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FACHGEBIET
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft Hörgeräte. Im Einzelnen
betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Programmieren eines Software-programmierbaren
digitalen Hörgerätes sowie
solch ein Hörgerät, und insbesondere
betrifft diese Erfindung ein programmierbares digitales Hörgerät, welches
eine Filterbank-Verarbeitungsarchitektur enthält.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Seit
einigen Jahren sind programmierbare analoge Hörgeräte im Einsatz. Diese Hörgeräte gestatten
eine präzise
Einstellung der spezifischen Parameter eines Hörgerät-Verarbeitungsschemas, um eine einigermaßen gute "Anpassung" an den Benutzer
des Hörgerätes zu erzielen.
Programmierbare digitale Hörgeräte erweitern
dieses Leistungsmerkmal, indem sie es ferner gestatten, dass neue
Programme heruntergeladen werden. Die Leistungsfähigkeit, ein neues Programm
auf ein digitales Hörgerät zu laden, bedeutet,
dass vollständig
verschiedene Verarbeitungsschemata implementiert werden können, indem lediglich
neue Software heruntergeladen wird.
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Traditionell
werden Hörgeräte mit kabelgestützten Verbindungen
programmiert, die gelegentlich mit einer am Körper getragenen Programmierschnittstelle
verbunden werden, welche wiederum eine kabelgestützte oder kabellose Verbindung
zu dem Programmierer des Hörgerätes einbezieht.
Die Verwendung einer kabelgestützten
Verbindung bedeutet, dass ein Hörgerät einen
Verbindungsanschluss für
das Programmierkabel enthalten muss. Beispielsweise offenbart die
Schweizer Patentanmeldung Nr. 671 131 A eine Programmiervorrichtung,
die ein Plug-in-Programmiermodul verwendet, welches zumindest einen
Satz Speicherstellen für
das Einstellen und Typisieren von in Bezug zu einem vorgegebenen
Hörgerätmodell
stehender Information enthält. Sämtliche
Kommunikation zwischen dem Programmiergerät 2 und dem Hörgerät findet über das Plug-in-Modul
und Kabel statt.
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Typische
Programmierschnittstellen verwenden eine serielle Datenübertragung
mit zwischen zwei und vier elektrischen Verbindungen, abhängig davon,
ob die serielle Verbindung überträgt und empfängt oder
lediglich empfängt.
In jüngster
Zeit wurden neuere Verbindungsschemata, die keinen separaten Programmierverbindungsanschluss
erfordern, entwickelt. Diese verwenden die Batterie-Terminals, um Leistung
zuzuführen
und Daten zu dem Hörgerät zu übertragen.
Dieser Ansatz erfordert es gelegentlich, dass abhängig von
der Natur der seriellen Schnittstelle zusätzliche Batteriekontakte hinzugefügt werden
müssen.
Sämtliche
dieser Programmierverfahren erfordern spezielle Programmierkabel
und kleine Verbindungsanschlüsse,
die kostenaufwändig
und bruchanfällig
sind.
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Andererseits
offenbart das US-Patent Nr. 5,083,312 von Newton et al. ein Multikanal-Hörgerät, welches
eine analoge adaptive Filterschaltung aufweist, die in Erwiderung
auf ein Audio-Programmiersignal (d. h. DTMF-Töne) programmierbar ist. Die
Parameter der adaptiven Filterschaltung werden über eine zugehörige digitale
Steuerung mit Speicher ermittelt. Das Hörgerät weist einen separaten und
dedizierten DTMF-Empfänger
auf, um das Programmiersignal zu decodieren, sowie um der digitalen
Steuerung das decodierte Signal bereitzustellen. Die Steuerung wird
konditioniert, um Programmierbefehle anzunehmen, wenn von dem DTMF-Empfänger eine eindeutige
Befehlssequenz empfangen wird. Sobald die Steuerung konditioniert
ist, empfängt
sie so lange die binären
Programmierbefehle, die durch den DTMF-Empfänger
decodiert werden, bis eine Beendigungs- Befehlssequenz empfangen wird. Während der
Programmierung werden die Inhalte des Steuerungsspeichers geändert, so
dass die zu der analogen adaptiven Filterschaltung gehörigen Parameter in
einer gewünschten
Art und Weise verändert
werden. Die Ausgabe des Hörgerätes kann
während
der Programmierung temporär
gedämpft
werden. Jedoch erfordert das System gemäß der Druckschrift von Newton
et al. eine zusätzliche
Decoderschaltung, was zu einem Anwachsen der Kosten, des Leistungsverbrauchs
sowie zu einer Zunahme der Abmessung des Hörgerätes führt. Die Filterschaltung verarbeitet ein
Programmiersignal auf die gleiche Weise, wie irgendein anderes empfangendes
Signal, und führt keine
Decodierung des Programmiersignals aus. Darüber hinaus ist dieses System
nicht flexibel, da das Decodierschema vollständig in Hardware implementiert
ist.
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Andere
Programmierschnittstellen, die erfolgreich eingesetzt wurden, sind
Infrarot- oder Ultraschall-Verbindungen.
Sämtliche
dieser Ansätze
erfordern auch zusätzliche
Schaltungen, die zu einer Zunahme der Kosten sowie des Leistungsverbrauchs und
des innerhalb des Hörgerätes belegten
Raums führen.
Ultraschall-Verbindungen sind für
die Programmierung digitaler Hörgeräte infolge
der hohen Abtastrate, die erforderlich ist, um ein Ultraschallsignal
in eine digitale Darstellung zu konvertieren, nicht praktisch. Obwohl
Infrarot-Verbindungen häufig
verwendet werden, um Daten zwischen Programmierschnittstellen und
Arbeitsplatzrechnern zu übertragen,
wurden sie infolge ihres hohen Leistungsverbrauchs, ihrer Anfälligkeit
hinsichtlich Interferenzen und infolge unerwünschter Richtungscharakteristika nie
in großem
Umfang bei Hörgeräten eingesetzt. Von
daher sind viele gegenwärtig
existierende digitale Hörgeräte auf kabelgestützte Programmierverbindungen
angewiesen, die einen speziellen Konnektoranschluss sowie Programmierkabel
erfordern, und auf jene Programmierverbindungen angewiesen, die es
nicht erfordern, dass zu dem Hörgerätsystem
zusätzliche
dedizierte Programmiersignal-Decodierschaltungen hinzugefügt werden.
