כיצד לשפר את הביצועים והנצילות של מוצרי הגברת סאונד אישיים (PSAP)

מוצרי הגברת סאונד אישיים (PSAPs) מספקים דרך בעלות נמוכה לתת מענה לצורך בהגברת שמיעה מינימלית עבור ספורט ואיבוד שמיעה. למרות שהמכשירים החכמים המתכווננים הללו הם יותר ויותר פופולריים, הם מאתגרים בהתמדה את המתכננים לשפר את הביצועים תוך שמירה על עלויות וצריכת הספק במינימום.

האתגרים נובעים מהצורך להפחית זליגות סביבה בעייתיות ואותות הולכת העצם בתעלת השמיעה, תוך התייחסות גם לשיהוי הנובע מהאלקטרוניקה של מכשיר השמיעה. אלקטרוניקה זו כוללת מיקרופונים, רמקול, DSP ו-Codec. שילוב של אותות ההגבר והשיהוי מהאלקטרוניקה עם האודיו מהסביבה ומהולכת העצם יוצר אפקט מסרק שצריך לנתח אותו. רק אז ניתן להפחית את זה ביעילות כדי לממש תכן יעיל וחסכוני בצריכת ההספק ובעלות.

מאמר זה מתאר את המבנה, פעולה, דרישות תכן טיפוסיות ומושגים טכניים עיקריים של PSAP‏ כגון אפקט המסרק. לאחר מכן הוא מציג Codec אודיו בהספק נמוך עם ביצועים עיליים של Analog Devices/Maxim Integrated עבור PSAPs שניתן להשתמש בו כדי לטפל באפקט המסרק, ומסביר כיצד ליישם אותו.

דרישות פעולה ותכן של PSAP‏

עם הגיל, לעתים קרובות קשה יותר לשמוע רדיו, טלוויזיה או שיחה. לפעמים רעשי רקע מפריעים לשמוע שיחה במסעדה או במפגש חברתי. הפתרונות לבעיות שמיעה עד היום הסתמכו על אפשרויות יקרות של מכשירי שמיעה המסווגים ומפוקחים כהתקנים רפואיים. ללא קשר לדרגת אובדן השמיעה המסוימת של המשתמש, התקנים אלו הם יקרים באופן ניכר לעומת מכשירי שמיעה PSAP לא-מפוקחים.

למכשירי PSAP נטענים, המיועדים עבור שיפור שמיעה לפנאי או ברמה נמוכה, יש הגברה ברמה נמוכה הניתנת להתאמה-אישית כדי לעזור למשתמשים לשמוע בבהירות על ידי החלשה או הגברה של תדרים בינוניים עד גבוהים. למגבר יש בדרך כלל איפוסי הגברה ומעגלים לביטול רעשים כדי להפחית משוב ורעשי רקע (איור 1).

איור 1: ל-PSAPs כדוגמת +C350 יש הגברה ברמה נמוכה הניתנת להתאמה-אישית כדי לשפר את הבהירות. (מקור התמונה: Health Products for You‏ (HPFY))

תחום התדרים של כל מכשיר תלוי ביישום העיקרי, כגון קול מול מוזיקה. עבור קול, תחום תדרי הפעולה הוא בין 20 הרץ (Hz‏) ל-8 קילו-הרץ (kHz), בעוד שתחום המוזיקה הוא עד למקסימום הנשמע של 20 קילו-הרץ. לרוב מכשירי ה-PSAP יש הספקת-כוח מסוללה ותוכנת מחשב להגברה הניתנת להתאמה-אישית על פני תחום התדרים. מכשירים אלה נועדו גם לספק איכות צליל מעולה ומובנות דיבור עבור הסאונד שסביב המשתמש, מהטלפון שלו, ועבור הזרמת אודיו.

מערכת PSAP אודיו טיפוסית כוללת Codec אודיו וליבת DSP. הצגה מפושטת של מערכת אודיו PSAP זו כוללת Codec אודיו עם כניסת מיקרופון לממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC). ה-Codec אודיו מנחית את היציאה הדיגיטלית של ה-ADC כהכנה עבור השידור הדיגיטלי לליבת DSP‏ או למערכת על-שבב (SoC‏) Bluetooth‏ (איור 2).

