개인용 소리 증폭 제품(PSAP)의 성능 및 효율성을 향상시키는 방법

개인용 소리 증폭 제품(PSAP)은 스포츠 및 청력 손실에 대해 최소 청각 증폭의 필요성을 해결하는 저렴한 방법을 제공합니다. 이러한 스마트 조절 가능한 히어러블은 점점 더 대중화되고 있지만 설계자는 비용과 전력 소비를 최소화하면서 성능을 개선해야 한다는 문제에 지속적으로 직면하고 있습니다.

이러한 과제는 청각 기기의 전자 장치로 인한 지연을 고려하면서 문제가 있는 주변 누출 및 청력도의 골전도 신호를 줄여야 하는 필요성에서 비롯됩니다. 이러한 전자 장치에는 마이크, 스피커, DSP, 코덱이 포함됩니다. 전자 장치의 이득 및 대기 신호를 주변 및 골전도 오디오와 결합하면 콤 효과(이해할 필요가 있음)가 생성됩니다. 그래야만 비용 효율적이고 전력 효율적인 설계를 구현하기 위해 효과적으로 완화시킬 수 있습니다.

이 기사에서는 PSAP의 구성, 작동, 일반적인 설계 요구 사항 및 콤 효과와 같은 주요 기술 개념에 대해 설명합니다. 그런 다음 PSAP에서 콤 효과를 처리하는 데 사용할 수 있는 Analog Devices/Maxim Integrated의 저전력 고성능 오디오 코덱을 소개하고 사용 방법을 보여줍니다.

PSAP의 작동 및 설계 요구 사항

나이가 들어감에 따라 종종 라디오, 텔레비전 또는 대화를 듣는 것이 더 어려워집니다. 배경 잡음이 식당 또는 사교 모임 토론을 접하는 데 방해가 될 수도 있습니다. 현재까지 청력 문제에 대한 해결책은 의료 기기로 분류 및 규제되는 값비싼 보청기 옵션에 의존해 왔습니다. 개별 사용자의 청력 상실 정도에 관계없이 이러한 장치는 비규제 PSAP 히어러블보다 훨씬 더 비쌉니다.

레크리에이션 또는 낮은 수준의 청력 향상을 위해 고안된 PSAP는 사용자가 중주파수에서 고주파수까지 늘리거나 줄여 명확하게 들을 수 있도록 지정할 수 있는 낮은 수준의 증폭을 제공합니다. 증폭기에는 일반적으로 피드백 및 배경 잡음을 줄이기 위해 증폭 재설정 및 잡음 제거 회로망이 포함되어 있습니다(그림 1).

그림 1: PSAP(예: C350+)는 사용자 지정이 가능한 낮은 수준의 증폭을 제공합니다. (이미지 출처: Health Products for You(HPFY))

각 장치의 주파수 범위는 주 응용 분야에 따라 달라집니다(예: 음성 vs 음악). 음성의 경우 작동 주파수 범위는 20Hz ~ 8kHz이고 음악은 최대 20kHz의 가청 범위를 제공합니다. 대부분의 PSAP 장치에는 주파수 범위에 걸쳐 맞춤형 증폭을 위한 배터리 전력과 PC 소프트웨어가 있습니다. 이러한 장치는 또한 사용자 주변의 소리, 전화기에서의 소리 및 오디오 스트리밍에 대해 우수한 음질과 음성 명료도를 제공하도록 설계되었습니다.

일반적인 오디오 PSAP 시스템에는 오디오 코덱 및 DSP 코어가 포함되어 있습니다. 이 PSAP 오디오 시스템의 단순 보기에는 ADC(아날로그-디지털 컨버터)에 대한 마이크 입력이 있는 오디오 코덱이 포함되어 있습니다. 오디오 코덱은 Bluetooth SoC(시스템 온 칩)/DSP 코어로의 디지털 전송을 준비하기 위해 ADC의 디지털 출력을 데시메이션합니다(그림 2).

그림 2: PSAP의 일반적인 오디오 시스템은 마이크, ADC, 데시메이터, Bluetooth/DSP 코어, 보간기, DAC(디지털-아날로그 컨버터), 증폭기 및 스피커로 구성됩니다. (이미지 출처: Maxim Integrated(Bonnie Baker에 의해 수정됨))

Bluetooth SoC/DSP 코어는 DSP 블록 준비 시 신호를 데시메이션합니다. DSP 블록은 신호를 처리하고 보간한 후 디지털 신호를 다시 오디오 코덱으로 보냅니다. 오디오 코덱은 디지털 신호를 다시 아날로그로 변환하여 스피커 출력을 구동합니다.

활성화된 PSAP는 사용자의 고막에 도달하는 두 가지 유형의 소리를 제공합니다. S1은 사용자의 잔류 음성 주변 누출(S1A)과 골전도(S1B)의 합입니다. S1의 경우, 히어러블 장치는 소리가 외이도 내부에 도달하여 외이도 외부로 빠져나가는 것을 차단하기 위해 귀의 구멍을 가립니다(그림 3).

그림 3: PSAP를 통해 세 가지 음원(주변 누출(S1A), 골전도(S1B), 처리된 주변 소리(S2A))이 고막에 도달합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated(Bonnie Baker에 의해 수정됨))

PSAP의 마이크는 주변 소리를 캡처하고(S2), DSP는 이를 처리하며, 출력 신호(S2A)는 오디오 변환기를 통해 외이도로 전송됩니다. 중요한 것은 오디오 처리 체인 설계로 인해 지연이 발생한다는 것입니다. 이 세 가지 소리는 사용자의 고막을 요약 판단하여 PSAP 경험을 생성합니다.

