Cómo mejorar el rendimiento y la eficacia del producto de amplificación de sonido personal (PSAP)

Los productos personales de amplificación del sonido (PSAP) ofrecen una forma económica de satisfacer la necesidad de una amplificación auditiva mínima para los deportes y la pérdida de audición. Aunque estos audífonos inteligentes y ajustables son cada vez más populares, desafían continuamente a los diseñadores a mejorar el rendimiento manteniendo el costo y el consumo de energía al mínimo.

Los retos se derivan de la necesidad de reducir las problemáticas fugas ambientales y las señales de conducción ósea en el canal auditivo, al tiempo que se tienen en cuenta los retrasos debidos a la electrónica del audífono. Estos componentes electrónicos incluyen micrófonos, un altavoz, un DSP y un códec. La combinación de las señales de ganancia y latencia de la electrónica con el audio ambiental y el conducido por los huesos crea un efecto de peine que hay que entender. Sólo entonces se puede mitigar de forma efectiva para implementar un diseño rentable y de bajo consumo.

Este artículo describe la construcción de los PSAP, su funcionamiento, los requisitos típicos de diseño y conceptos técnicos clave como el efecto peine. A continuación, se presenta un códec de audio de bajo consumo y alto rendimiento de Analog Devices/Maxim Integrated para su uso en PSAP que puede utilizarse para solucionar el efecto peine, y muestra cómo aplicarlo.

Requisitos de funcionamiento y diseño del PSAP

Con la edad, suele ser más difícil oír la radio, la televisión o una conversación. A veces el ruido de fondo interfiere en la audición de una conversación en un restaurante o una reunión social. Hasta ahora, las soluciones a los problemas de audición se basaban en costosas opciones de audífonos clasificados y regulados como dispositivos médicos. Independientemente del grado de pérdida auditiva de cada usuario, estos dispositivos son considerablemente más costosos que los audífonos PSAP no regulados.

Los PSAP recargables, destinados a la mejora de la audición recreativa o de bajo nivel, tienen una amplificación de bajo nivel personalizable para ayudar a los usuarios a oír con claridad disminuyendo o aumentando las frecuencias medias y altas. El amplificador suele contar con reajustes de amplificación y circuitos de supresión de ruido para reducir la retroalimentación y el ruido de fondo (Figura 1).

Figura 1: Los PSAP como el C350+ tienen una amplificación de bajo nivel personalizable para mejorar la claridad. (Fuente de la imagen: Health Products for You (HPFY))

La gama de frecuencias de cada dispositivo depende de la aplicación principal, como la voz o la música. En el caso de la voz, la gama de frecuencias de funcionamiento va de 20 hertzios (Hz) a 8 kilohertzios (kHz), mientras que la música alcanza el máximo audible de 20 kHz. La mayoría de los dispositivos PSAP cuentan con alimentación por batería y software de PC para una amplificación personalizable en toda la gama de frecuencias. Estos dispositivos también están diseñados para ofrecer una excelente calidad de sonido e inteligibilidad de la voz para los sonidos que rodean al usuario, desde su teléfono, y para la transmisión de audio.

Un sistema PSAP de audio típico incluye un códec de audio y un núcleo DSP. Una vista simplificada de este sistema de audio PSAP tiene un códec de audio con una entrada de micrófono a un convertidor analógico-digital (ADC). El códec de audio diezma la salida digital del ADC para preparar la transmisión digital al núcleo del sistema en chip (SoC)/DSP Bluetooth (Figura 2).

Figura 2: Un sistema de audio típico para un PSAP comprende un micrófono, un ADC, un decimador, un núcleo Bluetooth/DSP, un interpolador, un convertidor digital-analógico (DAC), un amplificador y un altavoz. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated, modificada por Bonnie Baker)

El núcleo del SoC/DSP de Bluetooth diezma aún más la señal para prepararla para el bloque DSP. El bloque DSP procesa la señal, la interpola y luego envía la señal digital de vuelta al códec de audio. El códec de audio convierte la señal digital en analógica para alimentar la salida de los altavoces.

El PSAP habilitado tiene dos tipos de sonidos que llegan al tímpano del usuario. S1 es la suma de la fuga ambiental de la voz del usuario residual (S1A) y la conducción ósea (S1B). En el caso del S1, el dispositivo auditivo oscurece la abertura del oído para impedir que el sonido llegue al interior y se escape fuera del canal auditivo (figura 3).

Figura 3: Tres fuentes de sonido llegan al tímpano con un PSAP; fuga ambiental (S1A), conducido por el hueso (S1B) y el sonido ambiental procesado (S2A). (Fuente de la imagen: Maxim Integrated, modificada por Bonnie Baker)

El micrófono del PSAP capta el sonido ambiente (S2), el DSP lo procesa y la señal de salida (S2A) se envía al canal auditivo a través del transductor de audio. Es importante destacar que el diseño de la cadena de procesamiento de audio crea un retraso. Estos tres sonidos resumen el tímpano del usuario para crear la experiencia PSAP.