איור 2: מערכת אודיו טיפוסית עבור PSAP כוללת מיקרופון, ADC, דצימטור, ליבת Bluetooth/DSP, אינטרפולטור, ממיר דיגיטלי-לאנלוגי (DAC), מגבר ורמקול. (מקור התמונה: Maxim Integrated, עם שינויים על ידי Bonnie Baker‏)

ליבת ה-Bluetooth SoC/DSP מנחיתה עוד יותר את האות כהכנה לבלוק ה-DSP. בלוק ה-DSP מעבד את האות, מבצע אינטרפולציה ולאחר מכן שולח את האות הדיגיטלי חזרה ל-Codec אודיו. Codec האודיו ממיר את האות הדיגיטלי חזרה לאנלוגי כדי לדחוף את יציאת הרמקול.

ל-PSAP המאופשר יש שני סוגי סאונד המגיעים לעור התוף של המשתמש. S1 הוא הסיכום של הזליגה השיורית של סביבת הקול של המשתמש (S1A) והולכת העצם (S1B). עבור S1, מכשיר השמיעה חוסם את פתח האוזן כדי למנוע מהסאונד מלהגיע פנימה ולברוח אל מחוץ לתעלת האוזן (איור 3).

איור 3: שלושה מקורות סאונד מגיעים לעור התוף עם PSAP; זליגה מהסביבה (S1A), הולכה על ידי העצם (S1B), וסאונד הסביבה המעובד (S2A). (מקור התמונה: Maxim Integrated, עם שינויים על ידי Bonnie Baker‏)

המיקרופון של ה-PSAP קולט את סאונד הסביבה (S2), ה-DSP מעבד אותו, ואות היציאה (S2A) נשלח לתוך תעלת האוזן דרך מתמר האודיו. חשוב לציין שתכן שרשרת עיבוד האודיו יוצרת שיהוי. שלושת מקורות הסאונד הללו מסתכמים בעור התוף של המשתמש כדי ליצור את חווית ה-PSAP.

אפקט המסרק של ה-PSAP

עבור חווית ה-PSAP, מערכת האודיו דורשת סיכום של כל מקורות הסאונד לפני שהם מגיעים לעור התוף. זמן ההגעה של S1A ו-S1B לעור התוף של המשתמש זהה, אך כפי שמוצג, אות S2 עובר דרך מערכת האודיו ולכן נוצר שיהוי קצר. אם השיהוי וההגבר אינם מתואמים כראוי, נוצר אפקט של הד כאשר המקורות מסתכמים יחד (איור 4).

איור 4: מודל האותות עבור הסיכום של שלושת מקורות הסאונד: S1A, S1B ו-S2. (מקור תמונה: Bonnie Baker)

המשתנים באיור 4 הם השיהוי וההגבר (G). האות S1 עובר ישירות לעור התוף. על ידי הוספת הסאונד של S1 מהסביבה לנתיב ה-S2 האלקטרוני, פונקציית ההגבר ב-S2 יוצרת שיהוי. לצירוף של S1 ו-S2 יש פוטנציאל ליצירת הד, אך ניתן למזער זאת על ידי מניפולציה של זמן השיהוי ורמת ההגבר.

איור 5 מציג את היענות האותות המתקבלת עבור שיהוי השווה ל-0.4‏ ו-3 מילי-שניות (ms), ו-G השווה ל-0‏, 15 ו-30 דציבלים (dB‏).

איור 5: היענות התדר של סיכום שני מקורות הסאונד על בסיס מודל האותות, עם שינויים בשיהוי מ-0.4 ל-3 מילי-שניות (ms‏) ושינויי הגבר של 0‏, 15 ו-30 דציבלים (dB‏). (מקור התמונה: Maxim Integrated, עם שינויים על ידי Bonnie Baker‏)

היענויות התדר המנורמלות באיור 5 מדגימות את השפעת השיהוי וההגבר על עור התוף. יש גם עיוות, או אפקט מסרק, בצורה של מספר נפילות, או חריצים, עבור G השווה ל-dB‏ 0‏. אפקט המסרק עלול לפגוע באיכות הסאונד עקב הדהוד או הד. באיור 5A, השיהוי של ms‏ 3‏ יוצר חריצים נוספים בתדר נמוך בהרבה.

