TiA ChannelFree - Bernafon Polska

Lipiec 2009
TOPICS IN AMPLIFICATION
ChannelFree™, rewolucyjna ­technologia
przetwarzania dźwięku
dostępna w produktach Bernafon
Zastosowanie wzmocnienia sygnału, które precyzyjnie skompensuje ubytek słuchu jest dużym wyzwaniem. Większość układów przetwarzania dźwięku wciąż nie charakteryzuje się właściwościami umożliwiającymi dokładną korekcję ubytku słuchu. Opatentowana przez Bernafon technologia ChannelFree™
jest zupełnie nowym podejściem do przetwarzania dźwięku w aparacie oraz radykalnym odcięciem się
od koncepcji przetwarzania sygnałów stosowanych w przeszłości. ChannelFree™ jest algorytmem,
który w sposób ciągły optymalizuje wzmocnienie sygnału w celu precyzyjnego przetworzenia każdego
fonemu. ChannelFree™ wzmacnia dźwięk “bezkanałowo”, tzn. nie przetwarza sygnałów w niezależnych kanałach częstotliwości. Zanim przejdziemy do szczegółowej charakterystyki ChannelFree™,
przypomnimy sobie podstawowe właściwości najważniejszego sygnału akustycznego – sygnału
mowy. Następnie przeanalizujemy funkcjonowanie ChannelFree™ w aspekcie poprawy zrozumiałości i
jakości mowy.
Mowa – krótka charakterystyka
Podczas analizy przebiegu czasowego mowy można wyodrębnić w nim różne segmenty czasowe (Rys.1).
Sylaba Słowo Wartość chwilowa
Zdanie
Czas (s) Rys. 1. Główne segmenty sygnału mowy.
Najdłuższym segmentem mowy jest zdanie, które może mieć zmienną strukturę oraz składać się z
różnej liczby słów. Zazwyczaj zdanie trwa około 2 s. Watro zauważyć, że średnie poziomy zdań wypowiedzianego przez danego mówcę nie zmieniają się znacząco (chyba że spiker świadomie zmienia
głośność głosu).
Zdania zbudowane są ze słów (każde z nich zawiera około 3-4 słowa). W przypadku słów średni
poziom również nie zmienia się znacząco “od słowa do słowa”.
Słowa składają się z sylab (wypowiadamy około 5 sylab na sekundę), pomiędzy którymi obserwuje się
pewne fluktuacje zmian średniego poziomu. Dzieje się tak dlatego, że sylaby zawierają samogłoski,
których energia określa poziom całej sylaby. Podczas emisji samogłoski używamy strun głosowych,
Wartość chwilowa
Czas (s)
Rys. 2. Różnica poziomów fonemów /e/ oraz /t/.
które generują tzw. ton krtaniowy o mniej więcej
tym samym poziomie ciśnienia akustycznego.
Ostatecznie docieramy do fonemów (których
wypowiadamy średnio 10 na sekundę). Przyjmuje
się, że fonem jest najmniejszym segmentem
funkcjonalnym sygnału mowy. Jest niezmiernie
ważne, że poziom poszczególnych fonemów
zmienia się znacząco podczas wokalizacji. Istnieje
wiele sposobów klasyfikacji fonemów. Mogą być
one np. dźwięczne lub bezdźwięczne. Rys. 2
przedstawia różnice poziomów (mówiąc bardziej
precyzyjnie: amplitud) dźwięcznego fonemu /e/
oraz bezdźwięcznego /t/.
Jakie to ma znaczenie?
Poziom poszczególnych fonemów zmienia się znacznie podczas wokalizacji, stąd pacjenci z niedosłuchem bardzo często nie słyszą niskopoziomowych głosek. Z drugiej strony wzmocnienie “głośnych”
fonemów jest za duże, gdyż wielokanałowe układy kompresji działają zbyt wolno i najzwyczajniej “nie
nadążają” z optymalizacją wzmocnienia. Najbardziej dramatyczną konsekwencją zaburzonej percepcji
określonych fonemów jest oczywiście spadek zrozumiałości mowy (choć sygnał ten może być doskonale słyszalny).
