CN101444112A - 具有适配性数据接收定时的助听器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有用于无线信号接收的通信电路的助听器，其中，该助听器以在其时隙之前的要求的裕度，开始接收来自网络的数据，然后，它确定直至实际接收到第一数据的延迟，即，检测接收的数据帧的启动，并记录所述延迟。在下一次时隙出现时，根据在先前时隙中所确定的值，调整接收的启动，即被提前或被延后。

Description

具有适配性数据接收定时的助听器

本发明涉及一种具有用于信号的无线接收的通信电路的助听器。

WO2004/110099公开了一种简单的通信协议的助听器无线网络，从而只需少量的代码，并且在操作中功耗较低。此外，获取时间短，并且延时(latency)较短。

本公开的助听器包括收发器，用于将该助听器与无线网络互连，以与多个其他设备通信；以及通信控制器，适用于依据该通信协议而通过该网络控制数据交换。

在其中一个公开的实施方式中，收发器和通信控制器根据时分多址方案(TDMA)操作，其中，时间被分成编号时隙，并且网络中的不同设备在各自的特定时隙中进行通信，例如接收数据。

根据本发明，通过将时间分割为编号时隙，在设备中执行数据通信。不同的设备在各自特定的时隙中进行通信，例如，接收数据。为了降低适于在特定时隙接收信号的助听器的功耗，助听接收器只有在其时隙中才被开启。然而，由于用于控制定时(timing)的时钟信号的精度有限，各种设备无法以完全的准确性来同步时隙，例如，接收设备可能无法与发送设备就何时开始接收取得一致。这就意味着需要一定的裕度，这又意味着传统助听器的通信电路在大于各个时隙的时间段内被接通。

无论以何种传统的方式，更准确的定时都将降低功耗；这一解决方案需要引入体积较大的组件(晶片)。

本发明提供了一种体积较小的解决方案。根据本发明，助听器在其时隙之前以所需的裕度启动接收来自网络的数据，然后，它确定直到已经实际接收到了第一数据为止的延迟，即检测到所收到的数据帧的开始，并将该延迟记录下来。在下次时隙出现时，接收的启动依据在前一时隙的接收中所确定的值进行调节，即被提前或延后。在下文中，数据的可能接收的启动也被称为“接收器激活”。因此，在接收器激活时，接收器电路系统被开启，以使得接收器能够接收数据。这增加了接收器功耗。在数据接收终止时，该接收器电路系统被关闭，从而该接收器的功耗又被降低。

因此，根据本发明，通过提供一种具有用于无线通信的通信电路的助听器，实现了上述及其他目的，该电路包括用于数据接收的接收器和通信控制器。该通信控制器适于控制数据的接收，并且确定接收器激活与数据接收的实际启动之间的延迟，然后依据该确定的延迟，调整下一次接收器激活。

因此，本发明的一项重要优势是，助听器可以在由诸如传统的ZnO₂电池所适当提供的低功耗下进行通信。

附图说明

通过结合附图的对本发明的示例性实施方式的详细描述，本发明的上述及其他特征和优势，对于本领域的技术人员而言，将变得更加明显，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的耦合到无线网络的助听器；

图2示出了时隙和帧；

图3示出了传统的时隙定时；

图4示出了根据本发明的时隙定时；

图5示出了根据本发明的通信控制器的功能性结构；

图6是根据本发明的接收器和通信控制器的结构示意图。

具体实施方式

下文将结合附图，更详细地描述本发明，其中示出了示例性的实施方式。

然而，本发明可以以不同的形式实施，并且不应被视为限于在此所述的实施方式。更确切地说，提供这些实施方式是为了使本公开全面和完整，并且将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。全文中，相同的附图标记均指相同的元件。

根据本发明的助听器无线网络便于该网络中的多个设备的互连，例如，助听器、遥控器、拟合仪、移动电话、耳机、门铃、报警系统、诸如拾音线圈(tele coil)替换装置等的广播系统等。

