JP5069697B2 - 適応可能なデータ受信タイミングを有する補聴器 - Google Patents

Description

本発明は、信号を無線受信する通信回路を備えた補聴器に関する。

国際特許願公開第WO 2004/110099号には、単純であるため必要なコードの量が少なく、かつ作業中の消費電力が少ない通信プロトコルを有する、補聴器の無線ネットワークが開示されている。さらにその獲得時間(acquisition time)は短くかつその待ち時間は短い。

その開示されている補聴器は、複数の他の装置と通信するためその補聴器を無線ネットワークと相互接続するトランシーバ、および前記通信プロトコルに従って、データ交換を前記ネットワークを通じて制御するように構成されている通信制御装置を備えている。

開示されている一実施態様では、そのトランシーバと通信制御装置は、時間が番号付きタイムスロットに分割され、かつネットワーク中の異なる装置がそれぞれ特定のタイムスロットで通信し、例えばデータを受信する時分割多元接続方式(TDMA)に従って作動する。

この発明によれば、データ通信は、一装置で、時間を番号付きタイムスロットに分割することによって実行される。異なる装置が、それぞれの特定タイムスロットで、通信し、例えばデータを受信する。特定のタイムスロットで信号を受信するように配置構成されている補聴器の消費電力を減少させるため、その補聴器の受信機はそのタイムスロット中でのみターンオンされる。しかし、タイミングを制御するため使用されるクロック信号の精度には限度があるので、各種の装置は、そのタイムスロットを、完全な精度で同期化できず、例えば受信装置は、受信を開始する時間が、送信装置と一致しない。これは、いくらかのマージンが必要であることを意味し、つまり通常の補聴器の通信回路は、それぞれのタイムスロットより長い期間、電力が供給されることを意味する。

より正確なタイミングによって、電力消費量が減少させることできるが、通常、この解決策は、嵩高の構成部分(結晶)を組み込む必要がある。

本発明は、扱いやすい解決策を提供するものである。本発明によれば、補聴器は、そのタイムスロットの前に必要なマージンをとって、ネットワークからのデータの受信を開始し、次いで第一データが実際に受信されるまでの、すなわち受信データフレームの開始が検出されるまでの遅延時間を測定し、次いでその遅延時間を記録する。タイムスロットが次に現れたとき、受信の開始が、前のタイムスロットにおける受信中に測定された値に従って調節され、すなわち早められるかまたは遅らされる。以後、用語「受信機の起動」はデータ受信の開始を意味する。したがって、受信機が起動すると、受信機の回路はターンオンされて、受信機はデータを受信できる。これは、受信機の電力消費量を増大する。データの受信を停止すると、受信機の回路はターンオフされて受信機の電力消費量は再び低下する。

したがって、本発明によれば、上記およびその外の目的は、データ受信用の受信機および通信制御装置を含む、無線通信用通信回路を備えた補聴器を提供することによって達成される。その通信制御装置は、データ受信を制御し、次いで受信機の起動とデータ受信の実際の開始と間の遅延時間を測定し、続いてその測定した遅延時間に従って次の受信機起動を調節するように構成されている。

このように、補聴器が、例えば通常のZnO₂電池によって十分に供給される低い電力消費量で通信できることは、本発明の重要な利点である。

本発明の上記およびその外の特徴と利点は、その代表的な実施態様を、添付図面を参照して詳細に説明することによって、当業者には、より明らかになるであろう。

本発明の代表的実施態様を示す添付図面を参照して、以下に本発明をより十分に説明する。しかし、本発明は、異なる形態で実施できるので、本明細書に記載されている実施態様に限定されるとみなすべきではない。それどころか、これらの実施態様は、この開示が全く完全なものであり、本発明の範囲を当業者に完全に伝達するために提供するものである。同じ参照番号はすべて同じ要素を意味する。

本発明の補聴器無線ネットワークは、ネットワーク中の複数の装置、例えば補聴器、遠隔制御装置、調整装置、携帯電話、ヘッドセット、ドアベル、警報装置、テレコイルリプレイスメント(tele coil replacement)などの放送装置などの相互接続が容易にできるようにする。

