processamento de sinal de áudio (SCHREIER; TEMES, 2004). ADC‟s ΣΔ com arquitetura de sobreamostragem4

garantem alta resolução e são tolerantes as imperfeições da parte analógica do projeto do ADC (CUBAS; NAVARRO, 2012), sendo uma boa opção para estas aplicações. Um ADC ΣΔ com sobreamostragem é composto por uma parte analógica (modulador ΣΔ, com um integrador/amostrador, um quantizador e um conversor D/A) e uma parte digital (filtro decimador passa-baixa) que diminuirá a taxa de dados, muitas vezes retornando a taxa de Nyquist.

Uma importante consideração no projeto do conversor, impactando o projeto de um AAA, se refere à largura de banda do sinal considerado de interesse. Considere um modulador ΣΔ de segunda ordem com sobreamostragem igual a 128 vezes a frequência de Nyquist, para

4 _{Sobreamostragem é termo usado para dizer que o processo de amostragem ocorre com uma frequência} muito mais elevada que a frequência de Nyquist.

uma banda de interesse de 8,0 kHz. Seguindo o teorema de Nyquist, o modulador trabalharia com uma frequência de amostragem de 2,048 MHz (8,0*128*2), produzindo bits de informação nesta mesma taxa. Estes bits passam pelo estágio de decimação, composto por filtros decimadores digitais, para compor uma palavra a ser transmitida para unidade de processamento a uma taxa mínima de 16 kHz. Caso a banda de interesse fosse de 20,0 kHz, o modulador trabalharia com uma frequência de 5,120 MHz e a unidade de processamento receberia amostras a uma taxa mínima de 40 kHz, devendo executar todos os algoritmos de processamento nessa taxa.

Considerando o desenvolvimento de aparelhos auditivos de menor consumo e a maior simplicidade do hardware, faz-se a largura de banda do sinal de interesse captado restrito a 8,0 kHz, que atende aos sinais de fala e fonia (para comunicações telefônicas). A restrição de banda diminuirá assim a frequência de operação no ADC, principalmente nos filtros do seu decimador, e a taxa de transferência de dados para a etapa 2, a unidade de processamento digital.

No trabalho (Carvalho e Navarro, 2012) é analisado o projeto de um decimador em múltiplos estágios de baixo consumo, taxa de saída igual à taxa de Nyquist, para um modulador com fator de sobreamostragem igual a 128 e foi constatado que a decimação em múltiplos estágios tem o consumo menor comparado a decimação em um único estágio.

2. Unidade de Processamento Digital

É a etapa responsável por aplicar algoritmos para resolver ou minimizar o problema da deficiência auditiva do paciente, proporcionando maior conforto acústico. Todo o processamento pode ser realizado por apenas um DSP ou por um conjunto DSP- Coprocessadores. Na figura 12 é apresentado o fluxo nessa etapa.

Considerando o sinal captado por dois microfones omnidirecionais, a etapa 1 entrega duas palavras (pacote de bits) a uma taxa determinada pela taxa de conversão dos ADC‟s. Tais pacotes passarão por filtros configuráveis, tipicamente filtros passa baixas. As saídas dos filtros serão processadas pelo algoritmo de microfone direcional, discutido anteriormente, gerando então uma única saída. Esta saída será processada pelo algoritmo de cancelamento de realimentação acústica (FBC). O sinal resultante é um sinal com o mínimo de ruído, pronto para receber o processamento para correção para o tipo de deficiência. O primeiro passo na correção é o reconhecimento do tipo de fala, realizado pelo processo de análise do sinal. Após a análise e com as informações da deficiência do paciente, obtêm-se os parâmetros para cada

algoritmo que será aplicado ao sinal: um ganho diferente para uma determinada faixa de frequência, parâmetros para o algoritmo compressão WDRC, parâmetros para o algoritmo que desloca as frequências altas do sinal para baixas, caso o paciente tenha problema para ouvir os sinais de alta frequência, entre outros. O segundo passo da correção é a síntese onde os algoritmos de correção propriamente ditos são aplicados.

O sinal de saída do processamento para correção é passado por um circuito controle de ganho automático (CGA), para aumentar o ganho dos sinais com baixo nível. O sinal é então processado por um filtro ALE para redução de ruído, e por um filtro configurável, tipicamente um passa altas (PA). A saída será desta etapa será enviada para a etapa 3.

Figura 12: Fluxo de sinal para processamento digital

3. Back end ou Codec de saída:

É a etapa responsável por receber o sinal processado no domínio digital, passa-lo ao domínio analógico e aplica-lo ao alto-falante, para que assim se produza o sinal compreensível ao paciente. É também onde se aplica o controle de volume e onde se tem o gerador de tom. Na figura 13 é apresentado o fluxo nessa etapa.

O DSP entrega palavras ao codec de saída com a mesma taxa que recebe do ADC. A primeira operação no codec é a ação do controle de volume (CV), que irá multiplicar as palavras por um valor escolhido pelo usuário e que lhe garanta o maior conforto. Após esta operação, tem-se o bloco de compressão de saída (AGCO) o qual modula o sinal para que não haja saturação, bloqueando a saída quando a sua entrada estiver acima de um determinado limiar. Para garantir maior linearidade da conversão digital para analógico, o sinal digital

passa por um interpolador, que irá aumentar a taxa de dados, e após vai para DAC. A saída do DAC, sinal analógico, é amplificada e, por fim, aplicada ao alto-falante.

Figura 13: Codec de Saída

Para aparelhos auditivos digitais, comumente se usa um DAC ΣΔ de terceira ordem e um amplificador classe D. Amplificadores classe D tem menores consumo (alta eficiência), distorção e tamanho quando comparados com amplificadores de classes A e B (JACOBS, 2006; INTEGRATED, 2011).