Cum să implementați rapid un proiect TWS de înaltă calitate pentru căști cu tweeter și woofer dedicat

În primele zile ale streamingului audio, ratele de transmisie a datelor wireless erau limitate, iar utilizatorii acceptau o pierdere a fidelității ca preț pentru confortul de a avea mii de melodii digitale în buzunar. Dar, odată cu introducerea tehnologiei wireless care acceptă un debit mai mare și algoritmi de compresie îmbunătățiți, consumatorii au devenit mai exigenți. Acest lucru înseamnă că proiectanții trebuie să ofere acum căști audio stereo true wireless (TWS) pentru a satisface așteptările consumatorilor. Căștile TWS promiteau să reproducă sunetul cu mai multă acuratețe pe tot spectrul audio, în special la frecvențele înalte, care se pierdeau de obicei la modelele mai vechi.

Dar calitatea sunetului este doar un aspect al reproducerii moderne a sunetului fără fir. Pe o piață competitivă, dezvoltatorii de căști trebuie să analizeze îndeaproape ceea ce își doresc consumatorii și să folosească aceste informații pentru a asigura diferențierea produsului final într-un mod cât mai eficient și mai rentabil posibil. De exemplu, consumatorii doresc o anulare activă a zgomotului (ANC) eficientă și reducerea efectelor de ocluzie, astfel încât să aibă o experiență de ascultare mai bună. Pentru ascultătorii mai în vârstă, compensarea automată (personalizarea auzului) pentru pierderea naturală a auzului la frecvențele mai înalte este, de asemenea, din ce în ce mai solicitată.

Satisfacerea acestor cerințe necesită o abordare revizuită, cu proiecte care separă wooferele pentru bas și tweeterele pentru înalte. Acest lucru depășește competențele multor echipe de dezvoltare, ceea ce duce la prelungirea timpului de lansare pe piață și la oportunități potențial pierdute pe măsură ce se angajează specialiști sau se dezvoltă expertiza.

Acest articol rezumă evoluțiile care conduc la dezvoltarea sistemului audio wireless comercial și impactul acestora asupra designului hardware și software al căștilor. Articolul prezintă apoi un proiect de referință pentru căștile TWS și arată cum îl pot folosi proiectanții pentru a lansa rapid pe piață soluții de căști care să permită caracteristici diferențiate, reproducând cu precizie basul puternic și frecvențele înalte extinse captate acum de software-ul modern cu compresie audio.

Progrese în domeniul sunetului digital

În lumea reală, sunetul este un semnal analogic, dar echipamentele noastre de înregistrare și redare utilizează în mare parte semnale digitale. Sunetul este digitalizat cu ajutorul unui convertor analogic-digital (ADC) alimentat de un algoritm de codare/decodare („codec”) care determină rata de eșantionare în Hertz (Hz) și adâncime de biți (biți). Eșantionarea captează amplitudinea formei de undă analogice a sunetului la intervale specifice.

Rata de eșantionare este un compromis. Ratele mai mici rezultă într-o cantitate mai mică de date de gestionat, dar și o rezoluție scăzută. Adâncimea de biți reprezintă numărul de biți de informații din fiecare eșantion; din nou, este necesar un compromis între numărul de biți și calitatea audio. Adâncimea obișnuită a biților este de 16, 24 și 32 de biți (Figura 1).

Figura 1: sunetul analogic este digitizat prin eșantionare la o anumită frecvență și rată de biți. Creșterea frecvenței de eșantionare și a adâncimii de biți asigură o mai mare fidelitate a informației digitizate față de semnalul analogic și îmbunătățește calitatea reproducerii. (Sursa imaginii: Knowles)

Rata de eșantionare × adâncimea de biți × numărul de canale determină rata de biți în biți pe secundă (bps). Pentru o calitate acceptabilă a muzicii, rata de biți este, de obicei, mai mare de 192 kilobiți pe secundă (kbps). Calitatea CD-urilor, de exemplu, se bazează pe o frecvență de eșantionare de 44,1 kilohertzi (kHz) și o adâncime de 16 biți. Prin urmare, pentru reproducerea stereo, rata de biți este de 1,411 megabiți pe secundă (Mbps).

