作者：Bonnie Baker
個(gè)人擴(kuò)音產(chǎn)品 (PSAP) 提供了一種低成本的方式來(lái)解決針對(duì)運(yùn)動(dòng)和聽(tīng)力損失的最小聽(tīng)力放大需求。盡管這些智能可調(diào)節(jié)耳穿戴設(shè)備越來(lái)越受歡迎，但不斷挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)者要提高性能，同時(shí)將成本和功耗降到最低。
這些挑戰(zhàn)來(lái)自于需要減少聽(tīng)道內(nèi)有問(wèn)題的環(huán)境泄漏和骨傳導(dǎo)信號(hào)，同時(shí)也要考慮到由于聽(tīng)力設(shè)備的電子裝置造成的延遲。這些電子設(shè)備包括麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、DSP 和編解碼器。將電子設(shè)備的增益和延遲信號(hào)與環(huán)境和骨傳導(dǎo)的音頻結(jié)合起來(lái)，會(huì)產(chǎn)生一種需要理解的梳狀效應(yīng)。只有這樣，才能有效地緩解它，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有成本效益的節(jié)能設(shè)計(jì)。
本文介紹了 PSAP 構(gòu)造、運(yùn)行、典型設(shè)計(jì)要求和關(guān)鍵技術(shù)概念，如梳狀效應(yīng)。然后，介紹了 Analog Devices/Maxim Integrated 用于 PSAP 的低功耗、高性能音頻編解碼器（可用于解決梳狀效應(yīng)），并展示了其應(yīng)用方法。
PSAP 的運(yùn)行和設(shè)計(jì)要求
隨著年齡的增長(zhǎng)，往往更難聽(tīng)清廣播、電視或談話。有時(shí)背景噪聲會(huì)干擾到餐廳或社交聚會(huì)討論的聽(tīng)力。迄今為止，解決聽(tīng)力問(wèn)題的辦法是依靠昂貴的助聽(tīng)器，這些助聽(tīng)器被歸類為醫(yī)療設(shè)備并受到監(jiān)管。無(wú)論個(gè)人用戶的聽(tīng)力損失程度如何，這些設(shè)備都比不受監(jiān)管的 PSAP 耳穿戴設(shè)備要貴得多。
可充電的 PSAP，用于娛樂(lè)或低水平聽(tīng)力增強(qiáng)，具有可定制的低水平放大功能，通過(guò)減少或增加中高頻率來(lái)幫助用戶聽(tīng)得更清晰。這種放大器通常有放大復(fù)位和降噪電路，以減少反饋和背景噪音（圖 1）。
圖 1：像 PFY C350+ 這樣的 PSAP 具有可提高清晰度的可定制、低電平放大功能。（圖片來(lái)源：Health Products for You (HPFY) 網(wǎng)站）
每個(gè)設(shè)備的頻率范圍取決于主要應(yīng)用，如語(yǔ)音與音樂(lè)。對(duì)于語(yǔ)音應(yīng)用來(lái)說(shuō)，工作頻率范圍從 20 赫茲 (Hz) 到 8 千赫茲 (kHz)，而音樂(lè)的范圍是可聽(tīng)到的最大 20kHz。大多數(shù) PSAP 設(shè)備有電池電源和 PC 軟件，可在整個(gè)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行自定義放大。這些設(shè)備還被設(shè)計(jì)用來(lái)為用戶周圍的聲音、來(lái)自他們手機(jī)的聲音以及音頻流提供出色的音質(zhì)和語(yǔ)音清晰度。
一個(gè)典型的音頻 PSAP 系統(tǒng)包括一個(gè)音頻編解碼器和 DSP 核心。這個(gè) PSAP 音頻系統(tǒng)有一個(gè)音頻編解碼器和一個(gè)連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的麥克風(fēng)輸入簡(jiǎn)化視圖。音頻編解碼器對(duì) ADC 的數(shù)字輸出進(jìn)行解碼，為向藍(lán)牙片上系統(tǒng) (SoC)/DSP 內(nèi)核進(jìn)行數(shù)字傳輸做準(zhǔn)備（圖 2）。
圖 2：用于 PSAP 的典型音頻系統(tǒng)包括麥克風(fēng)、ADC、抽取器、藍(lán)牙/DSP 內(nèi)核、插值器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、放大器和揚(yáng)聲器。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改）
藍(lán)牙 SoC/DSP 內(nèi)核對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步衰減，以便為 DSP 塊做準(zhǔn)備。DSP 塊處理信號(hào)，進(jìn)行插值，然后將數(shù)字信號(hào)送回音頻編解碼器。音頻編解碼器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器輸出。
這個(gè)激活的 PSAP 有兩種類型聲音到達(dá)用戶的耳膜。S1 是殘留的用戶語(yǔ)音環(huán)境泄漏 (S1A) 和骨傳導(dǎo) (S1B) 聲音的疊加。對(duì)于 S1 來(lái)說(shuō)，耳穿戴設(shè)備遮住了耳朵的開(kāi)口，以阻止聲音到達(dá)內(nèi)部和逃出耳道之外（圖 3）。
圖 3：PSAP 中到達(dá)耳膜的三個(gè)聲源：環(huán)境泄漏 (S1A)、骨傳導(dǎo) (S1B) 和經(jīng)過(guò)處理的環(huán)境聲 (S2A)。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改）
