Miten parantaa PSAP (Personal Sound Amplification Product) -kuulolaitteen suorituskykyä ja hyötysuhdetta

PSAP (Personal Sound Amplification Product) -kuulolaitteet tarjoavat edullisen tavan ratkaista urheiluun ja kuulon heikkenemisen liittyvä minimaalisen kuulovahvistuksen tarve. Vaikka nämä älykkäät säädettävät kuulolaitteet ovat yhä suositumpia, ne asettavat suunnittelijoille jatkuvasti haasteita parantaa suorituskykyä ja rajoittaa samalla kustannukset ja virrankulutuksen minimiin.

Haasteita aiheuttaa tarve vähentää ongelmallista äänien vuotamista ympäristöstä korvakäytävään ja luiden korvakäytävään johtamia signaaleja sekä ottaa samalla huomioon kuulokojeen elektroniikasta johtuvat viiveet. Tähän elektroniikkaan kuuluvat mikrofonit, kaiutin, DSP ja koodekki. Elektroniikan vahvistamien ja latenssia sisältävien signaalien yhdistäminen ympäristön ja luun johtamaan ääneen synnyttää kampasuodatuksen, jota on ymmärrettävä. Vasta sen jälkeen sitä voidaan kompensoida tehokkaasti ja suunnitella kustannus- ja energiatehokas ratkaisu.

Tässä artikkelissa kuvaillaan PSAP-kuulolaitteiden rakenne, toiminta, tyypilliset suunnitteluvaatimukset ja keskeiset tekniset käsitteet, kuten kampasuodatus. Artikkelissa esitellään sen jälkeen yritykseltä Analog Devices / Maxim Integrated PSAP-kuulolaitteisiin tarkoitettu vähävirtainen ja suorituskykyinen äänikoodekki, jota voidaan käyttää kampasuodatuksen poistamiseen, ja esitellään sen käyttöä.

PSAP-kuulolaitteiden toimintaa ja suunnittelua koskevat vaatimukset

Iän myötä radion, television ja keskustelun kuuleminen vaikeutuu. Joskus taustamelu häiritsee ravintolassa tai sosiaalisessa tilaisuudessa käytävän keskustelun kuulemista. Kuulo-ongelmien ratkaisut ovat tähän asti perustuneet kalliisiin kuulokojeisiin, jotka on luokiteltu lääkinnällisiksi laitteiksi ja jotka ovat lääkinnällisiä laitteita koskevan sääntelyn alaisia. Nämä laitteet ovat huomattavasti kalliimpia kuin sääntelyn ulkopuoliset PSAP-kuulolaitteet riippumatta siitä, paljonko yksittäisen käyttäjän kuulo on heikentynyt.

Vapaa-ajankäyttöön tai heikon kuulon parantamiseen tarkoitettujen ladattavien PSAP-kuulolaitteiden ominaisuuksiin kuuluu kustomoitava alhaisten taajuuksien vahvistus, joka auttaa käyttäjiä kuulemaan selkeästi vähentämällä tai lisäämällä keskikorkeista korkeisiin taajuuksien voimakkuutta. Vahvistin sisältää tyypillisesti vahvistuksen nollaukset sekä kohinanvaimennuspiirin takaisinkytkennän ja taustamelun vähentämiseksi (kuva 1).

Kuva 1: PSAP-kuulolaitteissa, kuten C350+, kustomoitava alhaisten taajuuksien vahvistus, joka parantaa selkeyttä. (Kuvan lähde: Health Products for You (HPFY))

Kunkin laitteen taajuusalue riippuu sen ensisijaisesta käyttötarkoituksesta, kuten puheesta tai musiikista. Ihmisäänen osalta toimintataajuusalue on 20 hertsistä (Hz) 8 kilohertsiin (kHz), kun taas musiikin osalta kuultavan taajuusalueen maksimitaajuus on 20 kHz. Useimmat PSAP-laitteet ovat akkukäyttöisiä ja ne tarjoavat PC-ohjelmiston, jonka avulla vahvistusta voidaan kustomoida koko taajuusalueella. Nämä laitteet on myös suunniteltu tarjoamaan erinomainen äänenlaatu ja puheen ymmärrettävyys käyttäjää ympäröiville äänille, puhelimesta tuleville äänille ja äänen suoratoistolle.

