วิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ขยายเสียงส่วนบุคคล (PSAP)

ผลิตภัณฑ์ขยายเสียงส่วนบุคคล (PSAP) เป็นวิธีที่ประหยัดในการแก้ปัญหาความต้องการใช้เครื่องขยายการได้ยินเพียงเล็กน้อยสำหรับการเล่นกีฬาและการสูญเสียการได้ยิน แม้ว่าเครื่องช่วยฟังแบบปรับได้อัจฉริยะเหล่านี้จะได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อย ๆ แต่ก็ท้าทายนักออกแบบอย่างต่อเนื่องในการปรับปรุงประสิทธิภาพในขณะที่รักษาต้นทุนและการใช้พลังงานให้น้อยที่สุด

ความท้าทายเกิดขึ้นจากความจำเป็นในการลดปัญหาการรั่วไหลของบรรยากาศและสัญญาณการนำกระดูกในช่องการได้ยิน ในขณะเดียวกันก็คำนึงถึงความล่าช้าเนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของอุปกรณ์ช่วยฟังด้วย อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้รวมถึงไมโครโฟน ลำโพง DSP และตัวแปลงสัญญาณ การรวมสัญญาณเกนและสัญญาณแฝงจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เข้ากับเสียงรอบข้างและเสียงที่ควบคุมโดยกระดูกจะสร้าง comb effect ที่จำเป็นจะต้องทำความเข้าใจ เช่นนี้จึงจะสามารถลดได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อใช้การออกแบบที่ประหยัดต้นทุนและประหยัดพลังงาน

บทความนี้อธิบายการสร้าง PSAP การใช้งาน ข้อกำหนดการออกแบบทั่วไป และแนวคิดทางเทคนิคที่สำคัญ เช่น comb effect จากนั้นจะแนะนำตัวแปลงสัญญาณเสียงที่ใช้พลังงานต่ำและประสิทธิภาพสูงจาก Analog Devices/Maxim Integrated สำหรับใช้ใน PSAP ที่สามารถใช้เพื่อจัดการกับ comb effect และแสดงวิธีการใช้

ข้อกำหนดการใช้งานและการออกแบบ PSAP

เมื่ออายุมากขึ้น การฟังวิทยุ โทรทัศน์ หรือการสนทนามักจะยากขึ้น บางครั้งเสียงพื้นหลังนั้นจะรบกวนการได้ยิน ไม่ว่าจะเป็นเสียงภายในร้านอาหารหรือการพูดคุยกันของบุคคลอื่น แนวทางแก้ไขปัญหาการได้ยินในปัจจุบันทำโดยอาศัยตัวเลือกเครื่องช่วยฟังราคาแพงซึ่งจัดประเภทและควบคุมเป็นอุปกรณ์ทางการแพทย์ โดยไม่คำนึงถึงระดับการสูญเสียการได้ยินของผู้ใช้แต่ละราย อุปกรณ์เหล่านี้มีราคาแพงกว่าเครื่องช่วยฟัง PSAP ที่ไม่ได้รับการควบคุมอย่างมาก

PSAP แบบชาร์จได้ซึ่งมีไว้สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการได้ยินในระดับที่พักผ่อนหย่อนใจหรือระดับต่ำ มีการขยายเสียงระดับต่ำที่ปรับแต่งได้เพื่อช่วยให้ผู้ใช้ได้ยินอย่างชัดเจนโดยการลดหรือเพิ่มความถี่กลางถึงสูง แอมพลิฟายเออร์มักจะมีการรีเซ็ตการขยายเสียงและวงจรตัดเสียงรบกวนเพื่อลดการป้อนกลับและเสียงรบกวนรอบข้าง (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: PSAP เช่น C350+ มีการขยายเสียงระดับต่ำที่ปรับแต่งได้เพื่อปรับปรุงความชัดเจน (แหล่งรูปภาพ: ผลิตภัณฑ์เพื่อสุขภาพสำหรับคุณ (HPFY))

ช่วงความถี่ของแต่ละอุปกรณ์ขึ้นอยู่กับการใช้งานหลัก เช่น เสียงกับเพลง สำหรับเสียง ช่วงความถี่ในการทำงานจะอยู่ที่ 20 เฮิรตซ์ (Hz) ถึง 8 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ในขณะที่ช่วงดนตรีมีความถี่สูงสุดที่ได้ยินได้คือ 20 กิโลเฮิรตซ์ อุปกรณ์ PSAP ส่วนใหญ่มีพลังงานแบตเตอรี่และซอฟต์แวร์พีซีสำหรับการขยายเสียงที่ปรับแต่งได้ตลอดช่วงความถี่ อุปกรณ์เหล่านี้ยังได้รับการออกแบบมาเพื่อมอบคุณภาพเสียงที่ยอดเยี่ยมและความชัดเจนของคำพูดสำหรับเสียงรอบตัวผู้ใช้ จากโทรศัพท์ และสำหรับการสตรีมเสียง