Da darüber
hinaus die zusätzliche
Decodierschaltung fest verdrahtet ist, sind solche Programmiersysteme
nicht flexibel.
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Ein
wichtiger Gesichtspunkt für
sämtliche Programmierschnittstellen
ist die Sicherheit. Häufig ist
es erstrebenswert, dass der Benutzer das Hörgerät trägt, während es programmiert wird,
so dass die "Anpassung" zwischen dem neuen
Programm und der Hörschwäche des
Benutzers unmittelbar geprüft werden
kann. Wenn der Benutzer das Hörgerät trägt, während es
programmiert wird, muss zwischen dem Hörgerätträger und dem Programmiersystem
eine elektrische Isolierung vorliegen, insbesondere dann, wenn das
Programmiersystem mit Netzspannung (120 Volt oder höher) verbunden
ist. Viele Systeme verwenden isolierte Stromleitungen oder Batterieleistung
und führen
sämtliche
Signale durch Opto-Isolatoren dem Hörgerätträger zu. Kabellose Systeme überwinden
die Probleme der Isolierung von der Leitungsspannung, jedoch mögen sie
Opto-Isolatoren erfordern, und zwar selbst wenn eine batteriebetriebene,
am Körper
getragene Programmierschnittstelle verwendet wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Schema zum Programmieren und zur Programmierverifikation
in einer programmierbaren digitalen Filterbank eines Hörgerätes, welches
eine bestehende Filterbank und insbesondere synthetisierte Signale
in dem Audio-Band (20 Hz bis 20 kHz) verwendet, um Hörgeräte-Parameter
zu ändern
und zu verifizieren, oder um ein neues Hörgerätprogramm herunterzuladen und
zu verifizieren. Eine digitale Hörgerät-Filterbank
verarbeitet eine digitale Darstellung eines Eingangssignals unter Verwendung
einer Analyse-Filterbank, die das Eingangssignal in eine Vielzahl
separater Frequenzbändern
aufteilt. Diese Bänder
werden separat oder in Kombination verarbeitet und dann über eine
Synthese-Filterbank rekombiniert, um ein digitales Ausgabesignal
in der Zeit-Raum-Darstellung auszubilden. Da eine bestehende Filterbank
sowie ein programmierbarer digitaler Signalprozessor verwendet werden,
um das Vorhandensein, das Fehlen und Übergänge des Audioband-Programmiersignals
zu erfassen, sowie um die in den Signalen enthaltene Information
zu decodieren, ist keine zusätzliche
Hardware erforderlich.
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Weitere
Vorteile des Verfahrens und des Gerätes der vorliegenden Erfindung
sind folgende: Die verwendeten Audio-Programmiersignale können mit standardisierter
Multimedia-Computer-Hardware synthetisiert und zugeführt werden,
beispielsweise mit einem PC (Arbeitsplatzrechner) mit einer Sound-Card
und Lautsprechern oder Kopfhörern;
die Erfindung unterstützt
die Fern-Programmierung von digitalen Hörgeräten über Computer-Netzwerke; die Audioband-Programmiersignale
können über ein Netzwerk
vorsynthetisiert und übertragen
werden oder lokal synthetisiert und unter Verwendung standardisierter
Multimedia-Computer-Hardware zugeführt werden, beispielsweise
unter Verwendung eines PCs mit einer Sound-Card und Lautsprechern oder Kopfhörern; die
Erfindung ermöglicht
eine weite Auswahl von zu verwendenden Audioband-Programmiersignalen;
beispielsweise können
mit standardisierten Computermodem-Modulationstechniken erzeugte
Audiosignale oder Dual-Ton-Multifrequenz-(DTMF)-Töne
verwendet werden, die ähnlich zu
jenen Tönen
sind, die von Telefongeräten
verwendet werden, um Tasteneingaben zu übertragen; die Erfindung stellt
einen hohen Grad an Sicherheit bereit, der mit anderen kabellosen
Verbindungen vergleichbar ist, weil der Träger des Hörgerätes von dem Programmiersystem
durch einen akustischen Kanal elektrisch isoliert ist.
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Um
Daten über
ein Audiosignal zu dem digitalen Hörgerät zu übertragen, können ebenso
eine Anzahl Modulationstechniken verwendet werden, die für Computermodems
und RF-Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise kann eine Technik ähnlich der
Spread-Spektrum-Technik verwendet werden, in welcher der eingegebene
Datenstrom mit einer Audioband-Maximumlängen-Sequenz
moduliert wird. Diese Technik ist gegenüber Hintergrundgeräuschen äußerst beständig. Ebenso
können
standardisierte Modulations-/Demodulations-Techniken, wie die quadratische Phasenverschiebungsverschlüsselung
(quadrature phase shift keying; PSK) Differential-PSK (DPSK) und
die quadratische Amplituden-Modulation (quadrature amplitude modulation; QAM)
verwendet werden. Der Einsatz dieser Techniken ist in Computermodem
weit verbreitet – DPSK
ist in V.22- und V.22bis-Modems standardisiert. QAM ist eine kohärente Modulationstechnik,
die zum Übertragen
digitaler Information über
Frequenzband-begrenzte Kommunikationswege hoher Qualität gut geeignet
ist. Indem eine dieser Techniken verwendet wird, ist es erforderlich,
dass das Hörgerät Software-programmiert
ist, um es als ein Modem zu betreiben. Solche Techniken sind in
der Druckschrift "REAL-TIME DSP MODEMS WITH
A PC AND SOUND CARD",
Circuit Cellar INK: The Computer Applications Journal, Ausgabe 76,
Seiten 21–29,
November 1996, von M. Park und B. McLeod offenbart, wobei hiermit
der Inhalt dieser Druckschrift als Referenz enthalten ist.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verarbeiten
eines Audiobandsignals in einem digitalen Hörgerät bereitgestellt, wobei das
Hörgerät ein Mikrofon,
eine Analyse-Filterbank mit mehreren separaten Frequenzbandausgängen, einen
programmierbaren digitalen Signalprozessor sowie einen Empfänger umfasst, worin
das Verfahren folgende Schritte aufweist: (1) Programmieren eines
Codierungsschemas im digitalen Signalprozessor; (2) Empfangen des
Tonfrequenzbandsignals am Mikrofon; (3) Umwandeln des Tonfrequenzbandsignals
in ein digitales Signal; (4) in der Analyse-Filterbank, Trennen
des digitalen Signals in mehrere separate Frequenzbandsignale, die jeweils
für ein
bestimmtes Frequenzband repräsentativ
sind; (5) Zuführen
des Frequenzbandsignals zum digitalen Signalprozessor; (6) Bestimmen,
ob in den separaten Frequenzbandsignalen Programmierinformation
gemäß dem Codierschema
codiert ist; (7) wenn in den Frequenzbandsignalen Programmierinformation
gemäß dem Codierungsschema
codiert ist, Decodieren der Frequenzbandsignale, um die Programmierinformation
zu erhalten und die Programmierinformation im Hörgerät zu speichern; und (8) wenn in
den Frequenzbandsignalen keine Programmierinformation gemäß dem Codierungsschema
codiert ist, gegebenenfalls Verarbeiten der Frequenzbandsignale
gemäß der im
Hörgerät gespeicherten
Programmierinformation, um ein verarbeitetes Tonfrequenzband-Ausgangssignal
am Empfänger
bereit zu stellen.
