Bygge en ekte trådløs fitness-smart-hodetelefon – del 2: Lydbehandling

Merknad fra redaktøren: Selv om de har stort potensial, har fitness-smart-hodetelefoner betydelige konstruksjonsutfordringer på tre nøkkelområder: biomåling, lydbehandling og trådløs lading. Denne serien bestående av tre artikler utforsker hver av disse utfordringene én etter én, og viser utviklerne hvordan de kan dra nytte av enheter med ultralav effekt, slik at de kan skape fitness-smart-hodetelefoner mer effektivt. Del 1 handlet om biomåling av hjertefrekvens og SpO₂. Del 2 tar for seg lydbehandling. Del 3 vil drøfte løsninger for trådløs lading og strømstyring for design med fitness-smart-hodetelefon.

Som drøftet i del 1 har trådløse i øret smart-hodetelefoner, også kalt ekte trådløse smart-hodetelefoner, dukket opp som populære enheter for lydavspilling, spesielt under treningsaktiviteter når ledninger kan forstyrre bevegelsene eller utstyret. Ved å legge til helsemålinger i disse designene kan utviklere skape «fitness-smart-hodetelefoner» som gir lydavspilling sammen med helsedata.

Tilleggfunksjoner med biomåling er en spennende utvikling, men designere må også huske på kjernefunksjonen for smart-hodetelefoner som er lydavspilling av høy kvalitet. Problemet nå er hvordan opprettholde lydavspilling av høy kvalitet, samtidig som nye funksjoner legges til i en så liten formfaktor, med tilstrekkelig batterilevetid.

Denne artikkelen drøfter rollen til lydkodeker og -prosessorer og beskriver i hovedtrekk kjerneelementene til en lydsystemarkitektur for smart-hodetelefoner. Artikkelen introduserer deretter en sofistikert lydkodek fra Maxim Integrated og viser hvordan utviklere kan bruke den til å oppfylle brukernes forventninger om lyd av høy kvalitet i en kompakt formfaktor – med utvidet batterilevetid.

Lydkodeker og -prosessorer

Lydkodeker og spesialiserte lydprosessorer har vært til god nytte for lyddesign med høy ytelse i mange år. Hver utforming kombinerer en komplett signalkjede for prøvetaking, konvertering og forsterkning av et lydsignal. Selv om kodeker (avledet fra koder og dekoder) vanligvis har begrensede muligheter til koding og dekoding av lydsignaler ved bruk av fastkoblet fastvare, bygger lydprosessorer vanligvis denne funksjonen rundt en programmerbar digital signalprosessor (DSP). I økende grad viskes linjene mellom disse produktklassene ut med fremveksten av omprogrammerbare kodeker og lydprosessorer med fastkoblede funksjoner. I begge tilfeller kan utviklere finne kraftige lydsignalbehandlingsenheter som er i stand til å oppfylle kravene til den mest kresne audioentusiasten.

Den utbredte populariteten til små øreplugger har videreutviklet disse behandlingsenhetene for lydsignaler mot å tilby et komplett lyd-delsystem på en brikke. Kombinert med trådløs kommunikasjon og trådløs ladeteknologi kan disse enhetene utgjøre grunnlaget for ekte trådløse ørepropper som er i stand til å gi brukerne utrolig rik lyd uten maset med kabler.

Utviklingen til smart-hodetelefonen

Ekte trådløse ørepropper imøtekommer betraktelig utfordringene som utviklerne står overfor, i motsetning til mer konvensjonelle, kablede øreplugger. Disse produktene må tilfredsstille lytterens behov for lydytelse, samtidig som de oppfyller mobilbrukerens forventninger til bekvemmelighet og brukervennlighet. Utformingen må kunne gi eksepsjonell lydkvalitet og generelle funksjoner som et resultat av dette, samtidig som formfaktoren er så liten som mulig og batterilevetiden maksimal. Heldigvis kan utviklere finne et stort utvalg av lydkodeker og lydprosessorer som kan oppfylle alle disse kravene.

