Slik raskt implementere en høykvalitets TWS øreplugg-konstruksjon med en dedikert diskant og basshøyttaler

I den tidlige tiden med lydstrømming, var trådløse datahastigheter begrenset, og brukerne aksepterte et tap av kvalitet i lydgjengivelse som prisen for bekvemmeligheten av tusenvis av digitale melodier i lommen. Men med innføringen av trådløs teknologi som støtter større trådløs gjennomstrømning og forbedrede komprimeringsalgoritmer, har forbrukerne blitt mer kresne. Det betyr at designere nå må tilby ekte trådløse stereolydsignaler (TWS) for å oppfylle forbrukernes forventninger. TWS-øreplugger lovet å gjengi lyd mer nøyaktig på tvers av lydspekteret, spesielt ved de høyere frekvensene som vanligvis gikk tapt på eldre design.

Men lydkvalitet er bare ett aspekt av moderne trådløs lydgjengivelse. I et konkurransedyktig marked må hodesettutviklere se nøye på hva forbrukerne ønsker, og bruke denne innsikten for å gi sluttproduktdifferensiering så effektivt og kostnadseffektivt som mulig. Forbrukerne ønsker for eksempel også effektiv aktiv støydemping, også kalt støykansellering (active noise cancellation – ANC) og reduksjon av okklusjonseffekter, slik at de bedre kan nyte lytteopplevelsen. For eldre lyttere etterspørres også i økende grad automatisk kompensasjon (persontilpasning av hørselen) for naturlig hørselstap ved de høyere frekvensene.

Å oppfylle disse kravene krever en revidert tilnærming med konstruksjoner som skiller basshøyttalere for bassen og diskanter for diskanten. Dette er utenfor ferdighetene til mange utviklingsteam, noe som resulterer i tidsplaner der det tar lengre tid å få produkter ut på markedet og potensielt tapte muligheter når de ansetter eller utvikler kompetansen.

Denne artikkelen oppsummerer utviklingen som driver kommersiell trådløs lyd og deres innvirkning på øreplugg-maskinvare og programvaredesign. Artikkelen introduserer deretter en referansedesign for TWS-øreplugger og viser hvordan designere kan bruke den til å få hodetelefon-løsninger raskt ut på markedet som gir mulighet for differensierte funksjoner, samtidig som den gjengir den sterke bassen og utvidede diskanten som nå er fanget opp av moderne lydkomprimeringsprogramvare.

Fremskritt i digital lyd

I den virkelige verden er lyd et analogt signal, men vårt opptaks- og avspillingsutstyr omhandler stort sett digitale signaler. Lyd blir digitalisert ved hjelp av en analog-til-digital-omformer (ADC) drevet av en kode/dekode-algoritme («codec/kodek») som styrer samplingshastigheten i Hertz (Hz) og bitdybde (bits). Sampling fanger opp lydens analoge bølgeformamplitude med bestemte intervaller.

Samplingsfrekvens er en avveining. Lavere frekvenser resulterer i færre data å håndtere, men redusert oppløsning. Bitdybden er antall biter av informasjon i hver prøve. Igjen kreves det et kompromiss mellom antall biter og lydkvaliteten. Vanlige bitdybder er 16, 24 og 32 bits (figur 1).

Figur 1: Analog lyd digitaliseres ved prøvetaking med en gitt frekvens og bithastighet. Å øke samplingshastigheten og bitdybden sikrer at den digitaliserte informasjonen i større grad speiler det analoge signalet og forbedrer kvaliteten på reproduksjonen. (Bildekilde: Knowles)

Samplingsfrekvens × bitdybde × antall kanaler bestemmer bitraten i bit per sekund (bps). For akseptabel musikkvalitet, er bitraten vanligvis større enn 192 kilobit per sekund (kbps). CD-kvalitet er for eksempel avhengig av en samplingshastighet på 44,1 kilohertz (kHz) og en bitdybde på 16 biter. For stereoreproduksjon er derfor bitraten 1411 megabit per sekund (Mbps).

