Transcript Phonak Insight Roger De nieuwe standaard in draadloze technologie

Phonak Insight
Roger
De nieuwe standaard in draadloze technologie
Roger is een nieuwe standaard in draadloze technologie. Vanaf nu zullen er alleen oplossingen ontwikkeld worden op basis van het
Roger platform. Deze brochure beschrijft de techniek en filosofie achter dit platform. Roger maakt een betrouwbare breedbandige
audioverzending zonder merkbare vertraging mogelijk naar miniatuur (low power) ontvangers voor toepassing bij hoortoestellen
of cochleaire implantaten. Roger is veel meer dan een eenvoudig digitaal radiosysteem. Verfijnde en adaptieve algoritmen
in de Roger-architectuur bieden Roger een prestatieniveau dat voorheen niet mogelijk werd geacht. Tegelijkertijd maken de
automatische functies en eenvoudige koppelingen het beheer en gebruik van Roger heel gemakkelijk.
De nieuwe standaard
Bij de ontwikkeling van een nieuwe draadloze standaard heeft de
keuze van de transmissietechnologie een enorme impact op de
­uiteindelijke functies. Phonak stelde zich als doel een geheel nieuwe
standaard in draadloze techniek te ontwikkelen die een antwoord
biedt op de volgende lijst van vragen:
• Is het mogelijk om aanzienlijk beter te presteren dan de beste
technologie die momenteel verkrijgbaar is, op het gebied van spraakherkenning bij ruis, over afstand en bij een slechte
akoestiek?
• Is het mogelijk om de complexiteit te verminderen voor het
­instellen, beheren en gebruiken van draadloze systemen?
• Is het mogelijk om een geheel nieuwe technologiestandaard te ontwikkelen die scholen niet noodzaakt om investeringen uit het verleden af te schrijven, maar het mogelijk maakt om
geleidelijk over te stappen op de nieuwe standaard?
• Is het mogelijk een nieuwe standaard te ontwikkelen die probleemloos te combineren is met andere merken hoortoestellen,
CI’s en tenslotte ook met SoundField-systemen?
• Is het mogelijk de audiobandbreedte te vergroten en de audiovertraging van de nieuwe standaard binnen acceptabele
grenzen te houden?
• Is het mogelijk de ruisvloer te verlagen en het dynamische
­regelbereik van het systeem in het audiodomein te vergroten?
• Is het mogelijk om dode hoeken in een ruimte, waar de draadloze
microfoon een ontvanger niet bereikt, volledig te vermijden?
• Is het mogelijk dat de nieuwe standaard vrij is van interferentie
van andere draadloze systemen in de directe omgeving zoals
WiFi-netwerken (2,4 GHz), TL-verlichting (laagfrequente
­inductieve interferentie), Bluetooth-apparatuur (2,4 GHz), en
GSM-netwerken van verschillende generaties (800 tot 900 MHz),
en interferentie door zonlicht (zoals vaak het geval is bij
­infraroodsystemen)?
• Is het mogelijk een standaard te creëren die zowel zendt als
ontvangt?
• Is het mogelijk om ‘controledata’ samen met de audiostream te versturen?
• Is het mogelijk één technologiestandaard voor de gehele wereld
te ontwikkelen, zodat gebruikers vrij kunnen reizen en zonder
van kanaal te hoeven veranderen, en dat onderhoud overal mogelijk is?
Bestaande technologieën kunnen maar enkele van deze vragen
­positief beantwoorden. Voor de belangrijkste vraag – Kunnen we
spraakverstaan bij ruis verder verbeteren? – was absoluut een
­nieuwe aanpak nodig. Dit inspireerde Phonak om een nieuwe standaard te ontwikkelen, met de ambitie om geen enkele concessie te doen. Een grote groep audiologen en technici die werkzaam zijn
op het gebied van micro-elektronica, software, akoestiek, radio­
frequentie, protocollen en mechanisch ontwerp, heeft er vele jaren
aan gewerkt om de nieuwe standaard te ontwikkelen: Roger.
