PSAP增強了用戶在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中使用耳戴式設(shè)備的聆聽體驗。音頻系統(tǒng)中的長時間延遲會產(chǎn)生失真，稱為PSAP中的梳狀效應。本文研究了梳狀效應的根本原因，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和主動降噪 （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。支持放大所需環(huán)境聲音的耳戴式設(shè)備通常稱為個人聲音放大產(chǎn)品 （PSAP）。在本白皮書中，我們認為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：

一個或幾個外部麥克風來捕捉環(huán)境聲音。

一個或幾個內(nèi)置麥克風，用于捕獲耳道內(nèi)的殘余聲音。

用于播放增強聲音的耳機揚聲器。

數(shù)字信號處理（DSP）模塊，如波束成形、反饋抑制、環(huán)境/風/脈沖/麥克風噪聲抑制、增益放大、均衡、動態(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.asorrir.com/tags/藍牙/" target="_blank">藍牙（BT）SoC或DSP內(nèi)核，然后在DSP模塊中進行處理，通過緩沖器傳輸回編解碼器， 在轉(zhuǎn)換為模擬之前進行插值，以便放大器驅(qū)動揚聲器輸出。

圖1.PSAP 的典型音頻系統(tǒng)視圖。

啟用 PSAP 后，兩種類型的聲音會到達用戶的耳膜，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），因為可聽設(shè)備遮擋了耳朵開口并阻止聲音到達耳道內(nèi)部并逸出耳道。聲音 S2 是麥克風捕獲的環(huán)境聲音的 PSAP 輸出，由 PSAP DSP 模塊處理，最后由揚聲器生成，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。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。

圖2.在 PSAP 中，兩種聲音到達鼓膜。

梳狀效應問題

為了理解兩個聲音在存在相對延遲和增益放大的情況下求和效應的結(jié)果，我們簡化了信號模型，如圖3所示。基于該模型，我們進行了一項研究，以了解延遲和增益如何影響輸出。在這種情況下，我們?nèi)蓚€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模型。

圖4顯示了兩個聲音之和的歸一化頻率響應，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，可以觀察到多個凹波形式的明顯失真。這種失真稱為梳狀效應，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，其中兩個延遲沒有太大差異。

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。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。梳狀效應的仿真結(jié)果如圖6所示，當增益較低（例如0 dB）時，長時間延遲（例如3ms）可能會產(chǎn)生梳狀效應，從而導致音頻失真和較差的聆聽體驗。

圖4.基于簡化信號模型的兩種聲音之和的頻率響應.

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的解決方案

PSAP中梳狀效應的緩解可以通過兩種方式實現(xiàn);通過減少延遲和/或增加兩個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。此類要求會導致更高的計算負載、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，具有噪聲消除和語音/環(huán)境增強等差異化功能。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)字濾波器鏈實現(xiàn)抗噪聲，同時以典型的音頻采樣率和緩沖方案將麥克風錄制和回放音頻數(shù)據(jù)發(fā)送到主機處理器（如藍牙SoC），實現(xiàn)靈活、優(yōu)化的PSAP算法設(shè)計和調(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，還進行了基于真實外形尺寸和實時評估系統(tǒng)的測量，以驗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，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。

審核編輯：郭婷