Como melhorar o desempenho e a eficiência do produto de amplificação sonora pessoal (PSAP)

Os produtos de amplificação sonora pessoal (PSAPs) oferecem uma forma de baixo custo para atender à necessidade de amplificação auditiva mínima para esportes e perda auditiva. Embora estes aparelhos auditivos ajustáveis inteligentes sejam cada vez mais populares, eles desafiam continuamente os projetistas a melhorar o desempenho, mantendo o custo e o consumo de energia a um mínimo.

Os desafios decorrem da necessidade de reduzir os vazamentos problemáticos do ambiente e os sinais de condução óssea no canal auditivo, ao mesmo tempo em que são responsáveis por atrasos devido à eletrônica do aparelho auditivo. Esses componentes eletrônicos incluem microfones, um alto-falante, um DSP e um codec. A combinação dos sinais de ganho e latência da eletrônica com o áudio ambiente e conduzido pelo osso cria um efeito pente que precisa ser compreendido. Somente então poderá ser mitigado efetivamente para implementar um projeto econômico e eficiente em termos de energia.

Este artigo descreve a construção, operação e requisitos típicos de projeto do PSAP e conceitos técnicos fundamentais, como o efeito pente. Em seguida, introduz um codec de áudio de baixa potência e alto desempenho da Analog Devices/Maxim Integrated para uso em PSAPs que pode ser usado para lidar com o efeito pente, e mostra como aplicá-lo.

Requisitos de operação e projeto do PSAP

Com a idade, muitas vezes é mais difícil ouvir o rádio, a televisão ou uma conversa. Às vezes o ruído de fundo interfere com a audição em um restaurante ou numa reunião social. As soluções para problemas auditivos até o momento têm se baseado em opções de aparelhos auditivos caros que são classificados e regulamentados como dispositivos médicos. Independentemente do grau de perda auditiva do usuário individual, estes dispositivos são consideravelmente mais caros do que os aparelhos auditivos PSAP não regulamentados.

Os PSAPs recarregáveis, destinados à melhoria da audição recreativa ou de nível baixo, têm amplificação de baixo nível personalizável para ajudar os usuários a ouvir com clareza, diminuindo ou aumentando as frequências de nível médio a alto. O amplificador tipicamente possui reinicialização de amplificação e circuito de cancelamento de ruído para reduzir a realimentação e o ruído de fundo (Figura 1).

Figura 1: PSAPs como o C350+ têm amplificação de nível baixo personalizável para melhorar a clareza. (Fonte da imagem: Health Products for You (HPFY))

A faixa de frequência de cada dispositivo depende da aplicação principal, como voz ou música. Para a voz, a faixa de frequência operacional é de 20 Hertz (Hz) a 8 quilohertz (kHz), enquanto que a música varia até o máximo audível de 20 kHz. A maioria dos dispositivos PSAP tem energia de bateria e software de computador para amplificação personalizável em toda a faixa de frequência. Estes dispositivos também são projetados para oferecer excelente qualidade sonora e inteligibilidade de fala para os sons ao redor do usuário, a partir de seu telefone, e para o streaming de áudio.

Um sistema típico de áudio PSAP inclui um codec de áudio e um núcleo de DSP. Uma visão simplificada deste sistema de áudio PSAP tem um codec de áudio com uma entrada de microfone para um conversor analógico-digital (ADC). O codec de áudio reduz a saída digital do ADC em preparação para a transmissão digital para o núcleo do sistema Bluetooth SoC ("system-on-chip")/DSP (Figura 2).

Figura 2: Um sistema de áudio típico para um PSAP compreende um microfone, ADC, decimador, núcleo Bluetooth/DSP, interpolador, conversor digital para analógico (DAC), amplificador e alto-falante. (Fonte da imagem: Maxim Integrated, modificado por Bonnie Baker)

O núcleo Bluetooth SoC/DSP reduz ainda mais o sinal em preparação para o bloco DSP. O bloco DSP processa o sinal, interpola e depois envia o sinal digital de volta para o codec de áudio. O codec de áudio converte o sinal digital de volta para analógico para acionar a saída do alto-falante.

O PSAP habilitado tem dois tipos de sons que atingem o tímpano do usuário. S1 é a soma do vazamento residual do ambiente de voz do usuário (S1A) e da condução óssea (S1B). Para S1, o aparelho auditivo obscurece a abertura do ouvido para bloquear o som de alcançar o interior e escapar para fora do canal auditivo (Figura 3).

Figura 3: Três fontes de som chegam ao tímpano com um PSAP; vazamento ambiente (S1A), conduzido pelo osso (S1B), e o som ambiente processado (S2A). (Fonte da imagem: Maxim Integrated, modificado por Bonnie Baker)

O microfone do PSAP captura o som ambiente (S2), o DSP o processa e o sinal de saída (S2A) é enviado para o canal auditivo através do transdutor de áudio. É importante notar que o projeto da cadeia de processamento de áudio cria um atraso. Estes três sons se somam no tímpano do usuário para criar a experiência PSAP.

