Jak zlepšit výkon a účinnost osobních zesilovačů zvuku (PSAP)

Osobní zesilovače zvuku („personal sound amplification product“, PSAP) nabízejí levný způsob, jak řešit potřebu minimálního zesílení poslechu při sportu a při ztrátě sluchu. Přestože jsou tato inteligentní nastavitelná sluchadla stále populárnější, pro konstruktéry je neustále výzvou, aby zlepšovali výkon a zároveň udržovali náklady a spotřebu energie na minimu.

Výzvy pramení z potřeby snížit problematické pronikání okolního zvuku a signály vedené kostmi ve zvukovodu a zároveň zohlednit zpoždění způsobená elektronikou sluchadla. Tato elektronika zahrnuje mikrofony, reproduktor, DSP a kodek. Kombinace signálů zisku a latence z elektroniky s okolním hlukem a zvukem vedeným kostmi vytváří hřebenový efekt, kterému je třeba porozumět. Teprve poté jej lze účinně zmírnit a implementovat nákladově a energeticky efektivní návrh.

V tomto článku je popsána konstrukce osobních zesilovačů zvuku, jejich fungování, typické požadavky na návrh a klíčové technické koncepty, jako je hřebenový efekt. Poté je zde představen vysoce výkonný zvukový kodek společností Analog Devices / Maxim Integrated s nízkou spotřebou energie pro použití v osobních zesilovačích zvuku, který lze použít k řešení hřebenového efektu, a je zde ukázáno, jak jej aplikovat.

Požadavky na fungování a návrh osobního zesilovače zvuku

S přibývajícím věkem lidé hůře slyší rádio, televizi nebo rozhovor. Poslouchání v restauraci nebo na společenském setkání někdy ruší hluk na pozadí. Dosavadní řešení problémů s poslechem se spoléhalo na drahé možnosti sluchadel, která jsou klasifikována a regulována jako zdravotnické prostředky. Bez ohledu na stupeň ztráty sluchu jednotlivých uživatelů jsou tato zařízení podstatně dražší než neregulovaná sluchadla – osobní zesilovače zvuku.

Dobíjecí osobní zesilovače zvuku, určené pro rekreační nebo nízkoúrovňové vylepšení poslechu, mají přizpůsobitelné nízkoúrovňové zesílení, které uživatelům pomáhá slyšet zřetelněji snížením nebo zvýšením středních až vysokých frekvencí. Ke snížení zpětné vazby a hluku pozadí má zesilovač typicky resetování zesílení a obvody pro potlačení hluku (obrázek 1).

Obrázek 1: Osobní zesilovače zvuku, jako je zařízení C350+, mají přizpůsobitelné nízkoúrovňové zesílení pro zlepšení srozumitelnosti. (Zdroj obrázku: společnost Health Products for You (HPFY))

Frekvenční rozsah jednotlivých zařízení závisí na primární aplikaci, jako je hlas versus hudba. Pro hlas je provozní frekvenční rozsah od 20 Hz do 8 kHz, zatímco rozsah hudby dosahuje slyšitelného maxima 20 kHz. Většina osobních zesilovačů zvuku je napájena z baterií a má počítačový software pro přizpůsobitelné zesílení v celém frekvenčním rozsahu. Tato zařízení jsou také navržena tak, aby poskytovala vynikající kvalitu zvuku a srozumitelnost řeči pro zvuky kolem uživatele, z telefonu a pro streamování zvuku.

Typický audiosystém zesilovače obsahuje zvukový kodek a jádro DSP. Při zjednodušeném pohledu má tento audiosystém zesilovače zvukový kodek s mikrofonním vstupem do analogově-digitálního převodníku („analog-to-digital converter“, ADC). Zvukový kodek rozkládá digitální výstup ADC v rámci přípravy na digitální přenos do systému na čipu („system-on-chip“, SoC) Bluetooth / jádra DSP (obrázek 2).

Obrázek 2: Typický audiosystém pro osobní zesilovač zvuku obsahuje mikrofon, ADC, decimátor, Bluetooth / jádro DSP, interpolátor, digitálně-analogový převodník („digital-to-analog converter“, DAC), zesilovač a reproduktor. (Zdroj obrázku: společnost Maxim Integrated, upraveno Bonnie Baker)

Systém na čipu (SoC) Bluetooth / jádro DSP dále rozkládá signál v rámci přípravy na blok DSP. Blok DSP zpracuje signál, interpoluje jej a poté odešle digitální signál zpět do zvukového kodeku. Zvukový kodek převádí digitální signál zpět na analogový pro řízení výstupu reproduktoru.

Aktivovaný osobní zesilovač zvuku má dva typy zvuků, které se dostávají do ušního bubínku uživatele. S1 je součet pronikání zbytkového okolního zvuku hlasu uživatele (S1A) a kostního vedení (S1B). U S1 zakryje sluchadlo ušní otvor, aby zablokovalo zvuk a ten se nemohl dostat dovnitř a unikat mimo zvukovod (obrázek 3).

Obrázek 3: S osobním zesilovačem zvuku dosahují ušního bubínku tři zdroje zvuku – pronikání okolního zvuku (S1A), zvuk vedený kostmi (S1B) a zpracovaný okolní zvuk (S2A). (Zdroj obrázku: společnost Maxim Integrated, upraveno Bonnie Baker)

Mikrofon osobního zesilovače zvuku zachycuje okolní zvuk (S2), DSP jej zpracovává a výstupní signál (S2A) je posílán do zvukovodu přes zvukový měnič. Důležité je, že návrh řetězce zpracování zvuku vytváří zpoždění. Tyto tři zvuky představují ušní bubínek uživatele a vytvářejí pocit z použití osobního zesilovače zvuku.