一実施態様では、その受信機と通信制御装置は、周波数多様化法またはスペクトル拡散法によって作動し、すなわちそのネットワークによって利用される周波数の範囲は、多数の周波数チャネルに分割され、そして伝送信号が、予め定められた方式に従って、チャネルを切り換えて、その伝送信号は前記周波数の範囲全体に分布される。本発明によって、ネットワーク中の装置に、ネットワークの履歴に依存することなく与えられた時点に、ネットワークがどの周波数チャネルを利用するか計算させる周波数ホッピングアルゴリズムが提供され、例えば、現在の周波数チャネルの数に基づいて、疑似乱数ジェネレータが次の周波数チャネル数を計算する。これによって、ネットワーク中の新しい装置の同期化が容易に行なわれるようになり、例えば、その新装置は、ネットワーク中にすでに接続されている装置と同じ疑似乱数ジェネレータを含んでいる。その新装置は、獲得中に、現在の周波数チャネル数を受信すると、ネットワーク中の他の装置と同じ次の周波数チャネル数を計算する。ネットワーク中の一装置が主幹装置であることが好ましい。システム中の他のすべての装置が、前記主幹装置のタイミングに同期化し、好ましくは、その主幹装置は補聴器である。というのは、その補聴器の使用者は、そのネットワークを使用するとき、常に補聴器を携帯しているからである。

ネットワーク中のどの装置も、それ自体の識別番号、例えば32ビットの番号を持っている。二人の使用者が同じ識別番号を有する聴取装置を所有している確率は無視できるので、大域的に独特な識別番号は必要でない。

新装置は、ネットワークによって自動的に認識されて、ネットワークに接続されることが好ましい。

初期同期化中、例えば獲得中、すなわちネットワークを最初に確立する過程と新装置を既存のネットワークと接続させる過程において、補聴器がターンオンされるとき、同期化が手動で実施されるとき、同期化が自動的に繰返し開始されるときなどは、従属装置は、繰返し期間中聴取できる。その期間中、何も受信されなかった場合は次の期間まで待機し、そして何か受信した場合、その遅延時間を測定する前に1 ¹/₂フレーム受信を続ける。

その通信が騒音に対する感度が低いということは、拡散スペクトル方式に従って作動するネットワークの利点である。というのは、騒音は一般に、特定の周波数チャネル中に存在し、そして通信は、短期間、特定の周波数チャネル内でのみ実施され、その後、通信は別の周波数チャネルに切り換えられるからである。

さらに、いくつものネットワークが近接して共存することができ、例えば二人以上の補聴器使用者がネットワークの混信無しで同じ部屋の中に居ることができる。というのは、二つのネットワークが一つの特定周波数のチャネルを同時に使用する確率は非常に低いからである。同様に、補聴器のネットワークは、同じ周波数のバンドを利用する他の無線ネットワーク、例えばBluetooth networkなどの局地領域の無線ネットワークと共存できる。本発明の補聴器は、両耳補聴器システム中に有利に組み込むことができ、すなわち、二つの補聴器が、音響信号、信号処理パラメータ、信号処理プログラムの認識などの制御データなどのデータのディジタル交換を行なう無線ネットワークを通じて相互に接続され、そして遠隔制御装置などの他の装置と、任意に相互接続される。

図1は、左耳の補聴器と右耳の補聴器を有する本発明の両耳補聴器を図式的に示し、これら補聴器は各々、無線ネットワークと接続するためのトランシーバと通信制御装置を有し、その無線ネットワークはこれら二つの補聴器を相互接続し、かつこれら補聴器とこの無線ネットワーク内の他の装置を相互に接続する。図1に示す実施例では、ドアベル、携帯電話、コードレス電話、TVセットおよび調整装置も前記無線ネットワークに接続されている。

