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通過抗噪增強(qiáng)耳戴式設(shè)備的個(gè)人聲音放大產(chǎn)品音頻性能和電源效率

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:ADI ? 作者:ADI ? 2022-12-15 13:53 ? 次閱讀
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PSAP增強(qiáng)了用戶在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中使用耳戴式設(shè)備的聆聽體驗(yàn)。音頻系統(tǒng)中的長時(shí)間延遲會產(chǎn)生失真,稱為PSAP中的梳狀效應(yīng)。本文研究了梳狀效應(yīng)的根本原因,并解釋了Maxim基于抗噪聲解決方案的PSAP如何獲得優(yōu)于傳統(tǒng)PSAP解決方案的系統(tǒng)性能。

介紹

耳戴式設(shè)備旨在通過使用被動(dòng)和主動(dòng)降噪 (ANC) 降低環(huán)境噪音并放大所需的環(huán)境聲音來改善用戶的聆聽體驗(yàn)。支持放大所需環(huán)境聲音的耳戴式設(shè)備通常稱為個(gè)人聲音放大產(chǎn)品 (PSAP)。在本白皮書中,我們認(rèn)為PSAP是耳戴式設(shè)備中的輔助聽力功能,用于在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中增強(qiáng)聽力障礙者和正常聽力的人的聽力。PSAP系統(tǒng)的基本構(gòu)建塊可能包括但不限于:

一個(gè)或幾個(gè)外部麥克風(fēng)來捕捉環(huán)境聲音。

一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)置麥克風(fēng),用于捕獲耳道內(nèi)的殘余聲音。

用于播放增強(qiáng)聲音的耳機(jī)揚(yáng)聲器。

數(shù)字信號處理(DSP)模塊,如波束成形、反饋抑制、環(huán)境/風(fēng)/脈沖/麥克風(fēng)噪聲抑制、增益放大、均衡、動(dòng)態(tài)范圍壓縮、限幅器等。

PSAP典型音頻系統(tǒng)的簡化視圖如圖1所示,其中模擬麥克風(fēng)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,在音頻編解碼器中抽取,并通過緩沖器傳輸?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/藍(lán)牙/" target="_blank">藍(lán)牙(BT)SoC或DSP內(nèi)核,然后在DSP模塊中進(jìn)行處理,通過緩沖器傳輸回編解碼器, 在轉(zhuǎn)換為模擬之前進(jìn)行插值,以便放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器輸出。

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圖1.PSAP 的典型音頻系統(tǒng)視圖。

啟用 PSAP 后,兩種類型的聲音會到達(dá)用戶的耳膜,如圖 2 所示。聲音 S1 是殘留的環(huán)境聲音(和/或用戶自己的聲音),因?yàn)榭陕犜O(shè)備遮擋了耳朵開口并阻止聲音到達(dá)耳道內(nèi)部并逸出耳道。聲音 S2 是麥克風(fēng)捕獲的環(huán)境聲音的 PSAP 輸出,由 PSAP DSP 模塊處理,最后由揚(yáng)聲器生成,其中可能涉及音頻系統(tǒng)引起的固有延遲,具體取決于音頻處理鏈設(shè)計(jì)。這兩種聲音在用戶的耳膜處相加(也稱為聲波疊加),以產(chǎn)生完整的PSAP體驗(yàn)。

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圖2.在 PSAP 中,兩種聲音到達(dá)鼓膜。

梳狀效應(yīng)問題

為了理解兩個(gè)聲音在存在相對延遲和增益放大的情況下求和效應(yīng)的結(jié)果,我們簡化了信號模型,如圖3所示。基于該模型,我們進(jìn)行了一項(xiàng)研究,以了解延遲和增益如何影響輸出。在這種情況下,我們?nèi)蓚€(gè)延遲值,分別為3ms和0.4ms,增益為0、15、30 dB。

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圖3.兩種聲音的簡化信號模型。

圖4顯示了兩個(gè)聲音之和的歸一化頻率響應(yīng),我們可以清楚地看到延遲和增益都會顯著影響輸出。增益為0 dB時(shí),可以觀察到多個(gè)凹波形式的明顯失真。這種失真稱為梳狀效應(yīng),可能會降低音質(zhì)并產(chǎn)生回聲或混響效果。較長的延遲(例如,3ms)在比較短的延遲(例如,0.4ms)低得多的頻率下產(chǎn)生更多的陷波。隨著增益的增加,這種梳狀效應(yīng)得到了極大的緩解,在15 dB增益下形成2-3 dB的紋波,或者在30 dB增益下形成幾乎平坦的響應(yīng),其中兩個(gè)延遲沒有太大差異。