PSAP 콤 효과

PSAP 경험을 위해 오디오 시스템은 고막에 닿기 전에 모든 소리를 더해야 합니다. S1A와 S1B가 사용자의 고막에 도달하는 시간은 동일하지만 표시된 바와 같이 S2 신호는 오디오 시스템을 통과하므로 약간의 지연이 발생합니다. 지연과 이득이 적절하게 조정되지 않으면 소스가 함께 추가될 때 에코 효과가 발생합니다(그림 4).

그림 4: 세 가지 소리(S1A, S1B, S2)의 합을 위한 신호 모델. (이미지 출처: Bonnie Baker)

그림 4의 변수는 지연 및 이득(G)입니다. S1 신호는 바로 고막으로 이동합니다. 주변 S1 신호를 전자 S2 경로에 추가하면 S2의 이득 기능이 지연을 생성합니다. S1과 S2를 추가하면 에코가 생성될 가능성이 있지만 지연 시간과 이득 크기를 조작하여 이를 최소화할 수 있습니다.

그림 5는 0.4밀리초(ms) 및 3ms에 해당하는 지연과 0데시벨(dB), 15dB 및 30dB에 해당하는 G에 대한 결과 신호 응답을 보여줍니다.

그림 5: 신호 모델을 기반으로 하는 두 소리의 합산 주파수 응답은 지연이 0.4ms에서 3ms로 변경되고 이득이 0dB, 15dB 및 30dB로 변경됩니다. (이미지 출처: Maxim Integrated(Bonnie Baker에 의해 수정됨)

그림 5의 정규화된 주파수 응답은 고막에 대한 지연 및 이득 효과를 나타냅니다. 0dB에 해당하는 G에 대해 여러 개의 노치 형태로 왜곡 또는 콤 효과가 나타납니다. 콤 효과는 잔향이나 에코를 통해 음질을 저하시킬 수 있습니다. 그림 5A에서 3ms 지연은 훨씬 더 낮은 주파수에서 추가적인 노치를 생성합니다.

그림 5B의 증가된 이득으로 인해 콤 효과가 크게 감소합니다. 0dB에서 15dB로의 이득 변화는 ~ 3dB 리플(15dB 이득 기준)을 형성합니다. 그림 5C에서는 두 지연 모두에 대해(30dB 이득 기준) 응답이 거의 평탄함을 볼 수 있습니다.

콤 효과를 완화시키는 방법

설명된 바와 같이, 이득의 증가와 지연의 감소는 잔향 또는 에코를 줄이기 위해 일반적인 PSAP 시스템에서 콤 효과를 감소시킵니다. 고급 PSAP 장치는 지연/이득 부품을 잡음 방지 기능을 수행하는 데 사용되는 추가적인 저지연 디지털 필터로 대체합니다(그림 6).

그림 6: 고급 PSAP 시스템에서는 4개의 소리(S1A, S1B, S2A, S2B)가 고막에 도달합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated(Bonnie Baker에 의해 수정됨)

그림 6에서 MAX98050 저전력 고성능 오디오 코덱은 잡음 방지(S2B)를 생성하며 이는 원래 수동 주변 소리와 상호 작용하여 새 소리를 형성합니다. MAX98050은 S2B가 저주파에서 잡음을 줄일 수 있도록 하는 저전력, 저지연 디지털 필터에 의존하는 잡음 제거 및 음성/주변 향상 기능을 갖추고 있습니다.

그림 7은 MAX98050 PSAP 솔루션을 기반으로 하는 간소화된 제품 구성도를 보여줍니다.

그림 7: MAX98050 코덱은 PSAP 신호 인터페이스를 생성하여 이득을 변경하고 잡음과 지연을 줄입니다. (이미지 출처: Bonnie Baker)

그림 7 제품 구성도에 기반한 시뮬레이션은 MAX98050 시스템의 콤 효과와 이득 및 지연 시간이 잡음에 미치는 영향을 보여줍니다(그림 8).

그림 8: 그림 7의 구성도 시뮬레이션은 MAX98050의 콤 효과와 이득 및 지연 시간이 잡음에 미치는 영향을 보여줍니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

그림 8은 Maxim의 잡음 방지 솔루션이 S1과 S2 간의 이득 차이를 강조함을 보여줍니다. 시뮬레이션 외에도, 실제 폼 팩터 및 실시간 평가 시스템을 기반으로 하는 측정을 통해 제안된 잡음 방지 솔루션을 검증합니다.

오디오 시스템의 지연을 줄이려면 상대적으로 높은 ADC 및 DAC 샘플링 속도가 필요합니다. 이러한 변화로 인해 계산 부하가 증가하고 전력 효율성이 감소합니다. 결과적으로, 오디오 성능이 저하됩니다.

결론

PSAP는 청력을 향상시키려는 모든 사람에게 명확하고 비용 효율적인 이점을 제공합니다. 설계자에게 효율성과 성능을 개선하기 위한 도전은 계속되며, 이를 위해서는 콤 효과를 보다 효과적으로 처리해야 합니다. 설명한 바와 같이, 설계자는 Maxim Integrated의 저전력 상시 활성 MAX98050 코덱을 사용하여 PSAP 콤 효과를 완화시킬 수 있으며 이를 통해 오디오 및 전력 성능을 개선하고 차세대 PSAP를 위한 유연한 시스템 설계를 달성할 수 있습니다.