如何提高個人擴音輔具 (PSAP) 的效能和效率

從事特定體育活動或患有聽力損失的民眾若需要稍微擴大聲音，個人擴音輔具 (PSAP) 是較低成本的選擇。這些可調節的智慧型聽戴式裝置越來越受歡迎，設計人員卻也不斷絞盡腦汁，想著該如何提高效能，同時將成本和功耗降至最低。

當中的挑戰在於必須減少棘手的環境漏音以及耳道中的骨傳導訊號，同時還要考慮到聽力輔具中電子元件造成的延遲。這些電子元件包括麥克風、揚聲器、DSP、編解碼器。來自電子元件的增益與延遲訊號，碰上環境與骨傳導音訊後，就會產生一種值得探討的梳狀效應。深入了解後，才能有效地因應此現象，實作具有成本效益與能源效率的設計。

本文將說明 PSAP 的構造、運作方式、典型設計要求，以及梳狀效應等關鍵技術概念。接著會介紹 Analog Devices/Maxim Integrated 的低功率、高效能音訊編解碼器，可在 PSAP 當中因應梳狀效應，還會示範其應用方式。

PSAP 的運作方式和設計要求

隨著年歲漸長，我們會發現越來越難聽清楚廣播、電視或對話。有時，背景噪音會干擾我們聽到用餐期間或社交聚會時的談話。迄今為止，聽力問題的解決方案主要仰賴昂貴的助聽器，但其屬於醫療器材而且受到管制。無論使用者的聽損程度如何，這些裝置都比不受管制的 PSAP 聽戴式裝置貴上許多。

休閒娛樂用途或低度增強聽力的充電式 PSAP 具有可自訂的低度擴音功能，可降低或提高中、高頻，協助使用者聽清楚聲音。這種放大器通常具有放大重置和降噪電路，可減少音訊回授和背景噪音 (圖 1)。

圖 1：C350+ 等 PSAP 具有可自訂的低度擴音功能，可提高清晰度。(圖片來源：Health Products for You (HPFY))

每台裝置的頻率範圍取決於主要應用，例如語音或音樂。語音用途的工作頻率範圍為 20 Hz 至 8 kHz，而音樂用途則達人類可聽到的最高頻率 20 kHz。大部分 PSAP 輔具都有電池電源和 PC 軟體，可在整個頻率範圍內自訂擴音效果。這些輔具還能針對使用者周遭的聲音、手機聲以及音訊串流，提供絕佳的音質及語音清晰度。

典型的音訊 PSAP 系統含有音訊編解碼器和 DSP 核心。在這張 PSAP 音訊系統的簡化圖中，可以看到一個音訊編解碼器，也有麥克風輸入到類比數位轉換器 (ADC)。音訊編解碼器會對 ADC 的數位輸出進行降頻取樣，準備以數位方式傳輸至藍牙系統單晶片 (SoC)/DSP 核心 (圖 2)。

圖 2：PSAP 的典型音訊系統包括麥克風、ADC、降頻器、藍牙／DSP 核心、升頻器、數位類比轉換器 (DAC)、放大器、揚聲器。(圖片來源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

藍牙 SoC/DSP 核心會進一步對訊號降頻取樣，供 DSP 模塊使用。DSP 模塊會對訊號進行處理、內插，然後將數位訊號送回音訊編解碼器。音訊編解碼器再將數位訊號轉換回類比訊號，以驅動揚聲器輸出。

啟用後的 PSAP 有兩種類型的聲音可以到達使用者的耳膜。S1 是使用者殘餘的語音環境漏音 (S1A) 和骨傳導聲音 (S1B) 的彙總。對於 S1，聽戴裝置會遮擋耳朵開口，阻止聲音進入耳道內部、逸出耳道 (圖 3)。

圖 3：三種聲源會透過 PSAP 到達耳膜：環境漏音 (S1A)、骨傳導聲音 (S1B)、處理後的環境聲音 (S2A)。(圖片來源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

PSAP 的麥克風會擷取環境聲音 (S2)，由 DSP 對其進行處理，再將輸出訊號 (S2A) 透過音訊傳感器傳送進耳道。要注意的是，這種音訊處理鏈設計會產生延遲。這三種聲音會匯集在使用者的耳膜，創造出 PSAP 聽覺體驗。

