摘要
PSAP在具有挑战性的环境中通过可听设备增强用户的收听体验。音频系统中的长时间延迟会产生失真，即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如何比传统PSAP解决方案产生优越的系统性能。
简介
可听设备旨在通过使用被动和主动降噪(ANC)来降低环境噪声，并放大所需的环境声音，从而改善用户的收听体验。支持放大所需环境声音的可听设备通常被称为个人声音放大产品(psap)。在本白皮书中，我们认为PSAP是助听设备中的一种辅助听力功能，用于在充满挑战的环境中增强听力，帮助听力受损者和听力正常的人。PSAP系统的基本构建模块可能包括但不限于:
- 一个或几个外部麦克风来捕捉周围的声音。
- 一个或几个内置麦克风来捕捉耳道内的残余声音。
- 播放增强声音的耳机扬声器。
- 数字信号处理(DSP)模块，如波束形成、反馈抑制、环境/风/脉冲/麦克噪声抑制、增益放大、均衡、动态范围压缩、限制器等。
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，在音频编解码器中抽取，并通过缓冲区传输到蓝牙(BT) SoC或DSP核心，然后在DSP块中进行处理，通过缓冲区传输回编解码器，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。
当启用PSAP时，有两种类型的声音到达用户的耳膜，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)，因为可听设备堵塞了耳口，阻止了声音进入耳道和从耳道外逸出。声音S2是麦克风捕捉到的环境声，经过PSAP DSP块处理，最后由扬声器生成的PSAP输出，其中可能涉及到音频系统固有的延迟，具体取决于音频处理链设计。这两种声音在用户的耳膜上叠加(也称为声波叠加)，创造出一种完整的PSAP体验。
图2。在PSAP中有两个声音到达鼓膜。
梳状效应问题
为了理解在两个声音之间存在相对延迟和增益放大的情况下，两个声音的总和效应的后果，我们将信号模型简化为图3所示。基于此模型，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3ms和0.4ms的两个延迟值，增益分别为0,15,30 dB。
图3。两种声音的简化信号模型。
图4显示了两个声音和的归一化频响，我们可以清楚地看到延迟和增益对输出都有显著影响。当增益为0 dB时，可以观察到多个缺口形式的明显失真。这种失真被称为梳状效应，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)比较短的延迟(例如，0.4ms)在更低的频率下产生更多的缺口。随着增益的增加，这种梳状效应得到了极大的缓解，在15 dB增益时形成了2-3 dB的纹波，或在30 dB增益时形成了几乎平坦的响应，其中两个延迟没有显示出太大的差异。
现在让我们在典型的Hearables用例中检查常规PSAP解决方案的梳状效应。如图5所示，声音S1通常是被动衰减的结果，只有在高频时才显示衰减(例如15 dB)。声音S2是PSAP输出，举个例子，我们考虑PSAP的两种增益分别为0 dB和15 dB的情况。梳状效应的仿真结果如图6所示，从图6可以看出，当增益较低(如0 dB)时，较长的延迟(如3ms)会产生梳状效应，导致音频失真和较差的收听体验。
图4。基于简化信号模型的两个声音和的频率响应。
图5。传统的PSAP解决方案。
图6。常规PSAP溶液结果。
马克沁利用抗噪声缓解梳状效应的解决方案
缓解PSAP中的梳状效应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。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(模拟到数字和数字到模拟)、编解码器和SoC/DSP内核之间的音频数据传输以及DSP块中使用非常高的采样率和小的缓冲区。这样的要求会导致更高的计算负载、较差的电源效率和降低的音频性能，或者限制系统设计和调优灵活性。
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，降低低频S1电平。介绍MAX98050，首款专为始终活跃的可听设备设计的低功耗、高性能音频编解码器，可实现噪声消除和声音/环境增强等差异化功能。Maxim正在申请专利的PSAP抗噪声解决方案通过利用集成的低功耗、低延迟数字滤波器链来生成抗噪声，同时以典型的音频采样率和缓冲方案将麦克风记录和播放音频数据发送到主机处理器(例如蓝牙SoC)，以实现灵活和优化的PSAP算法设计和调优。
如图7所示，MAX98050产生抗噪声C1，与原有的无源环境声相互作用，形成新的声音S1，低频降噪。该方案的简化框图如图8所示，并在此基础上模拟了梳状效应结果，将抗噪声结果模拟为低频降低15 dB。如图9所示，Maxim的抗噪声解决方案在S1和S2之间产生了更大的增益差，导致在两种PSAP增益情况下，长延时和短延时性能相似。除了仿真外，还进行了基于真实外形系数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。两个声音到达鼓膜在PSAP抗噪声。
图8。Maxim的PSAP解决方案具有抗噪声。
图9。Maxim的PSAP抗噪声解决方案的结果。
总结
在这篇白皮书中，我们解释了困扰听觉PSAP系统的梳状效应问题。在不同增益水平的存在下，研究了PSAP处理的长延时的后果。在PSAP系统中减少延迟会导致性能差和功率大。基于第一代低功耗始终有源编解码器MAX98050, Maxim引入了基于抗噪声的解决方案，以缓解PSAP中的梳状效应，从而改善了音频和电源性能，并为下一代可听设备设计了灵活的系统。