在一种实施方式中，该接收器和通信控制器依据频率多元化或扩频方案进行操作，即该网络所使用的频率范围依照预先确定的方案，被分为数个频道以及传输交换信道，从而传输被分布在整个频率范围。根据本发明，提供一种跳频算法，该算法允许该网络中的设备能够及时计算在任意给定时点该网络将使用什么频道，而不依赖该网络的历史，例如，基于当前的频道编号，伪随机数生成器计算下一个频道编号。这样便于新设备在该网络中的同步化，例如，该新设备包括与已经连接在网络中的设备相同的伪随机数生成器。因此，在获取过程中，在接收到当前频道编号后，该新设备将与该网络中的其他设备一样，计算相同的下一个频道编号。优选地，网络中的一个设备为主设备。该系统中的所有其他设备均与主设备的定时同步，而且，优选地，该主设备为助听器，因为当用户在使用该网络时，他或她总是携带助听器。

该网络中的每个设备均具有其识别编号，例如，一个32位的编号。并不需要全球唯一的身份，因为两名用户使用具有相同识别编号的助听仪器的概率可以忽略。

优选地，一种新的设备能够被网络自动识别并与网络互连。

在初始同步期间，例如，在获取期间，即，初始建立网络的过程，以及新设备与现有的网络建立连接的过程，当开启助听器时，当同步手动激活时，当同步自动周期性初始时等，该从设备可以在重复的期间内进行收听。如果在该周期没有接收到任何信号，等待下一个周期，并且，如果接收到某种信号，在该延迟的确定被执行之前，该从设备继续接收1 1/2帧。

根据扩频方案操作的网络的一项优势是，通信对噪音的敏感性较低，因为噪音通常出现在特定的频道中，并且通信只会在短暂时期内在特定的频道中执行，此后，通信将会被切换至另一频道。

此外，几个网络可以在极近的距离内共存，例如，两个或多个助听器用户可以出现在同一房间内，而不会产生网络干扰，因为两个网络同时使用某一特定频道的概率将会很低。同样，该助听器网络可以与其他使用同一频段的无线网络共存，如蓝牙网络或其他无线局域网。根据本发明的助听器可以被有利地并入双耳助听系统，其中，两个助听器通过无线网络互连，用于进行数据的数字交换，如音频信号、信号处理参数、诸如信号处理程序识别等的控制数据等，而且，可选择性地与例如遥控等其他设备互连。

图1示意性地示出了根据本发明的具有左耳助听器和右耳助听器的双耳助听器，每个助听器均具有与无线网络连接的收发器和通信控制器，该无线网络与这两个助听器互连，并且将这两个助听器和该无线网络中的其他设备互连。在图1所示的示例中，门铃、移动电话、无绳电话、电视机以及拟合器也连接到该无线网络。

网络是将一套设备连接起来的装置，用于这些设备间的数据通信。根据本发明，网络中设备的其中之一作为主设备，即，它将定时信息发送给网络中的其他设备，以进行同步。因此，该主设备控制着这些设备的定时。其他设备为从设备。

ID用于识别每个设备。该ID在该网络中是唯一的。

示出的本发明的实施方式在2.4GHz工业科学和医疗(ISM)频段中操作。它包括80个1MHz带宽的频道。使用跳频TDM方案。在获取过程中，该跳频方案包括减少了数目的频道，例如，少于16个信道，优选的是8个信道，以提高获取速度。减少了的频道集合的元素被称为获取信道。优选地，这些获取信道均匀地分布于该网络所使用的整个频段中。

根据该协议并且如图2所示，时间被分成具有1250μs长度的所谓的时隙(最小Bluetooth^TM时隙长度的两倍)。对这些时隙从0到255进行编号。

256个时隙，即时隙0到时隙255，构成一帧。也对帧进行编号。

在影响时隙长度选择的因素中，要求较低的系统延迟，以及关于头和PLL锁定的期望的低过载。优选地，时隙长度是625μs的倍数，以便于(即，非阻止)根据本发明的协议可以在BLUETOOTH^TM使能的设备上得以实施。

每个时隙(除时隙128外)通过一个特定设备用于传输，从而可以防止网络内的数据冲突。任意从设备可以在时隙128中发送数据，因此，在该时隙中可能产生冲突。主设备在时隙0中发送定时信息。从设备的时隙和帧计数器与该网络上的主设备的各个计数器同步。

