摘要
PSAP 在具有挑战性的环境中使用耳戴式设备增强了用户的聆听体验。音频系统中的长延迟会产生失真，在 PSAP 中称为梳状效应。本文研究了梳状效应的根本原因，并解释了 Maxim 基于抗噪声方案的 PSAP 如何产生比传统 PSAP 方案更优越的系统性能。
介绍
耳戴式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，从而改善用户的聆听体验。支持放大所需环境声音的耳戴式设备通常称为个人声音放大产品 （PSAP）。在本白皮书中，我们将 PSAP 视为耳戴式设备中的辅助听力功能，用于增强听力受损者和听力正常人士在具有挑战性的环境中的听力。PSAP 系统的基本构建块可能包括但不限于：
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一个或几个外部麦克风，用于捕获环境声音。 -
一个或几个内部麦克风，用于捕获耳道内的残余声音。 -
用于播放增强声音的耳机扬声器。 -
数字信号处理 （DSP） 模块，如波束成形、反馈抑制、环境/风/脉冲/麦克风噪声抑制、增益放大、均衡、动态范围压缩、限幅器等。
图 1 显示了 PSAP 典型音频系统的简化视图，其中模拟麦克风信号转换为数字信号，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 内核，然后在 DSP 模块中处理，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。
启用 PSAP 后，两种类型的声音会到达用户的耳膜，如图 2 所示。声音 S1 是残余的环境声音（和/或用户自己的声音），因为耳戴式设备会遮挡耳朵开口并阻止声音到达耳道内部和传出耳道外部。声音 S2 是麦克风捕获的环境声音的 PSAP 输出，由 PSAP DSP 模块处理，最后由扬声器生成，其中可能涉及音频系统引起的固有延迟，具体取决于音频处理链设计。这两种声音在用户的耳膜处相加（也称为声波叠加），以产生完整的 PSAP 体验感。
图 2.在 PSAP 中，两种声音到达耳膜。
梳状效应问题
为了理解两个声音在存在相对延迟和增益放大的情况下的求和效应的结果，我们简化了信号模型，如图 3 所示。基于这个模型，我们进行了一项研究，以了解 delay 和 gain 如何影响 output。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.简化了两种声音的信号模型。
图 4 显示了两个声音之和的归一化频率响应，我们可以清楚地看到延迟和增益都会对输出产生显著影响。增益为 0 dB 时，可以观察到多个陷波形式的明显失真。这种失真称为梳状效果，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）在低得多的频率下产生更多的陷波。随着增益的增加，这种梳状效应已大大减轻，在 15 dB 增益时形成 2-3 dB 的纹波，或在 30 dB 增益下形成几乎平坦的响应，其中两个延迟没有太大差异。
现在，我们来研究一下传统 PSAP 解决方案在典型耳戴式设备用例中的梳状效应。如图 5 所示，声音 S1 通常是无源衰减的结果，仅在高频下显示衰减（例如，15 dB）。声音 S2 是 PSAP 输出，例如，我们考虑两种增益分别为 0 dB 和 15 dB 的 PSAP 情况。梳状效应的模拟结果如图 6 所示，这表明当增益较低（如 0 dB）时，长延迟（如 3ms）会产生梳状效应，从而导致音频失真和较差的聆听体验。
图 4.基于简化信号模型的两种声音之和的频率响应。
图 5.传统的 PSAP 解决方案。
图 6.常规 PSAP 解决方案的结果。
Maxim 利用抗噪声技术减轻梳状效应的解决方案
减轻 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，如上述研究中所暗示的那样。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（模数和数模）、编解码器和 SoC/DSP 内核之间的音频数据传输以及 DSP 模块中使用非常高的采样率和小缓冲区。这些要求会导致更高的计算负载、低能效和音频性能下降，或者系统设计和调整灵活性受到限制。
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 系统管理两个声音之间的增益水平，降低低频的 S1 水平。正在推出MAX98050，这是第一款专为始终处于活动状态的耳戴式设备设计的低功耗、高性能音频编解码器，可实现噪声消除和语音/环境增强等差异化功能。Maxim正在申请专利的PSAP抗噪声方案是利用集成的低功耗、低延迟数字滤波器链实现的，该链配置为产生抗噪声，同时以典型的音频采样速率和缓冲方案将麦克风录音和播放音频数据发送到主机处理器（例如蓝牙SoC），以实现灵活和最佳的PSAP算法设计和调整。
如图 7 所示，MAX98050 产生抗噪声 C1，它与原始的被动环境声音相互作用，形成新的声音 S1，在低频时降低电平。图 8 显示了该解决方案的简化框图，基于该框图模拟了梳状效应结果，其中抗噪声结果模拟为在低频下降低 15 dB。如图 9 所示，Maxim 的抗噪声方案在 S1 和 S2 之间产生更大的增益差，导致两种 PSAP 增益情况下长延迟和短延迟之间的性能相似。除了仿真之外，还进行了基于实际外形尺寸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.在 PSAP 中，两种声音到达鼓膜，具有抗噪声功能。
图 8.Maxim 的抗噪声 PSAP 方案。
图 9.Maxim 的抗噪声 PSAP 方案的结果。
总结
在本白皮书中，我们解释了困扰耳戴式设备 PSAP 系统的梳状效应问题。在存在不同增益水平的情况下，研究了 PSAP 处理的长延迟后果。减少 PSAP 系统中的延迟会导致性能不佳和功率高。Maxim 基于首款低功耗始终有效编解码器MAX98050构建，推出了基于抗噪声的解决方案，以减轻 PSAP 中的梳状效应，从而改善音频和电源性能，并为下一代耳戴式设备提供灵活的系统设计。
内容来自：六指琴魔弹声学
