Cum se poate îmbunătăți performanța și eficiența produselor personale de amplificare a sunetului (PSAP)

Produsele personale de amplificare a sunetului (PSAP) oferă o modalitate ieftină de îndeplinire a cerințelor de amplificare minimă a auzului pentru sport și pierderea auzului. Deși aceste aparate auditive inteligente și reglabile sunt din ce în ce mai populare, ele pun în permanență la încercare proiectanții în ceea ce privește îmbunătățirea performanței, menținând în același timp costurile și consumul de energie la un nivel minim.

Provocările provin din necesitatea de a reduce scurgerile ambientale problematice și semnalele de conducție osoasă din canalul auditiv, ținând cont, în același timp, de întârzierile datorate componentelor electronice ale aparatului auditiv. Aceste componente electronice includ microfoane, un difuzor, un DSP și un codec. Combinarea semnalelor de câștig și de latență de la electronice cu sunetul ambiental și sunetul condus prin oase creează un efect de tip pieptene care trebuie înțeles. Numai atunci poate fi atenuat în mod eficient pentru a implementa un proiect rentabil și cu consum redus de energie.

Acest articol descrie construcția și funcționarea PSAP, cerințele tipice de proiectare și conceptele tehnice cheie, cum ar fi efectul de tip pieptene. Apoi, prezintă un codec audio cu consum redus de energie și de înaltă performanță de la Analog Devices/Maxim Integrated pentru utilizarea în PSAP-uri, care poate fi folosit pentru a rezolva efectul de tip pieptene și arată cum se aplică.

Cerințe privind funcționarea și proiectarea PSAP

Odată cu vârsta, este adesea mai greu să auzi radioul, televizorul sau o conversație. Uneori, zgomotul de fond interferează cu sunetul dintr-un restaurant sau din timpul unei întâlniri de grup. Până în prezent, soluțiile la problemele de auz s-au bazat pe opțiuni costisitoare de aparate auditive care sunt clasificate și reglementate ca dispozitive medicale. Indiferent de gradul individual de pierdere a auzului al utilizatorului, aceste dispozitive sunt considerabil mai costisitoare decât aparatele auditive PSAP nereglementate.

PSAP-urile reîncărcabile, destinate îmbunătățirii auzului de uz recreațional sau de nivel scăzut, au o amplificare personalizabilă de nivel scăzut pentru a-i ajuta pe utilizatori să audă cu claritate, prin reducerea sau creșterea frecvențelor medii și înalte. De obicei, amplificatorul include resetări de amplificare și circuite de anulare a zgomotului pentru a reduce zgomotul de fond și feedback-ul (Figura 1).

Figura 1: PSAP-urile, cum ar fi C350+, au amplificare personalizabilă de nivel scăzut pentru a îmbunătăți claritatea. (Sursa imaginii: Health Products for You (HPFY))

Gama de frecvențe a fiecărui dispozitiv depinde de aplicația principală, cum ar fi vocea sau muzica. Pentru voce, gama de frecvențe de funcționare este cuprinsă între 20 Hertz (Hz) și 8 kilohertzi (kHz), în timp ce muzica atinge maximul audibil de 20 kHz. Cele mai multe dispozitive PSAP sunt alimentate de baterii și dispun de software pentru PC pentru o amplificare personalizabilă în toată gama de frecvențe. Aceste dispozitive sunt, de asemenea, concepute pentru a oferi o calitate excelentă a sunetului și o inteligibilitate a vorbirii pentru sunetele din jurul utilizatorului, din telefon și pentru streaming-ul audio.

Un sistem PSAP audio tipic include un codec audio și un nucleu DSP. O imagine simplificată a acestui sistem audio PSAP include un codec audio cu o intrare de microfon la un convertor analogic-digital (ADC). Codecul audio decimează ieșirea digitală a ADC-ului pentru a o pregăti pentru transmiterea digitală către nucleul sistemului pe cip (SoC)/DSP Bluetooth (Figura 2).

Figura 2: un sistem audio tipic pentru un PSAP include un microfon, un ADC, un decimator, un nucleu Bluetooth/DSP, un interpolator, un convertor digital-analogic (DAC), un amplificator și un difuzor. (Sursa imaginii: Maxim Integrated, modificat de Bonnie Baker)

Nucleul SoC/DSP Bluetooth decimează în continuare semnalul în vederea pregătirii pentru blocul DSP. Blocul DSP procesează semnalul, îl interpolează și apoi trimite semnalul digital înapoi la codecul audio. Codecul audio convertește semnalul digital înapoi în analogic pentru a acționa ieșirea difuzorului.

PSAP-ul activat are două tipuri de sunete care ajung la timpanul utilizatorului. S1 este suma scurgerilor ambientale reziduale ale vocii utilizatorului (S1A) și a conducției osoase (S1B). Pentru S1, dispozitivul auditiv ascunde deschiderea urechii pentru a bloca sunetul să ajungă în interior și să iasă în afara canalului auditiv (Figura 3).

Figura 3: trei surse de sunet ajung la timpan cu un PSAP; scurgere ambientală (S1A), conducție osoasă (S1B) și sunetul ambiental procesat (S2A). (Sursa imaginii: Maxim Integrated, modificat de Bonnie Baker)

Microfonul PSAP captează sunetul ambiental (S2), DSP-ul îl procesează, iar semnalul de ieșire (S2A) este trimis în canalul auditiv prin intermediul traductorului audio. Este important de știut faptul că proiectarea lanțului de procesare audio creează o întârziere. Aceste trei sunete ajung la timpanul utilizatorului pentru a crea experiența PSAP.

