通过抗噪增强耳戴式设备的个人声音放大产品音频性能和电源效率

PSAP增强了用户在具有挑战性的环境中使用耳戴式设备的聆听体验。音频系统中的长时间延迟会产生失真，称为PSAP中的梳状效应。本文研究了梳状效应的根本原因，并解释了Maxim基于抗噪声解决方案的PSAP如何获得优于传统PSAP解决方案的系统性能。

介绍

耳戴式设备旨在通过使用被动和主动降噪 （ANC） 降低环境噪音并放大所需的环境声音来改善用户的聆听体验。支持放大所需环境声音的耳戴式设备通常称为个人声音放大产品 （PSAP）。在本白皮书中，我们认为PSAP是耳戴式设备中的辅助听力功能，用于在具有挑战性的环境中增强听力障碍者和正常听力的人的听力。PSAP系统的基本构建块可能包括但不限于：

一个或几个外部麦克风来捕捉环境声音。

一个或几个内置麦克风，用于捕获耳道内的残余声音。

用于播放增强声音的耳机扬声器。

数字信号处理（DSP）模块，如波束成形、反馈抑制、环境/风/脉冲/麦克风噪声抑制、增益放大、均衡、动态范围压缩、限幅器等。

PSAP典型音频系统的简化视图如图1所示，其中模拟麦克风信号转换为数字信号，在音频编解码器中抽取，并通过缓冲器传输到蓝牙（BT）SoC或DSP内核，然后在DSP模块中进行处理，通过缓冲器传输回编解码器， 在转换为模拟之前进行插值，以便放大器驱动扬声器输出。

图1.PSAP 的典型音频系统视图。

启用 PSAP 后，两种类型的声音会到达用户的耳膜，如图 2 所示。声音 S1 是残留的环境声音（和/或用户自己的声音），因为可听设备遮挡了耳朵开口并阻止声音到达耳道内部并逸出耳道。声音 S2 是麦克风捕获的环境声音的 PSAP 输出，由 PSAP DSP 模块处理，最后由扬声器生成，其中可能涉及音频系统引起的固有延迟，具体取决于音频处理链设计。这两种声音在用户的耳膜处相加（也称为声波叠加），以产生完整的PSAP体验。

图2.在 PSAP 中，两种声音到达鼓膜。

梳状效应问题

为了理解两个声音在存在相对延迟和增益放大的情况下求和效应的结果，我们简化了信号模型，如图3所示。基于该模型，我们进行了一项研究，以了解延迟和增益如何影响输出。在这种情况下，我们取两个延迟值，分别为3ms和0.4ms，增益为0、15、30 dB。

图3.两种声音的简化信号模型。

图4显示了两个声音之和的归一化频率响应，我们可以清楚地看到延迟和增益都会显著影响输出。增益为0 dB时，可以观察到多个凹波形式的明显失真。这种失真称为梳状效应，可能会降低音质并产生回声或混响效果。较长的延迟（例如，3ms）在比较短的延迟（例如，0.4ms）低得多的频率下产生更多的陷波。随着增益的增加，这种梳状效应得到了极大的缓解，在15 dB增益下形成2-3 dB的纹波，或者在30 dB增益下形成几乎平坦的响应，其中两个延迟没有太大差异。

现在让我们来看看传统PSAP解决方案在典型耳戴式设备用例中的梳理效应。如图5所示，声音S1通常是无源衰减的结果，仅在高频下显示衰减（例如，15 dB）。声音S2是PSAP输出，例如，我们考虑两种PSAP情况，其增益分别为0 dB和15 dB。梳状效应的仿真结果如图6所示，当增益较低（例如0 dB）时，长时间延迟（例如3ms）可能会产生梳状效应，从而导致音频失真和较差的聆听体验。

图4.基于简化信号模型的两种声音之和的频率响应.

图5.传统的PSAP解决方案。

图6.传统PSAP解决方案的结果。

Maxim利用抗噪降低梳状效应的解决方案

PSAP中梳状效应的缓解可以通过两种方式实现;通过减少延迟和/或增加两个求和声音之间的增益差，如上述研究所示。为了减少音频系统中的延迟（参见图1作为参考），通常需要在音频转换（模数和数模到模拟）、编解码器和SoC/DSP内核之间的音频数据传输以及DSP模块中使用非常高的采样率和小缓冲器。此类要求会导致更高的计算负载、较差的电源效率、降低的音频性能，或者限制系统设计和调谐灵活性。

为了克服这些问题，Maxim提出了基于抗噪声的解决方案，允许PSAP系统管理两种声音之间的增益电平，从而降低低频S1电平。推出MAX98050，这是首款低功耗、高性能的音频编解码器，专为始终有源的耳戴式设备而设计，具有噪声消除和语音/环境增强等差异化功能。Maxim正在申请专利的PSAP抗噪声解决方案利用集成的低功耗、低延迟数字滤波器链实现抗噪声，同时以典型的音频采样率和缓冲方案将麦克风录制和回放音频数据发送到主机处理器（如蓝牙SoC），实现灵活、优化的PSAP算法设计和调谐。

如图7所示，MAX98050产生抗噪声C1，与原始无源环境声音相互作用，形成新的声音S1，低频时电平降低。该解决方案的简化框图如图8所示，在此框图上模拟了梳状效应结果，其中抗噪声结果模拟为低频降低15 dB。如图9所示，Maxim的抗噪声方案在S1和S2之间产生更大的增益差，导致两种PSAP增益情况下长延迟和短延迟的性能相似。除了仿真之外，还进行了基于真实外形尺寸和实时评估系统的测量，以验证所提出的抗噪声解决方案。

图7.在PSAP中，两种声音以抗噪音到达鼓膜。

图8.Maxim的PSAP解决方案具有抗噪声功能。

图9.Maxim的抗噪声PSAP解决方案的结果。

总结

在本白皮书中，我们解释了困扰耳戴式设备PSAP系统的梳状效应问题。研究在不同增益水平下PSAP处理的长延迟的后果。减少PSAP系统中的延迟会导致性能不佳和高功率。Maxim基于首款低功耗始终有源编解码器MAX98050，推出基于抗噪声的解决方案，以减轻PSAP中的梳状效应，从而改善音频和电源性能，并为下一代耳戴式设备提供灵活的系统设计。

审核编辑：郭婷