Slik forbedrer du PSAP-ytelse og -effektivitet (PSAP – Personal Sound Amplification Product)

Personlige lydforsterkningsprodukter (PSAP – personal sound amplification product) kan dekke behovet for minimal hørselsforsterkning for sport og hørselstap, på en prisgunstig måte. Selv om disse justerbare smarte høreenhetene blir stadig mer populære, utfordrer de konstruktører til å forbedre ytelsen samtidig som kostnadene og strømforbruket holdes nede på et minimum.

Utfordringene stammer fra behovet om å redusere problematisk omgivelseslekkasje og benledningssignaler (bone conduction signals) i hørselskanalen, samtidig som det også tas hensyn til forsinkelser på grunn av elektronikken i høreenheten. Denne elektronikken omfatter mikrofoner, en høyttaler, en DSP og en kodek. Når elektronikkens forsterkning og latenssignaler kombineres med omgivende og beinledet lyd, skapes en kameffekt (comb effect) som må forstås. Det er først da den kan dempes effektivt for å implementere en kostnadseffektiv, energieffektiv konstruksjon.

Denne artikkelen beskriver PSAP-ens konstruksjon, drift, typiske utviklingskrav og viktige tekniske konsepter, f.eks kameffekt. Den introduserer deretter en lydkodek med lav effekt og høy ytelse fra Analog Devices/Maxim Integrated for PSAP-er som kan brukes til å håndtere kameffekten, og viser hvordan den skal brukes.

Krav til PSAP-drift og -konstruksjon

Når man blir eldre, er det ofte vanskeligere å høre radio, TV eller samtaler. Noen ganger kan bakgrunnsstøy i en restaurant eller sosial diskusjon være forstyrrende for hørselen. Løsninger for hørselsproblemer har til nå vært avhengig av dyre høreapparater som er klassifisert og regulert som medisinsk utstyr. Uavhengig av graden av hørselstap for den enkelte brukeren, er disse enhetene mye dyrere enn uregulerte PSAP-høreenheter.

Oppladbare PSAP-er, som beregnet for rekreerende hørselsforbedring eller hørselsforbedring på lavt nivå, har egendefinerbar lavnivåforsterkning slik at brukere kan høre med klarhet ved å redusere eller øke middels-til-høye frekvenser. Forsterkeren har vanligvis strømkretser for forsterkningstilbakestilling og støykansellering for å redusere tilbakekobling (feedback) og bakgrunnsstøy (figur 1).

Figur 1: PSAP-er som C350+ har egendefinerbar lavnivåforsterkning for å forbedre klarheten. (Bildekilde: Health Products for You (HPFY))

Frekvensområdet for hver enhet avhenger av hovedbruksområdet, for eksempel tale eller musikk. For tale er driftsfrekvensområdet fra 20 Hertz (Hz) til 8 kilohertz (kHz), mens frekvensområdet for musikk går opptil 20 kHz, som er den høyeste hørbare frekvensen. De fleste PSAP-enheter har batteristrøm og PC-programvare for egendefinerbar forsterkning på tvers av frekvensområdet. Disse enhetene er også konstruert for å levere utmerket lydkvalitet og taletydelighet for lydene rundt brukeren – fra telefonen deres og for lydstrømming.

Et typisk PSAP-system inkluderer en lydkodek og en DSP-kjerne. En forenklet visning av denne PSAP-enheten har en lydkodek med en mikrofoninngang til en analog-til-digital-omformer (A-D-omformer). Lydkodeken reduserer kraftig (desimerer) A-D-omformerens digitale utgang for å forberede til digital overføring til Bluetooth SoC/DSP-kjernen (SoC – system-on-chip) (figur 2).

Figur 2: Et typisk lydsystem for en PSAP består av en mikrofon, A-D-omformer (ADC), desimator, Bluetooth/DSP-kjerne, interpolator, D-A-omformer (DAC), forsterker og høyttaler. (Bildekilde: Maxim Integrated, modifisert av Bonnie Baker)

Bluetooth SoC/DSP-kjernen desimerer signalet ytterligere som en forberedelse for DSP-blokken. DSP-blokken behandler signalet, interpolerer det og sender deretter det digitale signalet tilbake til lydkodeken. Lydkodeken konverterer det digitale signalet tilbake til et analogt signal for å drive høyttalerutgangen.

Den aktiverte PSAP-en har to lydtyper som når frem til brukerens trommehinne. S1 er summasjonen av den gjenværende omgivelseslekkasjen fra brukerens stemme (S1A) og benkonduksjonen (S1B). For S1 vil høreenheten tilslører øreåpningen slik at lyden blokkeres fra å nå innsiden og lekke ut utenfor øregangen (figur 3).

Figur 3: Tre lydkilder når frem til trommehinnen med en PSAP; omgivelseslekkasje (S1A), benledet (S1B) og behandlet omgivelseslyd (S2A). (Bildekilde: Maxim Integrated, modifisert av Bonnie Baker)

PSAP-ens mikrofon fanger opp omgivelseslyden (S2), DSP-en behandler den og utgangssignalet (S2A) sendes inn i øregangen via lydtransduseren. Det er viktig å være klar over at konstruksjonen til lydbehandlingskjeden skaper en forsinkelse. Disse tre lydene oppsummerer brukerens trommehinne for å skape PSAP-opplevelsen.

