Hoe de prestaties en de efficiëntie van persoonlijke geluidsversterkingsproducten (PSAP) verbeteren

Persoonlijke geluidsversterkingsproducten (PSAP's) bieden een goedkope manier om te voorzien in de behoefte aan minimale gehoorversterking bij sport en gehoorverlies. Hoewel deze slimme aanpasbare hoorapparaten steeds populairder worden, vormen ze een voortdurende uitdaging voor ontwerpers om de prestaties te verbeteren en tegelijkertijd de kosten en het stroomverbruik tot een minimum te beperken.

De uitdagingen komen voort uit de noodzaak om problematische omgevingslekkage en beengeleidingssignalen in de gehoorgang te verminderen, en tegelijkertijd rekening te houden met vertragingen door de elektronica van het hoortoestel. Deze elektronica omvat microfoons, een luidspreker, een DSP en een codec. Door de versterkings- en latentiesignalen van de elektronica te combineren met de omgevings- en beengeleidende audio, ontstaat een kameffect dat moet worden begrepen. Alleen dan kan het effectief worden gemitigeerd om een kosteneffectief, energie-efficiënt ontwerp te implementeren.

Dit artikel beschrijft de constructie en werking van PSAP's, typische ontwerpvereisten en belangrijke technische concepten zoals het kameffect. Vervolgens wordt een audiocodec van Analog Devices/Maxim Integrated voor gebruik in PSAP's geïntroduceerd die weinig stroom verbruikt en hoge prestaties levert en die kan worden gebruikt om het kameffect aan te pakken.

PSAP-werking en -ontwerpvereisten

Met het ouder worden is het vaak moeilijker om de radio, de televisie of een gesprek te horen. Soms stoort achtergrondlawaai het horen van een gesprek in een restaurant of een sociale bijeenkomst. Oplossingen voor gehoorproblemen zijn tot nu toe gebaseerd op dure hoortoestellen die als medische hulpmiddelen worden geclassificeerd en gereguleerd. Ongeacht de mate van gehoorverlies van de individuele gebruiker zijn deze toestellen aanzienlijk duurder dan ongereguleerde PSAP-hoorapparaten.

Oplaadbare PSAP's, bedoeld voor recreatieve of low-level gehoorverbetering, hebben een aanpasbare low-level versterking om gebruikers te helpen helder te horen door de midden- tot hoge frequenties te verlagen of te verhogen. De versterker heeft doorgaans versterkingsresets en ruisonderdrukkingscircuits om terugkoppeling en achtergrondruis te verminderen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: PSAP's zoals de C350+ hebben aanpasbare versterking op laag niveau om de helderheid te verbeteren. (Bron afbeelding: Health Products for You (HPFY))

Het frequentiebereik van elk apparaat hangt af van de primaire toepassing, zoals spraak versus muziek. Voor spraak ligt het frequentiebereik tussen 20 Hertz (Hz) en 8 kilohertz (kHz), terwijl muziek het hoorbare maximum van 20 kHz bereikt. De meeste PSAP-apparaten hebben een batterijvoeding en pc-software voor aanpasbare versterking over het hele frequentiebereik. Deze toestellen zijn ook ontworpen om een uitstekende geluidskwaliteit en spraakverstaanbaarheid te leveren voor de geluiden rondom de gebruiker, van zijn telefoon en voor audiostreaming.

Een typisch audio-PSAP-systeem omvat een audiocodec en een DSP-kern. Een vereenvoudigde weergave van dit PSAP-audiosysteem heeft een audiocodec met een microfooningang naar een analoog-digitaalconvertor (ADC). De audiocodec decimeert de digitale uitgang van de ADC ter voorbereiding van de digitale overdracht naar de Bluetooth system-on-chip (SoC)/DSP-kern (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een typisch audiosysteem voor een PSAP bestaat uit een microfoon, ADC, decimator, Bluetooth/DSP-kern, interpolator, digitaal-analoogconvertor (DAC), versterker en luidspreker. (Bron afbeelding: Maxim Integrated, bewerkt door Bonnie Baker)

De Bluetooth SoC/DSP-kern decimeert het signaal verder ter voorbereiding op het DSP-blok. Het DSP-blok verwerkt het signaal, interpoleert en stuurt het digitale signaal terug naar de audiocodec. De audiocodec zet het digitale signaal terug naar analoog om de luidsprekeruitgang aan te sturen.

De ingeschakelde PSAP heeft twee soorten geluiden die het trommelvlies van de gebruiker bereiken. S1 is de som van de resterende spraaklekkage van de gebruiker (S1A) en de beengeleiding (S1B). Voor S1 verbergt het hoorbare apparaat de ooropening om te voorkomen dat het geluid naar binnen en buiten de gehoorgang komt (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Drie geluidsbronnen bereiken het trommelvlies met een PSAP; omgevingslek (S1A), beengeleidend (S1B), en het bewerkte omgevingsgeluid (S2A). (Bron afbeelding: Maxim Integrated, bewerkt door Bonnie Baker)

De microfoon van de PSAP vangt het omgevingsgeluid (S2) op, de DSP verwerkt het, en het uitgangssignaal (S2A) wordt via de audiotransducer in de gehoorgang gestuurd. Belangrijk is dat het ontwerp van de audioverwerkingsketen een vertraging veroorzaakt. Deze drie geluiden vatten het trommelvlies van de gebruiker samen om de PSAP-ervaring te creëren.

