如何提高个人扩音产品 (PSAP) 的性能和效率
发布日期:2022-11-16
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作者：Bonnie Baker
个人扩音产品 (PSAP) 提供了一种低成本的方式来解决针对运动和听力损失的最小听力放大需求。尽管这些智能可调节耳穿戴设备越来越受欢迎，但不断挑战设计者要提高性能，同时将成本和功耗降到最低。
这些挑战来自于需要减少听道内有问题的环境泄漏和骨传导信号，同时也要考虑到由于听力设备的电子装置造成的延迟。这些电子设备包括麦克风、扬声器、DSP 和编解码器。将电子设备的增益和延迟信号与环境和骨传导的音频结合起来，会产生一种需要理解的梳状效应。只有这样，才能有效地缓解它，以实现一个具有成本效益的节能设计。
本文介绍了 PSAP 构造、运行、典型设计要求和关键技术概念，如梳状效应。然后，介绍了 Analog Devices/Maxim Integrated 用于 PSAP 的低功耗、高性能音频编解码器（可用于解决梳状效应），并展示了其应用方法。
PSAP 的运行和设计要求
随着年龄的增长，往往更难听清广播、电视或谈话。有时背景噪声会干扰到餐厅或社交聚会讨论的听力。迄今为止，解决听力问题的办法是依靠昂贵的助听器，这些助听器被归类为医疗设备并受到监管。无论个人用户的听力损失程度如何，这些设备都比不受监管的 PSAP 耳穿戴设备要贵得多。
可充电的 PSAP，用于娱乐或低水平听力增强，具有可定制的低水平放大功能，通过减少或增加中高频率来帮助用户听得更清晰。这种放大器通常有放大复位和降噪电路，以减少反馈和背景噪音（图 1）。
图 1：像 PFY C350+ 这样的 PSAP 具有可提高清晰度的可定制、低电平放大功能。（图片来源：Health Products for You (HPFY) 网站）
每个设备的频率范围取决于主要应用，如语音与音乐。对于语音应用来说，工作频率范围从 20 赫兹 (Hz) 到 8 千赫兹 (kHz)，而音乐的范围是可听到的最大 20kHz。大多数 PSAP 设备有电池电源和 PC 软件，可在整个频率范围内进行自定义放大。这些设备还被设计用来为用户周围的声音、来自他们手机的声音以及音频流提供出色的音质和语音清晰度。
一个典型的音频 PSAP 系统包括一个音频编解码器和 DSP 核心。这个 PSAP 音频系统有一个音频编解码器和一个连接模数转换器 (ADC) 的麦克风输入简化视图。音频编解码器对 ADC 的数字输出进行解码，为向蓝牙片上系统 (SoC)/DSP 内核进行数字传输做准备（图 2）。
图 2：用于 PSAP 的典型音频系统包括麦克风、ADC、抽取器、蓝牙/DSP 内核、插值器、数模转换器 (DAC)、放大器和扬声器。（图片来源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改）
蓝牙 SoC/DSP 内核对信号作进一步衰减，以便为 DSP 块做准备。DSP 块处理信号，进行插值，然后将数字信号送回音频编解码器。音频编解码器将数字信号转换回模拟信号以驱动扬声器输出。
这个激活的 PSAP 有两种类型声音到达用户的耳膜。S1 是残留的用户语音环境泄漏 (S1A) 和骨传导 (S1B) 声音的叠加。对于 S1 来说，耳穿戴设备遮住了耳朵的开口，以阻止声音到达内部和逃出耳道之外（图 3）。
图 3：PSAP 中到达耳膜的三个声源：环境泄漏 (S1A)、骨传导 (S1B) 和经过处理的环境声 (S2A)。（图片来源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改）
PSAP 的麦克风捕捉环境声音 (S2) ，DSP 对其进行处理，输出信号 (S2A) 通过音频换能器送入耳道。重要的是，音频处理链的设计产生了一个延迟。这三个声音汇集到用户的耳膜，产生了 PSAP 体验。
