Опубликовано: 23.11.2021
Bluetooth Classic для слуховых аппаратов? Хорошо, что наши инженеры не знали, что это невозможно!
Недавно компания Phonak преодолела очередной технологический рубеж. Она стала первым производителем слуховых аппаратов, успешно применившим широко распространенную технологию Bluetooth Classic (2,4 ГГц) для прямого подключения слуховых аппаратов к бытовым электронным устройствам (смартфонам с операционными системами iOS и Android, телевизорам, компьютерам, стереосистемам, планшетам и т. д.) для потоковой передачи аудиосигнала (музыки и разговоров по телефону). 

Другие производители используют в своих слуховых аппаратах прямого подключения технологию Apple Bluetooth Low Energy (LEA), в связи с чем они получили название Made for iPhone (MFi) и могут подключаться только к iPhone® и iPad, что не дает возможности пользователям других операционных систем принимать потоковый аудиосигнал своими слуховыми аппаратами.Согласно отчету сервиса Statista за 2021 год, устройства с операционной системой Apple iOS занимают лишь 27 % мирового рынка. Наибольшая доля рынка (72 %) принадлежит устройствам, использующим операционную систему Android.

Phonak Marvel – новейшее поколение слуховых аппаратов прямого подключения. Они не только способны бинаурально передавать аудиосигнал и разговоры по телефону, но и, благодаря встроенному литий-ионному аккумулятору, обеспечивают целый день непрерывной работы (24 часа при 8 часах стриминга). Последним они обязаны низкому энергопотреблению микрочипа SWORD (Sonova Wireless One Radio Digital) третьего поколения. Этот сверхминиатюрный беспроводной чип обладает повышенной радиочувствительностью, совместимой с требованиями Bluetooth Classic. В результате при сохранении большого радиуса действия и стабильности соединения энергопотребление снижается. Чтобы преодолеть ограничение, связанное с потоковой передачей сигнала Bluetooth только в одно ухо, был разработан специальный алгоритм, расширяющий возможности Bluetooth для обеспечения потоковой передачи в оба уха. 

Что такое Bluetooth?

В индустрии слуховых аппаратов используются два основных протокола Bluetooth – Bluetooth Classic и Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE).

Bluetooth Classic – протокол коротковолновой радиосвязи, использующий международный стандартный диапазон частот, зарезервированный для промышленного, научного и медицинского оборудования (ISM). Работая в частотном диапазоне 2,4 ГГц, Bluetooth Classic обеспечивает дистанционный обмен аудиопотоками (голос, музыка) между двумя сопряженными устройствами, например мобильными телефонами, наушниками и стереосистемами. В отличие от Bluetooth LE, Bluetooth Classic использует стандарт Advanced Audio Distribution Profile (A2DP, или «расширенный профиль раздачи аудио») и поддерживает стандарт телефонных разговоров Hands Free Profile (HFP). Даже такие популярные устройства, как Apple AirPods, используют протокол Bluetooth Classic вместо собственного протокола Apple.

Протокол Bluetooth LE, как и Bluetooth Classic, действует в радиочастотном диапазоне 2,4 ГГц. Он был разработан для уменьшения энергопотребления при передаче управляющих сигналов, и обладает таким же, как и другие протоколы, радиусом действия (до 100 м в свободном поле). Впервые Bluetooth LE был представлен в 2006 г. компанией Nokia под именем Wibree. Слияние с основным стандартом Bluetooth произошло в 2010 г., одновременно с принятием версии Bluetooth 4.0. Протокол идеально подходит для периодической передачи небольшого объема данных и не предназначен для непрерывного стриминга. Компания Apple разработала модифицированную версию Bluetooth LE, применяемую в слуховых аппаратах MFi. Этот протокол обеспечивает полноценную потоковую передачу аудиосигнала из телефона в слуховые аппараты, но не поддерживает телефонные звонки в режиме «hands-free». 

Проблемы, связанные с использованием Bluetooth Classic в слуховых аппаратах

Использование Bluetooth Classic в слуховых аппаратах сопряжено с двумя основными проблемами. Они считались непреодолимыми, в связи с чем другие производители слуховых аппаратов решили остановиться на технологии Apple Bluetooth LE.

1. Энергопотребление.

Высокая энергоемкость протокола Bluetooth Classic хорошо известна. Другие производители слуховых аппаратов сбросили его со счетов, потому что он потребляет гораздо больше энергии, чем технология Made for iPhone. Электронные компоненты, необходимые для передачи по Bluetooth, могут быть успешно встроены в слуховой аппарат, но требования к питанию будут ограничивать срок службы воздушно-цинковой батареи ниже допустимого уровня.

2. Потоковая передача сигнала в оба уха.