Hřebenový efekt osobního zesilovače zvuku

Pro pocit z použití osobního zesilovače zvuku vyžaduje audiosystém přidání všech zvuků předtím, než se dostanou do ušního bubínku. Doba, kdy se signály S1A a S1B dostanou k ušnímu bubínku uživatele, je identická, ale jak je znázorněno, signál S2 prochází audiosystémem, což vytváří mírné zpoždění. Pokud nejsou zpoždění a zisk adekvátně nastaveny, dojde po sečtení zdrojů k efektu ozvěny (obrázek 4).

Obrázek 4: Model signálu pro sčítání tří zvuků: S1A, S1B a S2. (Zdroj obrázku: Bonnie Baker)

Proměnné na obrázku 4 jsou zpoždění a zisk (G). Signál S1 jde přímo do ušního bubínku. Přidáním okolního zvuku S1 do elektronické cesty S2 vytvoří funkce zisku ve zvuku S2 zpoždění. Přidání S1 a S2 má potenciál vytvořit ozvěnu, ale to lze minimalizovat úpravou doby zpoždění a velikosti zisku.

Na obrázku 5 je ukázána výsledná odezva signálu pro zpoždění rovnající se 0,4 ms a 3 ms a G rovnajícímu se 0 dB, 15 dB a 30 dB.

Obrázek 5: Součet frekvenční odezvy dvou zvuků na základě modelu signálu se změnami zpoždění od 0,4 ms do 3 ms a změnami zisku 0 dB, 15 dB a 30 dB. (Zdroj obrázku: společnost Maxim Integrated, se změnami od Bonnie Baker)

Normalizované frekvenční odezvy na obrázku 5 ilustrují účinek zpoždění a zisku na ušní bubínek. Dochází ke zkreslení neboli hřebenovému efektu ve formě několika zářezů pro G rovnající se 0 dB. Hřebenový efekt může snížit kvalitu zvuku prostřednictvím dozvuku nebo ozvěny. Na obrázku 5A vytváří zpoždění 3 ms více zářezů při mnohem nižší frekvenci.

S vyšším ziskem na obrázku 5B se význam hřebenového efektu snižuje. Změna zisku z 0 dB na 15 dB vytváří zvlnění ~3 dB při zisku 15 dB. Na obrázku 5C je téměř plochá odezva pro obě zpoždění při zisku 30 dB.

Jak hřebenový efekt zmírnit

Jak bylo popsáno, zvýšení zisku a snížení zpoždění snižuje hřebenový efekt v konvenčním systému osobního zesilovače zvuku, aby se snížil jeho dozvuk nebo ozvěna. Pokročilý osobní zesilovač zvuku nahrazuje komponenty zpoždění/zisku přídavným digitálním filtrem s nízkou latencí, který se používá k provádění protihlukové funkce (obrázek 6).

Obrázek 6: V pokročilém systému osobního zesilovače zvuku dosáhnou ušního bubínku čtyři zvuky: S1A, S1B, S2A a S2B. (Zdroj obrázku: společnost Maxim Integrated, upraveno Bonnie Baker)

Na obrázku 6 generuje vysoce výkonný zvukový kodek MAX98050 s nízkou spotřebou energie protihluk (S2B), který interaguje s původním pasivním okolním zvukem a vytváří nový zvuk. Kodek MAX98050 má funkce potlačení hluku a vylepšení hlasu/okolí, které jsou založeny na digitálním filtru s nízkou spotřebou energie a nízkou latencí, který zajišťuje, že zvuk S2B snižuje při nízkých frekvencích šum.

Na obrázku 7 je ukázáno zjednodušené blokové schéma založené na řešení osobního zesilovače zvuku MAX98050.

Obrázek 7: Kodek MAX98050 vytváří rozhraní signálu zesilovače pro změnu zisku a snížení šumu a zpoždění. (Zdroj obrázku: Bonnie Baker)

Simulace založená na blokovém diagramu na obrázku 7 ilustruje hřebenový efekt systému MAX98050 a vliv zisku a doby zpoždění na šum (obrázek 8).

Obrázek 8: Simulace diagramu na obrázku 7 ukazuje hřebenový efekt zesilovače MAX98050 a vliv zisku a doby zpoždění na šum. (Zdroj obrázku: společnost Maxim Integrated)

Obrázek 8 ukazuje, že protihlukové řešení společnosti Maxim zesiluje rozdíl zisku mezi S1 a S2. Kromě simulace ověřují navrhované řešení proti hluku i měření založená na skutečném tvarovém faktoru a vyhodnocovací systém v reálném čase.

K povšimnutí je, že zmenšení zpoždění v audiosystémech vyžaduje relativně vysoké vzorkovací frekvence ADC a DAC. Tyto změny zvyšují výpočetní zátěž a snižují energetickou účinnost. Celkově dochází ke zhoršení zvukového výkonu.

Závěr

Osobní zesilovače zvuku poskytují jasné, nákladově efektivní výhody všem, kteří chtějí zlepšit své sluchové možnosti. Pro konstruktéry je neustálou výzvou zlepšovat účinnost a výkon, což vyžaduje efektivnější řešení hřebenového efektu. Jak je zde uvedeno, pomocí vždy aktivního kodeku MAX98050 s nízkou spotřebou energie od společnosti Maxim Integrated mohou konstruktéři zmírnit hřebenový efekt osobních zesilovačů zvuku, což vede ke zlepšení zvukového výkonu a výkonových parametrů a k flexibilnímu návrhu systému pro osobní zesilovače zvuku příští generace.