Naslouchátka se snaží snížit okolní prosakování zvuku do zvukovodu a zároveň musí počítat se zpožděním způsobeným elektronikou. Elektronika naslouchátka se skládá z mikrofonu, reproduktoru, digitálního signálového procesoru a kodeku. Kombinace zisku a latence z elektroniky s okolním zvukem a zvukem vedeným kostmi vytváří tzv. hřebenový efekt, kterému je třeba porozumět, ab byl úspěšně potlačen. Tento článek popisuje konstrukci naslouchátka, jeho provoz a typické požadavky na design. Poté představuje nízkoenergetický, ale zároveň výkonný zvukový kodek od Analog Devices/Maxim Integrated, který lze použít k potlačení tzv. hřebenového efektu.

Požadavky na provoz a design naslouchadla

S věkem je často těžší slyšet rádio, televizi nebo běžnou konverzaci. Hluk na pozadí někdy ruší poslech v restauraci nebo na společenském setkání. Dosavadní řešení problémů se sluchem se spoléhalo na drahé možnosti sluchadel, které jsou schváleny jako zdravotnické pomůcky. Bez ohledu na stupeň ztráty sluchu jsou tyto pomůcky podstatně dražší než nechválená sluchadla s PSAP (Personal Sound Amplification Products).

Dobíjecí sluchadla s PSAP určená pro částečné vylepšení sluchu mají přizpůsobitelné nízkoúrovňové zesílení, které uživatelům pomáhá slyšet zřetelněji snížením nebo zvýšením středních až vysokých frekvencí. Zesilovač typicky obsahuje obvody pro potlačení šumu pro snížení zpětné vazby a šumu pozadí (obrázek 1).

Obrázek 1: Sluchadla s PSAP, jako je například C350+, mají přizpůsobitelné nízkoúrovňové zesílení pro zlepšení srozumitelnosti. (Zdroj obrázku: Health Products for You (HPFY))

Frekvenční rozsah každého zařízení závisí na tom, zda se jedná o hlas nebo hudbu. Pro hlas je provozní frekvenční rozsah od 20 Hz do 8 kHz, zatímco hudební rozsah dosahuje slyšitelného maxima až 20 kHz. Většina sluchadel s PSAP je napájeno z baterie a obsahuje software pro zesílení v celém frekvenčním rozsahu.

Typický audio systém s PSAP obsahuje zvukový kodek a jádro digitálního signálového procesoru. Zjednodušený pohled na tento audio systém s PSAP má audio kodek s mikrofonním vstupem do analogově-digitálního převodníku (ADC). Audio kodek upravuje digitální výstup ADC pro digitální přenos do jádra Bluetooth system-on-chip (SoC)/DSP (obrázek 2).

Obrázek 2: Typický audio systém s PSAP obsahuje mikrofon, ADC převodník, decimátor, Bluetooth/DSP jádro, interpolátor, digitálně-analogový převodník (DAC), zesilovač a reproduktor. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated, upraveno Bonnie Baker)

Jádro Bluetooth SoC/DSP dále upravuje signál pro blok DSP. Blok DSP zpracuje signál, interpoluje jej a poté odešle zpět do audio kodeku. Audio kodek převádí digitální signál zpět na analogový určený pro reproduktor.

PSAP má dva typy zvuků, které se dostávají do ušního bubínku uživatele. S1 je součet hlasu uživatele z okolí (S1A) a hlas, který se dostane přes kost (S1B).

Obrázek 3: Tři zdroje zvuku dosahují ušního bubínku. Okolní zvuk (S1A), přes kost (S1B) a zpracovaný okolní zvuk (S2A). (Zdroj obrázku: Maxim Integrated, upraveno Bonnie Baker)

Mikrofon PSAP zachycuje okolní zvuk (S2), DSP jej zpracovává a výstupní signál (S2A) je poslán do zvukovodu přes audio převodník. Je důležité si uvědomit, že celý řetězec zpracování zvuku vytváří zpoždění.

