Poprawa sprawności i parametrów działania osobistego wzmacniacza dźwięku (PSAP)

Osobiste wzmacniacze dźwięku (PSAP) to tani sposób na zaspokojenie potrzeby minimalnego wzmocnienia słuchu przy uprawianiu sportów i ubytkach słuchu. Chociaż te inteligentne, regulowane urządzenia głosowe hearable są coraz bardziej popularne, nieustannie stawiają projektantom wyzwanie w postaci zwiększenia sprawności przy jednoczesnym ograniczeniu do minimum kosztów i poboru mocy.

Wyzwania wynikają z potrzeby zmniejszenia problematycznych przecieków z otoczenia i sygnałów przewodnictwa kostnego w kanale słuchowym, przy jednoczesnym uwzględnieniu opóźnień spowodowanych elementami elektronicznymi aparatu słuchowego. Do wspomnianych elementów elektronicznych zaliczają się mikrofony, głośniki, cyfrowe procesory sygnałowe (DSP) i kodeki. Połączenie sygnałów wzmocnienia i latencji z elementów elektronicznych z dźwiękami z otoczenia i przewodzenia kostnego tworzy efekt grzebieniowy, który należy dobrze zrozumieć. Tylko wtedy można go skutecznie złagodzić, wdrażając opłacalny, energooszczędny projekt.

W tym artykule opisano budowę wzmacniacza PSAP, jego działanie, typowe wymagania projektowe oraz kluczowe zagadnienia techniczne, takie jak efekt grzebieniowy. Następnie przedstawiono i zaprezentowano możliwości zastosowania we wzmacniaczach PSAP kodeku audio firmy Analog Devices/Maxim Integrated o niskim poborze mocy i wysokich parametrach działania, który można wykorzystać do rozwiązania problemu efektu grzebieniowego.

Wymagania eksploatacyjne i projektowe dotyczące wzmacniaczy PSAP

Z wiekiem często trudniej jest usłyszeć radio, telewizję czy rozmowę. Czasami szumy tła przeszkadzają w wysłuchaniu dyskusji w restauracji lub podczas spotkania towarzyskiego. Dotychczasowe rozwiązania problemów ze słuchem opierały się na kosztownych opcjach aparatów słuchowych, które są klasyfikowane jako urządzenia medyczne i podlegają stosownym regulacjom prawnym. Niezależnie od stopnia ubytku słuchu indywidualnego użytkownika, aparaty te są znacznie droższe niż niepodlegające regulacjom urządzenie głosowe hearable, takie jak osobiste wzmacniacze dźwięku (PSAP).

Wzmacniacze PSAP z możliwością wielokrotnego ładowania, przeznaczone do rekreacyjnego lub niskopoziomowego wzmacniania słuchu, charakteryzują się regulowanym niskim wzmocnieniem i umożliwiają użytkownikom lepsze słyszenie poprzez stłumienie lub uwydatnienie częstotliwości od średnich do wysokich. Wzmacniacz zazwyczaj posiada obwody resetujące wzmocnienie i redukujące szumy, w celu zmniejszenia sprzężenia zwrotnego i szumów tła (Ilustracja 1).

Ilustracja 1: wzmacniacze PSAP, takie jak C350+ posiadają regulowane wzmocnienie niskiego poziomu, umożliwiające wyraźniejsze słyszenie. (Źródło ilustracji: Health Products for You (HPFY))

Zakres częstotliwości każdego urządzenia zależy od podstawowego zastosowania, takiego jak wzmacnianie głosu lub muzyki. W przypadku głosu zakres częstotliwości roboczych wynosi od 20Hz do 8kHz, natomiast zakres dla muzyki dochodzi do najwyższej słyszalnej częstotliwości 20kHz. Większość urządzeń PSAP ma zasilanie bateryjne i oprogramowanie komputerowe umożliwiające dostosowywanie wzmocnienia w całym zakresie częstotliwości. Omawiane urządzenia zaprojektowano również z myślą o zapewnieniu doskonałej jakości dźwięku i rozumienia mowy z telefonu oraz strumieniowego przesyłania dźwięku w otoczeniu użytkownika.