Konvensjonelle kodeker bruker vanligvis komprimeringsteknikker som forkaster informasjon under koding som har blitt bestemt, og som ikke vil påvirke hvordan lytteren oppfatter den dekodede lydstrømmen. Målet er å senke bitraten så mye som mulig uten å gå unødig på akkord med lydkvaliteten. Slike kodeker kalles «lossy» (beheftet med tap) fordi dekoderen aldri kan reprodusere det opprinnelige signalet da den ikke har all den opprinnelige informasjonen. Det er vanligvis de høyere (diskant) frekvensene som elimineres av «lossy» kodeker.

Takket være fremskritt i trådløse koblinger (linker) i kortdistanseradio med lavt energiforbruk kan større gjennomstrømning støtte mer gjennomstrømning, uten å gå på akkord med batterilevetiden. For eksempel tilbyr Bluetooth LE Audio, en nylig lansert form for Bluetooth LE-basert trådløs strømming, nå både mye høyere lydkvalitet enn Classic Bluetooth Audio og lavere strømforbruk.

Ingeniører har også forbedret effektiviteten til kodekene sine. Disse nyere "tapsfrie" kodekene, kombinert med trådløs tilkobling med høyere gjennomstrømning, har aktivert mye høyere trådløs lyd (tabell 1). Lydtjenester fra selskaper som Apple, Amazon og Spotify tilbyr nå strømming med høy kvalitet. Konstruktøren bør imidlertid merke seg at den kodede bitraten for de tapsfrie kodekene ofte er høyere enn den trådløse koblingen kan støtte på en pålitelig måte. For eksempel koder Sonys LDAC-kode med en bitrate på 6,1 Mbps (32 x 96 x 2), men bitraten på den trådløse koblingen er begrenset til 990 kbps.

Tabell 1: Sammenligning av tapsfrie kodeker, også kalt «lossless-kodeker» (Sony, Savitech og Qualcomm) med CD-kvalitet og lossy kodeker (Qualcomm og Bluetooth sig (SBC)). Merk at den maksimale bitraten for de tapsfrie kodekene er begrenset av funksjonaliteten til den trådløse Bluetooth-lenken. (Bildekilde: Knowles)

Aktiv støydemping (ANC) og personlig lyd

Forbrukernes forventninger til TWS-øreplugger strekker seg utover overlegen lyd. High-end-produkter må også tilby aktiv støydemping (ANC) og andre funksjoner. Aktiv støydemping (ANC) er populært fordi det gir brukerne en kvalitetslytteopplevelse når det er et høyt nivå av bakgrunnsstøy, for eksempel i en flykabin. Aktiv støydemping (ANC) opererer ved hjelp av mikrofoner innebygd i ørepluggene som fanger opp lavfrekvent støy og motvirker (kansellerer) den ut før brukeren er klar over at den eksisterer. Demping (kansellering) oppstår når hodesettet genererer en sekundær lyd som er invertert med 180˚, i forhold til den opprinnelige støyen.

En annen viktig forbedring som nå tilbys med trådløse øreplugger, er personlig lyd. Brukere med hørselshemninger som de er født med, eller som utvikler seg med alderen, kan ha spesielle problemer med å høre høyere frekvenser (figur 2). Det finnes smarttelefon-apper og andre verktøy som lar en bruker øke bestemte frekvenser for å kompensere for hørselstap, men de pleier å være rudimentære og gi dårlige resultater. Men nå tar høykvalitetsprodukter dette videre med algoritmer som setter hørselsnivåer over hele spekteret av frekvenser ved å utsette brukeren for en detaljert lyttetest. Resultatet er øreplugger med utganger som er perfekt justert for å kompensere for hørselsmangler.

Figur 2: Etter hvert som brukerne eldes, mister de gradvis evnen til å høre høyere frekvenser. Personlig lyd øker utvalgte frekvenser for å kompensere for tap av hørselsfølsomhet. (Bildekilde: Knowles)

En siste teknisk utvikling i moderne øreplugger er reduksjon av okklusjon. Okklusjonseffekter oppstår når en øreplugg forsegler den ytre delen av øregangen. Dette er et vanlig problem med produkter som er konstruerte for å passe relativt tett inn i øret. Ørepluggen øker effektivt den akustiske «impedansen» i øregangen, noe som igjen øker amplituden av akustisk trykk, spesielt når øret er utsatt for lavfrekvent lyd generert av brukeren (eksempler inkluderer å snakke, gå og svelge). Resultatet er en ekkoliknende «bom» i øret som er irriterende og distraherende.