Digitaal, draadloos en adaptief @2,4 GHz
Roger is een andere techniek dan Bluetooth. Met Bluetooth vindt
herhaling van de pakketverzending alleen plaats op verzoek van de
ontvanger, of zelfs zonder herhaling bij het SCO-protocol (gebruikt in de eerste headsets). Als de ontvangstbevestiging van een pakket
niet bij de Bluetooth-zender aankomt, wordt het pakket nogmaals
verzonden. Dit betekent dat Bluetooth-ontvangers nagenoeg voortdurend terugzenden naar de verzender, waardoor het stroomverbruik
bij de Bluetooth-ontvanger aanzienlijk toeneemt. Met Bluetooth is
het maximale aantal ontvangers ook nog eens beperkt tot drie, wat
betekent dat zelfs maar twee luisteraars met binaurale Bluetoothontvangers op het oor niet naar één en dezelfde Bluetooth-stream
kunnen luisteren, laat staan grotere groepen. Bij het Bluetoothheadsetprotocol is de audiovertraging nog acceptabel (10 tot 15 ms),
maar de audiobandbreedte is vaak beperkt (tot 4 kHz) tenzij de
­functie ‘breedbandspraak’ gebruikt wordt van het handsfree-profiel
versie 1.6 die tot 7 kHz kan gaan. In het Bluetooth-audiostreamingprotocol, A2DP, neemt de bandbreedte toe tot 20 kHz, maar door de audiovertraging van meer dan 100 ms is dit niet geschikt voor
2
Phonak Insight | Roger – de nieuwe standaard in draadloze technologie
live één-op-één communicatie. Deze vertraging kan alleen met
­speciale Bluetooth-chips aan beide uiteinden worden verminderd tot ongeveer 40 ms. Daarnaast kan bij het A2DP-Bluetoothprotocol
slechts één ontvanger worden gebruikt, en het stroomverbruik bij die ontvanger is zelfs nog hoger dan bij het headsetprotocol.
Frequentie [MHz]
Roger is een adaptieve, digitale en draadloze transmissietechnologie
in de 2,4 GHz band. Audiosignalen worden gedigitaliseerd, ingedeeld in zeer korte (160 µs) digitale codesalvo’s (pakketjes) en diverse
­keren uitgezonden via verschillende kanalen tussen 2,4000 en
2,4835 GHz. Door dit frequentieverspringen tussen kanalen, in com­
binatie met herhaald uitzenden, worden interferentieproblemen
voorkomen. De zgn. “End-to-end” audiovertraging ligt ver onder 25 ms,
en Roger-systemen zijn bovendien beschermd tegen afluisteren.
Het frequentieverspringen (frequency hopping) van Roger is
­adaptief, wat inhoudt dat alleen vrije kanalen gebruikt worden. De
Roger-ontvangers ‘praten’ regelmatig terug naar de uitzendende
draadloze microfoons om het systeem te informeren welke kanalen
regelmatig bezet zijn door andere systemen in de buurt die werken
bij 2,4 GHz (zoals een WiFi-netwerk) en welke kanalen vrij zijn. De Roger draadloze microfoon ‘springt’ dan automatisch om deze
bezette kanalen heen. De Roger microfoons kunnen ook de aanwezigheid van een WiFi-netwerk opmerken, en hierop reageren.
Er is geen grens aan het aantal Roger-systemen dat in één gebouw
gebruikt kan worden. Uit geavanceerde simulatieberekeningen voor het worst-case scenario bleek dat er geen zelfinterferentie op zal treden.
Indien het Roger audiopakketje desondanks toch niet correct wordt
ontvangen, dan worden de lege plekken opgevuld door de intelligente
algoritmen aan de zijde van het ontvangertje, met een uitstekende
geluidskwaliteit en optimaal luistercomfort als resultaat.
Tijd [ms]
Fig. 1
Door frequentieverspringen en herhaald verzenden van audiopakketten kan
wederzijdse interferentie tot een minimum beperkt worden.
Roger-systemen zenden audiopakketten uit op verschillende kanalen
binnen de band van 2,4 GHz (tussen 2,4000 en 2,4385 GHz), wat
­betekent dat er verschillende dragergolflengten geselecteerd worden.
Een ontvanger kan dergelijke pakketten rechtstreeks via de zichtlijn
ontvangen, maar ook via een omweg wanneer de elektromagnetische
radiogolven weerkaatsen tegen de wanden, de vloer of het plafond.