El efecto peine del PSAP

Para la experiencia del PSAP, el sistema de audio requiere la adición de todos los sonidos antes de que lleguen al tímpano. El tiempo de llegada de S1A y S1B al tímpano del usuario es idéntico, pero como se muestra, la señal S2 viaja a través del sistema de audio, creando un ligero retraso. Si el retardo y la ganancia no se ajustan adecuadamente, se produce un efecto de eco cuando se suman las fuentes (Figura 4).

Figura 4: Modelo de señal para la suma de los tres sonidos: S1A, S1B y S2. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

Las variables de la figura 4 son el retardo y la ganancia (G). La señal S1 va directamente al tímpano. Al añadir el sonido ambiente de S1 a la ruta electrónica de S2, la función de ganancia de S2 crea un retardo. La adición de S1 y S2 tiene el potencial de crear un eco, pero esto se puede minimizar manipulando el tiempo de retardo y la magnitud de la ganancia.

La figura 5 muestra la respuesta de la señal resultante para un retardo igual a 0.4 milisegundos (ms) y 3 ms, y G igual a 0 decibelios (dB), 15 dB y 30 dB.

Figura 5: La respuesta en frecuencia de la suma de dos sonidos basada en el modelo de señal, con cambios de retardo de 0.4 ms a 3 ms y cambios de ganancia de 0 dB, 15 dB y 30 dB. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated, con modificaciones de Bonnie Baker)

Las respuestas de frecuencia normalizadas de la figura 5 ilustran el efecto de retardo y ganancia en el tímpano. Hay una distorsión, o efecto peine, en forma de múltiples muescas para G igual a 0 dB. El efecto peine puede degradar la calidad del sonido por la reverberación o el eco. En la Figura 5A, un retraso de 3 ms crea más muescas a una frecuencia mucho más baja.

Con el aumento de la ganancia en la Figura 5B, el efecto peine reduce su importancia. El cambio de ganancia de 0 dB a 15 dB forma una ondulación de ~3 dB a 15 dB de ganancia. En la figura 5C hay una respuesta casi plana para ambos retardos con una ganancia de 30 dB.

Cómo mitigar el efecto peine

Como se ha descrito, un aumento de la ganancia y una disminución del retardo reduce el efecto peine en un sistema PSAP convencional para reducir su reverberación o eco. Un dispositivo PSAP avanzado sustituye los componentes de retardo/ganancia por un filtro digital adicional de baja latencia que se utiliza para realizar una función antirruido (Figura 6).

Figura 6: Cuatro sonidos llegan al tímpano en un sistema PSAP avanzado: S1A, S1B, S2A y S2B. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated, modificada por Bonnie Baker)

En la figura 6, el códec de audio MAX98050, de bajo consumo y alto rendimiento, genera ruido (S2B) que interactúa con el sonido ambiente pasivo original para formar un nuevo sonido. El MAX98050 cuenta con funciones de cancelación de ruido y mejora de la voz/ambiente que se basan en un filtro digital de baja potencia y baja latencia que garantiza que el S2B reduzca el ruido en las frecuencias bajas.

La figura 7 muestra un diagrama de bloques simplificado basado en la solución MAX98050 PSAP.

Figura 7: El códec MAX98050 crea la interfaz de señal PSAP para variar la ganancia y reducir el ruido y el retardo. (Fuente de la imagen: Bonnie Baker)

Una simulación basada en el diagrama de bloques de la Figura 7 ilustra el efecto de peine del sistema MAX98050, y el impacto de la ganancia y el tiempo de retardo en el ruido (Figura 8).

Figura 8: Una simulación del diagrama de la figura 7 muestra el efecto peine del MAX98050 y el impacto de la ganancia y el tiempo de retardo en el ruido. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

La figura 8 muestra que la solución antirruido de Maxim acentúa la diferencia de ganancia entre S1 y S2. Además de la simulación, las mediciones basadas en el factor de forma real y el sistema de evaluación en tiempo real validan la solución antirruido propuesta.

Hay que tener en cuenta que la reducción del retardo en los sistemas de audio requiere velocidades de muestreo de ADC y DAC relativamente altas. Estos cambios aumentan la carga computacional y reducen la eficiencia energética. En general, hay una degradación en el rendimiento de audio.

Conclusión:

Los PSAP ofrecen ventajas claras y rentables a cualquier persona que desee mejorar sus capacidades auditivas. Para los diseñadores, el reto de mejorar la eficiencia y el rendimiento continúa, lo que requiere tratar más eficazmente el efecto peine. Como se ha demostrado, utilizando el códec MAX98050 de Maxim Integrated, de bajo consumo y siempre activo, los diseñadores pueden mitigar el efecto peine de los PSAP, lo que permite mejorar el rendimiento de audio y de energía y el diseño de sistemas flexibles para los PSAP de próxima generación.