Tyypilliseen PSAP-äänijärjestelmään kuuluu äänikoodekki ja DSP-ydin. Tällaisen PSAP-äänijärjestelmän yksinkertaistettu malli sisältää audiokoodekin mikrofonitulolla analogi-digitaalimuuntimeen (ADC). Äänikoodekki desimoi ADC:n digitaalisen lähdön valmistellen sen siirrettäväksi digitaalisesti Bluetooth-järjestelmäpiiriin (SoC) ja DSP-ytimeen (kuva 2).

Kuva 2: Tyypillinen PSAP-äänijärjestelmä koostuu mikrofonista, AD-muuntimesta, desimaattorista, Bluetooth/DSP-ytimestä, interpolaattorista, digitaali-analogiamuuntimesta (DAC), vahvistimesta ja kaiuttimesta. (Kuvan lähde: Maxim Integrated, muokannut Bonnie Baker)

Bluetooth SoC/DSP-ydin desimoi signaalin valmistellen sen DSP-lohkoa varten. DSP-lohko käsittelee signaalin, interpoloi sen ja lähettää digitaalisen signaalin takaisin äänikoodekkiin. Äänikoodekki muuntaa digitaalisen signaalin takaisin analogiseksi kaiutinlähtöä varten.

Korvassa olevassa PSAP-järjestelmässä on kahdenlaisia ääniä, jotka saavuttavat käyttäjän tärykalvon. S1 on ympäristöstä vuotavan ääniresiduaalin (S1A) ja luiden kautta johtuneiden äänien (S1B) summa. S1-ääneen vaikuttaa se, että kuulolaite peittää korvan aukon estäen äänen pääsyä korvan sisään ja laitteen toiselle puolelle korvakäytävään (kuva 3).

Kuva 3: Kolme äänilähdettä saavuttaa tärykalvon käytettäessä PSAP-laitetta: äänen vuotaminen ympäristöstä (S1A), luiden johtama ääni (S1B) ja käsitelty ympäristön ääni (S2A). (Kuvan lähde: Maxim Integrated, muokannut Bonnie Baker)

PSAP-laitteen mikrofoni ottaa talteen ympäristön äänen (S2), DSP käsittelee sen ja lähtösignaali (S2A) lähetetään korvakäytävään äänimuuntimen kautta. On huomattavaa, että äänenkäsittelyketju synnyttää viiveen. Käyttäjän tärykalvo summaa nämä kolme ääntä ja synnyttää PSAP-kokemuksen.

PSAP-kampasuodatus

PSAP-äänijärjestelmässä kaikki äänet summataan ennen kuin ne osuvat tärykalvoon. Signaalien S1A ja S1B saapumisaika käyttäjän tärykalvolle on sama, mutta kuten kuvassa näkyy, S2-signaali kulkee äänijärjestelmän läpi aiheuttaen pienen viiveen. Jos viiveelle ja vahvistukselle ei tehdä mitään, lähteet summattaessa voi muodostua kaikua (kuva 4).

Kuva 4: Signaalimalli kolmen äänen summausta varten: S1A, S1B ja S2. (Kuvan lähde: Bonnie Baker)

Kuvan 4 muuttujat ovat viive ja vahvistus (G). S1-signaali menee suoraan tärykalvolle. Kun ympäristön S1-ääni lisätään elektroniseen S2-polkuun, S2-vahvistusfunktio synnyttää viiveen. Signaalien S1 ja S2 summaus voi synnyttää kaiun, mutta tätä voidaan minimoida manipuloimalla viiveaikaa ja vahvistuksen suuruutta.

Kuvassa 5 esitetään tuloksena saatu signaalivaste viiveillä 0,4 millisekuntia (ms) ja 3 ms sekä G-arvoilla 0 desibeliä (dB), 15 dB ja 30 dB.

Kuva 5: Kahden äänen summataajuusvaste signaalimallin perusteella, kun viive on 0,4 ms ja 3 ms sekä vahvistus 0 dB, 15 dB ja 30 dB. (Kuvan lähde: Maxim Integrated, muokannut Bonnie Baker)

Kuvassa 5 esitetyt normalisoidut taajuusvasteet havainnollistavat viiveen ja vahvistuksen vaikutusta tärykalvolla. Särö eli kampasuodatus synnyttää useita syviä kuoppia, kun G on 0 dB. Kampasuodatus saattaa heikentää äänenlaatua jälkikaiunnan tai kaiun välityksellä. Kuvassa 5A 3 ms:n viive aiheuttaa enemmän syviä kuoppia paljon matalammalla taajuudella.