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In
bevorzugter Weise weist das Verfahren ferner den Verfahrensschritt
des Synthetisierens von Programmierinformation in Tonfrequenzband-Programmiersignal
und das Übertragen
des Tonfrequenzband-Programmiersignals zum Hörgerät auf. Ebenso ist in bevorzugter
Weise das Programm in einem Tonfrequenzband-Programmiersignal im
Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz codiert. Die Programmierinformation
kann derart digital in ein Tonfrequenzband-Programmiersignal synthetisiert
werden, dass sich das Tonfrequenzband-Programmiersignal von möglichen
störenden
Tonsignalen unterscheidet.
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Zu
diesem Zweck kann die Programmierinformation so in ein Tonfrequenzband-Programmiersignal
synthetisiert werden, dass sich die Frequenzbandsignale, die durch
die Analyse-Filterbank
als Reaktion auf das Tonfrequenzband-Programmiersignal erzeugt werden, darauf
hinweisen, dass Toninformation in alternierenden Frequenzbändern vorhanden ist,
und dass in Frequenzbändern
zwischen den alternierenden Bändern
keine Toninformation vorhanden ist. In vorteilhafter Weise weisen
die Frequenzbänder
das Alternieren von geradzahligen Bändern und ungeradzahligen Bändern auf,
und worin der Logikpegel 1 mit einem aus den geradzahligen Bändern und
ungeradzahligen Bändern
ausgewählten
Bändern
codiert ist, und der Logikpegel Null mit den anderen alternierenden
Bändern
aus den geradzahligen Bändern
und ungeradzahligen Bändern
codiert ist.
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In
vorteilhafter Weise weist der Verfahrensschritt (7) außerdem den
Verfahrensschritt des Erzeugens eines Ton-Verifizierungssignals am Empfänger auf,
um zu verifizieren, dass Programmierinformation im Hörgerät gespeichert
wurde. In einer Ausführungsform
wird ein separates Mikrofon bereitgestellt, dass ein auf einem PC-basierendes
oder dafür bestimmtes
Hörgerät-Programmiergerät angeschlossen
ist, um das Tonverifizierungssignal zu empfangen und so die Korrektheit
der im Hörgerät gespeicherten
Programmierinformation zu verifizieren.
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Üblicherweise
wird das Tonfrequenzband-Programmiersignal über ein Netzwerk übertragen,
das aus einem lokalen Netzwerk, einem Weiteverkehrsnetz oder einer
Modemstrecke ausgewählt ist,
wobei das Verfahren die Verfahrensschritte des Synthetisierens von
Programmierinformation in das Tonfrequenzband-Programmiersignal
umfasst, wodurch das Tonfrequenzband-Programmiersignal lokal und
akustisch zum Hörgerät übertragen
wird. Die Programmierinformation kann über einen Multimedia-Computer
in Textformat, Binärformat
oder einem anderen Forma empfangen und lokal in das Tonfrequenzbandsignal
synthetisiert werden. Alternativ hierzu kann das Tonfrequenzband-Programmiersignal
von einem Computer vorsynthetisiert und über ein Computer-Netzwerk zu
einem Hörgerät-Programmsystem übertragen
werden, wo die Programmierinformation decodiert und akustisch reproduziert
wird, um das Hörgerät zu programmieren.
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Die
Verfahrensschritte (2) bis (7) des Verfahrens können entweder durchgeführt werden,
während
ein Benutzer das Hörgerät trägt, um eine
direkte Verifizierung der Eignung des Programms für den Benutzer
durchzuführen;
oder indem das Hörgerät in eine
Tonkammer gegeben und das Hörgerät an einen Koppler
angeschlossen wird, der die Eigenschaft des menschlichen Hörgangs simuliert,
wodurch das Programmiersignal akustisch zum Hörgerät übertragen werden kann, das
von jeglichem störenden
Tonsignal isoliert ist.