Produsenter av øreplugger har arbeidet for å redusere okklusjonseffekter ved mekanisk design, for eksempel å legge til en liten åpning mellom øreproppen og øregangen for å redusere akustisk impedans, så vel som gjennom programvaredesign, som å inkludere okklusjonsreduksjon i ANC-rutinene.

Fordelene med separate basshøyttalere og diskanter

Inntil nylig var det mindre utfordrende å designe trådløse hodetelefoner sammenlignet med å designe høyttalere i full størrelse som er koblet til luksuriøse lydsystemer. Brukere aksepterte lavere kvalitet i hodetelefonene som prisen for bekvemmelighet, og det gjorde det enklere for designere å utvikle produkter i en liten formfaktor til en rimelig pris. Det var for eksempel vanlig å bruke en fulltone-driver i stedet for en separat basshøyttaler og diskant, noe som sparer plass. Høyere frekvensgjengivelse ble potensielt ofret, men dette var neppe et problem når disse frekvensene var fraværende i den trådløse lydstrømmen.

Men med fremkomsten av tapsfrie kodeker og teknologi med høy gjennomstrømning som Bluetooth LE Audio, tilbyr trådløs lyd nå et komplett spekter av bass- og diskantfrekvenser (figur 3). Å gjengi denne lyden krever mye mer av ørepluggene. Dessuten forventer forbrukerne aktiv støydemping (ANC), personlig lyd, reduserte okklusjonseffekter og egnethet for et bredt spekter av brukstilfeller, inkludert musikk, TV, videokonferanser og talesamtaler - alt i en svært kompakt formfaktor, og igjen til en rimelig pris.

Figur 3: Tapfrie kodeker gir mer høyfrekvent informasjon, noe som muliggjør bedre gjengivelse av diskanttoner under musikkavspilling i hensiktsmessig utformede øreplugger. (Bildekilde: Knowles)

Mange av disse kravene krever designavveininger. For eksempel, for å levere effektiv aktiv støydemping (ANC) i støyende miljøer som en flykabin, må høyttalerdriverne produsere høy bassutgang med lav forvrengning. Halvåpne design som adresserer okklusjon stiller ytterligere krav til bassutgangen. Samtidig krever tapsfri lydavspilling at høyttalerdriveren håndterer diskantutganger på opptil 20 kilohertz (kHz) og over. Å møte begge kravene med en enkelt dynamisk høyttalerdriver i en liten formfaktor er praktisk talt umulig.

Løsningen er å dele bass- og diskantfrekvensene på tvers av en dynamisk basshøyttaler og en separat BA-diskant (balansert armatur-diskant). BA-diskant er en spesialisert komponent som opprinnelig ble utviklet for utrustninger for høreapparater, som nå i økende grad brukes til å øke diskantresponsen i høykvalitetsørepropper. I en BA-diskant vibrerer et elektronisk signal et lite strå (reed) som er balansert mellom to magneter inne i et kompakt kabinett. Stråets bevegelse overføres til en svært stiv aluminiumsmembran som produserer lyden.

Med en dedikert basshøyttaler og BA-diskantkonfigurasjon, kan basshøyttaleren utformes for å fokusere på å gi sterk bass for å støtte tapsfri reproduksjon, aktiv støydemping (ANC) og reduksjon av okklusjonseffekten, mens BA-diskantutgangen er optimalisert for klar og tydelig diskant. Dette reduserer behovet for utjevning, noe som igjen sparer strøm og øker dynamisk fri-høyde (headroom) (figur 4).

Figur 4: Å skille høyttaleranlegget i en dynamisk basshøyttaler (grønn) og BA-diskant (blå) gir en «hybridrespons» med flat frekvens (rød) (Bildekilde: Knowles)

En annen fordel er å skille høyttalerdriverne: designeren har en større grad av frihet i driverarrangementet. Basshøyttaleren kan f.eks. være mindre direkte justert med øreproppen, og derved tillate at BA-diskanthøyttaleren plasseres nær øreåpningen for å minimere volumet av luft som er fanget mellom diskanthøyttaleren og øreproppen (tetningsgummien), noe som begrenser okklusjonseffektene (figur 5).