Såkalte smarte ørepropper, eller smart-hodetelefoner, representerer en naturlig utvikling innen ekte trådløse smarte ørepropper. I tillegg andre avanserte funksjoner tilfører smart-hodetelefon sensorer for biomåling, bevegelsesdeteksjon og andre funksjoner som er utformet for å forbedre brukerens velvære og bevissthet til omgivelsene.

Selv om utformingen av fitness-smart-hodetelefon er komplisert, kan den bygge på en maskinvareplattform med lett tilgjengelige system-på-chip-enheter (system-on-chip – SoC) som er utviklet spesifikt for disse bruksområdene med lavt strømforbruk. Som drøftet i del 1 av denne serien tilbyr Maxim Integrated MAXM86161-biosensoren alle de biomålingsfunksjonene som trengs i disse produktene. På lik linje gir Maxim Integrated MAX98090-lydkodeket et komplett lyd-delsystem som kan støtte de varierte lydfunksjonene som integreres i nye fitness-smart-hodetelefon. Utviklere kan bruke disse enhetene sammen med Bluetooth-kontroller (BT) for radiofrekvens (RF) og strømstyrte, integrerte kretser (PMICs) for å implementere maskinvaregrunnlaget som ligger i bunnen av de sofistikerte utformingene til fitness-smart-hodetelefonene (figur 1).

Figur 1: Fitness-smart-hodetelefoner utvider funksjonene til ekte trådløse ørepropper med biodeteksjon, men møter på de samme kravene for lydavspilling av høy kvalitet og utvidet batterilevetid. (Bildekilde: DigiKey, basert på kildemateriale fra Maxim Integrated)

Omfattende lyd-delsystem

MAX98090-lydkodeken er utviklet spesielt for mobilbruk og kombinerer ytelse med svært lavt strømforbruk og svært konfigurerbare funksjoner for lydsignalbehandling. Ulike kombinasjoner av analoge og digitale innganger kan brukes til å mate Maxim Integrateds digitale FlexSound-signalprosessor (DSP) i kjernen av enheten. Enheten kan i sin tur levere FlexSound-transformert lyd til separate effektsignalveier som er optimalisert for ulike typer høyttalere (figur 2).

Figur 2: Maxim Integrated MAX98090-lydkodek er utviklet spesifikt for kroppsbårne øreenheter og integrerer et omfattende utvalg av inngangs-, utgangs- og behandlingsfunksjoner for å levere et komplett lyd-delsystem som kan oppfylle begrensingene til smart-hodetelefoners effekt og størrelse. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Det digitake audiogrensesnittet (DAI) til delsystemet MAX98090 støtter prøvetakingsfrekvenser fra 8 kilohertz (kHz) talelyd til 96 kHz høyoppløsningslyd i en rekke standard pulskodemodulasjon-formater (PCM). I en vanlig utforming vil digital lydinngang gå direkte fra kilden til DAI-delsystemet. For analoge kilder gir MAX98090 en flerkanals analog front-end som består av inngang-multipleksere, miksere, forforsterkere og programmerbare forsterkingsforsterkere (PGA-er). Analoge og digitale innganger kobler alle til separate kanalmiksere på venstre og høyre side, og hver av dem føres inn i dedikerte analog-til-digital-omformere (ADFS). ADC-ens utgang for venstre og høyre kanaler går inn i DAI-delsystemet, som til slutt leverer den digitale lyden til FlexSound DSP-kjernen.

DSP-kjernen har den essensielle signalbehandlingsfunksjonen som trengs i lydavspillingsprodukter, men som vanligvis ikke støttes i tradisjonelle lydkodeker. Brukere forventer at ørepluggene kan gi tilstrekkelig volum for å takle miljøer med mye støy, for eksempel et treningsstudio, samtidig som det gir et rent lydsignal på alle volumnivåer. MAX98090 FlexSound DSP-kjernen oppfyller disse kravene med et avspillingsdelsystem som består av flere stadier, inkludert en separat sjubånds parametrisk utjevner, automatisk nivåkontroll (ALC) og flere filtre for venstre og høyre kanaler (figur 3).