Codecurile convenționale folosesc de obicei tehnici de compresie care elimină informații în timpul codificării, despre care s-a determinat că nu vor afecta prea mult modul în care ascultătorul percepe fluxul audio decodificat. Scopul este de a reduce rata de biți cât mai mult posibil fără a compromite în mod nejustificat calitatea audio. Astfel de codecuri se numesc „lossy” (cu pierderi) deoarece decodorul nu poate reproduce niciodată semnalul original, deoarece nu dispune de toate informațiile originale. De obicei, codecurile cu pierderi elimină frecvențele înalte.

Datorită progreselor înregistrate în domeniul radio cu consum redus de energie și rază scurtă de acțiune, legăturile fără fir pot accepta un debit mai mare fără a compromite durata de viață a bateriei. De exemplu, Bluetooth LE Audio, o formă recent lansată de streaming wireless bazată pe Bluetooth LE, oferă în prezent atât o calitate audio mult mai bună decât Bluetooth Audio clasic, cât și un consum mai mic de energie.

Inginerii au îmbunătățit și eficiența codecurilor lor. Aceste codecuri „lossless” (fără pierderi) mai noi, combinate cu o conectivitate fără fir cu debit mai mare, au permis o calitate audio wireless mult mai mare (Tabelul 1). Serviciile audio ale unor companii precum Apple, Amazon și Spotify oferă acum streaming audio de înaltă calitate fără pierderi. Cu toate acestea, proiectantul trebuie să țină cont de faptul că rata de biți codificată pentru codecurile fără pierderi este adesea mai mare decât poate suporta în mod fiabil legătura wireless. De exemplu, codecul LDAC de la Sony codifică la o rată de biți de 6,1 Mbps (32 x 96 x 2), dar rata de biți a legăturii wireless este limitată la 990 kbps.

Tabelul 1: compararea codecurilor fără pierderi (Sony, Savitech și Qualcomm) cu codecurile de calitate CD și cu pierderi (Qualcomm și Bluetooth SIG (SBC)). Rețineți că rata maximă de biți pentru codecurile fără pierderi este limitată de capacitatea legăturii wireless Bluetooth. (Sursa imaginii: Knowles)

ANC și sunet personalizat

Așteptările consumatorilor pentru căștile TWS se extind dincolo de sunetul superior. Produsele high-end trebuie să ofere ANC și alte caracteristici. ANC este popular pentru că oferă utilizatorilor o experiență de ascultare de calitate atunci când există un nivel ridicat de zgomot de fond, cum ar fi în cabina unui avion. ANC funcționează cu ajutorul microfoanelor încorporate în căști, care captează zgomotele de joasă frecvență și le anulează înainte ca utilizatorul să își dea seama de existența lor. Anularea are loc atunci când căștile generează un sunet secundar care este inversat cu 180˚ față de zgomotul original.

O altă îmbunătățire cheie oferită acum de căștile wireless este sunetul personalizat. Utilizatorii cu dizabilități auditive din naștere sau care se dezvoltă odată cu vârsta pot avea dificultăți deosebite în a auzi frecvențele mai înalte (Figura 2). Există aplicații pentru smartphone și alte instrumente care permit utilizatorului să amplifice anumite frecvențe pentru a compensa pierderea auzului, dar acestea tind să fie rudimentare și să ofere rezultate slabe. Dar acum, produsele de înaltă calitate merg mai departe cu algoritmi care stabilesc nivelurile de auz pe întreaga gamă de frecvențe, supunând utilizatorul la un test de ascultare detaliat. Ceea ce rezultă sunt niște căști cu ieșiri perfect ajustate pentru a compensa deficiențele de auz.

Figura 2: pe măsură ce îmbătrânesc, utilizatorii își pierd treptat capacitatea de a auzi frecvențele mai înalte. Sunetul personalizat amplifică frecvențele selectate pentru a compensa pierderea sensibilității auditive. (Sursa imaginii: Knowles)

O ultimă evoluție tehnică a căștilor moderne este reducerea ocluziei. Efectele de ocluzie apar atunci când o cască sigilează porțiunea exterioară a canalului auditiv. Aceasta este o problemă frecventă în cazul produselor care sunt concepute pentru a se potrivi relativ strâns în ureche. Căștile cresc efectiv „impedanța” acustică a canalului auditiv, ceea ce, la rândul său, crește amplitudinea presiunii acustice, în special atunci când urechea este supusă unor sunete de frecvență joasă generate de utilizator (exemplele includ vorbitul, mersul și înghițitul). Rezultatul este un „bum” asemănător unui ecou în ureche, care este enervant și distrage atenția.