עם ההגבר הגדול יותר באיור 5B, חשיבות אפקט המסרק פוחתת. שינוי ההגבר מ-dB‏ 0‏ ל- dB‏ 15‏ יוצר אדווה של dB‏ 3~ בהגבר של dB‏ 15‏. ההיענות היא כמעט שטוחה עבור שני השיהויים בנקודת ההגבר של dB‏ 30‏ באיור C‏5‏.

כיצד להפחית את אפקט המסרק

כפי שתואר, עלייה בהגבר וירידה בשיהוי מפחיתה את אפקט המסרק במערכת PSAP קונבנציונלית כדי להפחית את ההדהוד או ההד שלה. מכשיר PSAP מתקדם מחליף את רכיבי השיהוי/הגבר עם מסנן דיגיטלי נוסף עם שיהוי קצר המשמש לביצוע פונקציית אנטי-רעש (איור 6).

איור 6: ארבעה מקורות סאונד מגיעים לעור התוף במערכת PSAP מתקדמת: S1A, S1B, S2A ו-S2B. (מקור התמונה: Maxim Integrated, עם שינויים על ידי Bonnie Baker‏)

באיור 6, Codec אודיו MAX98050 בהספק נמוך ועם ביצועים עיליים מייצר אנטי-רעש (S2B) המשתלב עם הסאונד הפסיבי המקורי של הסביבה כדי ליצור סאונד חדש. ל-MAX98050 יש מאפייני ביטול רעשים ושיפור סאונד/סביבה המסתמכים על מסנן דיגיטלי בהספק נמוך עם שיהוי קצר, המבטיח ש-S2B מפחית רעשים בתדרים נמוכים.

איור 7 מציג תרשים בלוקים מפושט המבוסס על פתרון MAX98050 PSAP.

איור 7: Codec‏ MAX98050 יוצר את ממשק אותות ה-PSAP כדי לשנות את ההגבר ולהפחית את הרעש ואת השיהוי. (מקור תמונה: Bonnie Baker)

סימולציה המבוססת על דיאגרמת הבלוקים של איור 7 ממחישה את אפקט המסרק של מערכת MAX98050‏ ואת ההשפעה של ההגבר וזמן השיהוי על הרעש (איור 8).

איור 8: סימולציה של התרשים באיור 7 מציגה את אפקט המסרק של ה-MAX98050 ואת ההשפעה של ההגבר וזמן השיהוי על הרעש. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

איור 8 מראה שפתרון אנטי-רעש של Maxim מדגיש את הפרש ההגבר בין S1 ל-S2. בנוסף לסימולציה, מדידות המבוססות על גורם הצורה האמיתי ועל מערכת הערכה בזמן-אמת מאשרות את הפתרון המוצע נגד רעש.

שימו לב שקיצור השיהוי במערכות אודיו דורש קצבי דגימה גבוהים יחסית של ה-ADC וה-DAC. שינויים אלה מגדילים את עומס החישוב ומפחיתים את נצילות הספקת-הכוח. בסך הכול יש ירידה בביצועי האודיו.

סיכום

PSAPs מעניקים יתרונות ברורים וכדאיים לכל מי שמעוניין לשפר את יכולות השמיעה שלו. עבור המתכננים, האתגר לשפר את הנצילות והביצועים ממשיך, ומצריך התמודדות יעילה יותר עם אפקט המסרק. כפי שהוצג, באמצעות Codec ה-MAX98050 בהספק נמוך ופעיל-תמיד של Maxim Integrated, המתכננים יכולים להפחית את אפקט המסרק ולשפר את ביצועי האודיו והספקת-הכוח הודות לתכן מערכת גמיש עבור מכשירי PSAP של הדור-הבא.