De verschillende lengten van de verschillende signaalpaden kunnen
de sterkte van het elektromagnetische veld bij de ontvangende
­antenne versterken of verminderen, afhankelijk van de fase- en amplitudeverschillen op de verschillende golven. Dit interferentiegedrag
is afhankelijk van de golflengte. Door willekeurig de verschillende
kanalen te selecteren waarop een audiopakket wordt verzonden,
wordt de kans dat alle golven elkaar uitdoven bij de ontvangende
antenne door ‘multipath fading’ enigszins verminderd als meer dan één ontvangende antenne wordt gebruikt. Met andere woorden,
als één van de antennes last heeft van multipath fading (dus signalen ontvangt die elkaar uitdoven), dan is de kans groot dat de andere
antenne geen last heeft van multipath fading.
Samengevat wordt vermindering van interferentie bereikt door
­tijddiversiteit (het meerdere malen na elkaar verzenden van
­audiopakketten), door frequentiediversiteit (het verzenden van
­audiopakketten op verschillende dragergolflengten, waardoor de kans vergroot wordt dat als één pakket opgeheven wordt bij
­aankomst, een ander pakket niet wordt opgeheven), en, in het geval
van Roger Dynamic SoundField, ook door ruimtediversiteit (het
­gebruik van twee ontvangende antennes op verschillende plaatsen in de ruimte, waardoor ontvangst geoptimaliseerd wordt). (Zie figuur 2).
Roger biedt een grote frequentiebandbreedte, van 200 Hz tot 7300 Hz.
De interne signaal/ruis-verhouding van het systeem is ongeveer 55 dB. Met Roger hoeven de zender en de ontvanger elkaar (anders
dan bij veel infraroodsystemen) niet te kunnen ‘zien’, en interferentie
door zonlicht of andere sterke lichtbronnen kan niet optreden.
De Roger-chip
Speciaal voor de geminiaturiseerde ontvangers heeft Phonak een
Roger-chip ontwikkeld (zie figuur 3), aangezien geen enkel bestaand
geïntegreerd circuit aan de eisen kon voldoen. De Roger-chip bevat
6,8 miljoen transistors (ter vergelijking, een Pentium Pro Processor
heeft er 5,5 miljoen). Analoge en digitale blokken bevinden zich
naast RAM-, ROM-, EEPROM- en Flash-geheugenblokken op een
minuscule chip.
Frequentiediversiteit
F1
F3
F2
F1
Ruimtediversiteit
F3
F2
F3
F2
Tijddiversiteit
F1
Fig. 2
Vermindering van interferentie door tijd-, frequentie- en ruimtediversiteit.
Roger verzendt niet alleen een audiosignaal, maar ook ‘controlecommando’s’. Deze zijn bijvoorbeeld nodig bij het instellen en/of
onderhouden van een MultiTalker Network en bij het voortdurend
bewaken van verschillende netwerkcomponenten om zeker te zijn
van een ongestoorde werking.
Elektromagnetische golven bij 2,4 GHz hebben een golflengte van
ongeveer 12,5 cm. Hierdoor is het ontwerp van nieuwe, kleine en
draadloze microfoons mogelijk met korte, ingebouwde antennes. Bij 800 MHz is de golflengte 37,5 cm en bij 200 MHz (in het
­traditionele FM-frequentiebereik) is de golflengte 1,5 m, waardoor
bijvoorbeeld de externe microfoonkabel dienst moet doen als
­radioantenne.
Fig. 3
De Roger-microchip.
Prestatie in ruis
De draadloze microfoons van Roger berekenen continu met de
hoogste precisie het niveau van de omgevingsruis. Deze metingen
sturen de versterking van de Roger-ontvangers aan. Controlebits
worden parallel met het breedbandige audiosignaal naar de Rogerontvangers verstuurd voor het adaptief aanpassen van de versterking
zodat deze bij de akoestische omgeving past waarin het Roger-­
systeem gebruikt wordt. Het dynamische regelbereik is vergroot. Dit
geavanceerde dynamische gedrag leidt tot significante verbeteringen
in het spraakverstaan bij ruis, voornamelijk bij hogere ruisniveaus tot 80 dB(A) (ruisniveaus die vrij vaak voorkomen in het dagelijks leven,
vooral in openbare gelegenheden of in de werkomgeving). Gerelateerde studieresultaten (door professor Linda Thibodeau, PhD en Jace
Wolfe) zijn samengevat in twee edities van Nieuws praktijkonderzoek
Phonak: ‘Roger voor hoortoestellen’ en ‘Roger voor cochleaire implantaten’. Figuur 4 toont de belangrijkste resultaten van de studie
van Dr. Thibodeau.
