Jak rychle realizovat vysoce kvalitní design sluchátek TWS pomocí speciálního výškového a basového měniče

V počátcích streamování zvuku byly rychlosti bezdrátového přenosu dat omezené a uživatelé akceptovali ztrátu věrnosti jako cenu za pohodlí mít tisíce digitálních skladeb u sebe. Ale se zavedením bezdrátové technologie, která podporuje větší bezdrátovou propustnost a vylepšené kompresní algoritmy, se spotřebitelé stali náročnějšími. To znamená, že konstruktéři nyní musejí nabídnout reálná bezdrátová stereofonní (TWS) sluchátka, aby splnili očekávání spotřebitelů. Sluchátka TWS sluchátka slibují přesnější reprodukci v celém zvukovém spektru, zejména na vyšších frekvencích, které se u starších designů obvykle ztrácely.

Ale kvalita zvuku je jen jedním aspektem moderní bezdrátové reprodukce. Na konkurenčním trhu musí vývojáři náhlavních souprav pečlivě sledovat, co spotřebitelé chtějí, a využít tento poznatek k tomu, aby se koncový produkt co nejúčinněji a nejhospodárněji odlišil. Spotřebitelé například také chtějí účinné aktivní potlačení hluku (ANC) a zmírnění okluzních efektů, aby si mohli lépe vychutnat zážitek z poslechu. U starších posluchačů je také stále více žádaná automatická kompenzace (personalizace sluchu) přirozené ztráty sluchu na vyšších frekvencích.

Splnění těchto požadavků vyžaduje aktualizovanou koncepci konstrukce, kdy jsou odděleny basové měniče pro basy a výškové měniče pro výšky. Takové řešení přesahuje rámec dovedností mnoha vývojových týmů, což má za následek prodloužení doby uvedení na trh a potenciálně ztracené příležitosti při najímání nebo rozvoji odborných znalostí.

Tento článek shrnuje vývoj, který vedl ke komerčnímu bezdrátovému zvuku, a jeho dopad na design hardwaru a softwaru sluchátek. Článek poté představuje referenční konstrukci sluchátek TWS a ukazuje, jak ji mohou konstruktéři využívat k rychlému uvedení řešení náhlavních souprav na trh, která nabízejí diferencované funkce a zároveň přesně reprodukují silné basy a rozšířené výšky, které nyní zachycuje moderní software na kompresi zvuku.

Pokroky v digitálním zvuku

V reálném světě je zvuk reprezentován analogovým signálem, naše nahrávací a přehrávací zařízení však z velké části pracuje s digitálními signály. Zvuk je digitalizován pomocí analogově-digitálního převodníku (ADC) řízeného algoritmem kódování/dekódování („kodek“), který určuje vzorkovací frekvenci v Hertzech (Hz) s bitovou hloubku (bity). Vzorkování zachycuje amplitudu analogového tvaru vlny v určitých intervalech.

Vzorkovací frekvence je kompromis. Nižší rychlosti mají za následek méně dat ke zpracování, ale nižší rozlišení. Bitová hloubka je počet bitů informace v každém vzorku; opět je nutný kompromis mezi počtem bitů a kvalitou zvuku. Běžné bitové hloubky jsou 16, 24 a 32 bitů (obrázek 1).

Obrázek 1: Analogový zvuk je digitalizován vzorkováním při dané frekvenci a bitové rychlosti. Zvýšení vzorkovací frekvence a bitové hloubky zajišťuje, že digitalizovaná informace přesněji zrcadlí analogový signál a zvyšuje kvalitu reprodukce. (Zdroj obrázku: Knowles)

Vzorkovací rychlost × bitová hloubka × počet kanálů určuje bitovou rychlost v bitech za sekundu (bps). Pro přijatelnou kvalitu hudby je přenosová rychlost obvykle vyšší než 192 kilobitů za sekundu (kbps). Kvalita CD se například používá vzorkovací frekvenci 44,1 kHz (kHz) a bitovou hloubku 16 bitů. Pro stereo reprodukci je tedy datový tok 1,411 megabitů za sekundu (Mbps).