Hřebenový efekt PSAP

Pro kvalitní poslechový zážitek je nutné, aby audio systém přidal všechny zvuky ještě předtím, než zasáhnou ušní bubínek. Doba příchodu S1A a S1B k ušnímu bubínku uživatele musí identická, ale jak je znázorněno, signál S2 prochází audio systémem a vytváří mírné zpoždění. Pokud zpoždění a zesílení nejsou adekvátně nastaveny, dojde po sečtení signálů k nežádoucímu efektu zvanému ozvěna (obrázek 4).

Obrázek 4: Model signálu pro sčítání tří zvuků: S1A, S1B a S2. (Zdroj obrázku: Bonnie Baker)

Proměnné na obrázku 4 jsou zpoždění (Delay) a zesílení (G). Signál S1 jde přímo do ušního bubínku. Přidání S1 a S2 má potenciál vytvořit ozvěnu, ale to lze minimalizovat úpravou doby zpoždění a velikosti zisku. Obrázek 5 ukazuje výslednou signálovou odezvu pro zpoždění rovné 0,4 ms a 3 ms a G rovné 0, 15 dB a 30 dB.

Obrázek 5: Součet frekvenční odezvy dvou zvuků na základě modelu signálu se změnami zpoždění od 0,4 ms do 3 ms a změnami zisku 0 dB, 15 dB a 30 dB. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated, s úpravami od Bonnie Baker)

Normalizované frekvenční odezvy na obrázku 5 ilustrují účinek zpoždění a zesílení na ušní bubínek. Dochází ke zkreslení neboli hřebenovému efektu ve formě několika zářezů pro zesílení G rovnající se 0 dB. Hřebenový efekt může snížit kvalitu zvuku prostřednictvím dozvuku nebo ozvěny. Na obrázku 5A vytváří zpoždění 3 ms více zářezů při mnohem nižší frekvenci.

Se zvýšeným zesílením na obrázku 5B se význam hřebenového efektu snižuje. Změna zesílení z 0 dB na 15 dB vytváří ~3 dB zvlnění při zesílení 15 dB. Na obrázku 5C je téměř plochá odezva pro obě zpoždění při zesílení 30 dB.

Jak zmírnit hřebenový efekt

Jak již bylo zmíněno, zvýšení zesílení a snížení doby zpoždění snižuje hřebenový efekt v klasickém systému. Pokročilé systémy s PSAP nahrazují komponenty zpoždění/zesílení přídavným digitálním filtrem s nízkou latencí, který se používá k potlačení šumu (obrázek 6).

Obrázek 6: Čtyři zvuky dosáhnou ušního bubínku v pokročilém systému PSAP v jeden okamžik.(Zdroj obrázku: Maxim Integrated, upraveno Bonnie Baker)

Na obrázku 6 je vidět nízkoenergetický, vysoce výkonný audio kodek MAX98050. MAX98050 má funkce potlačení šumu a vylepšení hlasu/okolí, díky integrovanému digitálnímu filtru. Obrázek 7 ukazuje zjednodušené blokové schéma s MAX98050 PSAP.

Obrázek 7: Kodek MAX98050 vytváří rozhraní signálu PSAP pro změnu zisku a snížení šumu a zpoždění. (Zdroj obrázku: Bonnie Baker)

Simulace blokovém diagramu na obrázku 7 ilustruje hřebenový efekt systému MAX98050 a vliv zesílení a doby zpoždění na šum (obrázek 8).

Obrázek 8: Simulace diagramu na obrázku 7 ukazuje hřebenový efekt MAX98050 a vliv zesílení a doby zpoždění na šum. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated)

Obrázek 8 ukazuje, že protihlukové řešení Maxim zdůrazňuje rozdíl zesílení mezi S1 a S2. Snížení doby zpoždění v audio systémech vyžaduje relativně vysoké vzorkovací frekvence ADC a DAC. To ale zvyšuje výpočetní zátěž a snižuje energetickou účinnost. Celkově dochází ke zhoršení zvukového výkonu.

Závěr

Zlepšení účinnosti a výkonu vyžaduje efektivnější řešení hřebenového efektu. Pomocí nízkoenergetického aktivního kodeku MAX98050 od Maxim Integrated lze tento efekt zmírnit a vytvořit audio systém s PSAP nové generace.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com