Het PSAP-kameffect

Voor de PSAP-ervaring vereist het audiosysteem de toevoeging van alle geluiden voordat zij het trommelvlies raken. De aankomsttijd van S1A en S1B bij het trommelvlies van de gebruiker is identiek, maar zoals te zien is, reist het S2-signaal door het audiosysteem, waardoor een kleine vertraging ontstaat. Indien de vertraging en de versterking niet goed zijn afgesteld, treedt een echo-effect op wanneer de bronnen worden samengevoegd (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Signaalmodel voor de sommatie van de drie geluiden: S1A, S1B en S2. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

De variabelen in Afbeelding 4 zijn vertraging en versterking (G). Het S1-signaal gaat rechtstreeks naar het trommelvlies. Door het omgevingsgeluid S1 toe te voegen aan het elektronische pad S2, creëert de versterkingsfunctie in S2 een vertraging. De toevoeging van S1 en S2 kan een echo veroorzaken, maar dit kan worden geminimaliseerd door de vertragingstijd en de versterkingsmagnitude te manipuleren.

Afbeelding 5 toont de resulterende signaalrespons voor een vertraging van 0,4 milliseconden (ms) en 3 ms, en G van 0 decibel (dB), 15 dB en 30 dB.

Afbeelding 5: De sommatiefrequentierespons van twee geluiden op basis van het signaalmodel, met vertragingsveranderingen van 0,4 ms tot 3 ms en versterkingsveranderingen van 0 dB, 15 dB en 30 dB. (Bron afbeelding: Maxim Integrated, met wijzigingen door Bonnie Baker)

De genormaliseerde frequentierespons in Afbeelding 5 illustreert het vertragings- en versterkingseffect op het trommelvlies. Er is een vervorming, of kameffect, in de vorm van meerdere inkepingen voor G gelijk aan 0 dB. Het kameffect kan de geluidskwaliteit aantasten door galm of echo. In Afbeelding 5A zorgt een vertraging van 3 ms voor meer inkepingen bij een veel lagere frequentie.

Met de toegenomen versterking in Afbeelding 5B neemt het kameffect in betekenis af. De verandering van de versterking van 0 dB naar 15 dB vormt een rimpeling van ~3 dB bij 15 dB versterking. Er is bijna een vlakke respons voor beide vertragingen bij een versterking van 30 dB in Afbeelding 5C.

Hoe het kameffect te verzachten

Zoals beschreven vermindert een verhoging van de versterking en een verlaging van de vertraging het kameffect in een conventioneel PSAP-systeem om de nagalm of echo te verminderen. Een geavanceerd PSAP-apparaat vervangt de vertragings-/versterkingscomponenten door een extra digitaal filter met lage latentie dat wordt gebruikt om een antiruisfunctie uit te voeren (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Bij een geavanceerd PSAP-systeem bereiken vier geluiden het trommelvlies: S1A, S1B, S2A en S2B. (Bron afbeelding: Maxim Integrated, bewerkt door Bonnie Baker)

In Afbeelding 6 genereert de MAX98050, een krachtige audiocodec met laag stroomverbruik, anti-ruis (S2B) dat in interactie met het oorspronkelijke passieve omgevingsgeluid een nieuw geluid vormt. De MAX98050 heeft functies voor ruisonderdrukking en stem-/omgevingsverbetering die berusten op een digitaal filter met laag vermogen en lage latentie dat ervoor zorgt dat S2B ruis bij lage frequenties vermindert.

Afbeelding 7 toont een vereenvoudigd blokschema op basis van de MAX98050 PSAP-oplossing.

Afbeelding 7: De MAX98050-codec maakt de PSAP-signaalinterface om de versterking te variëren en ruis en vertraging te verminderen. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

Een simulatie op basis van het blokschema van Afbeelding 7 illustreert het kameffect van het MAX98050-systeem en de invloed van versterking en vertragingstijd op de ruis (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Een simulatie van het diagram in Afbeelding 7 toont het kameffect van de MAX98050 en de invloed van versterking en vertragingstijd op de ruis. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Afbeelding 8 laat zien dat de anti-ruisoplossing van Maxim het versterkingsverschil tussen S1 en S2 benadrukt. Naast de simulatie valideren metingen op basis van de echte vormfactor en het realtime evaluatiesysteem de voorgestelde anti-ruisoplossing.

Merk op dat vermindering van de vertraging in audiosystemen relatief hoge ADC- en DAC-bemonsteringsfrequenties vereist. Deze veranderingen verhogen de rekenbelasting en verminderen de energie-efficiëntie. In het algemeen is er een verslechtering van de audioprestaties.

Conclusie

PSAP's bieden duidelijke, kosteneffectieve voordelen voor iedereen die zijn hoorvermogen wil verbeteren. Voor ontwerpers blijft het een uitdaging om de efficiëntie en de prestaties te verbeteren, wat betekent dat zij beter moeten omgaan met het kameffect. Zoals aangetoond kunnen ontwerpers met de energiezuinige, altijd actieve MAX98050-codec van Maxim Integrated het PSAP-kameffect beperken, wat leidt tot betere audio- en energieprestaties en een flexibel systeemontwerp voor de volgende generatie PSAP's.