Konvenční kodeky obvykle používají kompresní techniky, které během kódování odstraňují informace, u nichž bylo zjištěno, že příliš neovlivní vnímání dekódovaného zvukového toku posluchačem. Cílem je co nejvíce snížit datový tok, aniž by došlo k nepřiměřenému snížení kvality zvuku. Takové kodeky se nazývají „ztrátové“, protože dekodér nikdy nemůže reprodukovat původní signál, pokud nemá všechny původní informace. Ztrátovými kodeky jsou to typicky eliminovány vyšší frekvence (výšky).

Díky pokrokům v oblasti nízkoenergetického rádia s krátkým dosahem mohou bezdrátové přenosy podporovat větší propustnost, aniž by byla ohrožena životnost baterie. Například Bluetooth LE Audio, nedávno vydaná forma bezdrátového streamování na bázi Bluetooth LE, nyní nabízí mnohem vyšší kvalitu zvuku než Classic Bluetooth Audio a zároveň nižší spotřebu energie.

Inženýři také zvýšili účinnost svých kodeků. Tyto novější „bezeztrátové“ kodeky umožnily v kombinaci s bezdrátovou konektivitou s vyšší propustností dosažení mnohem kvalitnějšího bezdrátového zvuku (tabulka 1). Audio služby od společností jako Apple, Amazon a Spotify nyní nabízejí vysoce kvalitní bezeztrátové streamování zvuku. Konstruktér by si však měl uvědomit, že kódovaný datový tok pro bezztrátové kodeky je často vyšší, než může bezdrátové spojení spolehlivě podporovat. Například kodek LDAC společnosti Sony kóduje datovou rychlostí 6,1 Mbps (32 x 96 x 2), přenosová rychlost bezdrátového spojení je však omezena na 990 kbps.

Tabulka 1: Porovnání „bezeztrátových“ kodeků (Sony, Savitech a Qualcomm) s CD kvalitou a ztrátovými kodeky (Qualcomm a Bluetooth SIG (SBC)). Všimněte si, že maximální přenosová rychlost pro bezztrátové kodeky je omezena schopností bezdrátového spojení Bluetooth. (zdroj obrázku:Knowles )

ANC a personalizovaný zvuk

Očekávání spotřebitelů od sluchátek TWS přesahuje rámec vynikajícího zvuku. Špičkové produkty musí také nabízet technologii ANC a další funkce. Technologie ANC je populární, protože uživatelům nabízí kvalitní poslech, je-li na pozadí vysoká hladina hluku, například v kabině letadla. Technologie ANC používá mikrofony zabudované do sluchátek, které zachycují nízkofrekvenční hluk a ruší jej dříve, než si uživatel uvědomí jeho existenci. Zrušení hluku nastane tehdy, pokud náhlavní souprava generuje sekundární zvuk, který je fázově obrácen o 180˚ vzhledem k původnímu hluku.

Dalším klíčovým vylepšením, které nyní nabízí bezdrátová sluchátka, je personalizovaný zvuk. Uživatelé se sluchovým postižením, se kterým se narodili nebo se u nich projevil s věkem, mohou mít zvláštní potíže s vnímáním vyšších frekvencí (obrázek 2). Existují sice aplikace pro chytré telefony a další nástroje, které uživateli umožňují zvýšit úroveň na konkrétních frekvencích za účelem kompenzace ztráty sluchu, tato řešení však bývají jen průměrná a se špatnými výsledky. Vysoce kvalitní produkty tento princip posouvají dále pomocí algoritmů, které nastavují úrovně sluchu v celém rozsahu frekvencí tím, že podrobují uživatele podrobnému poslechovému testu. Výsledkem jsou sluchátka s výstupy dokonale upravenými tak, aby kompenzovaly sluchové nedostatky.

Obrázek 2: Jak uživatelé stárnou, postupně ztrácejí schopnost slyšet vyšší frekvence. Personalizovaný zvuk zesiluje vybrané frekvence, aby kompenzoval ztrátu citlivosti sluchu. (Zdroj obrázku: Knowles)

Posledním technickým pokrokem v moderních sluchátkách je redukce okluze. K okluzním účinkům dochází, pokud zátka utěsní vnější část zvukovodu. Jde o běžný problém u produktů, které jsou navrženy tak, aby relativně těsně zapadly do ucha. Sluchátko účinně zvyšuje akustickou „impedanci“ zvukovodu, čímž následně stoupá amplituda akustického tlaku, zejména je-li ucho vystaveno nízkofrekvenčnímu zvuku generovanému uživatelem (například mluvení, chůzi a polykání). Výsledkem je „dunění“ v uchu podobné ozvěně, které je nepříjemné a odvádí pozornost.