PSAP 梳状效应
为实现 PSAP 体验，音频系统要求在所有声音进入耳膜之前加入。S1A 和 S1B 到达用户耳膜的时间是相同的，但如图所示，S2 信号在音频系统中的传播，产生了轻微延迟。如果延迟和增益没有得到充分的调整，当信号源加在一起时就会出现回声效果（图 4）。
图 4：三个声音叠加的信号模型：S1A、S1B 和 S2。（图片来源：Bonnie Baker）
图 4 中的变量有延迟和增益 (G)。S1 信号直接进入耳膜。通过将环境中的 S1 声音添加到电子 S2 路径中，S2 中的增益功能就会产生一个延迟。S1 和 S2 的加入有可能产生回声，但这可以通过操纵延迟时间和增益大小来减少。
图 5 显示了延迟等于 0.4 毫秒 (ms) 和 3ms、G 等于 0 分贝 (dB) 、15dB 和 30dB 时的信号响应。
图 5：基于信号模型的两个声音的叠加频率响应，延迟变化从 0.4 ms 到 3 ms，增益变化为 0dB、15dB 和 30dB。（图片来源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改）
图 5 中的归一化频率响应说明了对耳膜的延迟和增益影响。有一个失真，或称梳状效应，在 G 等于 0 分贝时有多个缺口。梳状效应可能会通过混响或回声降低声音质量。在图 5A 中，3 ms 的延迟在更低的频率下产生了更多的缺口。
随着图 5B 中增益的增加，梳状效应的重要性在降低。从 0 dB 到 15 dB 的增益变化在 15 dB 的增益下形成了一个 ~3 dB 的纹波。在图 5C 中，在 30dB 的增益下，两个延迟的响应几乎是平的。
如何减轻梳状效应
如上所述，增加增益和减少延迟可以减少传统 PSAP 系统中的梳状效应，从而减少其混响或回声。高级 PSAP 设备会用一个额外的低延迟数字滤波器取代延迟/增益组件，用于执行抗噪功能（图 6）。
图 6：在一个高级 PSAP 系统中，有四个声音到达耳膜：S1A、S1B、S2A 和 S2B。（图片来源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改）
在图 6 中，MAX98050 低功耗、高性能的音频编解码器产生了反噪声 (S2B)，与原来的无源环境声相互作用，形成新的声音。MAX98050 具有噪音消除和语音/环境增强功能，这些功能依赖于一个低功耗、低延迟的数字滤波器，确保 S2B 减少低频噪音。
图 7 展示了基于 MAX98050 PSAP 解决方案的简化框图。
图 7：MAX98050 编解码器形成了 PSAP 信号接口，以改变增益并减少噪声和延迟。（图片来源：Bonnie Baker）
基于图 7 框图的仿真说明了 MAX98050 系统的梳状效应，以及增益和延迟时间对噪声的影响（图 8）。
图 8：对图 7 中的图形进行仿真，显示了 MAX98050 的梳状效应以及增益和延迟时间对噪声的影响。（图片来源：Maxim Integrated）
图 8 显示，Maxim 的抗噪方案强调 S1 和 S2 之间的增益差异。除了仿真之外，基于真实外形和实时评估系统的测量也验证了所提出的抗噪声解决方案。
请注意，减少音频系统的延迟需要相对高的 ADC 和 DAC 采样率。这些变化增加了计算负荷，降低了电源效率。总的来说，会造成音频性能下降。
结语
PSAP 为任何希望提高听力能力的人带来了显而易见且成本低廉的好处。对于设计者来说，要继续面临着提高效率和性能的挑战，并需要更有效地处理梳状效应。综上所述，使用 Maxim Integrated 低功耗、活力十足的 MAX98050 编解码器，设计者可以减轻 PSAP 的梳状效应，提高音频和功率性能，并为下一代 PSAP 带来灵活的系统设计。
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