设备可使用一个或多个时隙进行数据传输。在给定设备的制造期间，可以分配时隙，或者可以在获取期间动态地分配时隙。优选地，分配表被存储在主设备中。

根据时分多址(TDMA)的帧结构，网络中的设备依照协同的时间表发送和接收数据，其中，时间被分为编号的时隙，并且网络中不同的设备以各自特定的时隙进行通信，例如，接收数据。为了降低该助听器中的功耗，助听器收发器只有在其时隙中才会被开启。此外，在这样的系统中，可以使比特率变得可扩缩：当要求较低的比特传输率时，该收发器仅需在一小部分时间内处于活动状态。这样便能够节省功率。

然而，由于用于控制定时的时钟信号的精度有限，连接到该无线网络的各种设备无法以完全的精确度同步时隙，例如，该网络中的接收参与者无法与发送参与者就何时开始接收达成一致。这就意味着需要某种裕度，也意味着传统助听器网络电路系统在长于各个时隙的较大时间周期期间通电。这一点如图3所示。

在图3中，N表示以时钟信号为单位的帧长度。发送的“参与者1”基于其自身的时钟周期T_CLK1确定帧长度。必须及时开启“参与者2”，以接收在帧k+1中所发送的数据，并且它利用其自身的时钟周期T_CLK2来测量相对于前一帧k实际启动时间的时间。它计算在启动接收器之前的N-M周期，其中，M表示必要的裕度。可能出现的最大的定时差异的最小值T_CLK1等于T_CLK—ΔT_CLK，并且最大值T_CLK2等于T_CLK+ΔT_CLK，其中：

$N\·(T_{\mathrm{CLK}}-{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{CLK}})>(N-M)\·(T_{\mathrm{CLK}}+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{CLK}})$

该要求确定最小允许裕度M。例如，如果时钟周期的变化高达±5％“参与者2”一般会在必要之前的十分之一帧周期开启接收器。通常，收发器的当前功耗在1.2V电池供电电压下大约为1mA，即，该10％的额外裕度导致了0.1mA*1.2V＝0.12mW的额外功耗，这一功耗累加起来为该助听器功耗的大约7％—10％。

图4示出了根据本发明的时间裕度从而使得功耗的降低，其中，接收设备调整其定时，以与发送参与者的帧定时相匹配。

在图4中：

·N是常数，表示以时钟周期为单位的标称帧(nominal frame)长度。

·T_CKL1(k)为在第k个帧期间测得的“参与者1”中的时钟生成器的平均周期。

·T_CLK2(k)为在第k个帧期间测得的“参与者2”中的时钟生成器的平均周期。

·ΔN(k)为变量，表示以T_CLK2(k)为单位测量的第k个帧的估计(适配)长度修正。

·D₀为目标延迟，它是在该实际帧开始以前应该开启接收器的时间量，以时钟周期为单位来测量。

·D(k)为从当“参与者2”被开启直到第k个帧实际启动时的所测量的时间间隔，以T_CLK2(k-1)为单位来测量。

在示出的实施方式中，ΔN(k)基于所观测到D(k)而被连续更新，D(k)应趋近于D₀。此外，应当理解的是，ΔN(k)可以为正或负，与计数值的上升或下降相对应。

可以用一阶算法来更新ΔN(k)：

ΔN(k)＝ΔN(k-1)+a₀·(D(k)-D₀)

其中，a₀是常数，通常在0.5-1.5范围内。如果a₀的值接近0.5，那么，适配将较慢，更新不会受振荡器的短暂的瞬态或波动的影响，而是基本上遵循助听振荡器的长期漂移。在这种情形下，使用较大的目标延迟D₀可能是有利的。

然而，在某些类型的助听器中，能够处理助听器振荡器频率的快速变化可能是至关重要的。通常助听器中的振荡器频率将取决于电池电压。例如，当该助听器输出在高低声音压力之间频繁变化，从而导致供电电压的波动，进而导致振荡器频率波动时，使用较大的a₀值(例如a₀＝1.5)可能很重要。较大的a₀值同样也将允许使用较低的延迟D₀，在实践中，a₀值的选择可以基于在确保最佳功率节省的目标延迟的期望低值与适配速度之间的权衡。

优选地，ΔN(k)的更新是根据：

$\mathrm{\ΔN}\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\·\mathrm{\ΔN}(k-i)+\underset{i=0}{\overset{m_a}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·(D(k-i)-D_0)$

