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(huì)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在音頻編解碼器中抽取，并通過緩沖器傳輸?shù)?a href="http://m.makelele.cn/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。

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(huì)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)。

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(duì)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(hào)模型，如圖3所示?；谠撃Ｐ停覀冞M(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。

圖3.兩種聲音的簡化信號(hào)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(huì)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(huì)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(huì)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)。

圖4.基于簡化信號(hào)模型的兩種聲音之和的頻率響應(yīng).

圖5.傳統(tǒng)的PSAP解決方案。

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(huì)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(qǐng)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(píng)估系統(tǒng)的測量，以驗(yàn)證所提出的抗噪聲解決方案。

圖7.在PSAP中，兩種聲音以抗噪音到達(dá)鼓膜。

圖8.Maxim的PSAP解決方案具有抗噪聲功能。

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(huì)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