原標題：如何提高個人擴音產品 (PSAP) 的性能和效率

　　個人擴音產品 (PSAP) 提供了一種低成本的方式來解決運動和聽力損失對最小聽力放大的需求。盡管這些智能可調節耳戴式設備越來越受歡迎，但它們不斷挑戰設計人員在提高性能的同時將成本和功耗降至最低。

　　挑戰源于需要減少聽力管中有問題的環境泄漏和骨傳導信號，同時還要考慮到由于聽力設備的電子設備造成的延遲。這些電子設備包括麥克風、揚聲器、DSP 和編解碼器。將來自電子設備的增益和延遲信號與環境和骨傳導音頻相結合，會產生需要理解的梳狀效應。只有這樣，才能有效地減輕它，以實施具有成本效益、節能的設計。

　　本文介紹了 PSAP 的構建、操作、典型設計要求以及梳狀效應等關鍵技術概念。然后介紹了來自Analog Devices/Maxim Integrated的用于 PSAP的低功耗、高性能音頻編解碼器，該編解碼器可用于解決梳狀效應，并展示了如何應用它。

　　PSAP操作和設計要求

　　隨著年齡的增長，通常很難聽到廣播、電視或談話。有時背景噪音會干擾聽到餐廳或社交聚會的討論。迄今為止，聽力問題的解決方案依賴于昂貴的助聽器選項，這些選項被歸類為醫療設備并受到監管。無論個人用戶的聽力損失程度如何，這些設備都比不受管制的 PSAP 可聽設備貴得多。

　　用于娛樂或低級聽力增強的可充電 PSAP 具有可定制的低級放大功能，通過降低或提高中高頻來幫助用戶清晰地聽到聲音。該放大器通常具有放大復位和噪聲消除電路，以減少反饋和背景噪聲(圖 1)。

圖 1：C350+ 等 PSAP 具有可定制的低電平放大，以提高清晰度。(圖片來源：Health Products for You (HPFY))

　　每個設備的頻率范圍取決于主要應用，例如語音與音樂。對于語音，工作頻率范圍為 20 赫茲 (Hz) 至 8 千赫茲 (kHz)，而音樂的最大可聽頻率為 20 kHz。大多數 PSAP 設備都有電池電源和 PC 軟件，可在整個頻率范圍內進行自定義放大。這些設備還旨在為用戶周圍的聲音、手機和音頻流提供出色的音質和語音清晰度。

　　典型的音頻 PSAP 系統包括音頻編解碼器和 DSP 內核。此 PSAP 音頻系統的簡化視圖有一個音頻編解碼器，帶有麥克風輸入到模數轉換器 (ADC)。音頻編解碼器抽取 ADC 的數字輸出，為向藍牙片上系統 (SoC)/DSP 內核的數字傳輸做準備(圖 2)。

圖 2：PSAP 的典型音頻系統包括麥克風、ADC、抽取器、藍牙/DSP 內核、內插器、數模轉換器 (DAC)、放大器和揚聲器。(圖片來源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

　　藍牙 SoC/DSP 內核進一步抽取信號，為 DSP 模塊做準備。DSP 模塊對信號進行處理、插值，然后將數字信號發送回音頻編解碼器。音頻編解碼器將數字信號轉換回模擬信號以驅動揚聲器輸出。

　　啟用的 PSAP 有兩種類型的聲音可以到達用戶的耳膜。S1 是剩余用戶語音環境泄漏 (S1A) 和骨導 (S1B) 的總和。對于 S1，可聽設備會遮擋耳朵開口，以阻止聲音到達耳道內部并逸出耳道(圖 3)。

圖 3：三個聲源通過 PSAP 到達耳膜;環境泄漏 (S1A)、骨傳導 (S1B) 和處理后的環境聲音 (S2A)。(圖片來源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

　　PSAP 的麥克風捕捉環境聲音 (S2)，DSP 對其進行處理，然后將輸出信號 (S2A) 通過音頻傳感器發送到耳道。重要的是，音頻處理鏈設計會產生延遲。這三種聲音總結了用戶的耳膜，創造了 PSAP 體驗。