Výrobci sluchátek pracovali na snížení okluzních efektů mechanickým designem, jako je přidání malého otvoru mezi sluchátko a zvukovod pro snížení akustické impedance, a také pomocí softwarového návrhu, jako je zahrnutí redukce okluze do algoritmů technologie ANC.

Výhody samostatných basových a výškových měničů

Až donedávna byl návrh bezdrátových sluchátek méně náročný v porovnání s návrhem reproduktorů plné velikosti připojených k audiofilským audio systémům třídy high-end. Uživatelé akceptovali nižší kvalitu svých sluchátek jako cenu za pohodlí, což konstruktérům usnadnilo vývoj produktů v malém provedení za rozumnou cenu. Například bylo běžné používat širokopásmový měnič namísto samostatného basového a výškového měniče, což ušetřilo místo. Reprodukce vyšších frekvencí byla potenciálně obětována, ale to nebyl problém, když tyto frekvence v bezdrátovém audio streamu chyběly.

S příchodem bezeztrátových kodeků a technologií s vysokou propustností, jako je Bluetooth LE Audio, však nyní bezdrátové audio nabízí celou škálu basových a vysokých frekvencí (obrázek 3). Reprodukce tohoto zvuku vyžaduje od sluchátek mnohem více. Spotřebitelé navíc očekávají technologii ANC, personalizovaný zvuk, snížené okluzní efekty a vhodnost pro širokou škálu případů použití, včetně hudby, TV, videokonferencí a hlasových hovorů - to vše ve vysoce kompaktním provedení a opět za rozumnou cenu.

Obrázek 3: Bezeztrátové kodeky poskytují více vysokofrekvenčních informací, což umožňuje lepší reprodukci vysokých tónů při přehrávání hudby ve vhodně navržených sluchátkách do uší. (Zdroj obrázku: Knowles)

Mnoho z těchto požadavků vyžaduje kompromisy v designu. Například pro zajištění efektivního potlačení hluku (ANC) v hlučném prostředí, jako je kabina letadla, musí měniče generovat vysokou úroveň basů s nízkým zkreslením. Polootevřené konstrukce, které řeší okluzi, kladou další požadavky na basový výstup. Bezeztrátové přehrávání zvuku zároveň vyžaduje, aby měnič zvládal reprodukci výšek až 20 kHz (kHz) a vyšších. Splnění obou požadavků s jediným dynamickým měničem v malém provedení je prakticky nemožné.

Řešením je rozdělení basových a výškových frekvencí přes dynamický basový měnič a samostatný výškový měnič se symetrickou kotvou (BA). BA výškový měnič je specializovaná součást původně vyvinutá pro aplikace s naslouchátky, která se nyní stále více používá k posílení odezvy výšek ve vysoce kvalitních sluchátkách. V BA výškovém měniči elektronický signál rozkmitává malý jazýček, který je symetricky umístěn mezi dvěma magnety uvnitř kompaktního krytu. Pohyb jazýčku se přenáší na vysoce tuhou hliníkovou membránu, která generuje zvuk.

Díky konfiguraci se specializovaným basovým měničem a BA výškovým měničem může být konstrukce basového měniče zaměřena na generování silných basů pro podporu bezeztrátové reprodukce, technologie ANC a redukce okluzních efektů, zatímco výstup BA výškového měniče je optimalizován na čisté a zřetelné výšky. Takové řešení snižuje potřebu ekvalizace, což následně šetří energii a zvyšuje dynamickou rezervu (obrázek 4).

Obrázek 4: Rozdělení systému měničů na dynamický basový měnič (zelená) a BA výškový měnič (modrá) vytváří plochou „hybridní“ frekvenční charakteristiku (červená). (Zdroj obrázku: Knowles)

Další výhoda vyplývá z oddělení měničů: konstruktér má větší míru volnosti v jejich uspořádání. Například basový měnič nemusí být přímo zarovnán s koncem ucha, což umožňuje umístění BA výškového měniče do blízkosti ušního otvoru, aby se minimalizoval objem vzduchu zachyceného mezi výškovým měničem a koncem ucha a došlo tak k omezení okluzních efektů (obrázek 5).