現(xiàn)在讓我們來看看傳統(tǒng)PSAP解決方案在典型耳戴式設(shè)備用例中的梳理效應(yīng)。如圖5所示,聲音S1通常是無源衰減的結(jié)果,僅在高頻下顯示衰減(例如,15 dB)。聲音S2是PSAP輸出,例如,我們考慮兩種PSAP情況,其增益分別為0 dB和15 dB。梳狀效應(yīng)的仿真結(jié)果如圖6所示,當(dāng)增益較低(例如0 dB)時(shí),長時(shí)間延遲(例如3ms)可能會產(chǎn)生梳狀效應(yīng),從而導(dǎo)致音頻失真和較差的聆聽體驗(yàn)。

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圖4.基于簡化信號模型的兩種聲音之和的頻率響應(yīng).

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圖5.傳統(tǒng)的PSAP解決方案。

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圖6.傳統(tǒng)PSAP解決方案的結(jié)果。

Maxim利用抗噪降低梳狀效應(yīng)的解決方案

PSAP中梳狀效應(yīng)的緩解可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn);通過減少延遲和/或增加兩個(gè)求和聲音之間的增益差,如上述研究所示。為了減少音頻系統(tǒng)中的延遲(參見圖1作為參考),通常需要在音頻轉(zhuǎn)換(模數(shù)和數(shù)模到模擬)、編解碼器和SoC/DSP內(nèi)核之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸以及DSP模塊中使用非常高的采樣率和小緩沖器。此類要求會導(dǎo)致更高的計(jì)算負(fù)載、較差的電源效率、降低的音頻性能,或者限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)諧靈活性。

為了克服這些問題,Maxim提出了基于抗噪聲的解決方案,允許PSAP系統(tǒng)管理兩種聲音之間的增益電平,從而降低低頻S1電平。推出MAX98050,這是首款低功耗、高性能的音頻編解碼器,專為始終有源的耳戴式設(shè)備而設(shè)計(jì),具有噪聲消除和語音/環(huán)境增強(qiáng)等差異化功能。Maxim正在申請專利的PSAP抗噪聲解決方案利用集成的低功耗、低延遲數(shù)字濾波器鏈實(shí)現(xiàn)抗噪聲,同時(shí)以典型的音頻采樣率和緩沖方案將麥克風(fēng)錄制和回放音頻數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)處理器(如藍(lán)牙SoC),實(shí)現(xiàn)靈活、優(yōu)化的PSAP算法設(shè)計(jì)和調(diào)諧。

如圖7所示,MAX98050產(chǎn)生抗噪聲C1,與原始無源環(huán)境聲音相互作用,形成新的聲音S1,低頻時(shí)電平降低。該解決方案的簡化框圖如圖8所示,在此框圖上模擬了梳狀效應(yīng)結(jié)果,其中抗噪聲結(jié)果模擬為低頻降低15 dB。如圖9所示,Maxim的抗噪聲方案在S1和S2之間產(chǎn)生更大的增益差,導(dǎo)致兩種PSAP增益情況下長延遲和短延遲的性能相似。除了仿真之外,還進(jìn)行了基于真實(shí)外形尺寸和實(shí)時(shí)評估系統(tǒng)的測量,以驗(yàn)證所提出的抗噪聲解決方案。

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圖7.在PSAP中,兩種聲音以抗噪音到達(dá)鼓膜。

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圖8.Maxim的PSAP解決方案具有抗噪聲功能。

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圖9.Maxim的抗噪聲PSAP解決方案的結(jié)果。

總結(jié)

在本白皮書中,我們解釋了困擾耳戴式設(shè)備PSAP系統(tǒng)的梳狀效應(yīng)問題。研究在不同增益水平下PSAP處理的長延遲的后果。減少PSAP系統(tǒng)中的延遲會導(dǎo)致性能不佳和高功率。Maxim基于首款低功耗始終有源編解碼器MAX98050,推出基于抗噪聲的解決方案,以減輕PSAP中的梳狀效應(yīng),從而改善音頻和電源性能,并為下一代耳戴式設(shè)備提供靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

審核編輯:郭婷

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