Phonak Insight | Roger – de nieuwe standaard in draadloze technologie
3
Traditioneel FM
Dynamic FM
Duale transmissie
Roger
Percentage correcte woorden (HINT)
100
De inspiro kan zowel de ‘oude’ (analoge) Dynamic FM-ontvangers als de nieuwe (digitale) Roger-ontvangers aansturen. In één klas kan
dus een leerling zitten met oude ontvangers en een andere leerling
met Roger ontvangers, waarbij de leerkracht maar één ­inspiro hoeft de dragen. Door deze duale transmissiemodus kunnen scholen
­geleidelijk overstappen van Dynamic FM-ontvangers naar Rogerontvangers. Voor de DynaMic doorgeefmicrofoon en de AudioHub
geldt hetzelfde. Van belang is wel dat deze typen 3 zenders firm­
wareversie 3.0 of nieuwer hebben. Met een firmware-upgrade naar
4.0 kunnen deze draadloze microfoons ook de duale transmissie­
modus gebruiken.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Quiet
50
55
60
65
70
75
80
Achtergrondruis (dB(A))
Naast dit innovatieve dynamische gedrag, gebruikt Roger ook een
nieuw geavanceerd algoritme voor de beamforming van de microfoon. Deze beamformer is in staat om ruis te onderdrukken die
zowel van de linker- als de rechterzijde komt met minimale vervorming zonder de frequentierespons te veranderen. Voor draadloze
microfoons in omgevingen met veel lawaai betekent deze beamformer
een significante verbetering in de signaal/ruis-verhouding bij de
bron, waardoor de verstaanbaarheid voor de luisteraar verbetert.
Beheer en gebruik van Roger
Draadloze systemen hebben vaak de reputatie complex te zijn. Het
plannen en beheren van een frequentieplan in een schoolomgeving
was voorheen erg bewerkelijk. Hiervoor is speciale aanpassoftware
nodig om de kanalen van de microfoon en de ontvanger toe te
­wijzen en te programmeren. Met Roger is dit allemaal niet langer
nodig. Het opzetten van een netwerk is snel, makkelijk en erg
­gebruiksvriendelijk. Als er in een ruimte ook gebruik gemaakt wordt
van het Dynamic SoundField-systeem, dan kan deze daar pro­
bleemloos deel van uitmaken. U klikt één keer op een knop, en als
de twee componenten eenmaal gekoppeld zijn blijven ze dat (ook na het uitschakelen).
4
Phonak Insight | Roger – de nieuwe standaard in draadloze technologie
Stroomverbruik
Voor zowel Roger microfoon als de Roger ontvangers is het stroomverbruik zeer redelijk. Een volledig opgeladen accu werkt in duale
transmissiemodus 7 tot 8 uur. Dit is ruim voldoende voor een volledige schooldag.
In actieve modus verbruiken de miniatuur Roger-ontvangers ­onder
het hoortoestel 3 mA. Dit kan onder normale omstandigheden zonder problemen geleverd worden door een hoortoestelbatterij.
Vrijheid in reizen
Omdat 2,4 GHz wereldwijd een vrij toegankelijke frequentieband is
(een zogenaamde ISM-band: Industry, Science, en Medical), is er
geen vergunning nodig. Dit betekent dat gebruikers van het Rogersysteem vrij kunnen reizen en hun systemen over heel de wereld
kunnen gebruiken. Doordat de standaard in elk land hetzelfde is, is
het onderhouden van Roger-systemen tijdens de reis ook eenvoudiger
geworden.
028-0955-07/V1.00/2013-04/8G Printed in XXX © Phonak AG All rights reserved
Fig. 4
HINT-scores voor het percentage correcte woorden als een functie van ruisniveau
voor traditionele FM, Dynamic FM en Roger. De afstand tussen de via de luidspreker
gegenereerde spraak en de luisteraar was 5,5 m. N=11. Bij een ruisniveau van 80 dB(A) scoorden 9 deelnemers lager dan 10% met traditionele FM, 6 deelnemers
scoorden lager dan 10% met Dynamic FM en slechts 1 deelnemer scoorde lager dan
10% met Roger.