ネットワークは、装置間でデータ通信を行なう一組の装置を相互に接続する手段である。本発明によれば、このネットワーク中の装置の一つは、主幹装置として働き、すなわち、そのネットワーク中の他の装置に、同期化するためのタイミングの情報を伝送する。したがって、その主幹装置はこれら装置のタイミングを制御する。その外の装置は従属装置である。

IDがどんな装置も識別する。このIDはそのネットワーク内で独特なものである。

本発明の例示実施態様は、2.4 GHzの産業科学的医療(ISM)バンドで作動する。このバンドは、バンド幅が1MHzの周波数チャネルを80個含んでいる。周波数ホッピングTDM法を利用する。獲得中、より迅速に獲得するため、周波数ホッピング法は少ない数の周波数チャネルを有し、例えば16チャネル未満であり、好ましくは8チャネルである。数の少ない一組の周波数チャネルのメンバーは獲得チャネルである。この獲得チャネルは、好ましくは、前記ネットワークによって利用された周波数バンド全体にわたって均一に分布されている。

図2に示すプロトコルによれば、時間は、長さが1250μs(最小Bluetooth(商標)スロットの長さの2倍)のいわゆるスロットに分割されている。これらスロットは、0から255までの番号が付けられている。

256個のスロット、すなわちスロット0からスロット255までのスロットが一フレームを構成している。フレームにも番号が付けられている。

スロットの長さの選択に影響する要因としては、そのシステムに必要な短い待ち時間および見出しとPLLロッキングに関する所望の小さいオーバヘッドがある。好ましくは、スロットの長さは、625μsの倍数であり、本発明のプロトコルをBluetooth(商標)対応装置で実施しやすくする(すなわち阻止しない)。

各スロット(スロット128を除く)は、特定の一装置による伝送に使用して、データがネットワーク内で衝突するのを防止する。どの従属装置もスロット128内でデータを伝送するので、衝突はこのスロット内で起こる。主幹装置はタイミング情報をスロット0内で伝送する。従属装置のスロットカウンタとフレームカウンタは、ネットワークの主幹装置のそれぞれのカウンタと同期化される。

装置は、データを伝送するのに一つまたは二つ以上のスロットを使用できる。スロットは、与えられた装置を製造中に割り付けるかまたは獲得中に動的に割り付けることができる。その割付け表は、好ましくは、主幹装置中に記憶される。

時分割多元接続(TDMA)フレーム構造体によって、ネットワーク内の装置は、時間が番号をつけたタイムスロットに分割されている協調タイムスケジュールに従って、データを伝送・受信し、そしてネットワーク内の異なる装置は、それぞれの特定のタイムスロット内で通信し、例えばデータを受信する。補聴器の電力消費量を減少させるため、補聴器のトランシーバは、そのタイムスロット内でのみターンオンされる。さらに、ビット速度は、かようなシステム内で増減することができる。すなわち、低ビットの伝送速度が必要な場合、トランシーバは、その短い時間内だけ活性である必要がある。このようにして電力が節約される。

しかし、タイミングを制御するのに使用される刻時信号の精度は限定されているので、無線ネットワークに接続された各種装置は、そのタイムスロットを完全精度(complete accuracy)で同期化できず、例えば、ネットワーク内の受信候補が、受信開始時の伝送候補と一致できない。これは、マージンが必要であることを意味し、また従来の補聴器のネットワーク回路は、それぞれのタイムスロットより長い期間通電されることを意味する。これは、図3に示してある。

図3のNは、クロック期間の単位でフレーム長を表す。伝送「候補1」は、それ自体のクロック期間T_CLK1に基づいてフレーム長を決定する。「候補2」は、フレームk＋1で伝送されたデータを受信するときにターンオンされねばならず、かつ前のフレームkが実際に始まる時間に対してそれ自体のクロック期間T_CLK2を使用する時間を測定する。候補2は、
受信機が作動し始めるまえにN−Ｍ期間を計数する。なおMは必要なマージンを表す。タイミングの最大の差は、下記式：