　　PSAP 梳狀效果

　　對于 PSAP 體驗，音頻系統需要在所有聲音到達耳膜之前添加它們。S1A 和 S1B 到達用戶耳膜的時間相同，但如圖所示，S2 信號通過音頻系統傳播，產生了輕微的延遲。如果延遲和增益沒有適當調整，當源加在一起時會出現回聲效應(圖 4)。

圖 4：三種聲音總和的信號模型：S1A、S1B 和 S2。(圖片來源：邦妮貝克)

　　圖 4 中的變量是延遲和增益 (G)。S1 信號直接進入耳膜。通過將環境 S1 聲音添加到電子 S2 路徑，S2 中的增益函數會產生延遲。S1 和 S2 的添加有可能產生回聲，但這可以通過控制延遲時間和增益幅度來最小化。

　　圖 5 顯示了延遲等于 0.4 毫秒 (ms) 和 3 ms，以及 G 等于 0 分貝 (dB)、15 dB 和 30 dB 的結果信號響應。

圖 5：基于信號模型的兩種聲音的總頻率響應，延遲從 0.4 ms 變化到 3 ms，增益變化分別為 0 dB、15 dB 和 30 dB。(圖片來源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

　　圖 5 中的歸一化頻率響應說明了耳膜上的延遲和增益效應。對于 G 等于 0 dB，存在以多個陷波形式出現的失真或梳狀效應。梳狀效果可能會通過混響或回聲降低音質。在圖 5A 中，3 ms 的延遲會在低得多的頻率下產生更多的陷波。

　　隨著圖 5B 中增益的增加，梳狀效應顯著降低。從 0 dB 到 15 dB 的增益變化在 15 dB 增益下會形成約 3 dB 的紋波。在圖 5C 中，在 30 dB 增益下，這兩種延遲的響應幾乎是平坦的。

　　如何減輕梳子效應

　　如上所述，增益的增加和延遲的減少會降低傳統 PSAP 系統中的梳狀效應，從而減少其混響或回聲。先進的 PSAP 設備用一個額外的低延遲數字濾波器代替了延遲/增益組件，該濾波器用于執行抗噪聲功能(圖 6)。

圖 6：高級 PSAP 系統中有四種聲音到達耳膜：S1A、S1B、S2A 和 S2B。(圖片來源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

　　在圖 6 中，MAX98050低功耗、高性能音頻編解碼器產生抗噪聲 (S2B)，與原始無源環境聲音相互作用形成新聲音。MAX98050 具有噪聲消除和語音/環境增強功能，依靠低功耗、低延遲數字濾波器確保 S2B 降低低頻噪聲。

　　圖 7 顯示了基于 MAX98050 PSAP 解決方案的簡化框圖。

圖 7：MAX98050 編解碼器創建 PSAP 信號接口以改變增益，降低噪聲和延遲。(圖片來源：邦妮貝克)

　　基于圖 7 框圖的仿真說明了 MAX98050 系統的梳狀效應，以及增益和延遲時間對噪聲的影響(圖 8)。

圖 8：圖 7 中的仿真圖顯示了 MAX98050 的梳狀效應以及增益和延遲時間對噪聲的影響。(圖片來源：美信集成)

　　圖 8 顯示，Maxim 的抗噪聲解決方案強調了 S1 和 S2 之間的增益差異。除了仿真之外，基于真實外形尺寸和實時評估系統的測量驗證了所提出的抗噪聲解決方案。

　　請注意，減少音頻系統中的延遲需要相對較高的 ADC 和 DAC 采樣率。這些變化增加了計算負載并降低了功率效率?？傮w而言，音頻性能有所下降。

　　結論

　　PSAP 為希望提高聽力能力的任何人提供了明確且具有成本效益的好處。對于設計師來說，提高效率和性能的挑戰仍在繼續，這需要更有效地處理梳狀效應。如圖所示，使用 Maxim Integrated 的低功耗、始終有效的 MAX98050 編解碼器，設計人員可以減輕 PSAP 梳狀效應，從而提高音頻和電源性能，并為下一代 PSAP 提供靈活的系統設計。