Rozdzielczość czasowa
Współczesne aparaty słuchowe posiadają systemy nieliniowego wzmocnienia (kompresji), dzięki
czemu ciche dźwięki wzmacniane są w większym stopniu niż sygnały wysokopoziomowe. Systemy
kompresji symulują funkcjonowanie zewnętrznych komórek słuchowych ślimaka (OHC), które są
“biologicznym wzmacniaczem” sygnałów o niskim poziomie. Nieuszkodzone komórki OHC mają
niezwykle krótki czas reakcji (około 200 μs). W przypadku uszkodzenia ślimakowego czas ten jest o
wiele dłuższy lub w ogóle nie obserwuje się reakcji komórek OHC. Aby skompensować zaburzoną
rozdzielczość czasową słuchu aparat słuchowy powinien więc działać niezwykle szybko. Dlatego też
ChannelFree™ analizuje sygnał 20 000 razy na sekundę; oznacza to, że na każdy fonem przypada w
przybliżeniu aż 2000 analizowanych próbek sygnału. Dzięki tej fenomenalnej rozdzielczości czasowej
poszczególne fonemy są precyzyjnie i bardzo szybko wzmacniane o pożądaną wartość, przy czym
ciche, bezdźwięczne fonemy są wzmacniane w większym stopniu niż głośne, dźwięczne głoski.
Innymi słowy, ChannelFree™ funkcjonuje analogicznie jak nieuszkodzony ślimak.
Mówimy więc o dużej rozdzielczości czasowej, czyli zdolności do analizy i przetwarzania bardzo
krótkich segmentów czasowych sygnału.
Plastyczność częstotliwościowa
Wzmocnienie (dB)
Wzmocnienie (dB)
ChannelFree™
Syst.
wielokanałowy
Częstotliwość (Hz)
Rys.3 . Niezależne dopasowanie wzmocnienia oraz kompresji dla różnych częstotliwości.
Rys.4. Porównanie wypadkowej charakterystyki częstotliwościowej układu wielokanałowego oraz ChannelFree™.
Zależność ubytku słuchu od częstotliwości wymaga zastosowania innej wartości wzmocnienia dla
sygnałów (składowych) o różnych częstotliwościach. Dlatego w większości aparatów słuchowych
stosuje się przetwarzanie wielokanałowe. Jednakże, w odróżnieniu od standardowych systemów
kompresji, ChannelFree™ nie stosuje podziału na kanały częstotliwościowe. Algorytm ten funkcjonuje
zupełnie inaczej niż pierwsze jednokanałowe aparaty słuchowe, które wzmacniały wszystkie częstotliwości w takim samym stopniu. ChannelFree™ umożliwia niezwykle plastyczne dopasowanie wzmocnienia dla różnych pasm (nie kanałów !) częstotliwości. Sercem algorytmu jest cyfrowy filtr szerokopasmowy, którego charakterystykę (kształt) można dowolnie programować oraz dopasowywać do
ubytku słuchu (Rys.3).
Warto zauważyć, że w przypadku układów wielokanałowych wzmocnienie dla poszczególnych kanałów można dowolnie programować, lecz wzmocnienie w obrębie kanału nie jest modyfikowalne.
Konsekwencją tego jest nieciągłość wzmocnienia pomiędzy poszczególnymi kanałami (tzw. efekt
“stairstep”, czyli efekt “schodkowy”, Rys.4)), widoczny zwłaszcza kiedy wzmocnienie pomiędzy
poszczególnymi kanałami różni się znacząco. Ponieważ ChannelFree™ nie dzieli dźwięku na kanały,
efekt ten nie występuje (Rys.4). Wartości wzmocnienia zmieniają się płynnie pomiędzy poszczególnymi częstotliwościami.
W jaki sposób działa
ChannelFree™?
ChannelFree™ składa się
z 4 modułów oraz dwóch
równoległych ścieżek,
mianowicie: ścieżki
sygnałowej oraz ścieżki
analizy (Rys.5). Ścieżką
sygnałową transmitowany
Rys. 5. Schemat blokowy algorytmu ChannelFree™.
oraz przekształcany jest
sygnał (od mikrofonu do słuchawki). W ścieżce analizy transmitowana jest informacja o sygnale,
przekazywana ostatecznie do ścieżki sygnałowej. Połączenie równoległe ścieżek zapewnia dużą
rozdzielczość czasową systemu.
Pierwszym modułem ścieżki analizy jest Blok Pomiaru Poziomu, który w sposób ciągły dokonuje
pomiaru poziomu ciśnienia sygnału wejściowego. Informacja ta jest przekazywana do Bloku Kontroli
Filtru, który oblicza optymalną charakterystyką filtru dla segmentu sygnału o określonym poziomie,
uwzględniając również częstotliwości oraz charakterystykę niedosłuchu. W ten sposób powstaje
swoista mapa wzmocnienia dla różnych częstotliwości oraz poziomów wejścia.