Kun vahvistusta lisätään kuvassa 5B, kampasuodatuksen vaikutus vähenee. Vahvistuksen muutos 0 desibelistä 15 desibeliin synnyttää noin 3 dB:n aaltoilun 15 dB:n vahvistuksella. Kuvassa 5C on lähes tasainen vaste molemmille viiveille 30 dB:n vahvistuksella.

Kampasuodatuksen vähentäminen

Kuten edellä kuvataan, vahvistuksen lisääminen ja viiveen pienentäminen vähentävät kampasuodatusta tavanomaisessa PSAP-järjestelmässä vähentäen sen jälkikaiuntaa ja kaikua. Kehittyneessä PSAP-laitteessa viive- ja vahvistuskomponentit korvataan ylimääräisellä matalan viiveen digitaalisella suodattimella, jota käytetään kohinanestoon (kuva 6).

Kuva 6: Neljä ääntä saavuttaa tärykalvon kehittyneessä PSAP-järjestelmässä: S1A, S1B, S2A ja S2B. (Kuvan lähde: Maxim Integrated, muokannut Bonnie Baker)

Kuvassa 6 vähävirtainen ja suorituskykyinen äänikoodekki MAX98050 generoi vastakohinan (S2B), joka summautuu alkuperäisen passiivisen ympäristön äänen kanssa muodostaen uuden äänen. MAX98050-koodekki tarjoaa kohinanvaimennuksen sekä toimintoja puheen ja ympäristön äänen parantamiseksi. Nämä perustuvat vähävirtaiseen alhaisen viiveen digitaaliseen suodattimeen, jonka ansiosta S2B vähentää kohinaa matalilla taajuuksilla.

Kuvassa 7 on yksinkertaistettu lohkokaavio, joka perustuu MAX98050 PSAP -ratkaisuun.

Kuva 7: MAX98050-koodekki luo PSAP-signaalirajapinnan vahvistuksen muuttamiseksi sekä kohinan ja viiveen vähentämiseksi. (Kuvan lähde: Bonnie Baker)

Kuvan 7 lohkokaavioon perustuva simulointi havainnollistaa MAX98050-järjestelmän kampasuodatusta sekä vahvistuksen ja viiveajan vaikutusta kohinaan (kuva 8).

Kuva 8: Kuvassa 7 esitetyn kaavion simulointi näyttää MAX98050-piirin kampasuodatuksen sekä vahvistuksen ja viiveajan vaikutuksen kohinaan. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Kuvasta 8 nähdään, että Maximin kohinanestoratkaisu korostaa S1:n ja S2:n välistä vahvistuseroa. Simuloinnin ohella todelliseen kokoon ja reaaliaikaiseen evaluointijärjestelmään perustuvat mittaukset validoivat ehdotetun kohinanestoratkaisun.

Huomaa, että viiveen lyhentäminen äänijärjestelmissä edellyttää suhteellisen korkeita ADC- ja DAC-näytteenottotaajuuksia. Nämä muutokset lisäävät laskentakuormaa ja heikentävät energiatehokkuutta. Äänijärjestelmän suorituskyky heikkenee kaiken kaikkiaan.

Yhteenveto

PSAP-järjestelmät tarjoavat selkeitä ja kustannustehokkaita etuja kaikille, jotka haluavat parantaa kuuloaan. Suunnittelijoiden haasteena on yhä edelleen parantaa tehokkuutta ja hyötysuhdetta, mikä edellyttää kampasuodatuksen tehokkaampaa käsittelyä. Kuten artikkelissa on esitetty, suunnittelijat voivat vähentää PSAP-kampasuodatusta Maxim Integrated -yrityksen vähävirtaisen ja aina aktiivisen MAX98050-koodekin avulla, mikä parantaa ääni- ja tehosuorituskykyä sekä lisää joustavuutta seuraavan sukupolven PSAP-laitteiden järjestelmäsuunnittelussa.