Bluetooth Classic обеспечивает стабильную потоковую передачу высококачественного аудиосигнала, поддерживая при этом только один канал стриминга. Для бинауральной потоковой передачи аудиосигнала нужны два канала, что требует разработки специальных решений. В противном случае может возникнуть значительное рассогласование энергопотребления, заметное при использовании протокола A2DP. 

Микрочип SWORD: решение проблем Bluetooth

Решая связанные с Bluetooth Classic проблемы расхода батареи и бинаурального стриминга музыки и телефонных разговоров, компания Phonak создала SWORD – беспроводной чип, использующий протокол Bluetooth Classic, но при этом преодолевающий проблемы срока службы батареи и аудиостриминга.

1. Миниатюризация беспроводного чипа.

В 1965 г. Гордон Мур предположил, что «скорость процессоров, или общая вычислительная мощность компьютеров, будет удваиваться раз в два года». Это эмпирическое положение, широко известное как «закон Мура», применимо и к беспроводным цифровым слуховым аппаратам. Миниатюризация технологий является одним из ключевых факторов использования универсальной беспроводной связи и сложных алгоритмов без увеличения энергопотребления. Одновременно с уменьшением размеров структурных элементов чипа можно снизить энергопотребление. Если транзисторы становятся меньше и располагаются плотнее, путь перемещающихся между ними электронов сокращается, что экономит время и энергию. Чем меньше размер транзисторов, тем большее их количество может использоваться для реализации сложных функций без повышения расхода батареи. 

Компания Phonak разработала SWORD, сверхминиатюрный и сверхэкономичный чип. Он состоит из 42 млн транзисторов, размещающихся на площади 6,8 мм². Благодаря технологии CMOS с размером компонента 40 нм, SWORD является единственным беспроводным чипом, способным использовать один радиочип и одну антенну для всех приложений. В настоящее время это одно из самых энергоэффективных решений для слуховых аппаратов. Оно обеспечивает бóльшую вычислительную мощность для реализации сложных беспроводных возможностей, таких как потоковое бинауральное аудио с использованием Bluetooth Classic и уникальная технология бинауральной потоковой передачи аудиосигнала Binaural VoiceStream™. Они обе используют одну антенну, что способствует дальнейшей миниатюризации слухового аппарата. Благодаря собственным дополнениям к стандартному протоколу Bluetooth Classic, бинауральная потоковая передача аудиосигнала оптимизирована для внешних устройств. SWORD обеспечивает бóльшую надежность и стабильность Bluetooth-связи за счет новой конструкции антенны, которая позволяет передавать аудио-
сигнал из уха в ухо, вокруг головы. 

На Рисунке 1 представлено сравнение SWORD с другими беспроводными технологиями, например Apple W1 (собственный чип компании Apple, используемый в беспроводных наушниках AirPods на базе операционной системы iOS 10) или NXP Semiconductors (беспроводной чип, используемый в слуховых аппаратах MFi).

По экономному энергопотреблению и количеству доступных протоколов SWORD намного превосходит Apple AirPod и слуховые аппараты MFi. Этот сверхминиатюрный чип способен одновременно использовать несколько протоколов: например, Bluetooth Classic, Bluetooth LE и несколько собственных протоколов. Низкое энергопотребление, по сравнению с беспроводными чипами W1 и NXP, при этом сохраняется. 

Сравнение микрочипа SWORD с другими решениями Bluetooth.

Рис.1. Сравнение микрочипа SWORD с другими решениями Bluetooth.


2. Радиочувствительность и конструкция антенны. 

Для дальнейшей оптимизации энергопотребления очень важна чувствительность радиочипа и его антенны. Хорошая радиоантенна позволяет сократить энергопотребление, особенно при передаче сигнала, без уменьшения радиуса действия и снижения стабильности связи. Из-за очень короткой длины волны сигналу частотой 2,4 ГГц сложно огибать даже не очень большие препятствия. Слуховые аппараты традиционно использовали индукционную связь, требующую отдельного радиомодуля с собственной антенной. Конструкция SWORD обеспечивает достаточную для бинауральной передачи аудиосигнала чувствительность. Оптимизированная радиоантенна SWORD позволяет осуществлять двустороннюю потоковую передачу внешних аудиосигналов, а также бинауральный обмен сигналами вокруг головы. Она не теряет чувствительности из-за близости к телу, сохраняя высокую производительность при ношении на ухе. Кроме того, при конструировании антенны учли необходимость интеграции технологии Roger. Микропроцессору SWORD для реализации всех беспроводных функций требуется только одна антенна (Рис. 2). 


Различные протоколы, интегрированные в микрочип SWORD

Рис. 2. Различные протоколы, интегрированные в микрочип SWORD.