において、最小T_CLK1がT_CLK−ΔT_CLKに等しくかつ最大T_CLK2がT_CLK＋ΔT_CLKに等しいときに生じる。

この要件によって、最小許容マージンMが決定される。例えば、クロック期間が、±5%まで変化すると、「候補2」は、一般に、必要になる前、受信機をフレーム期間の1/10の期間ターンオンする。一般に、トランシーバの回路の電流消費量は、電池供給電圧1.2Ｖにて約1 mAであり、すなわち10%の余剰マージンが、0.1 mA*1.2 V=0.12 mWの余剰電力消費量をもたらし、これはその補聴器の電力消費量の約7%-10%になる。

図4は、受信装置がそのフレームタイミングを調節して、伝送候補のそれにマッチさせる本発明によって、タイミングマージンを低下させて電力消費量を低下させる方法を示す。

図4において、
・Nは、クロック期間の単位で基準フレーム長を表す定数である。
・T_CLK1(k)は、k号フレーム内で測定された「候補1」のクロック発信器の平均期間で ある。
・T_CLK2 (k)は、k号フレーム内で測定された「候補2」のクロック発信器の平均期間で ある。
・ΔN(k)は、T_CLK2 (k)の単位で測定したk号フレームの推定(適応)長の補正値を表す 変数である。
・Doは、実フレームが始まる前に、受信機がターンオンされねばならない期間である目標 遅延時間であり、クロック期間の単位で測定した。
・D(k)は、k号フレームが実際に始まるまでに、「候補2」がターンオンされたときの時 間間隔の測定値であり、T_CLK2 (k−1)の単位で測定した。

この例示実施態様では、ΔN(k)は、D₀に近づくD(k)の測定値に基づいて連続的に更新される。さらに、ΔN(k)は、計数値の増減に対応して正または負になると解される。

1次アルゴリズムを利用して、下記式：

（式中、a₀は一般に0.5-1.5の範囲内の定数である）で表されるΔN(k)を更新できる。a₀が0.5に近い値であるとき、聴覚順応が遅く、そしてその更新値は、補聴器の発信機の短い過渡現象または揺らぎに影響されないが、実質的に、その発信機の経年ドリフトに従う。かような状況では、目標遅延時間D₀が大きい方が有利である。

しかし、いくつものタイプの補聴器では、補聴器発信機の周波数の速い変化を処理できることが決定的に重要である。一般に、補聴器の周波数は電池の電圧で決まる。例えば、補聴器の出力が、高い音圧と低い音圧の間を頻繁に変動して電圧の変動をもたらし、この変動が発信機の周波数の変動ももたらすとき、より大きい値のa₀(例えば、a₀=1.5)を使用することが重要である。より大きい値のa₀を使用すると、より低い目標遅延時間値D₀を使用できるようになる。通常、a₀の値の選択は、最適の電力節約と適応速度を保証するため、目標遅延時間の所望の低い値間の折衷に基づいている。

好ましくは、ΔN(k)は、下記式：

(式中、a₀−a_Maおよびb₁−b_Mbはフィルタ定数である)によって更新される。その動的挙動はこれらの定数によって決定される。上記式に従って、時間kにおける調節値ΔN(k)は、前の調節と前の誤差によって帰納的に決まる。好ましい実施態様では、フィルタ定数が、最も新しい調節と誤差が調節に最も大きく影響するように選択される。例えば、(英文p 8 l 5の記号省略)は数の減少数列であるので、古い誤差は新しい誤差より重要度が低い。

このアルゴリズムの動的挙動を、ここでz-変換を利用して説明する。
第一に、時間単位のΔN(k)誤差を、下記式：

によって決定する。

T_CLK1 (k)=T_clk+ΔT₁(k)/NおよびT_CLK2 (k)=T_clk+ΔT₂(k)/N(式中、ΔT_i(k)はフレーム期間の基準値からの偏差を表す)を代入して、下記式：