Obrázek 5: Oddělení basového a výškového měniče ve sluchátkách umožňuje umístění výškového měniče směrem k přední části zařízení, což pomáhá omezit efekty okluze. (Zdroj obrázku: Knowles)

Oddělení basových a výškových měničů navíc konstruktérům umožňuje zpřesnit frekvenční odezvu. Mohou například tvarovat akustické prvky v blízkosti otvoru výškového měniče pro zjemnění vysokofrekvenční odezvy. Konstruktéři pak mohou upravit výhybku pro plynulé prolínání signálů basového a výškového měniče. Konstruktéři mohou také upravit citlivost výškového měniče tak, aby lépe odpovídal basovému měniči výběrem vyšší nebo nižší impedance cívky. Konečné tvarování celkové frekvenční odezvy sluchátek lze provést pomocí ladění s digitálním zpracováním signálu (DSP).

Jelikož má mnoho integrovaných obvodů Bluetooth duální výstupy, může být basový a výškový měnič také řízen samostatnými zesilovači pro ještě větší flexibilitu při tvarování frekvenční odezvy.

Vysoce kvalitní bezdrátový zvukový referenční design

Technici, kteří jsou ve svých bezdrátových návrzích zvyklí na jediný měnič, budou vystaveni další složitosti, kterou přináší samostatný basový a výškový měnič potřebný k reprodukci vysoce kvalitního zvuku. Jelikož však trend jednoznačně směřuje k vyšší kvalitě zvuku, je třeba zvážit cestu k designu se dvěma ovladači pro kvalitní reprodukci bezeztrátového streamování zvuku.

Aby pomohla konstruktérům sledujícím tento trend, společnost Knowles, výrobce BA výškových měničů, představila bezdrátová stereofonní sluchátka TC-35030-000 v reálném referenčním designu. Referenční design zkracuje dobu uvedení sluchátek TWS na trh tím, že zahrnuje mnoho klíčových pokročilých funkcí, které uživatelé požadují, a odstraňuje tak mnoho běžných výzev v oblasti designu.

Referenční design zahrnuje vlastní návrh BA výškového měniče společnosti Knowles pro kvalitní vysokofrekvenční zvuk společně s 10milimetrovým (mm) dynamickým basovým měničem pro pevné basy. Součástí jednotky jsou také mikrofony mikroelektromechanických systémů (MEMS) pro technologii ANC a hlasové hovory. Referenční design nabízí 13 hodin (hod.) poslechu přehrávání nebo 8 hodin hovoru z vestavěné baterie a je kompatibilní s Bluetooth 5.2. Mezi další funkce zabudované do sady patří dotykové ovládání a integrovaná technologie hlasového asistenta (obrázek 6).

Obrázek 6: referenční design sluchátek TC-35030-000 TWS obsahuje BA výškový měnič poskytující kvalitní vysokofrekvenční zvuk a 10mm dynamický basový měnič zajišťující pevné basy. (Zdroj obrázku: Knowles)

BA výškový měnič poskytuje frekvenční rozsah přesahující 20 kHz. Při porovnání výškového výstupu produktu Knowles s typickým 8mm dynamickým měničem poskytuje BA výškový měnič zvýšený výškový výstup a rozšíření nezbytné pro vysoce kvalitní zvuk, včetně schopnosti podporovat personalizaci nebo vylepšení sluchu (obrázek 7).

Obrázek 7: Znázornění vysokofrekvenční odezvy BA výškového měniče od společnosti Knowles v porovnání s dynamickým měničem. (Zdroj obrázku: Knowles)

Závěr

Pokroky v oblasti bezdrátových polovodičů a kodeků změnily sféru sluchátek. Spotřebitelé nyní od svých zařízení TWS do uší očekávají hluboké basy, čisté výšky a široký dynamický rozsah. Uživatelé navíc očekávají pokročilé funkce, jako je technologie ANC a personalizovaný zvuk, a méně tolerují efekty, jako je okluze.

Aby konstruktéři lépe splnili požadavky na frekvenční odezvu náhlavních souprav TWS, musí přejít na design se dvěma měniči s vyhrazeným výškovým a basovým měničem. I když je to technicky náročné, referenční design sluchátek Knowles TC-35030-000 TWS může pomoci. Kombinace BA výškového měniče, basového měniče a MEMS mikrofonů nabízí dobrý základ pro návrh vysoce kvalitních audio sluchátek s funkcemi, které umožňují jasné rozlišení produktů.