Управление питанием и расход батареи

Без вышеупомянутых инноваций использование Bluetooth Classic привело бы к значительному повышению энергопотребления. Именно по этой причине производители слуховых аппаратов MFi предпочли воспользоваться собственным протоколом компании Apple Bluetooth LE (LEA), поддерживающим два канала бинауральной потоковой передачи аудиосигнала. К недостаткам такого решения относятся ограниченное число подключаемых моделей смартфонов и планшетов (только Apple iPhone и iPad), невозможность телефонных звонков hand-sfree и невозможность подключения к таким устройствам, как компьютеры Apple. 

Микрочип SWORD был создан для низкого энергопотребления. Его система управления питанием включает в себя преобразователи напряжения, сводящие к минимуму расход тока слуховыми аппаратами Phonak в процессе использования Bluetooth Classic при потоковой передаче музыки и разговоре по телефону. Эта новая система управления питанием обеспечивает время работы батарейки, сопоставимое со слуховыми аппаратами MFi. 

На Рисунках 3 и 4 представлено сравнение пиковой и средней силы тока при потоковой передаче аудиосигнала и телефонном разговоре для слуховых аппаратов Marvel и двух аппаратов RIC, с технологией MFi (собственные лабораторные испытания Phonak). Пиковая сила тока соответствует потреблению тока в момент включения радио и отражает эффективность микрочипа. Этот параметр очень важен для воздушно-цинковых элементов питания, так как они могут одномоментно использовать ограниченное количество воздуха для выработки электричества и, следовательно, максимальная сила тока у них ограничена. При превышении этого максимума (зависит от размеров батарейки – 10, 312, 13, 675) напряжение падает и слуховой аппарат выключается, по крайней мере, временно. Этот эффект называют «кислородным голоданием», потому что элемент питания не может нормально «дышать». Более выраженным кислородное голодание становится к концу срока службы воздушно-цинковой батарейки и может привести к ее преждевременному выходу из строя, даже несмотря на то, что ее остаточной емкости хватает на выработку более слабого тока. В этой связи необходимо снизить пиковое потребление тока устройством. Сказанное не относится к литий-ионным аккумуляторам, способным генерировать гораздо более высокие пиковые значения тока и не нуждающимся в поступлении воздуха. 

 Рис. 3. Сравнение пикового и среднего потребления тока при потоковой передаче музыки слуховыми аппаратами RIC, ис- пользующими технологию 2,4 ГГц. Для получения сравнимых результатов измерения выполнены без ресиверов. Рис. 4. Сравнение пикового и среднего потребления тока при потоковой передаче телефонного разговора слуховыми аппа- ратами RIC, использующими технологию 2,4 ГГц. Для получения сравнимых результатов измерения выполнены без ресиверов. 
Рис. 3. Сравнение пикового и среднего потребления тока при потоковой передаче музыки слуховыми аппаратами RIC, использующими технологию 2,4 ГГц. Для получения сравнимых результатов измерения выполнены без ресиверов.

Рис. 4. Сравнение пикового и среднего потребления тока при потоковой передаче телефонного разговора слуховыми аппаратами RIC, использующими технологию 2,4 ГГц. Для получения сравнимых результатов измерения выполнены без ресиверов.

Помимо эффекта кислородного голодания, необходимо учитывать емкость самой батарейки. Она прослужит дольше, если среднее энергопотребление слухового аппарата будет ниже. Во время потоковой передачи музыки и телефонных разговоров Bluetooth Classic и Bluetooth LE включаются и выключаются через равные промежутки времени. Это приводит к меньшему среднему потреблению тока. Естественно, этот эффект распространяется на любые источники питания – как на воздушно-цинковые батарейки, так и на литий-ионные аккумуляторы. 

На графиках (Рис. 3 и 4) показано, что SWORD использует Bluetooth Classic для потоковой передачи аудиосигнала в слуховые аппараты без высокого пикового (и среднего) потребления тока. Пиковые и средние значения энергопотребления микрочипа SWORD, использующего Bluetooth Classic, очень близки к величинам, характерным для слуховых аппаратов MFi, использующих энергоэффективный протокол Bluetooth LE. Это опровергает аргументы против использования Bluetooth Classic для потоковой передачи аудио или телефонных разговоров в слуховые аппараты. 