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Das
Hörgerät kann ebenso
optional einen ersten und zweiten Eingang aufweisen, wobei der erste
Eingang das Mikrofon aufweist und das Verfahren den Verfahrensschritt
des Codierens der Programmierinformation in zwei separaten Tonfrequenzbandsignalen
und den Verfahrensschritt des Übertragens
eines Tonfrequenzbandsignals zu einem Eingang und des anderen Tonfrequenzbandsignals
zum anderen Eingang umfasst.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein digitales Hörgerät bereit,
welches folgendes aufweist: (a) ein Mikrofon zum Empfangen eines
Tonfrequenzbandsignals; (b) einen A/D-Wandler zum Umwandeln des
Tonfrequenzbandsignals in ein digitales Signal; (c) eine Analyse-Filterbank
zum Trennen des digitalen Signals in mehrere separate Frequenzbandsignale,
die jeweils für
ein bestimmtes Frequenzband repräsentativ
sind; (d) einen programmierbaren digitalen Signalprozessor zum Empfangen der
Frequenzbandsignale, der programmiert ist, um zu bestimmen, ob in
den separaten Frequenzbandsignalen Programmierinformation gemäß einem
Codierungsschema codiert ist; (e) einen Speicher zum Speichern von
Programmierinformation; wobei, wenn in den Frequenzbandsignalen
Programmierinformation codiert ist, der digitale Signalprozessor
die Frequenzbandsignale decodiert und die Programmierinformation
im Speicher speichert, und wenn in den Frequenzbandsignalen keine
Programmierinformation codiert ist, der digitale Signalprozessor
gegebenenfalls die Frequenzbandsignale gemäß im Speicher gespeicherter
Programmierinformation verarbeitet, um verarbeitete Frequenzbandsignale
bereitzustellen; (f) eine Synthese-Filterbank zum Kombinieren der
verarbeiteten Frequenzbandsignale zu einem verarbeiteten digitalen
Signal; und (g) einen D/A-Wandler und einen Empfänger zum Umwandeln des verarbeiteten
digitalen Signals zu einem verarbeiteten Tonfrequenzband-Ausgangssignal.
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In
einer Ausführungsform
ist der programmierbare digitale Signalprozessor programmiert, um Programmierinformation
zu identifizieren, wenn Toninformation in alternierenden Frequenzbändern vorhanden
ist und in Frequenzbändern
zwischen den alternierenden Bändern
im Wesentlichen nicht vorhanden ist. Alternativ hierzu ist der programmierbare
digitale Signalprozessor programmiert, um Programmierinformation
zu decodieren und zu demodulieren, die in einem Tonfrequenzband-Programmiersignal gemäß einem
bekannten Modulationsverfahren übertragen
wird.
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In
einem anderen Aspekt bilden das digitale Hörgerät sowie ein auf einem PC basierendes
oder dafür
bestimmtes Hörgerät-Programmiergerät, das Programmierinformation
in ein Tonfrequenzband-Programmiersignal synthetisiert und das Tonfrequenzband-Programmiersignal
zum Hörgerät überträgt, ein
Hörgerät-Programmiersystem
aus.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und um deutlicher zu zeigen, wie sie auszuführen ist,
wird im nachfolgenden exemplarisch auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen, in welchen folgendes gilt:
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sowie schematisch ein Blockdiagramm eines
ASIC-Datenweg-Prozessors sowie eines programmierbaren digitalen
Signalprozessors in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
ein mögliches
Codierungsschema gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Es
wird auf die 1 Bezug genommen, wo die Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung ein Mikrofon 10 als einen ersten
mit einem Vorverstärker 12 verbundenen
Eingang aufweist, der wiederum mit einem Analog-zu-Digital-(A/D)-Konverter 14 verbunden
ist. Dieses ermöglicht
es in einer bekannten Art und Weise, dass beispielsweise ein akustisches
Tonfrequenzbandsignal in dem Mikrofon empfangen, vorverstärkt und
in eine digitale Darstellung in dem A/D-Konverter 14 umgewandelt wird.
Ebenso kann ein zweiter Eingang 11 (der ebenso ein Mikrofon
aufweisen kann) mit einem Vorverstärker 13 verbunden sein,
der wiederum an einem Analog-zu-Digital-(A/D)-Konverter 15 angeschlossen
ist. Von daher ist die vorliegende Erfindung mit sowohl Monoton-Anwendungen
(d. h. mit einem digitalen Datenstrom), als auch mit Stereo-Anwendungen
(d. h. mit zwei digitalen Datenströmen) ausführbar.
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Wie
es in der 1 gezeigt ist, ist die Ausgabe
des A/D-Konverters 14 (und
wenn ein zweiter Eingang existiert, die Ausgabe des zweiten A/D-Konverters 15)
mit einer für
eine Filterbankanwendung spezifizierten integrierten Schaltung (ASIC) 16 verbunden,
oder alternativ hierzu über
einen synchronen seriellen Port direkt mit einer programmierbaren
digitalen Signalprozessor-(DSP)-Einheit 18 verbunden. Es können zusätzliche
(nicht dargestellte) A/D-Konverter bereitgestellt werden, um eine
digitale Verarbeitung von mehreren separaten Eingangssignalen zu gestatten.
Ferner können
(nicht dargestellte) Eingangssignale vor der Konvertierung bzw.
Umwandlung in dem analogen Wertebereich durch diese A/D-Konverter
miteinander vermischt werden, oder alternativ hierzu in dem digitalen
Wertebereich durch die programmierbare DSP-Einheit 18 miteinander vermischt
werden. Die Filterbank-ASIC 16 ist ausgelegt, um einen
digitalen Datenstrom (Mono-Ton) oder zwei digitale Datenströme (Stereo-Ton)
zu verarbeiten, wie es in der anhängigen Patentanmeldung Nr. _____
beschrieben ist. Die Ausgabe des Filterbank-ASIC 16 ist
mit einem Digital-zu-Analog-(D/A)-Konverter 20 verbunden.
Der Konverter 20 ist wiederum über einen Leistungsverstärker 22 mit einem
Hörgerät-Empfänger 24 verbunden.
Von daher wird das gefilterte Signal in einer bekannten Weise zurück in ein
analoges Signal umgewandelt, verstärkt und dem Empfänger 24 zugeführt.
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Die
Ausgabe des A/D-Konverters 14 und die von jedweden zusätzlichen
A/D-Konvertern, die vorgesehen sind, können, anstatt dass sie wie
gezeigt mit der ASIC 16 verbunden sind, über einen
synchronen seriellen Port mit der programmierbaren DSP-Einheit 18 verbunden
sein. Auf ähnliche
Weise kann die Ausgabe des D/A-Konverters 20 alternativ hierzu
mit der programmierbaren DSP-Einheit 18 verbunden sein.