ระบบเสียง PSAP ทั่วไปประกอบด้วยตัวแปลงสัญญาณเสียงและแกน DSP มุมมองที่เรียบง่ายของระบบเสียง PSAP นี้มีตัวแปลงสัญญาณเสียงพร้อมอินพุตไมโครโฟนไปยังตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ตัวแปลงสัญญาณเสียงจะทำลายเอาต์พุตดิจิทัลของ ADC เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการส่งสัญญาณดิจิทัลไปยังแกนหลัก DSP ระบบบนชิป Bluetooth (SoC)/DSP (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ระบบเสียงทั่วไปสำหรับ PSAP ประกอบด้วยไมโครโฟน, ADC, decimator, Bluetooth/DSP core, interpolator, digital-to-analog converter (DAC), เครื่องขยายเสียง และลำโพง (ที่มาของรูปภาพ: Maxim Integrated ดัดแปลงโดย Bonnie Baker)

คอร์ Bluetooth SoC/DSP จะทำลายสัญญาณเพิ่มเติมเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับบล็อก DSP บล็อก DSP จะประมวลผลสัญญาณ สอดแทรก แล้วส่งสัญญาณดิจิทัลกลับไปยังตัวแปลงสัญญาณเสียง ตัวแปลงสัญญาณเสียงจะแปลงสัญญาณดิจิตอลกลับเป็นอนาล็อกเพื่อขับเอาต์พุตของลำโพง

PSAP ที่เปิดใช้งานมีเสียงสองประเภทที่ส่งถึงแก้วหูของผู้ใช้ S1 คือผลรวมของการรั่วไหลของเสียงแวดล้อมของผู้ใช้ที่เหลือ (S1A) และการนำกระดูก (S1B) สำหรับ S1 อุปกรณ์ที่ได้ยินจะปิดช่องหูเพื่อป้องกันไม่ให้เสียงเข้าไปข้างในและหลุดออกนอกช่องหู (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: แหล่งกำเนิดเสียงสามแหล่งไปถึงแก้วหูด้วย PSAP; การรั่วไหลของบรรยากาศ (S1A), การนำกระดูก (S1B) และเสียงรอบข้างที่ผ่านการประมวลผล (S2A) (ที่มาของรูปภาพ: Maxim Integrated ดัดแปลงโดย Bonnie Baker)

ไมโครโฟนของ PSAP จะจับเสียงรอบข้าง (S2), DSP ประมวลผล และสัญญาณเอาท์พุต (S2A) จะถูกส่งไปยังช่องหูผ่านตัวแปลงสัญญาณเสียง ที่สำคัญ การออกแบบห่วงโซ่การประมวลผลเสียงทำให้เกิดความล่าช้า เสียงทั้งสามนี้สรุปแก้วหูของผู้ใช้เพื่อสร้างประสบการณ์ PSAP

PSAP comb effect

สำหรับประสบการณ์ PSAP ระบบเสียงต้องการการเพิ่มเสียงทั้งหมดก่อนที่จะกระทบกับแก้วหู เวลาที่ S1A และ S1B มาถึงแก้วหูของผู้ใช้จะเหมือนกัน แต่ดังที่แสดง สัญญาณ S2 จะเดินทางผ่านระบบเสียง ทำให้เกิดความล่าช้าเล็กน้อย หากการหน่วงเวลาและอัตราขยายไม่เพียงพอ จะเกิดเอฟเฟกต์เสียงสะท้อนเมื่อรวมแหล่งของเสียงเข้าด้วยกัน (ภาพที่ 4)

รูปที่ 4: โมเดลสัญญาณสำหรับผลรวมของเสียงทั้งสาม: S1A, S1B และ S2 (แหล่งที่มารูปภาพ: Bonnie Baker)

ตัวแปรในรูปที่ 4 คือ ดีเลย์และเกน (G) สัญญาณ S1 ไปที่แก้วหูโดยตรง การเพิ่มเสียงรอบข้างของ S1 ลงในเส้นทาง S2 แบบอิเล็กทรอนิกส์ ฟังก์ชันเกนใน S2 จะสร้างการหน่วงเวลา การเพิ่ม S1 และ S2 มีศักยภาพในการสร้างเสียงสะท้อน แต่สิ่งนี้สามารถย่อให้เล็กสุดได้โดยจัดการเวลาหน่วงและเพิ่มขนาด

รูปที่ 5 แสดงการตอบสนองสัญญาณที่เป็นผลลัพธ์สำหรับการหน่วงเวลาเท่ากับ 0.4 มิลลิวินาที (ms) และ 3 ms และ G เท่ากับ 0 เดซิเบล (dB), 15 dB และ 30 dB

รูปที่ 5: การตอบสนองความถี่รวมของเสียงสองเสียงตามรูปแบบสัญญาณ โดยมีการหน่วงเวลาเปลี่ยนจาก 0.4 ms เป็น 3 ms และอัตราขยายเปลี่ยนแปลง 0 dB, 15 dB และ 30 dB (ที่มาของรูปภาพ: Maxim Integrated พร้อมการดัดแปลงโดย Bonnie Baker)

