เรียนรู้การประมวลผลสัญญาณดิจิตอล (Digital Signal Processing)

ตอนที่ 5

เรียนรู้การประมวลผลสัญญาณดิจิตอล (Digital Signal Processing)
ตอน การประยุกต์ใช้งาน DSP
โดย
พีระพล ยุวภูษิตานนท์
ภาควิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร
ด้านชีวการแพทย์: ไมโครโฟนแบบอาร์เรย์สำหรับเครื่องช่วยฟัง (Microphone array for hearing aids)

เรื่องราวของ DSP ยังคงความน่าสนใจอยูเสมอในด้านการแพทย์แผนใหม่ ซึ่งเป็นการประยุกต์ใช้งานเทคโนโลยี DSP เข้ากับอุปกรณ์ที่มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเพื่อช่วยแก้ปัญหาที่ไม่สามารถแก้ได้ด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์เพียงอย่างเดียว

เครื่องช่วยฟัง (Hearing aids) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กสำหรับใช้งานในผู้ที่มีความบกพร่องในการได้ยิน วงจรภายในประกอบด้วยชุดไมโครโฟน วงจรขยายสัญญาณ และ ลำโพง โดยขนาดของเครื่องจะพอเหมาะกับการสวมใส่พอดีกับช่องหู ปัญหาของ เครื่องช่วยฟัง ที่สำคัญๆ คือ กรณีแรก มีการเกิดเสียงรบกวนมากจนทำให้ฟังไม่รู้เรื่อง เช่นในงานเลี้ยง หรือ ในบางสถานที่ที่มีผู้คนจอแจ เพราะแทนที่สัญญาณเสียงพูดของผู้สนทนาที่ต้องการจะถูกขยายเพียงอย่างเดียว แต่กลับเป็นว่า สัญญาณรบกวนก็ถูกขยายตามไปด้วย การที่ ซึ่งทำให้บางครั้งก็ทำให้ เกิดอาการ”ได้ยิน...แต่ไม่รู้เรื่อง”

หรือ กรณีที่สองก็คือการเกิดสัญญาณเสียงก้อง (reverberation) ในกรณีนี้ เป็นการเกิดสัญญาณเสียงที่มี ความคล้ายคลึงกับต้นฉบับ แต่ต่างกันที่การเกิดการหน่วงเวลา กับสัญญาณจริง ที่เกิดขึ้นจากการสะท้อนของคลื่นเสียง และเมื่อเกิดการรวมกัน ของสัญญาณต่างๆ เหล่านี้ ที่ไมโครโฟน ก็จะกลายเป็นการรับสัญญาณที่มีการหน่วงเวลาซ้อนๆกัน หรือ มัลติพาท (Multipath) และก่อให้เกิดความสับสนแก่ผู้สวมใส่เครื่องช่วยฟัง แถมในกรณีที่เครื่องช่วยฟังบางเครื่อง มีการใช้วงจรป้อนกลับ (feedback) ที่มีอัตราขยายสูง ก็จะทำให้เกิดอาการ ออสซิลเลตได้ง่ายด้วย

เนื่องจากไมโครโฟนที่ติดตั้งอยู่ในเครื่องช่วยฟัง นั้นจะเป็นไมโครโฟนของที่มี ทิศทางรอบตัว (omnidirectional) การสร้างรูปแบบการรับสัญญาณให้เป็นแบบ มีทิศทาง (directional) ก็จะช่วยแยกสัญญาณ รวมถึงแก้ปัญหาการรบกวนของแหล่งกำเนิดเสียงอื่นๆ ที่ไม่ได้มาจากทิศทางที่ต้องการได้ โปรเฟสเชอร์ B. Widrow แห่ง มหาวิทยาลัย สแตนฟอร์ด ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ประดิษฐ์ไมโครโฟนอาร์เรย์ สำหรับเป็นตัวกำหนดทิศทางการรับสัญญาณให้กับเครื่องช่วยฟัง ไมโครโฟนแบบอาร์เรย์นี้ จะมีโครงสร้างเป็น ไมโครโฟนหกตัวฝังอยู่ในแถบซึ่งทำเป็นสร้อยคอตามที่แสดงในรูปที่ 9 การส่งสัญญาณจากชุดไมโครโฟนอาร์เรย์ไปยังชุดเครื่องช่วยฟัง จะอาศัยการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก โดยที่เครื่องช่วยฟังจะเป็นแบบที่มีการติดตั้งอุปกรณ์เพิ่มเติมที่เรียกว่า telecoils ซึ่งปกติมีไว้เพื่อให้ผู้ป่วยที่ใช้ เครื่องช่วยฟัง สามารถใช้โทรศัพท์ได้อย่างสะดวก การใช้งานของชุดช่วยฟังนี้ ผู้ใช้จะคล้องชุด ไมโครโฟนแบบอาร์เรย์ และเมื่อต้องการจะสนทนากับผู้ใด ก็จะหันหน้าไปยังคู่สนทนา สัญญาณรบกวนเช่นเสียงพูดของบุคคลอื่น ที่มาจากทิศทางต่างมุมของการรับสัญญาณ (angle of reception) ก็จะถูกลดทอนลงไป เหตุผลที่ใช้การติดตั้ง ชุดไมโครโฟนแบบอาร์เรย์นี้ ให้ห่างจากชุด เครื่องช่วยฟัง ก็เพื่อลดการหอน อันเนื่องจากการป้อนกลับ (feedback) ที่มักเกิดขึ้นเมื่อ ไมโครโฟน อยู่ใกล้กับชุด เครื่องช่วยฟัง มากเกินไป

รูปที่ 9 Prof. B. Widrow กับไมโครโฟนอาร์เรย์ที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้ชุดช่วยฟัง (Hearing aids) ทำงานได้ดีขึ้น

ในชุด ไมโครโฟนแบบอาร์เรย์ นี้ มีส่วนที่เป็นการประมวลผลสัญญาณ คือชิพ DSP ที่เป็นแบบ ASIC (Application Specific Integrated Circuit) หน้าที่ของส่วนประมวลผลสัญญาณ ก็คือ การแบ่งสเปคตรัมของเสียงตั้งแต่ 200 Hz ถึง 6 kHz ออกเป็น 12 แบนด์ โดยแต่ละย่านความถี่จะมีตัวควบคุมอัตราขยายแบบดิจิตอลแยกส่วน แล้วก็จะทำการสเกลค่าน้ำหนักและอัตราขยายของสัญญาณจากไมโครโฟนแต่ละตัว โดยใช้หลักการของ บีมฟอร์มมิ่ง จนกระทั่งได้ความกว้างของบีม เป็น 60O ทั้งในแกนอซิมุท (azimuth axis) และ แกนยก (elevation axis) ตลอดย่านความถี่ 200 Hz ถึง 6 kHz เมื่อผู้สวมใส่หันหน้าไปยังทิศทางของคู่สนทนา อัตราส่วนของสัญญาณที่มาจากคู่สนทนาต่อสัญญาณรบกวนจากทิศทางอื่นๆ จะอยู่ในอัตราเฉลี่ยที่ประมาณ 10 dB ซึ่งส่งผลให้เกิดความชัดเจนในการรับฟังมากขึ้น

(โปรดติดตามตอนต่อไป)