PSAP 梳狀效應

就 PSAP 聽覺體驗而言，音訊系統必須在所有聲音到達耳膜之前將其彙總。S1A 和 S1B 到達使用者耳膜的時間相同，但如圖所示，S2 訊號則要穿越音訊系統，因此會產生輕微延遲。如果延遲和增益沒有經過適當調整，聲源彙總時就會出現回音效應 (圖 4)。

圖 4：S1A、S1B、S2 三種聲音彙總的訊號模型。(圖片來源：Bonnie Baker)

圖 4 中的變量是延遲和增益 (G)。S1 訊號直接前往耳膜。將 S1 環境聲音加到 S2 電子聲音路徑時，S2 中的增益函數會產生延遲。S1 和 S2 相加有可能會產生回音，但可控制延遲時間和增益幅度，藉此將回音降至最低。

圖 5 指出，在延遲為 0.4 ms 和 3 ms，以及 G 為 0 dB、15 dB、30 dB 時，會得到的訊號響應。

圖 5：兩種聲音根據訊號模型的彙總頻率響應，延遲分別為 0.4 ms 和 3 ms，增益分別為 0 dB、15 dB、30 dB。(圖片來源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

圖 5 中的正規化頻率響應可說明耳膜上的延遲和增益效應。G 等於 0 dB 時，出現許多陷波形式的失真 (也稱為梳狀效應)。梳狀效應可能會造成殘響或回音，進而降低音質。在圖 5A 中，3 ms 的延遲會在低很多的頻率產生較多陷波。

增益在圖 5B 中有所增加，梳狀效應也隨之大幅降低。增益從 0 dB 變為 15 dB，在 15 dB 增益下形成約 3 dB 的漣波。在圖 5C 的 30 dB 增益下，這兩種延遲的響應近乎平坦。

如何減輕梳狀效應

如上所述，提高增益、縮短延遲即可降低傳統 PSAP 系統的梳狀效應，減少其殘響或回音。在進階型 PSAP 裝置中，延遲／增益元件已替換成可執行抗噪功能的額外低延遲數位濾波器 (圖 6)。

圖 6：進階 PSAP 系統中有四種聲音到達耳膜：S1A、S1B、S2A、S2B。(圖片來源：Maxim Integrated，由 Bonnie Baker 修改)

在圖 6 中，MAX98050 低功率、高效能音訊編解碼器會產生抗噪聲 (S2B)，並與原始的被動環境聲交互作用後形成新聲音。MAX98050 具有降噪和語音／環境增強功能，這些功能仰賴低功率、低延遲的數位濾波器，以確保 S2B 降低低頻雜訊。

圖 7 顯示 MAX98050 PSAP 解決方案的簡易方塊圖。

圖 7：MAX98050 編解碼器可建立 PSAP 訊號介面來改變增益，並降低雜訊和延遲。(圖片來源：Bonnie Baker)

依照圖 7 方塊圖進行的模擬可指出 MAX98050 系統的梳狀效應，以及增益和延遲時間對雜訊的影響 (圖 8)。

圖 8：依圖 7 進行的模擬圖可指出 MAX98050 的梳狀效應，以及增益和延遲時間對雜訊的影響。(圖片來源：Maxim Integrated)

圖 8 顯示，Maxim 的抗噪解決方案突顯出 S1 和 S2 之間的增益差異。除了模擬之外，根據實際尺寸和即時評估系統的量測結果，也能證實提出的抗噪解決方案成效。

請注意，若要減少音訊系統中的延遲，就需要相對較高的 ADC、DAC 取樣率。這方面的變化會增加運算負擔並降低能源效率。整體而言，音訊效能會有所下降。

結論

對於希望增進聽力的人來說，PSAP 具備清晰、高成本效益的優勢。對設計人員而言，提高效率與效能是不斷面臨的挑戰，需要更有效地處理梳狀效應。如本文所述，只要使用 Maxim Integrated 的低功率、常開式 MAX98050 編解碼器，設計人員就能緩解 PSAP 的梳狀效應，進而提高音訊和電源效能，為新一代 PSAP 提供靈活的系統設計。