Sådan forbedrer du PSAP's (Personal Sound Amplification Product) ydeevne og effektivitet

Personlige produkter til lydforstærkning (PSAP'er) er en billig måde at imødekomme behovet for minimal høreforstærkning til sport og høretab. Selv om disse smarte, justerbare høreapparater er stadig mere populære, udfordrer de hele tiden designerne til at forbedre ydeevnen og samtidig holde omkostningerne og strømforbruget på et minimum.

Udfordringerne skyldes behovet for at reducere problematisk omgivende lækage og signaler i hørekanalens knogleledning, samtidig med at der tages højde for forsinkelser på grund af høreapparatets elektronik. Denne elektronik omfatter mikrofoner, en højttaler, en DSP og en codec. Kombinationen af forstærknings- og latenssignalerne fra elektronikken med den omgivende og benledede lyd skaber en kam-effekt, som skal forstås. Kun på den måde kan det effektivt afhjælpes for at implementere et omkostningseffektivt og strømeffektivt design.

I denne artikel beskrives opbygning og drift af PSAP'er, typiske designkrav og centrale tekniske begreber som f.eks. kam-effekten. Derefter introduceres et lavt strømforbrug og højtydende lydcodec fra Analog Devices/Maxim Integrated til brug i PSAP'er, som kan bruges til at løse kameffekten, og der vises, hvordan det anvendes.

Krav til drift og design af PSAP'er

Med alderen bliver det ofte sværere at høre radioen, fjernsynet eller en samtale. Nogle gange forstyrrer baggrundsstøjen hørelsen af en diskussion på en restaurant eller i et socialt samvær. Hidtil har løsninger på høreproblemer været baseret på dyre høreapparater, der er klassificeret og reguleret som medicinsk udstyr. Uanset den enkelte brugers grad af høretab er disse apparater betydeligt dyrere end uregulerede PSAP høreapparater.

Genopladelige PSAP'er, der er beregnet til rekreativ høreforbedring eller høreforbedring på lavt niveau, har tilpasselig forstærkning på lavt niveau for at hjælpe brugerne med at høre klart ved at reducere eller øge de mellemste til høje frekvenser. Forstærkeren har typisk forstærkningsreset og kredsløb støjreduktion for at reducere feedback og baggrundsstøj (figur 1).

Figur 1: PSAP'er som C350+ har forstærkning, som kan tilpasses på lavt niveau for at forbedre klarheden. (Billedkilde: Health Products for You (HPFY))

Frekvensområdet for hver enhed afhænger af den primære anvendelse, f.eks. tale eller musik. For tale er frekvensområdet fra 20 Hertz (Hz) til 8 kilohertz (kHz), mens musik er til det hørbare maksimum på 20 kHz. De fleste PSAP-enheder har batteri og PC-software til brugerdefinerbar forstærkning i hele frekvensområdet. Disse enheder er også designet til at levere fremragende lydkvalitet og taleforståelighed for lydene omkring brugeren, fra telefonen og til lydstreaming.

Et typisk lyd PSAP-system omfatter et lydcodec og en DSP-kerne. Et forenklet billede af dette PSAP-lydsystem har en lydcodec med en mikrofonindgang til en A/D-konverter (ADC). Lydcodec'en decimerer ADC'ens digitale output som forberedelse til den digitale transmission til Bluetooth-systemet på chip (SoC)/DSP-kernen (Figur 2).

Figur 2: Et typisk lydsystem til en PSAP består af en mikrofon, ADC, decimator, Bluetooth/DSP-kerne, interpolator, D/A-konverter (DAC), forstærker og højttaler. (Billedkilde: Maxim Integrated, ændret af Bonnie Baker)

Bluetooth SoC/DSP-kernen decimerer signalet yderligere som forberedelse til DSP-blokken. DSP-blokken behandler signalet, interpolerer og sender derefter det digitale signal tilbage til lydcodec'et. Lydcodec'en konverterer det digitale signal tilbage til analogt signal til at drive højttalerudgangen.

Den aktiverede PSAP har to typer lyde, der når frem til brugerens trommehinde. S1 er summen af brugerens omgivende lækage (S1A) og knogleledning (S1B). I S1 dækker den hørbare anordning øreåbningen for at forhindre lyden i at nå ind i og slippe ud af øregangen (figur 3).

Figur 3: Tre lydkilder når trommehinden med en PSAP; omgivende lækage (S1A), knogleledning (S1B) og den behandlede omgivende lyd (S2A). (Billedkilde: Maxim Integrated, ændret af Bonnie Baker)

PSAP'ens mikrofon opfanger den omgivende lyd (S2), DSP'en behandler den, og udgangssignalet (S2A) sendes ind i øregangen via lydtransduceren. Det er vigtigt, at lydbehandlingskædens design skaber en forsinkelse. Disse tre lyde opsummerer brugerens trommehinde for at skabe PSAP-oplevelsen.

