7488年白皮书

提高个人扩音产品(PSAP)的音频性能和功率效率在可听的抗噪声


文摘:

PSAP增强了用户在具有挑战性的环境中使用可听设备的听力体验。音频系统中的长延迟会产生失真,在PSAP中称为梳状效应。本文研究了梳状效应的根本原因,并解释了马克西姆基于抗噪声解决方案的PSAP如何获得比传统PSAP解决方案更好的系统性能。


介绍

可听设备的设计是通过使用被动和主动噪声消除(ANC)来减少环境噪声,并放大所需的环境声音,从而改善用户的听觉体验。支持放大所需环境声音的可听设备通常被称为个人声音放大产品(psap)。在本白皮书中,我们认为PSAP是可听设备中的一种辅助听力特征,用于在具有挑战性的环境中增强听力受损者以及听力正常者的听力。PSAP系统的基本构件可包括但不限于:

  • 一个或几个外部麦克风捕捉周围的声音。
  • 一个或几个内部麦克风捕捉耳道内的残留声音。
  • 耳机扬声器播放增强的声音。
  • 数字信号处理(DSP)模块包括波束形成、反馈抑制、环境/风/脉冲/mic噪声抑制、增益放大、均衡、动态范围压缩、限制器等。

PSAP典型音频系统的简化视图如图所示图1,模拟麦克风信号转换为数字,摧毁的音频编解码器,并传输到蓝牙(BT) SoC或DSP核心通过一个缓冲区,然后在DSP模块处理,传送回编解码器通过一个缓冲区,插入之前转换为模拟放大器驱动扬声器输出。

PSAP的典型音频系统视图图1所示。PSAP的典型音频系统视图。

当PSAP启用时,两种类型的声音到达用户的耳膜,如图2.S1是剩余的环境声音(和/或用户自己的声音),因为可听设备堵住了耳道,阻止了声音进入和流出耳道。声音S2是麦克风捕捉到的环境声音的PSAP输出,经过PSAP DSP块的处理,最后由扬声器产生,其中可能涉及到音频系统造成的固有延迟,这取决于音频处理链的设计。这两种声音在用户的耳膜上叠加(也称为声波叠加),创造出PSAP体验的完整感觉。

两种声音到达鼓膜在PSAP图2。两种声音到达鼓膜在PSAP。

梳状效应问题

为了理解两个声音之间存在相对延迟和增益放大的求和效应的结果,我们简化了信号模型,如图所示图3.在此基础上,我们研究了延迟和增益对输出的影响。在这种情况下,我们取3毫秒和0.4毫秒的延迟值,增益为0、15、30 dB。

两种声音的简化信号模型图3。两种声音的简化信号模型。

图4显示了两个声音的和的归一化频率响应,我们可以清楚地看到,延迟和增益都对输出有显著的影响。当增益为0 dB时,可以观察到以多个陷波形式出现的明显失真。这种失真被称为梳状效应,可能会降低音质并产生回声或混响效应。较长的延迟(例如,3毫秒)比较短的延迟(例如,0.4毫秒)在更低的频率上产生更多的陷波。随着增益的增加,这种梳状效应得到了极大的缓解,在15db增益时形成了2- 3db的纹波,在30db增益时几乎是平缓的响应,其中两个延迟没有太大的差异。

现在让我们在典型的可听性用例中检查传统PSAP解决方案的梳状效应。所示图5,声音S1通常是被动衰减的结果,显示衰减(例如,15 dB)只在高频。声音S2是PSAP的输出,例如,我们考虑增益分别为0 dB和15 dB的PSAP的两种情况。图中给出了梳状效应的仿真结果图6,说明长延迟(如3ms)在增益较低(如0 dB)时,会产生梳状效应,导致音频失真,听力体验较差。

基于简化信号模型的两个声音和的频率响应图4。基于简化信号模型的两个声音和的频率响应。

传统PSAP解决方案图5。传统PSAP解决方案。

常规PSAP溶液的结果图6。常规PSAP溶液的结果。

利用抗噪声减轻梳状效应的马克西姆解

缓解PSAP中梳状效应的方法有两种;通过减少延迟和/或增加两个求和声音之间的增益差,如上所述。减少音频系统中的延迟(参见图1在音频转换(模数转换和数字模拟转换)、编解码器和SoC/DSP核心之间的音频数据传输以及DSP块中,通常需要使用非常高的采样率和小的缓冲区。这样的要求会导致较高的计算负载、较低的功率效率和降低的音频性能,或限制系统设计和调优灵活性。

为了克服这些问题,马克西姆提出了以降低低频S1电平的PSAP系统管理两个声音之间增益电平的抗噪声为基础的解决方案。介绍MAX98050,第一款低功耗、高性能音频编解码器,专为始终主动可听而设计,可实现噪声消除和声音/环境增强等差异化功能。Maxim正在申请专利的PSAP抗噪声解决方案是通过利用集成的低功耗、低延迟数字滤波器链来产生抗噪声,同时将麦克风记录和播放音频数据发送到主机处理器(例如,蓝牙SoC)在典型音频采样率和缓冲方案的灵活和最优的PSAP算法的设计和调优。

所示图7, MAX98050产生抗噪声C1, C1与原被动环境声相互作用,形成新的声音S1,低频时降低电平。这个解决方案的简化框图如图8,在此基础上模拟了梳状效应的结果,并将抗噪结果模拟为低频降低15 dB。所示图9,马克西姆的抗噪声解决方案在S1和S2之间造成了更大的增益差异,导致长延迟和短延迟在两种PSAP增益情况下的性能相似。除了仿真,基于真实形状因素和实时评估系统的测量也进行了验证,以验证所提出的抗噪声解决方案。

两种声音到达鼓膜在PSAP抗噪声图7。两种声音到达鼓膜在PSAP抗噪声。

马克西姆的PSAP抗噪声解决方案图8。马克西姆的PSAP抗噪声解决方案。

马克西姆PSAP溶液抗噪声的结果图9。马克西姆PSAP溶液抗噪声的结果。

总结

在这篇白皮书中,我们解释了困扰可听音频PSAP系统的梳状效应问题。研究了不同增益水平下长延迟对PSAP处理的影响。降低PSAP系统的延迟会导致系统性能差、功耗高。基于首个低功耗始终有源编解码器MAX98050, Maxim引入了基于抗噪声的解决方案,以缓解PSAP中的梳状效应,从而改善音频和功率性能,并为下一代可听设备提供灵活的系统设计。

Baidu