其中a₀-a_Ma和b₁-b_Mb为滤波器常数。该动态行为由这些常数确定。根据以上等式，在时间k的调整ΔN(k)递归地取决于前面调整和前面的误差。在优选实施方式中，选择该滤波器常数使得绝大多数重新发送的调整和误差对该调整的影响最大。例如，

可以是递减数字序列，从而旧误差比新误差赋予较小的重要性。

现在将使用Z变换对该算法的动态行为进行描述。

首先，以时间单位计的D(k)误差由以下确定：

E(k)≡T_CLK2(k)·(D(k+1)-D₀)＝N·T_CLK1(k)-(N+ΔN(k))·T_CLK2(k)

插入 $T_{\mathrm{CLK}1}\left(k\right)=T_{\mathrm{CLK}}+\frac{{\mathrm{\ΔT}}_1\left(k\right)}{N}$ 和 $T_{\mathrm{CLK}2}\left(k\right)=T_{\mathrm{CLK}}+\frac{{\mathrm{\ΔT}}_2\left(k\right)}{N}$ 其中，ΔT_i(k)表示从标称帧时期偏离，得到：

此外，

$\mathrm{\ΔN}\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\·\mathrm{\ΔN}(k-i)+\underset{i=0}{\overset{M_a}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·(D(k-i)-D_0)$

应用z-变换，并且在输入定时误差ΔT(k)≡ΔT₁(k)-ΔT₂(k)，则输出定时误差E(z)为：

$\mathrm{\ΔN}\left(z\right)=\frac{\frac{1}{T_{\mathrm{CLK}}}\·\underset{i=0}{\overset{M_a}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·z^{-i-1}}{1-\underset{i=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\·z^{-i}}\·E\left(z\right)$

$E\left(z\right)=\mathrm{\ΔT}\left(z\right)-\mathrm{\ΔN}\left(z\right)\·T_{\mathrm{CLX}}=\mathrm{\ΔT}\left(z\right)-\frac{\underset{i=0}{\overset{M_a}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·z^{-i-1}}{1-\underset{i=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\·z^{-i}}\·E\left(z\right)$     为E(z)

解得：

$\frac{E\left(z\right)}{\mathrm{\ΔT}\left(z\right)}=\frac{1}{1+\frac{\underset{i=0}{\overset{M_a}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·z^{-i-1}}{1-\underset{i=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\·z^{-i}}}=\frac{1-\underset{i=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\·z^{-i}}{1-\underset{i=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\·z^{-i}+\underset{i=0}{\overset{M_a}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·z^{-i-1}}$

能优化各个参数以得出最佳的定时误差抑制。

应注意的是，如果 $\underset{i=1}{\overset{M_b}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i=1$ (对于z＝1为零转换)，静态误差将被完全消除。

图5是根据本发明的通信控制器的一种实施方式的功能结构的结构图。图1示出了振荡器20，例如，它可以以2MHz振荡。该振荡器20与定时器22连接，定时器22计算时钟周期的数目。定时器22还与最大计数单元24相连接，在初始时，它可以被提供数字N。

当定时器22已经计算了N个时钟周期时，将信号26提供至收音机28，该信号触发了收音机28的激活，使得该收音机开始“收听”发送设备(未示出)。然后，收音机28将比特流提供至SOF(真开始)相关器30，相关器30能够识别给定的“真开始”比特信息。在发送设备开始传输之前，这种比特流无意义。但是，当该SOF单元识别出该“真开始”比特信息时，锁接触器32被激活，从而定时器22能够将值D写入锁存器34。

值D为从收音机28信号启动被发出以来的定时器22的计数。因此，D为该从帧落后于主帧的时间测量。

帧定时设备另外配备有MCU(微控制单元)36，它装有软件程序。MCU36能够从锁存器34读取值D。

与SOF相关器30将信号发送到锁接触器32发出信号基本同时，另一中断信号38被发送至MCU36。这一中断信号38告诉MCU36开始该算法。这一算法将所存储的D值作为输入，并且软件程序使用这一值D将时钟周期数字N更新数字ΔN。该值ΔN被提供至最大计数单元24，并且被添加至数字N。