Typowy system audio PSAP zawiera kodek audio i rdzeń cyfrowego procesora sygnałowego (DSP). Uproszczona wersja systemu audio PSAP zawiera kodek audio z wejściem mikrofonu do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Kodek audio decymuje wyjście cyfrowe przetwornika analogowo-cyfrowego ADC, przygotowując dane do transmisji cyfrowej do układu SoC Bluetooth / rdzenia cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) (ilustracja 2).

Ilustracja 2: na typowy system audio wzmacniacza PSAP składa się mikrofon, przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), decymator, Bluetooth lub rdzeń cyfrowego procesora sygnałowego (DSP), interpolator, przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC), wzmacniacz i głośnik. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated, zmodyfikowana przez Bonnie Baker)

Układ SoC Bluetooth / rdzeń cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) dodatkowo decymuje sygnał w ramach przygotowania do bloku cyfrowego procesora sygnałowego (DSP). Blok cyfrowego procesora sygnałowego przetwarza sygnał, interpoluje, a następnie wysyła sygnał cyfrowy z powrotem do kodeka audio. Kodek audio konwertuje sygnał cyfrowy z powrotem na analogowy w celu sterowania wyjściem głośnikowym.

W przypadku aktywnego wzmacniacza PSAP do błony bębenkowej użytkownika docierają dwa rodzaje dźwięków. S1 jest sumą przecieków resztkowych głosu użytkownika (S1A) i przewodnictwa kostnego (S1B). W przypadku S1 urządzenie głosowe hearable zasłania otwór ucha, aby uniemożliwić dźwiękowi dotarcie do wnętrza i wydostanie się na zewnątrz kanału słuchowego (ilustracja 3).

Ilustracja 3: przy obecności wzmacniacza PSAP do błony bębenkowej docierają trzy źródła dźwięku: przecieki z otoczenia (S1A), przewodnictwo kostne (S1B) i przetworzony dźwięk otoczenia (S2A). (Źródło ilustracji: Maxim Integrated, zmodyfikowana przez Bonnie Baker)

Mikrofon wzmacniacza PSAP przechwytuje dźwięk otoczenia (S2), cyfrowy procesor sygnałowy (DSP) go przetwarza, a sygnał wyjściowy (S2A) jest przesyłany do przewodu słuchowego za pośrednictwem przetwornika audio. Co ważne, konstrukcja łańcucha przetwarzania dźwięku wprowadza opóźnienie. Te trzy dźwięki dochodzą do błony bębenkowej użytkownika, składając się na wrażenie akustyczne dostarczane przez wzmacniacz PSAP.

Efekt grzebieniowy we wzmacniaczu PSAP

Aby zapewnić użytkownikowi prawidłowe wrażenia akustyczne z użyciem wzmacniacza PSAP, system audio wymaga dodania wszystkich dźwięków, zanim dotrą one do błony bębenkowej. Czas dotarcia S1A i S1B do błony bębenkowej użytkownika jest identyczny, jednak sygnał S2 przechodzi przez system audio, powodując niewielkie opóźnienie (ilustracja). Jeśli opóźnienie i wzmocnienie nie są odpowiednio wyregulowane, w momencie dodawania źródeł do siebie pojawia się efekt echa (ilustracja 4).

Ilustracja 4: model sygnału do zsumowania trzech dźwięków: S1A, S1B i S2. (Źródło ilustracji: Bonnie Baker)

Na ilustracji 4 ukazano zmienne opóźnienia i wzmocnienia (G). Sygnał S1 trafia bezpośrednio do błony bębenkowej. Funkcja wzmocnienia w S2 wprowadza opóźnienie w momencie dodania dźwięku otoczenia S1 do ścieżki elektronicznej S2. Dodanie S1 i S2 może generować echo, ale można to zminimalizować manipulując czasem opóźnienia i wielkością wzmocnienia.

Ilustracja 5 przedstawia wynikową odpowiedź sygnału dla opóźnienia równego 0,4ms i 3ms oraz wzmocnienia G równego 0dB, 15dB i 30dB.