が得られる。

さらに、下記式が得られる。

z変換を適用し、入力タイミング誤差：ΔT(k)≡ΔT₁(k)−ΔT₂(k)および出力タイミング誤差E(z)を使って、下記式：

が得られる。

E(z)について解いて、下記式：

が得られる。

各種のパラメータを最適化して、最適タイミング誤差を棄却できる。

であれば(ｚ＝1の場合のゼロトランスファー(zero transfer))、静的誤差は完全に除かれることに留意されたい。

図5は、本発明による通信制御装置の一実施態様の機能ブロックのブロック図である。図１は、発信機20を示し、この発信機は例えば2 MHzで発信できる。発信機20はタイマ22に接続され、そのタイマはクロックサイクルの数を計数する。タイマ22は最大カウントユニット(max count unit)24にも接続され、このユニットは最初、数Nを供給される。

タイマ22がN個のクロックサイクルを計数したとき、信号26がラジオ28に供給され、その信号がラジオ28の起動をトリガして起動し、その結果、そのラジオは、伝送装置(図示せず)の聴取を開始する。次に、ラジオ28は、ビットストリームを、SOF(Start Of Frame)(フレーム開始)相関器30に供給し、その相関器は、与えられた「フレーム開始」のビットメッセージを認識できる。前期伝送装置が伝送を開始する前は、このビットストリームは無意味である。しかし、前記SOFユニットが「フレーム開始」のビットメセージを認識すると、ラッチコンタクト(latch contact)32が起動されて、タイマ22は値Dを、ラッチ34に書き込むことができる。

値Dは、ラジオ28開始の信号が送られた時間からタイマ22が計数した値である。したがって、Dは、従属フレームが主幹フレームより遅れている時間の尺度である。

前記フレームタイミング装置に、追加して、MCU(Micro Control Unit)36が設置され、このユニットにはソフトウェアプログラムが供給される。MCU36は、値Dを、ラッチ34から読取ることができる。

SOF相関器30が信号をラッチコンタクト32に送るのと実質的に同時に、別の割込み信号38がMCU36に送られる。この割込み信号38は、MCU36にアルゴリズムを開始するように命令する。このアルゴリズムは、記憶されたD値を入力として利用し、次いでこの値Dを、前記ソフトウェアプログラムが利用して、クロックサイクル数Nを数値ΔNによって更新する。この数値ΔNは、最大カウントユニット24に供給され、数Nに加算される。

次のサイクル中、タイマ22がN+ΔNサイクルを計数した後、「ラジオ開始」のメッセージが送られる。

最大カウントユニット24は、タイマ22と一体の部分であってもよく、およびラッチコンタクト32も,ラッチ34と一体の内蔵部分であってもよい。

本発明の別の実施態様では、発信機は調節可能に製造され、そして制御装置は、受信機の起動と実際のデータ受信開始との間の遅延時間測定値に従って発信機の周波数を調節して受信機起動のマージンを最小限にするように構成されている。

本発明のさらに別の実施態様では、発信器がその出力信号のうちの一つを分割することによって、刻時信号をタイマに提供し、そして制御装置は、受信機の起動とデータ受信の実際の開始との間の遅延時間の測定値に従ってその分割比を調節するように構成されている。

図6は本発明のトランシーバと通信制御装置のブロック図である。また、ブロック図6は、ユニットに出入りする主要データストリームを示す。データを受信すると、RFチップインタフェース(RF chip interface)１が、配置構成(configuration)のため、SPI指令をRFチップに送る。そのRFチップインタフェースは、RFチップからデータストリームを受信する。

相関器2は、残りの受信チェーン(receive chain)が同期化できるように、スロットとフレームのタイミングを、syncワード(sync word)から抽出する。このタイミングに基づいて、見出し抽出ブロック3が、パッケージの見出しを分析して、スロット数とパッケージ長を抽出する。見出しのどのような誤りも報告される。データ脱白色化ブロック(data de-whitening block)4がパッケージのデータを白色化する。次いで、このデータは、直列-並列変換ブロック5によって、並列16ビットに変換される。そのパッケージのデータは、内部データ緩衝器(data buffer)6中に、データ緩衝器インタフェース7によって記憶される。その結果、このデータは、周辺バス(peripheral bus)を通じてDSPインタフェース8によってDSPにアクセス可能である。このパッケージデータ9に、CRCチェックも実施できる。全内部配置構成の登録および見出しのチェック結果、CRCの誤りなどは、DSPインタフェースを通じてアクセス可能である。多数のハードウェアタイマ11のみならずスロットとフレームの計数器10も設置されている。