การตอบสนองความถี่ปกติในรูปที่ 5 แสดงให้เห็นถึงความล่าช้าและผลกระทบต่อแก้วหู มีการบิดเบือนหรือ comb effect ในรูปแบบการมีหลายปมสำหรับ G เท่ากับ 0 dB comb effect อาจทำให้คุณภาพเสียงลดลงจากเสียงก้องหรือเสียงสะท้อน ในรูปที่ 5A การหน่วงเวลา 3 มิลลิวินาทีจะสร้างรอยบากที่ความถี่ต่ำกว่ามาก

ด้วยอัตราขยายที่เพิ่มขึ้นในรูปที่ 5B comb effect ลดความสำคัญลง การเปลี่ยนแปลงเกนจาก 0 dB เป็น 15 dB ก่อให้เกิดคลื่น ~3 dB ที่อัตราขยาย 15 dB มีการตอบสนองเกือบแบนสำหรับความล่าช้าทั้งสองที่อัตราขยาย 30 dB ในรูปที่ 5C

วิธีลด comb effect

ตามที่อธิบายไว้ การเพิ่มที่เพิ่มขึ้นและความล่าช้าที่ลดลงจะลด comb effect ในระบบ PSAP แบบเดิมเพื่อลดเสียงก้องหรือเสียงสะท้อนได้ อุปกรณ์ PSAP ขั้นสูงจะแทนที่ส่วนประกอบการหน่วง/ขยายด้วยตัวกรองดิจิตอลที่มีความหน่วงแฝงต่ำเพิ่มเติมซึ่งใช้ในการทำหน้าที่ป้องกันเสียงรบกวน (ภาพที่ 6)

รูปที่ 6: เสียงสี่เสียงไปถึงแก้วหูในระบบ PSAP ขั้นสูง: S1A, S1B, S2A และ S2B (ที่มาของรูปภาพ: Maxim Integrated ดัดแปลงโดย Bonnie Baker)

ในรูปที่ 6 MAX98050 ตัวแปลงสัญญาณเสียงประสิทธิภาพสูงและใช้พลังงานต่ำสร้างการป้องกันเสียงรบกวน (S2B) ที่โต้ตอบกับเสียงรอบข้างแบบพาสซีฟดั้งเดิมเพื่อสร้างเสียงใหม่ MAX98050 มีการตัดเสียงรบกวนและคุณสมบัติการเพิ่มประสิทธิภาพเสียง/เสียงรอบข้างซึ่งอาศัยตัวกรองดิจิตอลที่ใช้พลังงานต่ำและมีความหน่วงต่ำ ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่า S2B จะลดเสียงรบกวนที่ความถี่ต่ำ

รูปที่ 7 แสดงแผนภาพบล็อกแบบง่ายตามโซลูชัน MAX98050 PSAP

รูปที่ 7: ตัวแปลงสัญญาณ MAX98050 สร้างอินเทอร์เฟซสัญญาณ PSAP เพื่อเพิ่มอัตราขยาย และลดสัญญาณรบกวนและความล่าช้า (แหล่งที่มารูปภาพ: Bonnie Baker)

การจำลองตามแผนภาพบล็อกรูปที่ 7 แสดงให้เห็นถึง comb effect ของระบบ MAX98050 และผลกระทบของเวลาเกนและความล่าช้าที่มีต่อเสียง (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: การจำลองไดอะแกรมในรูปที่ 7 แสดง comb effect ของ MAX98050 และผลกระทบของเวลาเกนและความล่าช้าต่อเสียง (แหล่งที่มาภาพ: Maxim Integrated)

รูปที่ 8 แสดงให้เห็นว่าโซลูชันป้องกันเสียงรบกวนของ Maxim เน้นความแตกต่างระหว่าง S1 และ S2 นอกเหนือจากการจำลองแล้ว การวัดตามปัจจัยรูปแบบจริงและระบบการประเมินแบบเรียลไทม์จะตรวจสอบความถูกต้องของโซลูชันป้องกันเสียงรบกวนที่เสนอ

โปรดทราบว่าการลดความล่าช้าในระบบเสียงต้องใช้อัตราการสุ่มตัวอย่าง ADC และ DAC ที่ค่อนข้างสูง การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะเพิ่มภาระในการคำนวณและลดประสิทธิภาพการใช้พลังงาน โดยรวมแล้วมีการลดทอนประสิทธิภาพเสียง

สรุป

PSAPs ให้ประโยชน์ที่ชัดเจนและคุ้มค่าแก่ทุกคนที่ต้องการเพิ่มความสามารถในการได้ยิน สำหรับนักออกแบบ ความท้าทายในการปรับปรุงประสิทธิภาพและประสิทธิภาพยังคงดำเนินต่อไป ซึ่งต้องจัดการกับ comb effect อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ดังที่แสดงไว้ การใช้ตัวแปลงสัญญาณ MAX98050 ที่ใช้พลังงานต่ำและใช้งานได้ตลอดเวลาจาก Maxim Integrated นักออกแบบสามารถลด comb effect PSAP ได้ ซึ่งนำไปสู่การปรับปรุงประสิทธิภาพของเสียงและพลังงาน และการออกแบบระบบที่ยืดหยุ่นสำหรับ PSAP รุ่นต่อไป