Figur 5: Å skille basshøyttaleren og diskanthøyttaleren i ørepluggene gjør det mulig å plassere diskanthøyttaleren mot fronten av enheten, noe som bidrar til å begrense okklusjonseffekter. (Bildekilde: Knowles)

I tillegg gjør separasjonen av basshøyttalere og diskanter det mulig for designere å avgrense frekvensresponsen. For eksempel kan de forme de akustiske funksjonene nær diskanthøyttaleråpningen for å forbedre den høyfrekvente responsen. Da kan designere justere delefilteret for jevn blanding mellom basshøyttaler- og diskanthøyttaler-signalene. Designere kan også justere følsomheten til diskanthøyttaleren for å få en bedre match til basshøyttaleren ved å velge en høyere eller lavere spoleimpedans. Den endelige utformingen av ørepluggens samlede frekvensrespons kan utføres ved hjelp av digital signalbehandling (DSP)-aktivert innstilling.

Dessuten, siden mange Bluetooth IC-er har doble utganger, kan basshøyttaleren og diskanthøyttaleren drives av individuelle forsterkere for enda mer fleksibilitet i utformingen av frekvensresponsen.

Trådløs lydreferansedesign av høy kvalitet

Ingeniører som er vant til en en-høyttaler-driver i deres trådløse design, vil bli utfordret av den ekstra kompleksiteten som oppstår av den separate basshøyttaleren og diskantene som trengs for å reprodusere lyd av høy kvalitet. Likevel er trenden tydelig mot høyere lydkvalitet, så en vei mot en dobbel-driver-konstruksjon for kvalitetsgjengivelse av tapsfri lydstrømming må vurderes.

For å hjelpe designere som beveger seg i denne retningen, har Knowles, en BA-diskantprodusent, introdusert referansedesignen TC-35030-000 True Wireless Stereo-øreplugger. Referansedesignen forkorter tiden for produkt ut på markedet for TWS-øreplugger ved å inkludere mange av de viktigste avanserte funksjonene brukerne etterspør, og fjerner dermed mange av de vanlige designutfordringene.

Referansedesignen inkluderer Knowles sin egen design av en BA-diskant for god høyfrekvent lyd, sammen med en 10-millimeters dynamisk basshøyttaler for solid bass. Enheten inkluderer også MEMS-mikrofoner (microelectromechanical systems) for aktiv støydemping (ANC) og taleanrop. Referansedesignen tilbyr 13 timers avspillingstid eller 8 timers taletid via det innebygde batteriet, i tillegg er den er Bluetooth 5.2-kompatibel. Andre funksjoner som er innebygd i settet inkluderer berøringskontroller og integrert taleassistentteknologi (figur 6).

Figur 6: Referansedesignen Knowles TC-35030-000 TWS-øreplugg har en BA-diskant for god høyfrekvent lyd og en 10 mm dynamisk basshøyttaler for solid bass. (Bildekilde: Knowles)

BA-diskanthøyttaleren gir en respons som strekker seg godt over 20 kHz. Når du sammenligner diskantutgangen til Knowles-produktet med en typisk 8 mm dynamisk høyttaler, gir BA-tweeteren den økte diskantutgangen og forlengelsen som er nødvendig for høykvalitetslyd, inkludert muligheten til å støtte personlig tilpasning eller forbedring av hørselen (figur 7).

Figur 7: Vist er den høyfrekvente responsen til Knowles sin BA-diskant sammenlignet med en dynamisk høyttaler. (Figurkilde: Knowles)

Konklusjon

Fremskritt innen trådløse halvledere og kodeker har endret landskapet for ørepropper. Forbrukerne forventer nå dyp bass, raffinert diskant og et bredt dynamisk spekter fra sine TWS-enheter for innsetting i øret (in-ear). Dessuten forventer brukerne avanserte funksjoner som aktiv støydemping (ANC) og personlig lyd og er mindre aksepterende for effekter som okklusjon.

For å oppfylle kravene til frekvensrespons bedre i TWS-hodetelefoner, må designerne gå over til design med doble elementer, med en dedikert diskant og basshøyttaler. Mens det er teknisk utfordrende å gjøre det, kan Knowles sin ørepluggreferansedesign TC-35030-000 TWS hjelpe. Ved a kombinere en BA-diskant, en basshøyttaler og MEMS-mikrofoner, gir den et godt grunnlag for design av lyd-øreplugger av høy kvalitet med funksjoner som muliggjør klar produktdifferensiering.