Ilustracja 5: odpowiedź częstotliwościowa sumy dwóch dźwięków w oparciu o model sygnału, ze zmianami opóźnienia od 0,4ms do 3ms i zmianami wzmocnienia wynoszącymi 0dB, 15dB i 30dB. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated, z modyfikacjami Bonnie Baker)

Znormalizowane odpowiedzi częstotliwościowe przedstawione na ilustracji 5 wskazują wpływ opóźnienia i wzmocnienia na błonę bębenkową. Widać zniekształcenie lub efekt grzebieniowy w postaci licznych węzłów dla wzmocnienia G równego 0dB. Efekt grzebieniowy może pogorszyć jakość dźwięku ze względu na pogłos lub echo. Na ilustracji 5A widać, że przy opóźnieniu 3ms powstaje więcej węzłów przy znacznie niższej częstotliwości.

Wraz ze zwiększaniem wzmocnienia, co widać na ilustracji 5B, efekt grzebieniowy traci na sile. Zmiana wzmocnienia z 0dB na 15dB tworzy tętnienia ~3dB przy wzmocnieniu 15dB. Na rysunku 5C ukazano niemal płaską odpowiedź na oba opóźnienia przy wzmocnieniu 30dB.

Łagodzenie efektu grzebieniowego

Zwiększenie wzmocnienia i zmniejszenie opóźnienia zmniejsza efekt grzebieniowy w konwencjonalnym systemie PSAP, co pozwala zredukować pogłos lub echo. Zaawansowane urządzenie PSAP zastępuje elementy opóźnienia/wzmocnienia dodatkowym filtrem cyfrowym o niskiej latencji, który realizuje funkcję przeciwszumową (ilustracja 6).

Ilustracja 6: w zaawansowanym systemie PSAP do błony bębenkowej docierają cztery dźwięki: S1A, S1B, S2A i S2B. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated, zmodyfikowana przez Bonnie Baker)

Na ilustracji 6 kodek audio MAX98050 o niskim poborze mocy i wysokich parametrach działania generuje sygnał przeciwszumowy (S2B), który nakłada się na oryginalny pasywny dźwięk z otoczenia, tworząc nowy dźwięk. Urządzenie MAX98050 posiada funkcje redukcji szumów i wzmacniania głosu/dźwięków otoczenia, które opierają się na filtrze cyfrowym o niskiej mocy i małej latencji, dzięki czemu sygnał S2B zapewnia redukcję szumów przy niskich częstotliwościach.

Ilustracja 7 przedstawia uproszczony schemat blokowy oparty na rozwiązaniu PSAP MAX98050.

Ilustracja 7: kodek MAX98050 tworzy interfejs sygnału PSAP zapewniający różnicowanie wzmocnienia oraz redukcję szumów i opóźnień. (Źródło ilustracji: Bonnie Baker)

Symulacja oparta na schemacie blokowym z ilustracji 7 przedstawia efekt grzebieniowy systemu MAX98050 oraz wpływ wzmocnienia i czasu opóźnienia na szumy (Ilustracja 8).

Ilustracja 8: symulacja w oparciu o schemat z ilustracji 7 przedstawia efekt grzebieniowy systemu MAX98050 oraz wpływ wzmocnienia i czasu opóźnienia na szumy. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Na ilustracji 8 widać, że rozwiązanie przeciwszumowe firmy Maxim uwydatnia różnicę wzmocnienia między S1 i S2. Oprócz symulacji, pomiary oparte na rzeczywistym współczynniku kształtu i system ewaluacyjny w czasie rzeczywistym umożliwiają walidację proponowanego rozwiązania przeciwszumowego.

Należy zauważyć, że redukcja opóźnienia w systemach audio wymaga stosunkowo wysokich częstotliwości próbkowania przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) i przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC). Zmiany te zwiększają obciążenie obliczeniowe i zmniejszają sprawność energetyczną. Ogólnie rzecz biorąc, występuje pogorszenie jakości dźwięku.

Podsumowanie

Wzmacniacze PSAP zapewniają wyraźne, opłacalne korzyści każdemu, kto chce poprawić swoją zdolność słyszenia. Postawione przed projektantami wyzwanie, jakim jest poprawa wydajności i parametrów działania urządzenia, wciąż obowiązuje i wymaga skuteczniejszego radzenia sobie z efektem grzebieniowym. Korzystając z zawsze aktywnego kodeka niskiej mocy MAX98050 firmy Maxim Integrated, projektanci mogą złagodzić efekt grzebieniowy PSAP, uzyskując dzięki temu poprawę jakości dźwięku i mocy oraz elastyczny projekt systemu dla wzmacniaczy PSAP nowej generacji.