Producătorii de căști au încercat să reducă efectele de ocluzie prin proiectare mecanică, cum ar fi adăugarea unei mici deschideri între căști și canalul auditiv pentru a reduce impedanța acustică, precum și prin proiectare software, cum ar fi includerea reducerii ocluziei în rutinele ANC.

Avantajele wooferelor și tweeterelor separate

Până de curând, proiectarea căștilor fără fir era mai puțin dificilă decât proiectarea unor difuzoare de dimensiuni mari conectate la sisteme de înaltă calitate pentru pasionați. Utilizatorii au acceptat o calitate mai slabă a căștilor ca preț pentru comoditate, iar acest lucru a facilitat dezvoltarea de produse de dimensiuni reduse la un cost rezonabil pentru proiectanți. De exemplu, se obișnuia să se utilizeze un driver cu interval complet în locul unui woofer și al unui tweeter separat, astfel, economisind spațiu. Reproducerea frecvențelor mai înalte poate că a fost sacrificată, dar acest lucru nu a fost o problemă atunci când aceste frecvențe lipseau din fluxul audio wireless.

Cu toate acestea, odată cu apariția codecurilor fără pierderi și a tehnologiilor cu debit ridicat, cum ar fi Bluetooth LE Audio, sistemul audio wireless oferă acum o gamă completă de frecvențe joase și înalte (Figura 3). Reproducerea acestui sunet cere mult mai mult de la căști. În plus, consumatorii se așteaptă la ANC, sunet personalizat, efecte de ocluzie reduse și potrivire pentru o gamă largă de cazuri de utilizare, inclusiv muzică, televiziune, conferințe video și apeluri vocale – toate acestea într-un factor de formă foarte compact și, din nou, la un cost rezonabil.

Figura 3: codecurile fără pierderi oferă mai multe informații pentru frecvențele înalte, permițând o mai bună reproducere a tonurilor înalte în timpul redării muzicii în căști proiectate corespunzător. (Sursa imaginii: Knowles)

Multe dintre aceste cerințe implică anumite compromisuri de proiectare. De exemplu, pentru a oferi un ANC eficient în medii zgomotoase, cum ar fi o cabină de avion, driverele difuzoarelor trebuie să producă o ieșire de bas ridicată, cu distorsiuni reduse. Proiectele semi-deschise care abordează ocluzia impun cerințe suplimentare asupra ieșirii basului. În același timp, redarea audio fără pierderi necesită ca driverul difuzorului să poată gestiona ieșiri de înalte de până la 20 de kilohertzi (kHz) și peste. Satisfacerea ambelor cerințe cu un singur driver dinamic de difuzor într-un factor de formă mic este practic imposibilă.

Soluția este împărțirea frecvențelor joase și înalte între un woofer dinamic și un tweeter cu armătură echilibrată (BA) separat. Tweeterul BA este o componentă specializată care a fost inițial dezvoltată pentru aplicații pentru aparate auditive și care este acum din ce în ce mai mult utilizată pentru a spori răspunsul la înalte în căști de calitate superioară. Într-un tweeter BA, un semnal electronic vibrează o mică lamelă care este echilibrată între doi magneți în interiorul unei carcase compacte. Mișcarea lamelei este transferată către o diafragmă din aluminiu foarte rigidă, care produce sunetul.

Cu o configurație cu woofer și tweeter BA dedicate, wooferul poate fi proiectat pentru a se concentra pe furnizarea de bas puternic pentru a susține reproducerea fără pierderi, ANC și reducerea efectelor de ocluzie, în timp ce ieșirea tweeterului BA este optimizată pentru înalte clare și distincte. Acest lucru reduce nevoia de egalizare, ceea ce, la rândul său, economisește energie și crește spațiul dinamic (Figura 4).

Figura 4: separarea sistemului de difuzoare într-un woofer dinamic (verde) și un tweeter BA (albastru) produce un răspuns „hibrid” de frecvență plată (roșu). (Sursa imaginii: Knowles)

Un alt avantaj derivă din separarea driverelor difuzoarelor: proiectantul are un grad mai mare de libertate în ceea ce privește aranjarea driverelor. De exemplu, wooferul poate fi mai puțin direct aliniat cu vârful urechii, permițând astfel poziționarea tweeterului BA în apropierea deschiderii urechii pentru a minimiza volumul de aer prins între tweeter și vârful urechii, limitând efectele de ocluzie (Figura 5).