Наш опыт применения литий-ионных аккумуляторов и анализ данных о длительном использовании слуховых аппаратов позволил оптимизировать второе поколение перезаряжаемых устройств. Согласно нашим данным, 98 % пользователей Phonak Audéo B-R (n = 12 239) носят свои слуховые аппараты менее 17 часов в день. Данные DataLogging более чем 192 000 клиентов (пользующихся Phonak Belong) свидетельствуют о среднем времени ношения 10,4 часа в день. В результате компания Phonak определила время автономной работы перезаряжаемых слуховых аппаратов как 16 часов использования в день, в том числе:
  •  8 часов AutoSense OS™ 3.0 и Binaural VoiceStream Technology (50 %); 
  •  4 часа Bluetooth-стриминга – телефонных разговоров (HFP) и медиа (A2DP) (25 %); 
  •  4 часа просмотра ТВ с использованием TV Connector (технология AirStream) (25 %). 

На рисунке 5 представлено расчетное потребление батарейки, основанное на испытаниях опытной серии Audéo Marvel. Тестирование включало в себя акустическую стимуляцию в течение 16 часов, а также различные варианты автоматически активируемого беспроводного стриминга общей продолжительностью 8 часов. Слуховые аппараты имели ресиверы P и были настроены на типичную тяжелую/глубокую тугоухость (N5). Средний уровень акустических сигналов в тестовой камере составлял 65-75 дБ (комбинация тихой/умеренно громкой обстановки в офисе, громкого/очень громкого уличного движения и ресторана). Кроме того, выходной сигнал ресиверов записывали для регистрации предупреждающих сигналов и уведомлений. Реальные результаты могут отличаться от расчетных, поскольку они зависят от особенностей использования аппаратов, их конфигурации и прочих факторов. 


Рис. 5. Расчетное время работы аккумулятора слуховых аппаратов Audéo Marvel при по- токовой передаче аудиосигнала (100 % времени), сочетании акустического прослушива- ния с потоковой передачей аудиосигнала (50 % + 50 % времени) и акустическом прослу- шивании (100 % времени). Реальные результаты могут отличаться от расчетных, т.к. они зависят от особенностей использования аппаратов, их конфигурации и прочих факторов. 
Рис. 5. Расчетное время работы аккумулятора слуховых аппаратов Audéo Marvel при потоковой передаче аудиосигнала (100 % времени), сочетании акустического прослушивания с потоковой передачей аудиосигнала (50 % + 50 % времени) и акустическом прослушивании (100 % времени). Реальные результаты могут отличаться от расчетных, т.к. они зависят от особенностей использования аппаратов, их конфигурации и прочих факторов.

В тех же условиях тестирования время работы воздушно-цинковой батарейки типоразмера 13 у аппаратов Audéo Marvel составило 100 часов, включая стриминг (Рис. 6).

Рис. 6. Среднее время работы аккумулятора и воздушно-цинковых батарей типоразме- ров 312 и 13 в слуховых аппаратах Phonak Audéo Marvel.

Рис. 6. Среднее время работы аккумулятора и воздушно-цинковых батарей типоразмеров 312 и 13 в слуховых аппаратах Phonak Audéo Marvel.

Примечательно, что наушники Apple AirPods, также использующие литий-ионные аккумуляторы, могут проработать до 5 часов в режиме прослушивания аудиосигнала и до 2 часов в режиме телефонного разговора (сравните с 11 часами стриминга или телефонного разговора у Audéo Marvel). 

Заключение

Разработав микрочип SWORD, использующий протокол Bluetooth Classic, компания Phonak осуществила технологический прорыв. Миниатюризация беспроводного чипа в сочетании с повышением радиочувствительности и усовершенствованием конструкции антенны сделала Phonak единственным производителем, использующим преимущества Bluetooth Classic для потоковой передачи звука и телефонных разговоров в режиме hands-free без избыточного энергопотребления. Это стало возможным благодаря сверхминиатюрной технологии микрочипа SWORD с размером компонентов 40 нм. 

Слуховые аппараты Phonak новейшего поколения используют несколько протоколов беспроводной связи, в том числе: 

  • Bluetooth Classic для бинауральной связи с телефонами и потоковой передачи музыки; 

  • Bluetooth LE для дистанционного управления и беспроводной настройки слуховых аппаратов; 

  • собственные протоколы для связи с микрофонами Roger, потоковой передачи сигнала TV Connector и бинаурального обмена данными и аудиосигналами посредством Binaural VoiceStream Technology. 

Это обеспечивается низким энергопотреблением, сравнимым или даже меньшим, чем у слуховых аппаратов MFi, использующих собственный протокол Bluetooth LE и способных напрямую связываться только с устройствами iPhone или iPad. 

Микрочип SWORD позволяет напрямую подключать слуховые аппараты к большинству смартфонов, использующих операционные системы Android и iOS, предоставляя пользователям возможность слушать музыку и разговаривать по телефону в течение всего дня, не заботясь о расходе заряда батареи. 

Давина Омисоре
менеджер по аудиологии отдела коррекции
малых/умеренных нарушений слуха компании Phonak.



Статьи для специалистов