Hur man förbättrar prestanda och effektivitet för personliga ljudförstärkningsprodukter (PSAP)

Personliga ljudförstärkningsprodukter (PSAP) är ett billigt sätt att tillgodose behovet av minimal hörselförstärkning vid idrott och hörselnedsättning. Även om dessa smarta, justerbara hörselapparater blir allt populärare, utmanar de ständigt konstruktörerna att förbättra prestandan samtidigt som de håller kostnaderna och energiförbrukningen nere på ett minimum.

Utmaningarna beror på behovet av att minska problematiska läckage från omgivningen och benledningssignaler i hörselgången, samtidigt som man tar hänsyn till fördröjningar på grund av hörapparatens elektronik. Denna elektronik omfattar mikrofoner, en högtalare, en DSP och en codec. Kombinationen av förstärknings- och latenssignaler från elektroniken med det omgivande och benledda ljudet skapar en kameffekt som måste förstås. Det är först då som den kan minskas på ett effektivt sätt för att genomföra en kostnadseffektiv, strömsnål konstruktion.

I den här artikeln beskrivs konstruktion och drift av PSAP, typiska konstruktionskrav och viktiga tekniska begrepp som kameffekten. Därefter presenteras en energisnål och högpresterande ljudcodec från Analog Devices/Maxim Integrated för användning i PSAP:er som kan användas för att hantera kameffekten, och det visas hur den ska användas.

Krav på drift och konstruktion av PSAP:er

Med åldern blir det ofta svårare att höra radio, tv eller ett samtal. Ibland stör bakgrundsbrus när man hör en diskussion på en restaurang eller vid en social sammankomst. Lösningar på hörselproblem har hittills varit beroende av dyra hörapparater som klassificeras och regleras som medicintekniska produkter. Oavsett den enskilda användarens grad av hörselnedsättning är dessa apparater betydligt dyrare än oreglerade hörselapparater.

Uppladdningsbara PSAP:er som är avsedda för rekreation eller hörselförbättring på låg nivå har anpassningsbar förstärkning på låg nivå för att hjälpa användarna att höra klart och tydligt genom att minska eller öka de mellanhöga och höga frekvenserna. Förstärkaren har vanligen en förstärkningsreset och en krets för brusreducering för att minska återkoppling och bakgrundsbrus (figur 1).

Figur 1: PSAP:er som C350+ har anpassningsbar förstärkning på låg nivå för att förbättra ljudets tydlighet. (Bildkälla: Health Products for You (HPFY))

Frekvensområdet för respektive produkt beror på den primära tillämpningen, till exempel röst eller musik. För röst är frekvensområdet från 20 hertz (Hz) till 8 kilohertz (kHz), medan musik är upp till den hörbara maximala frekvensen 20 kHz. De flesta PSAP-produkter har batteri och PC-programvara för anpassningsbar förstärkning över hela frekvensområdet. Dessa enheter är också utformade för att ge utmärkt ljudkvalitet och taluppfattbarhet för ljuden runt omkring användaren, från telefonen och för ljudströmning.

Ett typiskt system för ljud-PSAP-system innehåller en ljudcodec och en DSP-kärna. En förenklad bild av detta ljudsystem för en ljudsignalcentral har en ljudcodec med en mikrofoningång till en A/D-omvandlare (ADC). Ljudkodecen decimerar A/D-omvandlare digitala utgång som förberedelse för den digitala överföringen till Bluetooth-systemchipet (SoC) och DSP-kärnan (figur 2).

Figur 2: Ett typiskt ljudsystem för en larmcentral består av en mikrofon, A/D-omvandlare, decimator, Bluetooth/DSP-kärna, interpolator, D/A-omvandlare (DAC), förstärkare och högtalare. (Bildkälla: Maxim Integrated, modifierad av Bonnie Baker)

Bluetooth SoC/DSP-kärnan decimerar signalen ytterligare som förberedelse för DSP-blocket. DSP-blocket bearbetar signalen, interpolerar och skickar sedan den digitala signalen tillbaka till ljudkodecen. Ljudkodecen omvandlar den digitala signalen till analog signal för att driva högtalarutgången.

Den aktiverade larmcentralen har två typer av ljud som når användarens trumhinnor. S1 är summan av den kvarvarande användarens rösts läckage från omgivningen (S1A) och benledningsförmågan (S1B). För S1 döljer den hörselapparaten anordningen öronöppningen för att hindra ljudet från att nå in i och komma ut ur hörselgången (figur 3).

Figur 3: Tre ljudkällor når trumhinnan med en PSAP: omgivande läckage (S1A), benledningar (S1B) och det bearbetade omgivningsljudet (S2A). (Bildkälla: Maxim Integrated, modifierad av Bonnie Baker)

PSAP:s mikrofon fångar upp det omgivande ljudet (S2), DSP:n bearbetar det och utsignalen (S2A) skickas in i hörselgången via ljudomvandlaren. Det är viktigt att ljudbehandlingskedjan skapar en fördröjning. Dessa tre ljud summerar användarens trumhinnor för att skapa en PSAP-upplevelsen.