Figur 3: I kjernen av Maxim Integrated MAX98090-lydkodek gir selskapets FlexSound DSP-kjerne dedikerte flertrinns baner for behandling av separate venstre og høyre lydkanaler. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Disse funksjonene gir svært fleksibel lydbehandlingskapasitet i stand til å oppfylle de varierte kravene til hvert bruksområde. I tillegg til sjubåndsmodus kan utjevneren for eksempel også aktiveres for tre- eller firebånds drift, som kan være nødvendig i produkter med enklere brukergrensesnitt. På lik linje integrerer ALC en programmerbar, dynamisk områdekontroll (DRC) for å kunne forhindre både klipping av lydsignalet på den høye enden av skalaen og forsterkningen av bakgrunnsstøyen på den lave enden av skalaen. Enhetens digitale filtersett for rensking av lyddata omfatter et filter for endelig impulsrespons (FIR) for musikk og HD-lyd, i tillegg til et filter for uendelig impulsrespons (IIR) for stemmebruk på 8 kHz eller 16 kHz. I tillegg kan en DC-blokkerende høypassfilterfase inkluderes i FIR-musikk- og IIR-stemmefiltre for å dempe lavfrekvent lyd.

Ved utgangen av DSP-kjernen ligger en dedikert digital-til-analog-omformer (DAC) for venstre og høyre kanaler som sender det resulterende analoge signalet til MAX98090 utgangsmikser. Som med inngangsdelsystemet støtter MAX98090 et bredt utvalg av lydutgangskonfigurasjoner og høyttalertyper med sitt integrerte klasse D-høyttalers utgangsdrivere, klasse H-hodetelefonens utgangsdrivere og konfigurerbare klasse AB-drivere. For hver utgangstype kan utviklere bare angi tilknyttede registre for å konfigurere MAX98090 til å drive stereo- eller monoutgang fra venstre eller høyre kanaler til utgangsdriveren som passer for den individuelle utformingen.

Forbedret laveffekt-hodetelefoner

For fitness-smart-hodetelefoner vil utviklere vanligvis konfigurere MAX98090 til å bruke sin klasse H-hodetelefonutgang til å drive mikrohøyttalere, eller fremvoksende mikroskopiske mekaniske systemer (MEMS), for eksempel Usounds UT-P 2017, utviklet spesielt for bruk i øret. I fitness-smart-hodetelefoner vil digitallyd strømme gjennom Bluetooth-tilkoblingen direkte til MAX98090s digitale lydinngangsdelsystem. Som følge av dette kan utviklere spare effekt ved å konfigurere MAX98090 til å omgå hodetelefondelsystemets innebygde mikser, siden analog- og linjeinngangsalternativer ikke er nødvendig i en basiskonfigurasjon (figur 4).

Figur 4: For avspillingsenheter som øreplugger kan Maxim Integrated MAX98090-lydkodek operere i en laveffekt-konfigurasjon som strømmer digital lyd direkte til enhetens integrerte utgangsdelsystem for hodetelefoner. (Bildekilde: Maxim Integrated)

I denne konfigurasjonen bruker MAX98090 kun omtrent 6 milliwatt (mW). For å redusere effektforbruket ytterligere, kan MAX98090-hodetelefonens utgangsdelsystem konfigureres til å fungere i en spesiell laveffektsmodus som reduserer effektforbruket til omtrent 3,85 mW.

Utviklere kan også selektivt deaktivere individuelle inngangs- og utdatablokker i MAX98090 for å imøtekomme den vanligvis begrensede effektkapasiteten til øreplugger. Under inaktive perioder kan enheten stilles programmatisk til avslåingsmodus, som kun bruker noen få mikroampere. I denne modusen forblir enhetens i²C serielt grensesnitt aktivt, slik at utviklere kan laste inn nye konfigurasjoner før enheten startes på nytt ved å plassere en bit i avslutningsregisteret. På dette tidspunktet går enheten tilbake til helt aktiv modus på bare 10 millisekunder (ms), som gir en nesten umiddelbar oppstartsopplevelse for brukeren.

