Come migliorare le prestazioni e l'efficienza dei prodotti di amplificazione acustica personale (PSAP)

I prodotti di amplificazione acustica personale (PSAP) sono una soluzione a basso costo per soddisfare la necessità di un'amplificazione minima dell'udito per gli sport e la perdita dell'udito. Sebbene questi apparecchi acustici intelligenti e regolabili siano sempre più diffusi, sfidano continuamente i progettisti a migliorare le prestazioni mantenendo al contempo al minimo i costi e il consumo energetico.

Le sfide nascono dalla necessità di ridurre le perdite ambientali problematiche e i segnali di conduzione per via ossea nel canale uditivo, tenendo conto anche dei ritardi dovuti all'elettronica dell'apparecchio acustico. L'elettronica comprende microfoni, un altoparlante, un DSP e un codec. La combinazione dei segnali di guadagno e latenza dell'elettronica con l'audio ambientale e quello di conduzione per via ossea crea un effetto comb che deve essere compreso. Solo in questo modo è possibile mitigare efficacemente il problema, per implementare un progetto economico ed efficiente dal punto di vista energetico.

Questo articolo descrive la costruzione e il funzionamento dei PSAP, i requisiti di progettazione tipici e i concetti tecnici chiave come l'effetto comb. Presenta quindi un codec audio a bassa potenza e alte prestazioni di Analog Devices/Maxim Integrated per l'uso nei PSAP che può essere utilizzato per risolvere l'effetto comb e mostra come applicarlo.

Requisiti di funzionamento e progettazione dei PSAP

Con l'età, spesso è più difficile ascoltare la radio, la televisione o una conversazione. A volte il rumore di fondo interferisce con l'ascolto di una discussione al ristorante o in un ritrovo sociale. Finora le soluzioni ai problemi di udito si sono affidate a costosi apparecchi acustici, classificati e regolamentati come dispositivi medici. Indipendentemente dal grado di perdita uditiva della persona, questi dispositivi sono notevolmente più costosi degli apparecchi acustici PSAP non regolamentati.

I PSAP ricaricabili, destinati al miglioramento dell'udito a scopo ricreativo o a basso livello, sono dotati di un'amplificazione a basso livello personalizzabile che aiuta gli utenti a sentire con chiarezza diminuendo o aumentando le frequenze medio-alte. L'amplificatore è tipicamente dotato di reset dell'amplificazione e di circuiti di cancellazione del rumore per ridurre la retroazione e il rumore di fondo (Figura 1).

Figura 1: I PSAP come C350+ sono dotati di amplificazione a basso livello personalizzabile per migliorare la chiarezza. (Immagine per gentile concessione di Health Products for You (HPFY))

Il campo di frequenza di ciascun dispositivo dipende dall'applicazione principale, come la voce o la musica. Il campo di frequenza operativa per la voce va da 20 Hz a 8 kHz, mentre per la musica arriva al livello massimo udibile di 20 kHz. La maggior parte dei dispositivi PSAP è alimentata a batteria e dispone di software per PC che consente di personalizzare l'amplificazione sull'intero campo di frequenza. Questi dispositivi sono inoltre progettati per offrire un'eccellente qualità del suono e intelligibilità del parlato per i suoni che circondano l'utente, dal telefono allo streaming audio.

Un tipico sistema PSAP audio comprende un codec audio e un core DSP. Una visione semplificata di questo sistema audio PSAP prevede un codec audio con un ingresso microfono a un convertitore analogico/digitale (ADC). Il codec audio decima l'uscita digitale dell'ADC in preparazione della trasmissione digitale al System-on-Chip (SoC/core DSP Bluetooth (Figura 2).

Figura 2: Un tipico sistema audio per un PSAP comprende un microfono, un ADC, un decimatore, un core Bluetooth/DSP, un interpolatore, un convertitore digitale/analogico (DAC), un amplificatore e un altoparlante. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated, modificata da Bonnie Baker)

Il SoC/DSP Bluetooth decima ulteriormente il segnale per prepararlo per il blocco DSP. Il blocco DSP elabora il segnale, lo interpola e quindi invia il segnale digitale al codec audio. Il codec audio converte il segnale digitale in analogico per pilotare l'uscita dell'altoparlante.

Il PSAP abilitato ha due tipi di suoni che raggiungono il timpano dell'utente. S1 è la somma della perdita ambientale della voce residua dell'utente (S1A) e della conduzione per via ossea (S1B). Per S1, il dispositivo indossabile da orecchio oscura l'apertura dell'orecchio per impedire che il suono raggiunga l'interno e fuoriesca dal condotto uditivo (Figura 3).

Figura 3: Tre sorgenti sonore raggiungono il timpano con un PSAP: la perdita ambientale (S1A), la conduzione per via ossea (S1B) e il suono ambientale elaborato (S2A). (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated, modificata da Bonnie Baker)

Il microfono del PSAP acquisisce il suono ambientale (S2), il DSP lo elabora e il segnale di uscita (S2A) viene inviato nel condotto uditivo attraverso il trasduttore audio. È importante notare che il design della catena di elaborazione audio determina un ritardo. Questi tre suoni riassumono il timpano dell'utente per creare l'esperienza PSAP.