PSAP:s kamverkan

För PSAP-upplevelsen kräver ljudsystemet att alla ljud läggs till innan de når trumhinnan. Ankomsttiden för S1A och S1B till användarens trumhinnor är identisk, men som visas färdas S2-signalen genom ljudsystemet, vilket skapar en liten fördröjning. Om fördröjningen och förstärkningen inte justeras på rätt sätt uppstår en ekoeffekt när källorna läggs ihop (figur 4).

Figur 4: Signalmodell för summering av de tre ljuden: S1A, S1B och S2. (Bildkälla: Bonnie Baker)

Variablerna i figur 4 är fördröjning och förstärkning (G). S1-signalen går direkt till trumhinnan. Genom att lägga till det omgivande S1-ljudet i den elektroniska S2-vägen skapar förstärkningsfunktionen i S2 en fördröjning. Tillägget av S1 och S2 kan skapa ett eko, men detta kan minimeras genom att manipulera fördröjningstiden och förstärkningsstorleken.

Figur 5 visar den resulterande signalresponsen för en fördröjning på 0,4 millisekunder (ms) och 3 ms och G på 0 decibel (dB), 15 dB och 30 dB.

Figur 5: Summeringsfrekvensresponsen för två ljud baserat på signalmodellen, med fördröjningsändringar från 0,4 ms till 3 ms och förstärkningsändringar på 0 dB, 15 dB och 30 dB. (Bildkälla: Maxim Integrated, med ändringar av Bonnie Baker)

De normaliserade frekvensresponserna i figur 5 illustrerar fördröjnings- och förstärkningseffekten på trumhinnan. Det finns en snedvridning, eller kamverkan, i form av flera skåror för G som uppgår till 0 dB. Kameffekten kan försämra ljudkvaliteten genom efterklang eller eko. I figur 5A skapar en fördröjning på 3 ms fler hack i en mycket lägre frekvens.

Med den ökade förstärkningen i figur 5B minskar kameffekten i betydelse. Förstärkningsändringen från 0 dB till 15 dB bildar ett rippel på ~3 dB vid 15 dB förstärkning. I figur 5C finns det nästan en jämn respons för båda fördröjningarna vid 30 dB förstärkning.

Hur man kan minska kameffekten

Som beskrivits minskar en förstärkningsökning och en fördröjningsminskning kameffekten i ett konventionellt PSAP-system för att minska efterklang och eko. En avancerad PSAP-enhet ersätter fördröjnings-/förstärkningskomponenterna med ett ytterligare digitalt filter med låg latenstid som används för att reducera brus (figur 6).

Figur 6: Fyra ljud når trumhinnan i ett avancerat PSAP-system: S1A, S1B, S2A och S2B. (Bildkälla: Maxim Integrated, modifierad av Bonnie Baker)

I figur 6 genererar MAX98050-ljudkodecen med låg effekt och hög prestanda ett antibrus (S2B) som interagerar med det ursprungliga passiva omgivningsljudet för att bilda ett nytt ljud. MAX98050 har funktioner för brusreducering och röst-/omgivningsförbättring som bygger på ett digitalt filter med låg effekt och låg latenstid som säkerställer att S2B minskar bruset vid låga frekvenser.

Figur 7 visar ett förenklat blockdiagram baserat på PSAP-lösningen MAX98050.

Figur 7: MAX98050-codecen skapar PSAP-signalgränssnittet för att variera förstärkningen och minska bruset och fördröjningen. (Bildkälla: Bonnie Baker)

En simulering baserad på blockdiagrammet i figur 7 illustrerar kameffekten hos MAX98050-systemet och effekten av förstärkningen och fördröjningstiden på bruset (figur 8).

Figur 8: En simulering av diagrammet i figur 7 visar kameffekten hos MAX98050 och effekten av förstärkning och fördröjningstid på bruset. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Figur 8 visar att Maxims lösning mot brus betonar förstärkningsskillnaden mellan S1 och S2. Förutom simuleringen validerar mätningar baserade på det verkliga fysiska formatet och ett utvärderingssystem i realtid den föreslagna lösningen för att motverka brus.

Observera att för att minska fördröjningen i ljudsystem krävs relativt höga samplingsfrekvenser för A/D- och D/A-omvandlaren. Dessa förändringar ökar processorbelastningen och minskar energieffektiviteten. På det hela taget försämras ljudprestandan.

Slutsats

PSAP:er ger tydliga kostnadsfördelar för alla som vill förbättra sin hörselförmåga. För konstruktörerna fortsätter utmaningen att förbättra effektiviteten och prestandan, vilket innebär att de måste hantera kameffekten på ett effektivare sätt. Som visas kan konstruktörer med hjälp av den strömsnåla, alltid aktiva MAX98050-codecen från Maxim Integrated mildra PSAP-kameffekten, vilket leder till förbättrad ljud- och strömprestanda och flexibel systemdesign för nästa generations PSAP:er.