PSAP-kameffekten

For å få PSAP-opplevelsen, krever lydsystemet at alle lyder sammenslås før de treffer trommehinnen. Tidspunktet for når S1A og S1B treffer brukerens trommehinne er identisk, men som vist går S2-signalet gjennom lydsystemet, noe som skaper en liten forsinkelse. Hvis forsinkelsen og forsterkningen ikke er tilstrekkelig justert, oppstår en ekkoeffekt når kildene legges sammen (figur 4).

Figur 4: Signalmodell for summasjonen av de tre lydene: S1A, S1B og S2. (Bildekilde: Bonnie Baker)

Variablene i figur 4 er forsinkelse og forsterkning (G). S1-signalet går direkte til trommehinnen. Ved å legge til den omgivende S1-lyden til den elektroniske S2-banen, skaper forsterkningsfunksjonen i S2 en forsinkelse. Summasjonen av S1 og S2 kan potensielt skape et ekko, men dette kan minimeres ved å manipulere forsinkelsestiden og forsterkningsstørrelsen.

Figur 5 viser den resulterende signalresponsen for en forsinkelse som tilsvarer 0,4 millisekunder (ms) og 3 ms, og G som tilsvarer 0 desibel (dB), 15 dB og 30 dB.

Figur 5: Summasjonsfrekvensresponsen til to lyder basert på signalmodellen, der forsinkelsesendringene er fra 0,4 ms til 3 ms og forsterkningsendringene er 0 dB, 15 dB og 30 dB. (Bildekilde: Maxim Integrated, med modifiseringer av Bonnie Baker)

Den normaliserte frekvensresponsene i figur 5 illustrerer forsinkelses- og forsterkningseffekten på trommehinnen. Det er en forvrengning, eller kameffekt, i form av flere hakk for G som tilsvarer 0 dB. Kameffekten kan forringe lydkvaliteten på grunn av etterklang eller ekko. I figur 5A skaper en forsinkelse på 3 ms flere hakk ved en mye lavere frekvens.

Med den økte forsterkningen i figur 5B, reduseres kameffekten signifikant. Forsterkningsendringen fra 0 dB til 15 dB danner en rippel på ~3 dB med en forsterkning på 15 dB. Det er nesten en flat respons for begge forsinkelsene ved en forsterkning på 30 dB i figur 5C.

Slik demper du kameffekten

Som beskrevet, vil en økning i forsterkning og en reduksjon i forsinkelse øke kameffekten i et konvensjonelt PSAP-system for å redusere etterklang eller ekko. En avansert PSAP-enhet erstatter forsinkelses-/forsterkningskomponentene med et ekstra digitalt filter med lav latens som brukes til å utføre en støydempende funksjon (figur 6).

Figur 6: Fire lyder når trommehinnen i et avansert PSAP-system: S1A, S1B, S2A og S2B. (Bildekilde: Maxim Integrated, modifisert av Bonnie Baker)

I figur 6 genererer MAX98050-lydkodeken med lav effekt og høy ytelse støydempning (S2B) som samhandler med den opprinnelige passive omgivelseslyden for å danne en ny lyd. MAX98050 har funksjoner for støyundertrykking og forbedring av stemmer/omgivelseslyd, som er avhengige av et digitalt filter med lav effekt og lav latenstid som sikrer at S2B reduserer støy ved lave frekvenser.

Figur 7 viser et forenklet blokkskjema basert på MAX98050 PSAP-løsningen.

Figur 7: MAX98050-kodeken danner PSAP-signalgrensesnittet for å variere forsterkningen og redusere støy og forsinkelse. (Bildekilde: Bonnie Baker)

En simulering basert på blokkskjemaet i figur 7 viser kameffekten til MAX98050-systemet og virkningen som forsterkning og forsinkelsestid har på støyen (figur 8).

Figur 8: En simulering av skjemaet i figur 7 viser kameffekten til MAX98050 og virkningen som forsterkning og forsinkelsestid har på støyen. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Figur 8 viser at Maxim sin støydempende løsning fremhever forsterkningsforskjellen mellom S1 og S2. I tillegg til simuleringen, vil målinger basert på den reelle formfaktoren og sanntidsevalueringssystemet evaluere den foreslåtte støydempende løsningen.

Vær oppmerksom på at forsinkelsesreduksjonen i lydsystemet krever relativt høye ADC- og DAC-samplingsfrekvenser. Disse endringene øker beregningslasten og reduserer effektvirkningsgraden. Samlet sett er det en forringelse i lydytelsen.

Konklusjon

PSAP-er tilbyr klare, kostnadseffektive fordeler for alle som ønsker å forbedre hørselsevnene sine. For konstruktører er utfordringen med å forbedre effektivitet og ytelse en kontinuerlig prosess, og dette krever mer effektiv håndtering av kameffekten. Som vist kan konstruktører, ved hjelp av den alltid-aktive MAX98050-kodeken med lav effekt fra Maxim Integrated, redusere PSAP-kameffekten, noe som fører til forbedret lyd- og effektytelse og fleksibel systemkonstruksjon for neste generasjons PSAP-er.