Figura 5: separarea wooferului și a tweeterului în căști permite poziționarea tweeterului spre partea din față a dispozitivului, ceea ce ajută la limitarea efectelor de ocluzie. (Sursa imaginii: Knowles)

În plus, separarea wooferelor și tweeterelor permite proiectanților să rafineze răspunsul în frecvență. De exemplu, ei pot modela caracteristicile acustice din apropierea deschiderii tweeterului pentru a rafina răspunsul la frecvențe înalte. Apoi, proiectanții pot regla crossover-ul pentru o îmbinare lină a semnalelor wooferului și tweeterului. De asemenea, pot ajusta sensibilitatea tweeterului pentru a obține o potrivire mai bună cu wooferul prin selectarea unei impedanțe mai mari sau mai mici a bobinei. Modelarea finală a răspunsului general de frecvență al căștilor poate fi realizată cu ajutorul reglajului cu procesare digitală a semnalelor (DSP).

În plus, deoarece multe circuite integrate Bluetooth au ieșiri duble, wooferul și tweeterul pot fi acționate cu amplificatoare individuale pentru o flexibilitate și mai mare în modelarea răspunsului în frecvență.

Proiectare de referință audio wireless de înaltă calitate

Inginerii obișnuiți cu un driver cu un singur difuzor în proiectele lor wireless vor fi puși la încercare de complexitatea suplimentară generată de wooferul și tweeterul separate necesare pentru a reproduce un sunet de înaltă calitate. Cu toate acestea, tendința este în mod clar către capabilități audio de calitate superioară, astfel încât trebuie luată în considerare o cale către un proiect cu două drivere pentru reproducerea de calitate a fluxului audio fără pierderi.

Pentru a-i ajuta pe proiectanți să se îndrepte spre această direcție, Knowles, un producător de tweetere BA, a introdus proiectul de referință pentru căști stereo True Wireless TC-35030-000. Proiectul de referință scurtează timpul de lansare pe piață pentru căștile TWS prin includerea multor caracteristici avansate cheie solicitate de utilizatori, eliminând astfel multe dintre provocările comune legate de proiectare.

Proiectul de referință include un tweeter BA proiectat de Knowles pentru un sunet de înaltă frecvență, împreună cu un woofer dinamic de 10 milimetri (mm) pentru un bas solid. În plus, unitatea include microfoane cu sisteme microelectromecanice (MEMS) pentru ANC și apeluri vocale. Proiectul de referință oferă 13 ore (h) de redare sau 8 ore de convorbire cu bateria încorporată și este compatibil cu Bluetooth 5.2. Printre caracteristicile suplimentare încorporate în kit se numără comenzile tactile și tehnologia integrată de asistent vocal (Figura 6).

Figura 6: proiectul de referință al căștilor TWS TC-35030-000 dispune de un tweeter BA pentru un sunet bun de înaltă frecvență și un woofer dinamic de 10 mm pentru un bas solid. (Sursa imaginii: Knowles)

Tweeterul BA oferă un răspuns care trece cu mult de 20 kHz. Atunci când se compară ieșirea frecvențelor înalte a produsului Knowles cu un difuzor dinamic tipic de 8 mm, tweeterul BA oferă o ieșire și o extensie crescută a acelor înalte necesare pentru un sunet de înaltă calitate, inclusiv capacitatea de a susține personalizarea sau îmbunătățirea auzului (Figura 7).

Figura 7: se prezintă răspunsul la frecvențe înalte al tweeterului BA de la Knowles în comparație cu cel al unui difuzor dinamic. (Sursa imaginii: Knowles)

Concluzie

Progresele în materie de semiconductori și codecuri wireless au schimbat peisajul pentru căști. Consumatorii se așteaptă acum la bas profund, înalte rafinate și la o gamă dinamică largă de la dispozitivele TWS intraauriculare. În plus, utilizatorii se așteaptă la funcții avansate, cum ar fi ANC și sunet personalizat, și acceptă mai puțin efectele precum ocluzia.

Pentru a satisface mai bine cerințele de răspuns în frecvență ale căștilor TWS, proiectanții trebuie să treacă la modele cu două difuzoare, cu un tweeter și un woofer dedicate. Deși acest lucru reprezintă o provocare din punct de vedere tehnic, proiectul de referință al căștilor TWS TC-35030-000 de la Knowles poate fi de ajutor. Prin combinarea unui tweeter BA, a unui woofer și a microfoanelor MEMS, acesta oferă o bază bună pentru proiectarea căștilor audio de înaltă calitate cu caracteristici care permit o diferențiere clară a produsului.