原标题：如何提高个人扩音产品 (PSAP) 的性能和效率

　　个人扩音产品 (PSAP) 提供了一种低成本的方式来解决运动和听力损失对最小听力放大的需求。尽管这些智能可调节耳戴式设备越来越受欢迎，但它们不断挑战设计人员在提高性能的同时将成本和功耗降至最低。

　　挑战源于需要减少听力管中有问题的环境泄漏和骨传导信号，同时还要考虑到由于听力设备的电子设备造成的延迟。这些电子设备包括麦克风、扬声器、DSP 和编解码器。将来自电子设备的增益和延迟信号与环境和骨传导音频相结合，会产生需要理解的梳状效应。只有这样，才能有效地减轻它，以实施具有成本效益、节能的设计。

　　本文介绍了 PSAP 的构建、操作、典型设计要求以及梳状效应等关键技术概念。然后介绍了来自Analog Devices/Maxim Integrated的用于 PSAP的低功耗、高性能音频编解码器，该编解码器可用于解决梳状效应，并展示了如何应用它。

　　PSAP操作和设计要求

　　随着年龄的增长，通常很难听到广播、电视或谈话。有时背景噪音会干扰听到餐厅或社交聚会的讨论。迄今为止，听力问题的解决方案依赖于昂贵的助听器选项，这些选项被归类为医疗设备并受到监管。无论个人用户的听力损失程度如何，这些设备都比不受管制的 PSAP 可听设备贵得多。

　　用于娱乐或低级听力增强的可充电 PSAP 具有可定制的低级放大功能，通过降低或提高中高频来帮助用户清晰地听到声音。该放大器通常具有放大复位和噪声消除电路，以减少反馈和背景噪声(图 1)。

图 1：C350+ 等 PSAP 具有可定制的低电平放大，以提高清晰度。(图片来源：Health Products for You (HPFY))

　　每个设备的频率范围取决于主要应用，例如语音与音乐。对于语音，工作频率范围为 20 赫兹 (Hz) 至 8 千赫兹 (kHz)，而音乐的最大可听频率为 20 kHz。大多数 PSAP 设备都有电池电源和 PC 软件，可在整个频率范围内进行自定义放大。这些设备还旨在为用户周围的声音、手机和音频流提供出色的音质和语音清晰度。

　　典型的音频 PSAP 系统包括音频编解码器和 DSP 内核。此 PSAP 音频系统的简化视图有一个音频编解码器，带有麦克风输入到模数转换器 (ADC)。音频编解码器抽取 ADC 的数字输出，为向蓝牙片上系统 (SoC)/DSP 内核的数字传输做准备(图 2)。

图 2：PSAP 的典型音频系统包括麦克风、ADC、抽取器、蓝牙/DSP 内核、内插器、数模转换器 (DAC)、放大器和扬声器。(图片来源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

　　蓝牙 SoC/DSP 内核进一步抽取信号，为 DSP 模块做准备。DSP 模块对信号进行处理、插值，然后将数字信号发送回音频编解码器。音频编解码器将数字信号转换回模拟信号以驱动扬声器输出。

　　启用的 PSAP 有两种类型的声音可以到达用户的耳膜。S1 是剩余用户语音环境泄漏 (S1A) 和骨导 (S1B) 的总和。对于 S1，可听设备会遮挡耳朵开口，以阻止声音到达耳道内部并逸出耳道(图 3)。

图 3：三个声源通过 PSAP 到达耳膜;环境泄漏 (S1A)、骨传导 (S1B) 和处理后的环境声音 (S2A)。(图片来源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

　　PSAP 的麦克风捕捉环境声音 (S2)，DSP 对其进行处理，然后将输出信号 (S2A) 通过音频传感器发送到耳道。重要的是，音频处理链设计会产生延迟。这三种声音总结了用户的耳膜，创造了 PSAP 体验。

　　PSAP 梳状效果

　　对于 PSAP 体验，音频系统需要在所有声音到达耳膜之前添加它们。S1A 和 S1B 到达用户耳膜的时间相同，但如图所示，S2 信号通过音频系统传播，产生了轻微的延迟。如果延迟和增益没有适当调整，当源加在一起时会出现回声效应(图 4)。

图 4：三种声音总和的信号模型：S1A、S1B 和 S2。(图片来源：邦妮贝克)

　　图 4 中的变量是延迟和增益 (G)。S1 信号直接进入耳膜。通过将环境 S1 声音添加到电子 S2 路径，S2 中的增益函数会产生延迟。S1 和 S2 的添加有可能产生回声，但这可以通过控制延迟时间和增益幅度来最小化。

　　图 5 显示了延迟等于 0.4 毫秒 (ms) 和 3 ms，以及 G 等于 0 分贝 (dB)、15 dB 和 30 dB 的结果信号响应。

图 5：基于信号模型的两种声音的总频率响应，延迟从 0.4 ms 变化到 3 ms，增益变化分别为 0 dB、15 dB 和 30 dB。(图片来源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

　　图 5 中的归一化频率响应说明了耳膜上的延迟和增益效应。对于 G 等于 0 dB，存在以多个陷波形式出现的失真或梳状效应。梳状效果可能会通过混响或回声降低音质。在图 5A 中，3 ms 的延迟会在低得多的频率下产生更多的陷波。

　　随着图 5B 中增益的增加，梳状效应显着降低。从 0 dB 到 15 dB 的增益变化在 15 dB 增益下会形成约 3 dB 的纹波。在图 5C 中，在 30 dB 增益下，这两种延迟的响应几乎是平坦的。

　　如何减轻梳子效应

　　如上所述，增益的增加和延迟的减少会降低传统 PSAP 系统中的梳状效应，从而减少其混响或回声。先进的 PSAP 设备用一个额外的低延迟数字滤波器代替了延迟/增益组件，该滤波器用于执行抗噪声功能(图 6)。

图 6：高级 PSAP 系统中有四种声音到达耳膜：S1A、S1B、S2A 和 S2B。(图片来源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

　　在图 6 中，MAX98050低功耗、高性能音频编解码器产生抗噪声 (S2B)，与原始无源环境声音相互作用形成新声音。MAX98050 具有噪声消除和语音/环境增强功能，依靠低功耗、低延迟数字滤波器确保 S2B 降低低频噪声。

　　图 7 显示了基于 MAX98050 PSAP 解决方案的简化框图。

图 7：MAX98050 编解码器创建 PSAP 信号接口以改变增益，降低噪声和延迟。(图片来源：邦妮贝克)

　　基于图 7 框图的仿真说明了 MAX98050 系统的梳状效应，以及增益和延迟时间对噪声的影响(图 8)。

图 8：图 7 中的仿真图显示了 MAX98050 的梳状效应以及增益和延迟时间对噪声的影响。(图片来源：美信集成)

　　图 8 显示，Maxim 的抗噪声解决方案强调了 S1 和 S2 之间的增益差异。除了仿真之外，基于真实外形尺寸和实时评估系统的测量验证了所提出的抗噪声解决方案。

　　请注意，减少音频系统中的延迟需要相对较高的 ADC 和 DAC 采样率。这些变化增加了计算负载并降低了功率效率。总体而言，音频性能有所下降。

　　结论

　　PSAP 为希望提高听力能力的任何人提供了明确且具有成本效益的好处。对于设计师来说，提高效率和性能的挑战仍在继续，这需要更有效地处理梳状效应。如图所示，使用 Maxim Integrated 的低功耗、始终有效的 MAX98050 编解码器，设计人员可以减轻 PSAP 梳状效应，从而提高音频和电源性能，并为下一代 PSAP 提供灵活的系统设计。