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Innerhalb
der Filterbank-ASIC 16 gibt es eine Analyse-Filterbank 26,
die die digitale Repräsentation
des Eingangssignals oder der Signale in eine Vielzahl separater
komplexer Frequenzbänder
aufteilt oder einteilt, die durch die Signale 1–N dargestellt werden. Wie
es in der 1 gezeigt ist, wird jedes dieser
Frequenzbandsignale oder Ausgaben mit einer gewünschten Verstärkung in
einem entsprechenden Multiplier 28 multipliziert. In dem
Fall einer Mono-Ton-Verarbeitung sind die negativen Frequenzbänder komplex
konjugierte Versionen der positiven Frequenzbänder. Als ein Ergebnis hiervon
sind die negativen Frequenzbandsignale implizit bekannt und müssen nicht
verarbeitet werden. Die Ausgänge
der Multiplier 28 sind dann mit Eingängen einer Synthese-Filterbank 30 verbunden,
in welcher diese Ausgaben rekombiniert werden, um eine vollständige digitale
Repräsentation
des Signals auszubilden.
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Für die Stereo-Verarbeitung
besteht nicht die Beschaffenheit der komplex konjugierten Symmetrie. In
diesem Fall sind die N-Frequenzbandsignale oder Ausgaben eindeutig
und stellen den Frequenzinhalt von zwei reellen Signalen dar. Die
Frequenzbandausgaben müssen
zunächst
verarbeitet werden, um den Inhalt der beiden Signale voneinander
in zwei Frequenz-Wertebereichsignale zu separieren, bevor der Verfahrensschritt
der Verstärkungsmultiplikation ausgeführt werden
kann. Die beiden hinsichtlich der Frequenz separierten Signale sind
komplex konjugiert symmetrisch und befolgen die gleichen Redundanzeigenschaften,
wie sie zuvor für
die Monoton-Verarbeitung
beschrieben wurden. Das Multiplier-Betriebsmittel 28 muss von
daher zwei Sätze
von Verstärkungs-Multiplikationen
für den
nicht-redundanten Abschnitt (d. h. für den Abschnitt positiver Frequenz)
von jedem Signal durchführen.
Nach der Multiplikation werden die Signale in ein Mono-Ton-Signal
kombiniert, und die weitere Verarbeitung ist identisch zu der im
Mono-Ton-Fall.
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Um
die Daten- und Verarbeitungsanforderungen zu reduzieren, werden
die Frequenzbandausgaben von der Analyse-Filterbank 26 in
einer bekannten Art und Weise heruntergesampelt oder dezimiert.
Theoretisch ist es möglich,
den Inhalt der Signalinformation mit einem Dezimierungsfaktor bis
zu N zu bewahren, der der kritischen Abtastung bei der Nyquist-Rate
entspricht. Jedoch wurde herausgefunden, dass die maximale Dezimierung,
obwohl sie Rechneranforderungen erleichtert, eine schwerwiegende
Verzerrung erzeugt, wenn sich angrenzende Frequenzbandverstärkungen
stark unterscheiden. Da diese Verzerrung in einer nicht hinnehmbaren Weise
das Eingangssignal beeinflusst, wurde ein geringerer Umfang der
Dezimierung verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Frequenzbandausgaben
mit einem Faktor OS-mal der theoretischen minimalen Abtastrate übergesampelt.
Der Faktor OS stellt einen Kompromiss zu höheren Werten dar, die eine
geringere Verzerrung bei dem Aufwand von höheren Verarbeitungsanforderungen
bereitstellen. In bevorzugter Weise ist der Faktor OS als ein durch
die DSP-Einheit programmierbarer Faktor ausgeführt.
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Um
Berechnungen zu reduzieren, kann eine Zeit-Faltungsstruktur verwendet werden, wie
sie in einer anhängigen
und gleichzeitig eingereichten Anmeldung Nr. _____ mit dem Titel "FILTERBANK STRUCTURE
AND METHOD FOR FILTERING AND SEPARATING AN AUDIO SIGNAL INTO DIFFERENT
BANDS, PARTICULARLY FOR HEARING AIDS" im Namen von Robert Brennan und Anthony Todd
Schneider offenbart wird.
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Wie
bei 32 angezeigt, sind Verbindungen zu einer programmierbaren
DSP-Einheit 18 vorgesehen, um es zu ermöglichen, dass die DSP-Einheit eine
bestimmte Verarbeitungsstrategie implementiert. Die programmierbare
DSP-Einheit 18 weist ein Prozessormodul 34 auf,
welches einen flüchtigen Speicher 36 enthält. Der
Prozessor 34 ist zusätzlich mit
einem nicht-flüchtigen
Speicher 38 verbunden, der mit einer Ladungspumpe 40 versehen
ist.
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Wie
nachfolgend detailliert beschrieben, sind verschiedene Kommunikations-Ports
vorgesehen, d. h.: einen 16-Bit-Eingangs/Ausgangsport 42,
einen synchronen seriellen Port 44 sowie eine Programmier-Schnittstellenverbindung 46.
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Die
durch die DSP-Einheit 18 empfangenden Frequenzbandsignale
repräsentieren
die verschiedenen Frequenzbänder
und werden von dem digitalen Signalprozessor 34 verwendet,
um Verstärkungs-Einstellungen
festzulegen, so dass eine gewünschte
Verarbeitungsstrategie implementiert werden kann. Die Verstärkungen
werden basierend auf den Eingangssignal-Charakteristika berechnet
und dann den Multipliern 28 zugeführt. Während einzelne Multiplier 28 gezeigt
sind, können
diese in der Praxis, wie es bereits angedeutet ist, durch einen
oder mehrere Multiplier-Betriebsmittel
ersetzt werden, die von den Filterbank-Frequenzbändern geteilt werden. Dieses
kann von Vorteil sein, da es die für die DSP-Einheit erforderliche
Verarbeitungsmenge reduziert, und zwar indem die Verstärkungs-Aktualisierungsrate
reduziert wird, und indem es zugelassen wird, dass weitere Berechnungen
von der effizienteren ASIC durchgeführt werden. Auf diese Art und
Weise kann die Lebensdauer der Batterie verlängert werden, weil die DSP-Einheit 18 Leistung
sparen kann, indem sie für
eine längere
Zeitperiode in einem leistungsschonenden Stand-by-Zustand gehalten
wird.