在下一周期中，定时器22在“启动收音机”信号被发出以前，计算N+ΔN周期。

最大计数单元24可以是定时器22的集成部件，并且锁接触器32也可以是锁存器34的集成、内置的部件。

在本发明的另一实施方式中，将振荡器制成可调整式，并且控制器被适配为根据接收器激活和数据接收的实际启动之间的确定延迟，调整振荡器频率，从而使接收器激活裕度最小化。

在本发明的又一实施方式中，该振荡器通过对其输出信号中之一的分割，为振荡器提供时钟信号，并且控制器被适配为根据接收器激活和数据接收的实际启动之间的确定延迟，调整分割比，从而使接收器激活裕度最小化。

图6是根据本发明的收发器和通信控制器的结构示意图。图6还示出了流入单元和从单元流出的主要数据流。在数据接收时，RF芯片接口1向该RF芯片发出SPI指令，以进行配置。该RF芯片接口从RF芯片接收数据流。

相关器2从同步字抽取时隙和帧定时，以能够同步接收链的余下部分。根据该定时，头抽取块3分析分组头，并且抽取时隙编号和分组长度。在头中的任何错误均被报告。然后，数据去白化块4对分组数据去白化。然后该数据被串并转换块5转换成与16位并行。该分组数据被数据缓冲界面7存储在内部数据缓冲器6中。然后，DSP通过外围总线，经由DSP接口，可以访问该数据。CRC校验也可以在分组数据9上执行。通过[YQF2]DSP接口，所有内部配置注册表，以及分组头校验的结果、CRC错误等是可访问的。还提供了时隙和帧计数器10以及数个硬件定时器11。

控制器状态机器12负责基段引擎的总体定时。

金氏码生成器13对软件提供硬件协助，以生成用于对同步字编程的金氏码。

在传输时，RF芯片接口1向RF芯片发出SPI指令，以进行配置。

DSP通过DSP接口8，将数据分组写入数据缓冲器6、7。该分组数据具有由数据CRC生成块9所计算的CRC。然后，该组合数据有效载荷和CRC被转换成串5和白化4。分组头由头生成块3构成，然后被附加至该数据。然后，该完成分组通过RF芯片接口1流至RF芯片。

尽管已经对被认为是本发明的优选实施方式的那些内容进行了描述，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的情况下，可以对本发明做出各种变更和修改。

Claims (7)

1.一种具有用于无线通信的通信电路的助听器，该电路包括：

用于数据接收的接收器，以及

通信控制器，被适配为

确定接收器激活和数据接收的实际启动之间的所述延迟，随后

根据所确定的延迟，调整下一接收器激活。

2.根据权利要求1所述的助听器，其中，根据目标延迟，执行对所述下一接收器激活的调整。

3.根据权利要求1或2所述的助听器，其中，根据先前的调整以及先前所确定的在接收器激活与接收来自所述网络的数据的实际启动之间的延迟，执行所述调整。

4.根据权利要求1或2所述的助听器，其中，根据先前的调整或先前所确定的在接收器激活与接收来自所述网络的数据的实际启动之间的延迟，执行所述调整。

5.根据权利要求1至4的任一项所述的助听器，其中，所述通信控制器还包括振荡器和计数器，所述振荡器将时钟信号提供至所述定时器，并且所述定时器在特定计数值激活所述接收器，并且其中所述控制器还被适配为：以所确定的与接收器激活和数据接收的实际启动之间的时延相对应的量调整所述计数值。

6.根据权利要求1至4的任一项所述的助听器，其中，所述通信控制器还包括振荡器和计数器，所述振荡器将时钟信号提供至所述定时器，并且所述定时器在特定计数值激活所述接收器，并且其中所述控制器还被适配为：根据所确定的接收器激活和数据接收的实际启动之间的时延，调整所述振荡器频率。

7.根据权利要求1至4的任一项所述的助听器，其中，所述通信控制器还包括振荡器和计数器，所述振荡器通过对其输出信号之一的分割，将时钟信号提供至所述定时器，并且所述定时器在特定计数值激活所述接收器，并且其中所述控制器还被适配为：根据所确定的接收器激活和数据接收的实际启动之间的时延，调整分割比。

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