L'effetto comb del PSAP

Per l'esperienza PSAP, il sistema audio richiede l'aggiunta di tutti i suoni prima che colpiscano il timpano. Il tempo di arrivo di S1A e S1B al timpano dell'utente è identico, ma, come mostrato, il segnale S2 viaggia attraverso il sistema audio, creando un lieve ritardo. Se il ritardo e il guadagno non sono regolati adeguatamente, si verifica un effetto eco quando le sorgenti si sommano (Figura 4).

Figura 4: Modello di segnale per la somma dei tre suoni: S1A, S1B e S2. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

Le variabili della Figura 4 sono il ritardo e il guadagno (G). Il segnale S1 arriva direttamente al timpano. Aggiungendo il suono ambientale S1 al percorso elettronico S2, la funzione di guadagno in S2 crea un ritardo. L'aggiunta di S1 e S2 può creare un'eco, che però può essere ridotta al minimo manipolando il tempo di ritardo e l'entità del guadagno.

La Figura 5 mostra la risposta del segnale risultante per un ritardo pari a 0,4 ms e 3 ms, e G pari a 0 dB, 15 dB e 30 dB.

Figura 5: La risposta in frequenza della somma di due suoni basata sul modello del segnale, con variazioni di ritardo da 0,4 ms a 3 ms e variazioni di guadagno di 0 dB, 15 dB e 30 dB. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated, con modifiche di Bonnie Baker)

Le risposte in frequenza normalizzate nella Figura 5 illustrano l'effetto di ritardo e guadagno sul timpano. Esiste una distorsione, o effetto comb, sotto forma di tacche multiple per G pari a 0 dB. L'effetto comb potrebbe degradare la qualità del suono a causa del riverbero o dell'eco. Nella Figura 5A, un ritardo di 3 ms crea più tacche a una frequenza molto più bassa.

Con l'aumento del guadagno nella Figura 5B, l'effetto comb si riduce di significato. La variazione di guadagno da 0 dB a 15 dB forma un ripple di ~3 dB a un guadagno di 15 dB. Nella Figura 5C si nota una risposta quasi piatta per entrambi i ritardi con un guadagno di 30 dB.

Come attenuare l'effetto comb

Come descritto, un aumento del guadagno e una diminuzione del ritardo riducono l'effetto comb in un sistema PSAP convenzionale per ridurre il riverbero o l'eco. Un dispositivo PSAP avanzato sostituisce i componenti di ritardo/guadagno con un filtro digitale aggiuntivo a bassa latenza, utilizzato per svolgere una funzione anti-rumore (Figura 6).

Figura 6: Quattro suoni raggiungono il timpano in un sistema PSAP avanzato: S1A, S1B, S2A e S2B. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated, modificata da Bonnie Baker)

Nella Figura 6, il codec audio a basso consumo e ad alte prestazioni MAX98050 genera l'anti-rumore (S2B) che interagisce con il suono ambientale passivo originale per formare un nuovo suono. MAX98050 è dotato di funzioni di cancellazione del rumore e di miglioramento della voce/ambiente basate su un filtro digitale a bassa potenza e bassa latenza che garantisce la riduzione del rumore alle basse frequenze.

La Figura 7 mostra un diagramma a blocchi semplificato basato sulla soluzione PSAP MAX98050.

Figura 7: Il codec MAX98050 crea l'interfaccia del segnale PSAP per variare il guadagno e ridurre il rumore e il ritardo. (Immagine per gentile concessione di Bonnie Baker)

Una simulazione basata sul diagramma a blocchi della Figura 7 illustra l'effetto comb del sistema MAX98050 e l'impatto del guadagno e del ritardo sul rumore (Figura 8).

Figura 8: Una simulazione del diagramma della Figura 7 mostra l'effetto comb di MAX98050 e l'impatto del guadagno e del ritardo sul rumore. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

La Figura 8 mostra che la soluzione anti-rumore di Maxim enfatizza la differenza di guadagno tra S1 e S2. Oltre alla simulazione, le misure basate sul fattore di forma reale e sul sistema di valutazione in tempo reale convalidano la soluzione anti-rumore proposta.

Si noti che la riduzione del ritardo nei sistemi audio richiede frequenze di campionamento ADC e DAC relativamente elevate. Queste modifiche aumentano il carico di calcolo e riducono l'efficienza energetica. Nel complesso, si nota un deterioramento delle prestazioni audio.

Conclusione

I PSAP offrono vantaggi chiari ed economicamente vantaggiosi a chiunque voglia migliorare le proprie capacità uditive. Per i progettisti, la sfida di migliorare l'efficienza e le prestazioni continua, il che richiede una gestione più efficace dell'effetto comb. Come mostrato, utilizzando il codec a bassa potenza e sempre attivo MAX98050 di Maxim Integrated, i progettisti possono mitigare l'effetto comb del PSAP, ottenendo prestazioni audio e di potenza migliori e una progettazione flessibile del sistema per i PSAP di prossima generazione.