制御装置の状態機械12は、ベースバンドエンジン(base-band engine)の全タイミングに応答可能である。

ゴールドコードジェネレ−ター(gold code generator)13が、前記syncワードをプログラムするために使用されるゴールドコードを生成させるため、ハードウェアアシスタンス(hardware assistance)を前記ソフトウェアに提供する。

伝送する際、RFチップインタフェース1は、配置構成のために、RFチップにSPI指令を送る。

DSPは、データのパッケージを、DSPインタフェース8経由で、データ緩衝器6と７に書き込む。そのパッケージデータは、データCRC発生ブロック9によって計算されたCRCを含んでいる。次いで、結合されたデータペイロード(data payload)とCRCが信号に変換され(5)次に白色化される(4)。そのパッケージの見出しは、見出し発生ブロック3によって形成され次いで前記データに追加される。次いで、完成されたパッケージが、RFチップインタフェース1によって、RFチップに送られる。

本発明の好ましい実施態様とみなされるものを説明してきたが、本発明から逸脱することなく各種の変更と変形を実行できることは、当業者にとって、明らかであろう。

無線ネットワークに連結された本発明の補聴器を図式的に示す。 スロットとフレームを示す。 従来のスロットタイミングを示す。 本発明のスロットタイミングを示す。 本発明の通信制御装置の機能ブロックを示す。 本発明のトランシーバと通信制御装置のブロック図である。

Claims (7)

1. 無線通信をおこなうための通信回路を有する補聴器であって、
   その回路が、データを受信する受信機、および
   受信機の起動時に受信機をターンオンし、受信機の起動とデータ受信の実際の開始との間の遅延時間を測定し、次に、その測定された遅延時間に従って次の受信機の起動を調節し、かつ、データ受信の終了時に受信機をターンオフするように構成された通信制御装置を備えている補聴器。
2. 次の受信機の起動の調節が、目標遅延時間に従って実施される請求項１に記載の補聴器。
3. 前記調節が、その前の調節、および受信機の起動とネットワークからのデータの実際の受信開始との間の、その前の測定された遅延時間に従って実施される請求項１または２に記載の補聴器。
4. その前の調節、または受信機の起動とネットワークからのデータの受信の実際の開始との間のその前の遅延時間の測定値に従って、調節が実施される請求項１または２に記載の補聴器。
5. 通信制御装置がさらに発信機と計数機を備え、その発信機はタイマにクロック信号を提供しそしてそのタイマは特定の計数値において受信機を起動し、およびその制御装置は、さらに、受信機の起動とデータ受信の実際の開始との間の遅延時間の測定値に対応する値で、前記計数値を調節するように適応される請求項１−４のいずれか一項に記載の補聴器。
6. 通信制御装置がさらに発信器と計数器を備え、その発信機はタイマにクロック信号を提供しそしてそのタイマは特定の計数値において受信機を起動し、その制御装置は、さらに、その受信機の起動とデータ受信の実際の開始との間の遅延時間の測定値に従って発信器の周波数を調節するように適応される請求項１−４のいずれか一項に記載の補聴器。
7. 通信制御装置がさらに発信器と計数器を備え、その発信機は、その出力信号のうちの一つを分割することによってタイマにクロック信号を提供しそしてそのタイマは特定の計数値においてその受信機を起動し、その制御装置は、さらに、受信機の起動とデータ受信の実際の開始との間の遅延時間の測定値に従って分割比を調節するように適応される請求項１−４のいずれか一項に記載の補聴器。

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