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Der
Prozessor 34 kann so ausgeführt sein, dass er ermittelt,
wenn Verstärkungseinstellungen
erforderlich sind. Wenn Verstärkungseinstellungen nicht
erforderlich sind, kann die gesamte programmierbare DSP-Einheit 18 in
einen Zustand mit niedrigem Leistungsverbrauch oder in einen Stand-by-Zustand
geschaltet werden, um derart den Leistungsverbrauch zu reduzieren
und um von daher die Lebenszeit der Batterie zu verlängern. In
einer anderen, nicht dargestellten Variante der Erfindung sind die Multiplier 28 von
der ASIC ausgelassen. Die Ausgaben von der Analyse-Filterbank 26 werden
dann dem digitalen Signalprozessor 34 zugeführt, der
sowohl die erforderlichen Verstärkungen
berechnet als auch diese an den Signalen für die verschiedenen Frequenzbänder anwendet.
Die derart modifizierten Bandsignale werden dann zurück zu der
ASIC und dann zu der Synthese-Filterbank 30 geführt. Dieses wird
durch eine gemeinsam bzw. geteilt genutzte Speicherschnittstelle
erzielt, welche nachfolgend beschrieben wird.
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Eine
Kommunikation zwischen der ASIC 16 und der programmierbaren
DSP-Einheit 18 ist in bevorzugter Weise durch eine geteilt
genutzte Speicherschnittstelle vorgesehen. Die ASIC 16 und
die DSP-Einheit 18 können
auf den geteilten Speicher simultan zugreifen, jedoch mit dem einzigen
Nachteil, dass beide Vorrichtungen nicht simultan auf den gleichen
Speicherort des Speichers schreiben können.
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Sowohl
das ASIC 16 als auch die programmierbare DSP-Einheit 18 benötigen einen nicht-flüchtigen
Speicher zum Speichern von Filterkoeffizienten, Algorithmusparameter
und Programmen, wie es bei 38 angezeigt ist. Der Speicher 38 kann
entweder ein elektrisch löschbarer,
programmierbarer Festwertspeicher. (EEPROM) oder ein Flash-Speicher
sein, der bei Bedarf von dem Prozessor 34 ausgelesen oder
auf den durch den Prozessor 34 geschrieben werden kann.
Da es sehr schwierig ist, eine zuverlässige Operation für eine große Bank (z.
B. 8 KByte) von einem EEPROM oder einem Flash-Speicher bei niedrigen Versorgungsspannungen
(1 Volt) zu erzielen, ist die Ladungspumpe 40 vorgesehen,
um die Spannungsversorgung für
den nicht-flüchtigen
Speicher zu erhöhen,
wenn es notwendig ist, um von dem nicht-flüchtigen Speicher zu lesen oder
in den nicht-flüchtigen
Speicher zu schreiben. In typischer Weise werden der nicht-flüchtige Speicher 38 und
seine zugehörige
Ladungspumpe 40 nur dann freigegeben, wenn das gesamte
Gerät oder
das Hörgerät eine Boot-Operation
durchführt; danach
werden sie gesperrt (heruntergefahren), um den Leistungsverbrauch
zu reduzieren.
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Programme
und Parameterinformation können
ebenso dem digitalen Signalprozessor 34 über die
bidirektionale Programmier-Schnittstellenverknüpfung 46, die diesen
einer Programmierschnittstelle verbindet, überführt werden. Diese Schnittstelle
empfängt
von einem Arbeitsplatzrechner oder einem dedizierten Programmierer über eine
bidirektionale kabelgestützte
oder kabellose Verbindung Programme und Parameterinformation. Es
ist ersichtlich, dass der Ausdruck "Programm" allgemein ausführbare Codes aufweisen kann,
welche gelöscht
werden können,
sobald sie von dem Hörgerät verarbeitet wurden.
Bei einem Anschluss an einer kabelgestützten Programmierschnittstelle
wird durch die Schnittstelle für
den nicht-flüchtigen
Speicher Leistung zugeführt;
dieses wird ferner die Lebenszeit der Batterie des Hörgerätes verlängern. Ebenso
kann ein speziell synthetisiertes Tonfrequenzbandsignal verwendet werden,
um die digitale Filterbank des Hörgerätes zu programmieren.
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Der
synchrone serielle Port 44 ist an der DSP-Einheit 18 vorgesehen,
so dass ein zusätzlicher Analog-zu-Digital-Konverter zur Verarbeitung
von Schemata, die zwei Eingangskanäle erfordern, einbezogen werden
kann (z. B. zur Verarbeitung von „Beamforming" – „Beamforming" ist eine Technik
in der Hörgerättechnik,
die es ermöglicht,
dass ein Hörgerät mit zumindest
zwei Mikrofonen auf eine bestimmte Schallquelle fokussiert wird).
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Der
programmierbare digitale Signalprozessor 34 stellt ferner
ein flexibles Verfahren zum Verbinden und zum Abfragen von Benutzersteuerungen
bereit. Ein 16-Bit breiter paralleler Port ist für die Verbindung von Benutzersteuerungen
bereitgestellt, wie etwa für
Umschaltungen, Lautstärkensteuerungen (Encoder
vom Wellentyp) oder für
zukünftige
Erweiterungen. Indem diese Betriebsmittel unter einer Software-Steuerung
der DSP-Einheit 18 vorliegen, stellt
dies eine Flexibilität
bereit, die nicht mit einer fest verdrahteten ASIC-Implementation
möglich
ist.
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Es
ist wesentlich, die in schwierigen Betriebsumgebungen Zuverlässigkeit
der digitalen Filterbank des Hörgerätes sicherzustellen.