Efectul de tip pieptene în PSAP

Pentru experiența PSAP, sistemul audio necesită însumarea tuturor sunetelor înainte ca acestea să ajungă la timpan. Timpul de sosire a semnalelor S1A și S1B la timpanul utilizatorului este identic, dar, după cum se arată, semnalul S2 călătorește prin sistemul audio, creând o ușoară întârziere. Dacă întârzierea și câștigul nu sunt ajustate corespunzător, apare un efect de ecou atunci când sursele sunt însumate (Figura 4).

Figura 4: model de semnal pentru însumarea celor trei sunete: S1A, S1B și S2. (Sursă imagine: Bonnie Baker)

Variabilele din Figura 4 sunt întârzierea și câștigul (G). Semnalul S1 ajunge direct la timpan. Prin adăugarea sunetului ambiental S1 la calea electronică S2, funcția de câștig din S2 creează o întârziere. Adăugarea surselor S1 și S2 are potențialul de a crea un ecou, dar acesta poate fi minimizat prin manipularea timpului de întârziere și a magnitudinii câștigului.

Figura 5 prezintă răspunsul semnalului rezultat pentru o întârziere egală cu 0,4 milisecunde (ms) și 3 ms și G egală cu 0 decibeli (dB), 15 dB și 30 dB.

Figura 5: răspunsul la frecvența de însumare a două sunete pe baza modelului de semnal, cu modificări ale întârzierii de la 0,4 ms la 3 ms și modificări ale câștigului de 0 dB, 15 dB și 30 dB. (Sursa imaginii: Maxim Integrated, cu modificări de Bonnie Baker)

Răspunsurile în frecvență normalizate din Figura 5 ilustrează efectul de întârziere și de câștig asupra timpanului. Există o distorsiune sau un efect de tip pieptene, sub forma unor crestături multiple pentru G egal cu 0 dB. Efectul de tip pieptene ar putea degrada calitatea sunetului prin reverberație sau ecou. În Figura 5A, o întârziere de 3 ms creează mai multe crestături la o frecvență mult mai mică.

Odată cu creșterea câștigului din Figura 5B, efectul de tip pieptene devine mai puțin semnificativ. Modificarea câștigului de la 0 dB la 15 dB formează o ondulație de ~3 dB la un câștig de 15 dB. În Figura 5C se observă un răspuns aproape plat pentru ambele întârzieri la un câștig de 30 dB.

Cum să atenuați efectul de tip pieptene

După cum s-a descris, o creștere a câștigului și o scădere a întârzierii reduce efectul de tip pieptene într-un sistem PSAP convențional pentru a reduce reverberația sau ecoul acestuia. Un dispozitiv PSAP avansat înlocuiește componentele de întârziere/câștig cu un filtru digital suplimentar cu latență redusă care este utilizat pentru a îndeplini o funcție antizgomot (Figura 6).

Figura 6: patru sunete ajung la timpan într-un sistem PSAP avansat: S1A, S1B, S2A și S2B. (Sursa imaginii: Maxim Integrated, modificat de Bonnie Baker)

În Figura 6, codecul audio MAX98050 de performanță înaltă și putere scăzută generează un antizgomot (S2B) care interacționează cu sunetul ambiental pasiv original pentru a forma un sunet nou. MAX98050 are funcții de anulare a zgomotului și de îmbunătățire a vocii/sunetului ambiental care se bazează pe un filtru digital de joasă putere și latență redusă care asigură reducerea zgomotului la frecvențe joase de către S2B.

Figura 7 prezintă o schemă bloc simplificată bazată pe soluția MAX98050 PSAP.

Figura 7: codecul MAX98050 creează interfața de semnal PSAP pentru a varia câștigul și a reduce zgomotul și întârzierea. (Sursă imagine: Bonnie Baker)

O simulare bazată pe schema bloc din Figura 7 ilustrează efectul de tip pieptene al sistemului MAX98050 și impactul câștigului și al timpului de întârziere asupra zgomotului (Figura 8).

Figura 8: o simulare a schemei din Figura 7 arată efectul de tip pieptene al MAX98050 și impactul câștigului și al timpului de întârziere asupra zgomotului. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Figura 8 arată că soluția anti-zgomot de la Maxim accentuează diferența de câștig dintre S1 și S2. Pe lângă simulare, măsurătorile efectuate pe baza factorului de formă real și a sistemului de evaluare în timp real validează soluția anti-zgomot propusă.

Rețineți că reducerea întârzierii în sistemele audio necesită rate de eșantionare ADC și DAC relativ mari. Aceste modificări măresc sarcina de calcul și reduc eficiența energetică. În general, există o degradare a performanței audio.

Concluzie

PSAP-urile oferă beneficii clare și rentabile pentru oricine dorește să-și îmbunătățească abilitățile auditive. Pentru proiectanți, provocarea de a îmbunătăți eficiența și performanța continuă, ceea ce necesită o abordare mai eficientă a efectului de tip pieptene. După cum s-a arătat, folosind codecul MAX98050 de la Maxim Integrated, cu consum redus de energie și mereu activ, proiectanții pot atenua efectul de tip pieptene PSAP, ceea ce duce la îmbunătățirea performanțelor audio și a consumului de energie și la o proiectare flexibilă a sistemului pentru PSAP-urile de ultimă generație.