PSAP 的麥克風(fēng)捕捉環(huán)境聲音 (S2) ，DSP 對(duì)其進(jìn)行處理，輸出信號(hào) (S2A) 通過(guò)音頻換能器送入耳道。重要的是，音頻處理鏈的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一個(gè)延遲。這三個(gè)聲音匯集到用戶的耳膜，產(chǎn)生了 PSAP 體驗(yàn)。
PSAP 梳狀效應(yīng)
為實(shí)現(xiàn) PSAP 體驗(yàn)，音頻系統(tǒng)要求在所有聲音進(jìn)入耳膜之前加入。S1A 和 S1B 到達(dá)用戶耳膜的時(shí)間是相同的，但如圖所示，S2 信號(hào)在音頻系統(tǒng)中的傳播，產(chǎn)生了輕微延遲。如果延遲和增益沒(méi)有得到充分的調(diào)整，當(dāng)信號(hào)源加在一起時(shí)就會(huì)出現(xiàn)回聲效果（圖 4）。
圖 4：三個(gè)聲音疊加的信號(hào)模型：S1A、S1B 和 S2。（圖片來(lái)源：Bonnie Baker）
圖 4 中的變量有延遲和增益 (G)。S1 信號(hào)直接進(jìn)入耳膜。通過(guò)將環(huán)境中的 S1 聲音添加到電子 S2 路徑中，S2 中的增益功能就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)延遲。S1 和 S2 的加入有可能產(chǎn)生回聲，但這可以通過(guò)操縱延遲時(shí)間和增益大小來(lái)減少。
圖 5 顯示了延遲等于 0.4 毫秒 (ms) 和 3ms、G 等于 0 分貝 (dB) 、15dB 和 30dB 時(shí)的信號(hào)響應(yīng)。
圖 5：基于信號(hào)模型的兩個(gè)聲音的疊加頻率響應(yīng)，延遲變化從 0.4 ms 到 3 ms，增益變化為 0dB、15dB 和 30dB。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改）
圖 5 中的歸一化頻率響應(yīng)說(shuō)明了對(duì)耳膜的延遲和增益影響。有一個(gè)失真，或稱梳狀效應(yīng)，在 G 等于 0 分貝時(shí)有多個(gè)缺口。梳狀效應(yīng)可能會(huì)通過(guò)混響或回聲降低聲音質(zhì)量。在圖 5A 中，3 ms 的延遲在更低的頻率下產(chǎn)生了更多的缺口。
隨著圖 5B 中增益的增加，梳狀效應(yīng)的重要性在降低。從 0 dB 到 15 dB 的增益變化在 15 dB 的增益下形成了一個(gè) ~3 dB 的紋波。在圖 5C 中，在 30dB 的增益下，兩個(gè)延遲的響應(yīng)幾乎是平的。
如何減輕梳狀效應(yīng)
如上所述，增加增益和減少延遲可以減少傳統(tǒng) PSAP 系統(tǒng)中的梳狀效應(yīng)，從而減少其混響或回聲。高級(jí) PSAP 設(shè)備會(huì)用一個(gè)額外的低延遲數(shù)字濾波器取代延遲/增益組件，用于執(zhí)行抗噪功能（圖 6）。
圖 6：在一個(gè)高級(jí) PSAP 系統(tǒng)中，有四個(gè)聲音到達(dá)耳膜：S1A、S1B、S2A 和 S2B。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改）
在圖 6 中，MAX98050 低功耗、高性能的音頻編解碼器產(chǎn)生了反噪聲 (S2B)，與原來(lái)的無(wú)源環(huán)境聲相互作用，形成新的聲音。MAX98050 具有噪音消除和語(yǔ)音/環(huán)境增強(qiáng)功能，這些功能依賴于一個(gè)低功耗、低延遲的數(shù)字濾波器，確保 S2B 減少低頻噪音。
圖 7 展示了基于 MAX98050 PSAP 解決方案的簡(jiǎn)化框圖。
圖 7：MAX98050 編解碼器形成了 PSAP 信號(hào)接口，以改變?cè)鲆娌p少噪聲和延遲。（圖片來(lái)源：Bonnie Baker）
基于圖 7 框圖的仿真說(shuō)明了 MAX98050 系統(tǒng)的梳狀效應(yīng)，以及增益和延遲時(shí)間對(duì)噪聲的影響（圖 8）。
圖 8：對(duì)圖 7 中的圖形進(jìn)行仿真，顯示了 MAX98050 的梳狀效應(yīng)以及增益和延遲時(shí)間對(duì)噪聲的影響。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）
圖 8 顯示，Maxim 的抗噪方案強(qiáng)調(diào) S1 和 S2 之間的增益差異。除了仿真之外，基于真實(shí)外形和實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的測(cè)量也驗(yàn)證了所提出的抗噪聲解決方案。
請(qǐng)注意，減少音頻系統(tǒng)的延遲需要相對(duì)高的 ADC 和 DAC 采樣率。這些變化增加了計(jì)算負(fù)荷，降低了電源效率�？偟膩�(lái)說(shuō)，會(huì)造成音頻性能下降。
結(jié)語(yǔ)
PSAP 為任何希望提高聽(tīng)力能力的人帶來(lái)了顯而易見(jiàn)且成本低廉的好處。對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，要繼續(xù)面臨著提高效率和性能的挑戰(zhàn)，并需要更有效地處理梳狀效應(yīng)。綜上所述，使用 Maxim Integrated 低功耗、活力十足的 MAX98050 編解碼器，設(shè)計(jì)者可以減輕 PSAP 的梳狀效應(yīng)，提高音頻和功率性能，并為下一代 PSAP 帶來(lái)靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 |