O efeito pente do PSAP

Para a experiência do PSAP, o sistema de áudio requer a adição de todos os sons antes que eles atinjam o tímpano. O momento da chegada de S1A e S1B ao tímpano do usuário é idêntica, mas como mostrado, o sinal S2 viaja através do sistema de áudio, criando um leve atraso. Se o atraso e o ganho não forem adequadamente ajustados, ocorre um efeito de eco quando as fontes são somadas (Figura 4).

Figura 4: Modelo de sinal para a soma dos três sons: S1A, S1B e S2. (Fonte da imagem: Bonnie Baker)

As variáveis da Figura 4 são atraso e ganho (G). O sinal S1 vai diretamente para o tímpano. Ao adicionar o som ambiente S1 ao caminho eletrônico S2, a função de ganho em S2 cria um atraso. A adição de S1 e S2 tem o potencial de criar um eco, mas isto pode ser minimizado pela manipulação do tempo de atraso e ganho de magnitude.

A Figura 5 mostra a resposta de sinal resultante para um atraso igual a 0,4 milissegundos (ms) e 3 ms, e G igual a 0 decibéis (dB), 15 dB e 30 dB.

Figura 5: A resposta de frequência da soma de dois sons com base no modelo de sinal, com mudanças de atraso de 0,4 ms a 3 ms e mudanças de ganho de 0 dB, 15 dB e 30 dB. (Fonte da imagem: Maxim Integrated, com modificações de Bonnie Baker)

As respostas normalizadas de frequência na Figura 5 ilustram o atraso e o efeito de ganho no tímpano. Há uma distorção, ou efeito pente, na forma de vários entalhes para G igual a 0 dB. O efeito pente pode degradar a qualidade sonora através de reverberação ou eco. Na Figura 5A, um atraso de 3 ms cria mais entalhes a uma frequência muito menor.

Com o aumento do ganho na Figura 5B, o efeito pente reduz-se em significância. A mudança de ganho de 0 dB para 15 dB forma uma ondulação de ~3 dB a 15 dB de ganho. Existe praticamente uma resposta plana para ambos os atrasos com um ganho de 30 dB na Figura 5C.

Como mitigar o efeito pente

Como descrito, um aumento no ganho e uma diminuição no atraso reduz o efeito pente em um sistema PSAP convencional para reduzir sua reverberação ou eco. Um dispositivo PSAP avançado substitui os componentes de atraso/ganho por um filtro digital adicional de baixa latência que é usado para realizar uma função anti-ruído (Figura 6).

Figura 6: Quatro sons chegam ao tímpano em um avançado sistema PSAP: S1A, S1B, S2A e S2B. (Fonte da imagem: Maxim Integrated, modificado por Bonnie Baker)

Na Figura 6, o codec de áudio MAX98050 de baixa potência e alto desempenho gera anti-ruído (S2B) que interage com o som ambiente passivo original para formar um novo som. O MAX98050 tem características de cancelamento de ruído e melhoria de voz/ambiente que dependem de um filtro digital de baixa potência e baixa latência que garante que o S2B reduza o ruído em baixas frequências.

A figura 7 mostra um diagrama de blocos simplificado baseado na solução PSAP MAX98050.

Figura 7: O codec MAX98050 cria a interface de sinal PSAP para variar o ganho e reduzir o ruído e o atraso. (Fonte da imagem: Bonnie Baker)

Uma simulação baseada no diagrama de blocos da Figura 7 ilustra o efeito pente do sistema MAX98050, e o impacto do ganho e do tempo de atraso sobre o ruído (Figura 8).

Figura 8: Uma simulação do diagrama da Figura 7 mostra o efeito pente do MAX98050 e o impacto do ganho e do tempo de atraso sobre o ruído. (Fonte da imagem: Maxim Integrated)

A figura 8 mostra que a solução anti-ruído da Maxim enfatiza a diferença de ganho entre S1 e S2. Além da simulação, medições baseadas no fator de forma real e no sistema de avaliação em tempo real validam a solução anti-ruído proposta.

Note que a redução do atraso nos sistemas de áudio requer taxas relativamente altas de amostragem do ADC e DAC. Estas mudanças aumentam a carga de computação e reduzem a eficiência energética. No geral, há uma degradação no desempenho de áudio.

Conclusão

Os PSAPs oferecem benefícios claros e econômicos a qualquer pessoa que busque melhorar suas capacidades auditivas. Para os projetistas, é um desafio melhorar a eficiência e o desempenho contínuo, o que exige lidar mais efetivamente com o efeito pente. Como mostrado, usando o codec MAX98050, sempre ativo e de baixa potência da Maxim Integrated, os projetistas podem mitigar o efeito pente do PSAP, levando a um melhor desempenho de áudio e energia e a um projeto flexível do sistema para PSAPs da próxima geração.