Von daher kann eine Fehlerprüfung
oder eine Fehlerprüfung
sowie eine Korrektur an Daten verwendet werden, die in dem nicht-flüchtigen
Speicher gespeichert sind. Immer wenn dieser eingeschaltet wird,
wird das Hörgerät ebenso
einen Selbsttest des flüchtigen
Speichers durchführen
und den Signalweg prüfen,
indem ein digitales Eingangssignal angewandt und verifiziert wird,
dass das erwartete Ausgangssignal erzeugt wird. Zuletzt wird ein Überwachungszeitgeber
verwendet, um die Stabilität
des Systems sicherzustellen. Bei einer festgelegten Rate erzeugt
dieser Zeitgeber eine Unterbrechung, die bedient werden muss, oder
das gesamte System wird zurückgesetzt.
In dem Fall, wenn das System zurückgesetzt
werden muss, erzeugt die digitale Filterbank des Hörgerätes ein
akustisches Signal, um den Benutzer zu warnen.
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Eine
Anzahl von Sub-Frequenzband-codierten (d. h. digital komprimierten)
Tonfrequenzsignalen kann in dem nichtflüchtigen Speicher 38 gespeichert sein
und zu dem flüchtigen
Speicher (RAM) 36 für Echtzeit-Wiedergabe
an den Benutzer des Hörgerätes überführt werden.
Die Sub-Frequenzband-Codierung
kann eine solche sein, wie sie in den Kapiteln 11 und 12 von Jayant,
N. S. und Noll, P., „DIGITAL
CODING OF WAVEFORMS" (Prentice-Hall; 1984) beschrieben
wird, was hierin über
diese Bezugnahme enthalten ist. Diese Signale werden verwendet,
um ein akustisches Zeichen der Operation des Hörgerätes bereitzustellen. Die Sub-Frequenzband-Codierung
der akustischen Signale reduziert den erforderlichen Speicher (nicht-flüchtigen
Speicher), und macht auf effiziente Weise Verwendung von der bestehenden
Synthese-Filterbank und dem programmierbaren DSP, weil diese als
Sub-Frequenzband-Signal-Decoder
verwendet werden.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung werden nun, zum Programmieren des
Hörgeräts die für die Übertragung
von Programmen und Parameterinformation verwendeten Tonfrequenzbandsignale
ausgelegt, um Muster von Pegeln an den Ausgaben der Analyse-Filterbank 26 derart
zu erzeugen, dass es höchst
unwahrscheinlich ist, dass diese Muster mit jenen Mustern durcheinander
gebracht werden, die durch irgendein anderes auf natürliche Weise
vorhandenes oder störendes
Tonfrequenzsignal erzeugt werden, welche in Alltagsumgebungen auftreten
können.
Die Programmier- und Parameter-Information wird bei der Anwesenheit,
dem Fehlen und Übergängen dieser
Muster codiert. Diese Zustände
(Anwesenheit, Fehlen und Übergang)
werden an der Filterbankausgabe durch die programmierbare DSP-Einheit 34 detektiert
und decodiert, um die Programmier- und Parameter-Information zu extrahieren.
Nachfolgend wird ein Beispiel eines geeigneten Signals angegeben.
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Während des
normalen Betriebs überwacht die
programmierbare DSP-Einheit 34 die Ausgabepegel der Filterbankkanäle und detektiert
die Anwesenheit, das Fehlen und Übergänge der
speziellen Programmiersignale. Wenn diese speziellen Muster fehlen,
wird das Hörgerät normal
arbeiten. Wenn ein spezielles Muster dieser Zustände an den Analyse-Filterbankausgaben
erfasst wird, wird das Hörgerät in den
Programmierzustand übergehen.
Sobald sich das digitale Filterbank-Hörgerät im Programmierzustand befindet,
wird es fortfahren, codierte Daten zu empfangen, die als das Vorhandensein,
das Fehlen und als Übergänge der
speziellen Programmiersignale übertragen
werden, bis es ein spezielles Muster dieser Zustände empfängt, das die Programmierung
beendet, oder bis für
eine festgelegte Zeitlänge
keine Erfassung der speziellen Programmiersignal erfolgt ist.
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Das
Hörgerät stellt
eine Verifikation dahingehend bereit, dass die codierten Daten korrekt
empfangen und detektiert wurden, indem ein akustisches Signal durch
den Hörgerätempfänger 24 übertragen wird.
Dieses akustische Signal codiert die Daten, die durch das Hörgerät empfangen
und decodiert wurden.
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Es
wird auf die 2 Bezug genommen, die ein Schema
zum Codieren des Signals zeigt. Die Filter-Frequenzbänder sind
als abwechselnd geradzahlig numerierte Frequenzbänder und ungeradzahlig numerierte
Frequenzbänder
identifiziert. Wie dargestellt, kann ein logischer Pegel 0 dargestellt
werden, indem ein Signal in den ungeradzahlig numerierten Frequenzbändern mit
keinem wesentlichen bzw. wirklich vorhandenen Signal (z. B. liegt
das Signal unterhalb eines Schwellenwertes) in den abwechselnd geradzahlig
numerierten Frequenzbändern
bereitgestellt wird. Dementsprechend kann ein logischer Pegel 1
durch ein Signal in den geradzahlig numerierten Frequenzbändern mit
keinem wesentlichen Signal in den ungeradzahlig numerierten Frequenzbändern identifiziert
werden.
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Wie
die Frequenzbänder
verwendet werden, um das Signalformat zu übertragen, wird davon abhängen, wie
viele Frequenzbänder
in der Filterbankstruktur vorhanden sind. Beispielsweise ist vorgesehen,
dass die Anzahl der Frequenzbänder
zwischen 16 und 128 variieren kann. Für 128 Frequenzbänder ist
es nicht notwendig, dieses abwechselnde Signalformat über sämtliche
128 Frequenzbänder
zu haben. Es ist lediglich notwendig, eine hinreichende Anzahl von
Frequenzbändern
abzudecken, so dass die digital codierten Programmdaten deutlich
von einem Umgebungssignal oder einem lokalen Signal, die empfangen
werden können,
unterscheidbar sind.
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Ebenso
ist es ersichtlich, dass, während
in der angedeuteten Art und Weise die logischen Pegel 1 und 0 identifiziert
werden können,
andere komplexere Codierschemata bereitgestellt werden können, um
derart eine schnellere Übertragung
von Daten zu ermöglichen.