Najważniejszym elementem ścieżki sygnałowej jest Filtr Zmienny. Bazując na mapie wzmocnienia
oraz danych z Bloku Pomiaru Poziomu ustalana jest określona charakterystyka wzmocnienia, a więc
określany kształt filtru (Blok Kontroli Filtru). Następnie określony segment sygnału przetwarzany jest za
pomocą filtru o określonym kształcie, tak więc poszczególne częstotliwości są wzmacniane w różnym
stopniu. Nie ma potrzeby podziału sygnału na kanały częstotliwościowe.
Całości dopełnia Blok Synchronizacji. Ponieważ wyznaczenie poziomu sygnału w Bloku Pomiaru
Poziomu trwa pewien czas, segment sygnału, którego poziom jest mierzony jest na ten czas “wstrzymywany” w Bloku Synchronizacji. Dzięki temu modyfikacja Filtru Zmiennego zastosowana jest w
odniesieniu do tego segmentu dźwięku do jakiego być powinna. Gdyby nie zastosowano Bloku Synchronizacji, zmiana ta byłaby zaaplikowana zbyt późno (tzn. do kolejnych segmentów sygnału).
Kontrast spektralny
Analizując funkcjonowanie aparatu w dziedzinie czasu dochodzimy do wniosku, że jego funkcją jest
swoiste “spłycenie” kontrastu czasowego sygnału, tzn. różnic pomiędzy intensywnością głośnych i
cichych segmentów sygnału. Dysfunkcja komórek OHC wymaga bowiem większego wzmocnienia
sygnałów niskopoziomowych, niż dźwięków o wysokim poziomie.
TOPICS IN AMPLIFICATION
Jednocześnie aparat słuchowy nie powinien redukować tzw. kontrastu spektralnego, czyli różnic
pomiędzy maksimami i minimami w widmie dźwięku. Niezniekształcony kontrast spektralny jest
niezbędny dla identyfikacji głosek, a więc do prawidłowej zrozumiałości mowy. Niestety klasyczne
systemy wielokanałowe zniekształcają kontrast spektralny, co jest związane z – degradującym widmo
– procesem podziału na kanały częstotliwościowe. W przypadku “bez-kanałowego” przetwarzania
ChannelFree™ nie zachodzi zniekształcenie informacji spektralnej. W rezultacie otrzymujemy czysty i
naturalny dźwięk.
Poziom [dB SPL]
–– Widmo samogłoski
–– Przetworzona przez ChannelFree™
––Przetworzona przez układ
wielokanałowy
Częstotliwość [Hz]
Rys. 6. Porównanie widma wzmocnionej samogłoski w przypadku rozmycia spektralnego typowego dla układu
wielokanałowego (kolor niebieski) oraz bez zniekształcenia struktury spektralnej (ChannelFree™, kolor czerwony).
Podsumowanie
ChannelFree™ jest unikalnym systemem przetwarzania dźwięku w aparacie słuchowym, zapewniającym:
•Dużą rozdzielczość czasową gwarantującą precyzyjne wzmocnienie nawet krótkotrwałych,
niskopoziomowych segmentów mowy.
•Niedoścignioną plastyczność formowania charakterystyki częstotliwościowej aparatu.
•Przetwarzanie sygnału mowy bez zniekształceń struktury widmowej.
W efekcie otrzymujemy krystalicznie czysty dźwięk oraz najwyższą zrozumiałość mowy, nieosiągalną
w przypadku standardowych układów wielokanałowych. Algorytm ChannelFree™ jest dostępny tylko
w produktach Bernafon.
Światowa Siedziba
Polska
Acustica Sp. z o.o.
ul. Hynka 73A
80-465 Gdańsk
Phone +48 58 511 0803
Fax +48 58 511 0803 wew. 113
www.bernafon.pl
Bernafon Companies
Australia • Canada • Denmark • Finland • France • Germany • Italy • Japan • Netherlands • New Zealand • Poland • Sweden • Switzerland • UK • USA
www.bernafon.pl
07.09/BAG/subject to change
Szwajcaria
Bernafon AG
Morgenstrasse 131
3018 Bern
Phone +41 31 998 15 15
Fax +41 31 998 15 90
www.bernafon.com