你将学习:
- PSAPs是什么?
- 了解梳状效应的根本原因。
- PSAP系统的基本构建块。
- 抗噪解决方案如何减轻梳状效应。
可听设备旨在通过减少环境噪音来改善用户的听力体验。这是通过被动和主动噪声消除(ANC)和放大所需的环境声音来实现的。支持理想环境声音放大的可听设备通常被称为个人声音放大产品(PSAPs)。
在本文中，不失一般性，将PSAP视为可听性中的一种辅助听力特性。用于在具有挑战性的环境中提高听力，PSAP是指有和没有听力障碍的个人。PSAP系统的基本构建模块可能包括但不限于:
- 一个或几个外部麦克风来捕捉周围的声音。
- 一个或几个内置麦克风，捕捉耳道内残留的声音。
- 一个耳机扬声器播放增强的声音。
- 数字信号处理(DSP)模块，如波束形成、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、限幅器等。
典型的psap音频系统的简化视图(图1)演示模拟麦克风信号在哪里转换为数字，在音频编解码器中抽取，并通过缓冲区传输到蓝牙系统芯片(SoC)或DSP核心。然后在DSP块中处理，通过缓冲器传回编解码器，并在转换成模拟信号之前进行插值，以便放大器驱动扬声器输出。
当启用PSAP时，两种类型的声音会到达用户的耳膜(图2)．声音S1是剩余的环境声音(和/或用户自己的声音)。这是由于可听设备阻塞了耳口，使声音无法到达耳道内部和逃逸到耳道外部。
声音S2是麦克风捕获的环境声，经过PSAP DSP块处理后的PSAP输出。它最终由扬声器产生，其中可能涉及音频系统造成的固有延迟，这取决于音频处理链的设计。这两种声音在用户耳膜处叠加(即声波叠加)，创造出一种完整的PSAP体验。
梳状效应问题
图3，它代表了一个简化的信号模型，有助于说明在存在相对延迟和增益放大的情况下，两个声音的累加效应的结果。基于这个模型，格言进行了一项研究，以了解延迟和增益如何影响声音输出。两个延迟值分别用于3 ms和0.4 ms，增益为0、15和30 dB。
图4说明归一化频率响应的总和的两个声音，其中延迟和增益都显著影响输出。当增益为0 db时，可以观察到明显的多电平畸变。
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(如3 ms)会产生更多的阶跃，包括比较短的延迟(如0.4 ms)频率低得多的阶跃。随着增益的增加，梳状效应大大减轻，在增益为15 dB时形成2 ~ 3 dB的纹波，或在增益为30 dB时形成几乎平坦的响应，表明两种延迟的差异极小。
Maxim在典型的可听用例中检查了传统PSAP解决方案的梳状效应。中所描绘的一样图5， S1声通常是被动衰减的结果，只在高频时才会出现衰减(例如15分贝)。声音S2是PSAP输出。两种情况下的PSAP分别为0和15 db增益。
梳状效应的仿真结果表示为图6，表示当增益较低(如0 dB)时，较长的延迟(如3 ms)会产生梳状效应，导致音频失真，听力体验较差。
使用抗噪剂减轻梳状效应
PSAP中的梳状效应可以通过两种方式来缓解:减少延迟和/或增加两个相加声音之间的增益差，如上述研究中所示。减少音频系统的延迟(图1)在音频转换(模拟到数字和数字到模拟)、编解码器和SoC/DSP核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较小的缓冲区。这样的需求会导致更高的计算负载、较低的功率效率、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，Maxim提出了一种基于抗噪声的解决方案，该方案允许PSAP系统管理两个声音之间的增益水平——特别是降低低频S1的水平。的MAX98050是一种低功耗、高性能的音频编解码器，专为持续活跃的可听设备设计，能够实现诸如噪音消除和声音/环境增强等差异化功能。
该公司的抗噪解决方案是通过集成的低功耗、低延迟数字滤波器链来产生抗噪。这是与发送麦克风记录和播放音频数据到主机处理器(例如，蓝牙SoC)在典型的音频采样率和缓冲方案灵活和最优的PSAP算法设计和调整的同时完成的。
所示图7， MAX98050产生抗噪C1, C1与原始的被动环境声相互作用，形成低频降低电平的新声音S1。图8说明了该解决方案的简化框图，该框图基于低频降低15分贝的模拟梳状效应结果。
Maxim的抗噪解在S1和S2之间产生了更多的增益差，导致在两种PSAP增益情况下，长时延和短时延的性能相似(图9)．除了仿真，基于实形因子的测量和实时评估系统已经验证了所提出的抗噪声解决方案。
总结
本文解释了困扰PSAP系统的梳状效应问题。在不同的增益水平下，研究了长时延对PSAP处理的影响。在PSAP系统中减少延迟会导致较差的性能和更高的功率。Maxim在低功耗、连续有源编解码器MAX98050的基础上，引入了一种基于抗噪声的解决方案，以缓解paps中的梳齿效应，改善音频和功率性能，并为下一代可听设备创建一个灵活的系统设计。
参考文献
蓝牙是Bluetooth SIG Inc.的注册商标。