For utformingen av fitness-smart-hodetelefonene koblet utviklerne MAX98090 gjennom I²C serielt grensesnitt til en ultralav effekts Bluetooth-aktivert mikrostyring, for eksempel ON Semiconductors RSL10 (se «Rapidly Deploy a Battery-Powered Bluetooth 5 Certified Multi-Sensor IoT Device»). Det omfattende settet med inngangs-, behandlings- og utgangsblokker integrert i MAX98090 betyr at bare noen få tilleggskomponenter er nødvendig for å fullføre denne systemintegreringen (figur 5).

Figur 5: Utviklere kan implementere utformingen til Maxim Integrated MAX98090-lydkode-brukergrensesnitt med bare noen få tilleggskomponenter. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Med minimal innsats kan den grunnleggende avspillingsutformingen som er beskrevet ovenfor, forbedres til å støtte flere funksjoner, for eksempel bruk av lydinngang for Bluetooth-tilkoblet taleassistentgrensesnitt eller mobiltelefonsamtaler. En slik utforming kan bruke elektroniske mikrofoner med lavt effektforbruk for å registrere en brukerstemme, for eksempel Knowles' mikrofoner med 50 mikroampere (μA) i FG-serien, eller MEMS analoge mikrofoner som TDK InvenSense 25 μA ICS-40310 eller Vesper Technologies 5 μA VM1010.

Med noen få ekstra registerinnstillinger kan utviklere konfigurere MAX98090 til å ta inn lyd fra disse analoge mikrofonene eller fra digitale mikrofoner etter behov. Separate inngangsstadier for analog og digital mikrofon gir de nødvendige inngående stadiene for analog signalforsterkning eller digital kontroll (figur 6).

Figur 6: Maxim Integrated MAX98090-lydkodek gir en komplett analog front-end (A) og digitalt grensesnitt (B) for tilkobling av henholdsvis analoge og digitale mikrofoner. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Etter inngangsfasen kommer den digitaliserte datastrømmen inn i FlexSound DSP-kjernens separate delsystemet fro registrering som kommer før DSP-avspillingsdelsystemet beskrevet tidligere. I likhet med avspillingsfunksjonen gir registreringsfunksjonen flere sekvensielle stadier av behandlingen. I dette tilfellet består behandlingen av et sett med digitale filtre, inkludert et IIR-talefilter, FIR-musikkfilter og DC-blokkeringsfilter (figur 7).

Figur 7: Sammen med sin støtte til analog og digital inngang inkluderer Maxim Integrated MAX98090-lydkodek en flertrinns registreringsbane i selskapets FlexSound DSP-kjerne. (Bildekilde: Maxim Integrated)

DSP-avspillingssystemet kombinerer deretter denne registrerte sidetonen med den primære digitale musikkstrømmen for videre behandling og levering til MAX98090-utgangsdelsystemet.

Konklusjon

Ekte trådløse fitness-smart-hodetelefoner må være i stand til å tilby den omfattende funksjonaliteten som er nødvendig for å oppfylle brukernes forventninger til de nyeste funksjonene. Samtidig må hodetelefonene kunne operere innenfor snevre effekt- og størrelsesbegrensninger. Med hensyn til lydavspilling kombinerer Maxim Integrated MAX98090-lydkodek analoge og digitale inngangs- og utgangsdelsystemer med en sofistikert digital lydsignalprosessor for å kunne gi den omfattende lydfunksjonaliteten som trengs i fitness-smart-hodetelefoner. Som vist, kan utviklere, ved å bruke MAX98090 sammen med lignende optimerte SoC-enheter, bygge et fleksibelt maskinvaregrunnlag for sofistikerte fitness-smart-hodetelefoner.