作者：Bonnie Baker
個人擴音產品 (PSAP) 提供了一種低成本的方式來解決針對運動和聽力損失的最小聽力放大需求。盡管這些智能可調節耳穿戴設備越來越受歡迎，但不斷挑戰設計者要提高性能，同時將成本和功耗降到最低。
這些挑戰來自于需要減少聽道內有問題的環境泄漏和骨傳導信號，同時也要考慮到由于聽力設備的電子裝置造成的延遲。這些電子設備包括麥克風、揚聲器、DSP 和編解碼器。將電子設備的增益和延遲信號與環境和骨傳導的音頻結合起來，會產生一種需要理解的梳狀效應。只有這樣，才能有效地緩解它，以實現一個具有成本效益的節能設計。
本文介紹了 PSAP 構造、運行、典型設計要求和關鍵技術概念，如梳狀效應。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），并展示了其應用方法。
PSAP 的運行和設計要求
隨著年齡的增長，往往更難聽清廣播、電視或談話。有時背景噪聲會干擾到餐廳或社交聚會討論的聽力。迄今為止，解決聽力問題的辦法是依靠昂貴的助聽器，這些助聽器被歸類為醫療設備并受到監管。無論個人用戶的聽力損失程度如何，這些設備都比不受監管的 PSAP 耳穿戴設備要貴得多。
可充電的 PSAP，用于娛樂或低水平聽力增強，具有可定制的低水平放大功能，通過減少或增加中高頻率來幫助用戶聽得更清晰。這種放大器通常有放大復位和降噪電路，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。（圖片來源：Health Products for You (HPFY) 網站）
每個設備的頻率范圍取決于主要應用，如語音與音樂。對于語音應用來說，工作頻率范圍從 20 赫茲 (Hz) 到 8 千赫茲 (kHz)，而音樂的范圍是可聽到的最大 20kHz。大多數 PSAP 設備有電池電源和 PC 軟件，可在整個頻率范圍內進行自定義放大。這些設備還被設計用來為用戶周圍的聲音、來自他們手機的聲音以及音頻流提供出色的音質和語音清晰度。
一個典型的音頻 PSAP 系統包括一個音頻編解碼器和 DSP 核心。這個 PSAP 音頻系統有一個音頻編解碼器和一個連接模數轉換器 (ADC) 的麥克風輸入簡化視圖。音頻編解碼器對 ADC 的數字輸出進行解碼，為向藍牙片上系統 (SoC)/DSP 內核進行數字傳輸做準備（圖 2）。
圖 2：用于 PSAP 的典型音頻系統包括麥克風、ADC、抽取器、藍牙/DSP 內核、插值器、數模轉換器 (DAC)、放大器和揚聲器。（圖片來源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改）
藍牙 SoC/DSP 內核對信號作進一步衰減，以便為 DSP 塊做準備。DSP 塊處理信號，進行插值，然后將數字信號送回音頻編解碼器。音頻編解碼器將數字信號轉換回模擬信號以驅動揚聲器輸出。
這個激活的 PSAP 有兩種類型聲音到達用戶的耳膜。S1 是殘留的用戶語音環境泄漏 (S1A) 和骨傳導 (S1B) 聲音的疊加。對于 S1 來說，耳穿戴設備遮住了耳朵的開口，以阻止聲音到達內部和逃出耳道之外（圖 3）。
圖 3：PSAP 中到達耳膜的三個聲源：環境泄漏 (S1A)、骨傳導 (S1B) 和經過處理的環境聲 (S2A)。（圖片來源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改）
PSAP 的麥克風捕捉環境聲音 (S2) ，DSP 對其進行處理，輸出信號 (S2A) 通過音頻換能器送入耳道。重要的是，音頻處理鏈的設計產生了一個延遲。這三個聲音匯集到用戶的耳膜，產生了 PSAP 體驗。
PSAP 梳狀效應
為實現 PSAP 體驗，音頻系統要求在所有聲音進入耳膜之前加入。S1A 和 S1B 到達用戶耳膜的時間是相同的，但如圖所示，S2 信號在音頻系統中的傳播，產生了輕微延遲。如果延遲和增益沒有得到充分的調整，當信號源加在一起時就會出現回聲效果（圖 4）。
圖 4：三個聲音疊加的信號模型：S1A、S1B 和 S2。（圖片來源：Bonnie Baker）
圖 4 中的變量有延遲和增益 (G)。S1 信號直接進入耳膜。通過將環境中的 S1 聲音添加到電子 S2 路徑中，S2 中的增益功能就會產生一個延遲。S1 和 S2 的加入有可能產生回聲，但這可以通過操縱延遲時間和增益大小來減少。
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 時的信號響應。
圖 5：基于信號模型的兩個聲音的疊加頻率響應，延遲變化從 0.4 ms 到 3 ms，增益變化為 0dB、15dB 和 30dB。（圖片來源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改）
圖 5 中的歸一化頻率響應說明了對耳膜的延遲和增益影響。有一個失真，或稱梳狀效應，在 G 等于 0 分貝時有多個缺口。梳狀效應可能會通過混響或回聲降低聲音質量。在圖 5A 中，3 ms 的延遲在更低的頻率下產生了更多的缺口。
隨著圖 5B 中增益的增加，梳狀效應的重要性在降低。從 0 dB 到 15 dB 的增益變化在 15 dB 的增益下形成了一個 ~3 dB 的紋波。在圖 5C 中，在 30dB 的增益下，兩個延遲的響應幾乎是平的。
如何減輕梳狀效應
如上所述，增加增益和減少延遲可以減少傳統 PSAP 系統中的梳狀效應，從而減少其混響或回聲。高級 PSAP 設備會用一個額外的低延遲數字濾波器取代延遲/增益組件，用于執行抗噪功能（圖 6）。
圖 6：在一個高級 PSAP 系統中，有四個聲音到達耳膜：S1A、S1B、S2A 和 S2B。（圖片來源：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生了反噪聲 (S2B)，與原來的無源環境聲相互作用，形成新的聲音。MAX98050 具有噪音消除和語音/環境增強功能，這些功能依賴于一個低功耗、低延遲的數字濾波器，確保 S2B 減少低頻噪音。
圖 7 展示了基于 MAX98050 PSAP 解決方案的簡化框圖。
圖 7：MAX98050 編解碼器形成了 PSAP 信號接口，以改變增益并減少噪聲和延遲。（圖片來源：Bonnie Baker）
基于圖 7 框圖的仿真說明了 MAX98050 系統的梳狀效應，以及增益和延遲時間對噪聲的影響（圖 8）。
圖 8：對圖 7 中的圖形進行仿真，顯示了 MAX98050 的梳狀效應以及增益和延遲時間對噪聲的影響。（圖片來源：Maxim Integrated）
圖 8 顯示，Maxim 的抗噪方案強調 S1 和 S2 之間的增益差異。除了仿真之外，基于真實外形和實時評估系統的測量也驗證了所提出的抗噪聲解決方案。
請注意，減少音頻系統的延遲需要相對高的 ADC 和 DAC 采樣率。這些變化增加了計算負荷，降低了電源效率。總的來說，會造成音頻性能下降。
結語
PSAP 為任何希望提高聽力能力的人帶來了顯而易見且成本低廉的好處。對于設計者來說，要繼續面臨著提高效率和性能的挑戰，并需要更有效地處理梳狀效應。綜上所述，使用 Maxim Integrated 低功耗、活力十足的 MAX98050 編解碼器，設計者可以減輕 PSAP 的梳狀效應，提高音頻和功率性能，并為下一代 PSAP 帶來靈活的系統設計。 |