Wenn es beispielsweise 128 Frequenzbänder gibt, kann jede Gruppe
von 16 Frequenzbändern
oder möglicherweise
auch eine geringere Anzahl von Frequenzbändern verwendet werden, um
1 Bit Daten zu codieren. Dieses würde es ermöglichen, dass gleichzeitig
8 Bit oder mehr Daten übertragen werden.
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Ebenso
ist es möglich,
dass komplexere Codierschemata verwendet werden. Tatsächlich ist
beabsichtigt, dass jedes herkömmliche
Codierschema, wie es für
herkömmliche
Modems und Übertragungen über Telefonleitungen
verwendet wird, verwendet werden kann. Weil hier im Vergleich zu
Telefonleitungen eine größere Bandbreite
zur Verfügung
steht, können
tatsächlich
solche Codierschemata modifiziert werden, um eine noch höhere Daten-Übertragungsrate
zu geben.
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Von
daher kann beispielsweise eine Anzahl bekannter Modulationstechniken
für Computermodems
und RF-Anwendungen eingesetzt werden, um Daten über ein Tonsignal oder einen
Tonkanal zu dem digitalen Hörgerät zu übertragen.
Beispielsweise kann eine Technik, die ähnlich der Spread-Spektrum-Technik
ist, verwendet werden, wo der Eingangs-Datenstrom mit einem Ton-Frequenzband
und einer Maximum-Längensequenz
moduliert wird. Diese Technik ist äußerst resistent gegenüber Hintergrundrauschen.
Andere Standard-Modulations-/Demodulationstechniken,
wie etwa die quadratische Phansenverschiebungs-Verschlüsselung
(quadrature phase shift keying; PSK), das Differential-PSK (DPSK)
sowie die quadratische Amplitudenmodulation (quadrature amplitude
modulation; QAM) können ebenso
verwendet werden. Indem eine dieser Techniken verwendet wird, ist
es für
das Hörgerät erforderlich,
als ein Modem zu operieren. Aus diesem Grund wird die programmierbare
DSP-Einheit 34 effektiv eine Einrichtung zum Demodulieren und
Decodieren des ausgewählten
Modulationsschemas enthalten.
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Obgleich
viele Modem-Codierschemata nicht auf einfache Weise von potentiell
gewöhnlichen akustischen
Signalen unterscheidbar sein mögen, wird,
um eine richtige Identifikation dieser Signale sicherzustellen,
das Hörgerät zunächst zu
diesem ein kurzes, in der oben genannten Art und Weise verschlüsseltes
Audio-Programmiersignal übermitteln, um
dem Hörgerät zu signalisieren,
dass es in den Programmiermodus umschalten soll. Das Hörgerät wird dann
weitere Signale lesen, die gemäß dem mittels
der anfänglichen
Anweisung bzw. Anfangs-Anweisung angezeigten Codierschema empfangen werden.
Am Ende dieser Anweisungen wird zu dem Hörgerät ein Ende der Programmieranweisung
gesendet, welches bewirkt, dass das Hörgerät zurück in seinen gewöhnlichen
Operationsmodus schaltet, bis es erneut eine kurze Anfangs-Anweisungssequenz empfängt, die
anzeigt, dass die Programmierung startet.
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Das
Verifikationssignal wird mittels des Hörgerätempfängers bei einem hinreichend
niedrigen Pegel akustisch erzeugt, so dass das Hörgerät durch einen Benutzer gewarnt
werden kann, während
es programmiert wird. Aus diesem Grund wird das Verifikationssignal
zu dem Ohrkanal übertragen,
wo es von einem Messröhren-Mikrofonsystem
empfangen wird, das mit dem Hörgerät-Programmiersystem
verbunden ist. Wenn das Hörgerät durch
einen Benutzer gewarnt wird, während
es programmiert wird, wird die Programmierinformation zu dem Hörgerät über einen Lautsprecher
in ein Schallfeld übertragen.
In sehr lauten oder widerhallenden Umgebungen werden Kopfhörer verwendet,
um das akustische Programmiersignal zu übertragen. Dieses wird sicherstellen, dass
das Hörgerät ein "sauberes" akustisches Programmiersignal
empfängt.
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Das
Hörgerät-Programmiersystem
ist ebenso in der Lage, das Hörgerät zu programmieren,
während
es getragen wird. In diesem Fall wird das Hörgerät in eine Schallkammer gesetzt,
wobei deren Ausgabe mit einem Koppler verbunden ist, der die akustischen
Charakteristika des menschlichen Ohrkanals simuliert und der eine
akustische Isolation von dem Eingangssignal bereitstellt. Das Hörgerät-Programmiersystem überträgt die Programmiersignale
durch einen Lautsprecher zu dem Hörgerät. Das Verifikationssignal
wird von dem Hörgerätempfänger in
den Koppler übertragen,
wo es verstärkt
und zu dem Hörgerät-Programmiersystem
zurück
gesendet und gegenüber
den Daten, die übertragen
wurden, verglichen wird.
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Wie
erwähnt,
können
die Tonsignale, die ein binäres "1" und "0" darstellen,
synthetisiert werden, so dass sie jeden anderen Kanal der Analyse-Filterbank
bei einem Pegel aktivieren, der hinreichend ist, um den übertragenen
Pegel von einem Störsignal
zu unterscheiden, welches vorhanden sein kann. Diese Signale werden
aus Summen von Sinusverläufen
mit Frequenzen konstruiert, die bei den Mitten-Frequenzen von abwechselnden
Kanälen
der Analyse-Filterbank
liegen.
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Diese
Signale werden unter Verwendung eines Software-Programms durch bestimmte, in einem PC
vorhandene Hardware, oder durch ein Hörgerät-Programmiersystem synthetisiert,
welches auf einem Multimedia-PC läuft, und akustisch zu dem Hörgerät übertragen.
Wenn eine Fern-Programmierung eines Hörgerätes über ein Computernetzwerk erforderlich
ist, wird eine binäre
oder Text-File-Darstellung über
das Netzwerk zu einem Multimedia-PC oder zu einem Hörgerät-Programmiersystem übertragen, und
die Programmiersignale werden lokal synthetisiert und akustisch
zu dem Hörgerät übertragen.