PSAP-kameffekten

For PSAP-oplevelsen kræver lydsystemet, at alle lyde tilføjes, før de rammer trommehinden. Ankomsttidspunktet for S1A og S1B til brugerens trommehinde er identisk, men som vist bevæger S2-signalet sig gennem lydsystemet, hvilket skaber en lille forsinkelse. Hvis forsinkelsen og forstærkningen ikke justeres tilstrækkeligt, opstår der en ekkoeffekt, når kilderne lægges sammen (figur 4).

Figur 4: Signalmodel for summering af de tre lyde: S1A, S1B og S2. (Billedkilde: Bonnie Baker)

Variablerne i figur 4 er forsinkelse og forstærkning (G). S1-signalet går direkte til trommehinden. Ved at tilføje den omgivende S1-lyd til den elektroniske S2-vej skaber forstærkningsfunktionen i S2 en forsinkelse. Tilføjelsen af S1 og S2 kan potentielt skabe et ekko, men dette kan minimeres ved at manipulere forsinkelsestiden og forstærkningsstørrelsen.

Figur 5 viser det resulterende signalrespons for en forsinkelse på 0,4 millisekunder (ms) og 3 ms og G på 0 decibel (dB), 15 dB og 30 dB.

Figur 5: Den summerede frekvensrespons for to lyde baseret på signalmodellen med forsinkelsesændringer fra 0,4 ms til 3 ms og forstærkningsændringer på 0 dB, 15 dB og 30 dB. (Billedkilde: Maxim Integrated, med ændringer af Bonnie Baker)

De normaliserede frekvensresponser i figur 5 illustrerer forsinkelses- og forstærkningseffekten på trommehinden. Der er en forvrængning eller kameffekt i form af flere hak for G lig med 0 dB. Kameffekten kan forringe lydkvaliteten gennem efterklang eller ekko. I figur 5A skaber en forsinkelse på 3 ms flere hak ved en meget lavere frekvens.

Med den øgede forstærkning i figur 5B mindskes kameffekten i betydning. Forstærkningsændringen fra 0 dB til 15 dB danner en krusning på ~3 dB ved 15 dB forstærkning. Der er næsten en flad respons for begge forsinkelser ved en 30 dB forstærkning i figur 5C.

Sådan afbøder du kameffekten

Som beskrevet reducerer en forøgelse af forstærkning og en reduktion af forsinkelse kameffekten i et konventionelt PSAP-system for at reducere efterklangen eller ekkoet. En avanceret PSAP-enhed erstatter forsinkelses-/forstærkningskomponenterne med et ekstra digitalt filter med lav latenstid, der bruges til at udføre en anti-støjfunktion (figur 6).

Figur 6: Fire lyde når trommehinden i et avanceret PSAP-system: S1A, S1B, S2A og S2B. (Billedkilde: Maxim Integrated, ændret af Bonnie Baker)

I figur 6 genererer MAX98050-lydcodec 'et med lav effekt og højtydende lydcodec anti-støj (S2B), der interagerer med den oprindelige passive omgivende lyd for at danne en ny lyd. MAX98050 har funktioner til støjreduktion og stemme-/omgivelsesforbedring, der er baseret på et digitalt filter med lav effekt og lav latenstid, som sikrer, at S2B reducerer støj ved lave frekvenser.

Figur 7 viser et forenklet blokdiagram baseret på MAX98050 PSAP-løsningen.

Figur 7: MAX98050-codec'en skaber PSAP-signalinterface til at variere forstærkning og reducere støj og forsinkelse. (Billedkilde: Bonnie Baker)

En simulering baseret på blokdiagrammet i figur 7 illustrerer MAX98050-systemets kameffekt og virkningen af forstærkning og forsinkelsestid på støjen (figur 8).

Figur 8: En simulering af diagrammet i figur 7 viser MAX98050's kameffekt og virkningen af forstærkning og forsinkelsestid på støjen. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Figur 8 viser, at Maxims anti-støjløsning fremhæver forskellen i forstærkning mellem S1 og S2. Ud over simuleringen validerer målinger baseret på den virkelige formfaktor og et realtidsevalueringssystem den foreslåede støjdæmpende løsning.

Bemærk, at en reduktion af forsinkelsen i lydsystemer kræver relativt høje ADC- og DAC-samplingfrekvenser. Disse ændringer øger beregningsbelastningen og reducerer strømforbruget. Generelt er der en forringelse af lydydelsen.

Konklusion

PSAP'er giver klare, omkostningseffektive fordele for alle, der ønsker at forbedre deres høreevner. For designerne er udfordringen med at forbedre effektiviteten og ydeevnen fortsat, hvilket kræver en mere effektiv håndtering af kameffekten. Som vist kan designere ved hjælp af det strømbesparende, altid aktive MAX98050-codec fra Maxim Integrated afbøde PSAP-kameffekten, hvilket fører til forbedret lyd- og strømydelse og fleksibelt systemdesign til næste generation af PSAP'er.