Szybkie wdrożenie projektu wysokiej jakości słuchawek TWS (True Wireless Stereo) z oddzielnymi przetwornikami wysoko- i niskotonowymi

W pierwszym okresie istnienia strumieniowego przesyłania dźwięku szybkość bezprzewodowego przesyłu danych była ograniczona, a użytkownicy akceptowali utratę wierności odtwarzanego dźwięku jako cenę za wygodę posiadania tysięcy cyfrowych utworów w kieszeni. Jednak wraz z wprowadzeniem technologii bezprzewodowej obsługującej większą przepustowość i ulepszonych algorytmów kompresji, wzrosły wymagania konsumentów. Oznacza to, że aby spełnić oczekiwania konsumentów, projektanci muszą teraz stworzyć słuchawki douszne TWS (True Wireless Stereo). Słuchawki douszne TWS obiecywały dokładniejsze odtwarzanie dźwięku w całym widmie akustycznym, zwłaszcza przy wyższych częstotliwościach, które we wcześniejszych projektach zwykle były tracone.

Jednak jakość to tylko jeden z aspektów nowoczesnego bezprzewodowego odtwarzania dźwięku. Na tak konkurencyjnym rynku projektanci zestawów słuchawkowych muszą pilnie śledzić potrzeby konsumentów i wykorzystać tę wiedzę do opracowania wyróżniającego się produktu końcowego w sposób możliwie najskuteczniejszy i opłacalny ekonomicznie. Przykładowo klienci oczekują również skutecznej aktywnej redukcji szumów (ANC) i łagodzenia efektów okluzji, aby bardziej cieszyć się wrażeniami słuchowymi. W przypadku starszych słuchaczy rośnie również zapotrzebowanie na automatyczną kompensację (personalizację słyszenia) naturalnego ubytku słuchu przy wyższych częstotliwościach.

Aby sprostać tym wymaganiom, konieczna jest zmiana podejścia i zaproponowanie projektów z oddzielnymi przetwornikami niskotonowymi dla basów i wysokotonowymi dla dźwięków wysokich. Wykracza to jednak poza umiejętności wielu zespołów rozwojowych, co skutkuje wydłużeniem czasu wprowadzania tego typu produktów na rynek i utratą potencjalnych okazji w związku z angażowaniem ekspertów lub nabywaniem wiedzy specjalistycznej.

W tym artykule podsumowano projekty rozwojowe wspomagające sektor bezprzewodowego przesyłu dźwięku oraz ich wpływ na projektowanie sprzętu i oprogramowania słuchawek dousznych. Artykuł przedstawia także projekt referencyjny słuchawek dousznych TWS (True Wireless Stereo) i demonstruje, w jaki sposób projektanci mogą go wykorzystać do szybkiego wprowadzenia na rynek rozwiązań słuchawkowych o wyróżniających się funkcjach przy jednoczesnym precyzyjnym odtwarzaniu mocnych basów i rozszerzonego zakresu górnych tonów rejestrowanych przez nowoczesne oprogramowanie do kompresji dźwięku.

Osiągnięcia w dziedzinie dźwięku cyfrowego

W świecie rzeczywistym dźwięk jest sygnałem analogowym, ale nasze sprzęty do nagrywania i odtwarzania w dużej mierze obsługują sygnały cyfrowe. Dźwięk jest przetwarzany na postać cyfrową za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), pracującego w oparciu o algorytm kodowania-dekodowania („kodek”), który reguluje częstotliwość próbkowania w hercach (Hz) i głębię bitową (bity). Próbkowanie polega na przechwytywaniu amplitudy analogowego przebiegu dźwiękowego w określonych odstępach czasu.

Częstotliwość próbkowania stanowi kompromis. Niższe wartości oznaczają mniej danych do przetworzenia, ale jednocześnie niższą rozdzielczość. Głębia bitowa to liczba bitów informacji w każdej próbce. Tu również mamy do czynienia z kompromisem między liczbą bitów a jakością dźwięku. Typowe głębokości bitowe to 16, 24 i 32 bity (ilustracja 1).

Ilustracja 1: dźwięk analogowy jest przetwarzany na postać cyfrową poprzez próbkowanie z określoną częstotliwością i przepływnością. Zwiększenie częstotliwości próbkowania i głębi bitowej zapewnia, że cyfrowe informacje dokładniej odzwierciedlają sygnał analogowy i poprawia jakość odtwarzania. (Źródło ilustracji: Knowles)

Częstotliwość próbkowania × głębia bitowa × liczba kanałów określa przepływność w bitach na sekundę (bps). Zwykle dla uzyskania akceptowalnej jakości muzyki, przepływność powinna być większa niż 192kbps. Na przykład jakość CD opiera się na częstotliwości próbkowania 44,1kHz i 16-bitowej głębi. W przypadku odtwarzania stereo przepływność wynosi 1,411Mbps.

Standardowe kodeki zazwyczaj wykorzystują techniki kompresji, które podczas kodowania odrzucają informacje określone jako niemające znacznego wpływu na odbiór dekodowanego strumienia dźwięku przez słuchacza. Ma to na celu maksymalne obniżenie przepływności bez nadmiernego pogorszenia jakości dźwięku. Takie kodeki są nazywane stratnymi, ponieważ dekoder nigdy nie może odtworzyć oryginalnego sygnału, jako że nie posiada wszystkich pierwotnych informacji. Kodeki stratne eliminują zazwyczaj wyższe częstotliwości (tony wysokie).

Dzięki postępom w zakresie łączności radiowej bliskiego zasięgu o niskiej mocy, łącza bezprzewodowe mogą obsługiwać większą przepustowość bez skracania czasu działania baterii. Na przykład technologia Bluetooth LE Audio, jedna z najnowszych postaci bezprzewodowego przesyłu strumieniowego opartego na Bluetooth LE, oferuje teraz znacznie wyższą jakość dźwięku niż Classic Bluetooth Audio przy niższym poborze mocy.

Inżynierowie zwiększyli również wydajność kodeków. Te nowsze bezstratne kodeki, w połączeniu z lepszą przepustowością łączności bezprzewodowej znacznie zwiększyły możliwości bezprzewodowego przesyłu wyższych dźwięków (Tabela 1). Usługi audio firm takich jak Apple, Amazon i Spotify oferują teraz wysoką jakość bezstratnego przesyłania strumieniowego dźwięku. Projektanci powinni jednak zwrócić uwagę na fakt, że przepływność zakodowana dla kodeków bezstratnych jest często wyższa od tej, którą może sprawnie obsłużyć łącze bezprzewodowe. Na przykład kodek LDAC firmy Sony koduje z przepływnością 6,1Mbps (32 x 96 x 2), ale szybkość transmisji łącza bezprzewodowego jest ograniczona do 990kbps.

Tabela 1: porównanie kodeków bezstratnych (Sony, Savitech i Qualcomm) z kodekami o jakości CD i kodekami stratnymi (Qualcomm i Bluetooth SIG (SBC)). Należy zauważyć, że maksymalna przepływność dla kodeków bezstratnych jest ograniczona możliwościami łącza bezprzewodowego Bluetooth. (Źródło ilustracji: Knowles)

Aktywna kontrola szumów (ANC) i spersonalizowany dźwięk

Oczekiwania konsumentów dotyczące słuchawek dousznych TWS (True Wireless Stereo) wykraczają poza doskonały dźwięk. Produkty wyższej klasy muszą być również wyposażone w aktywną kontrolę szumów (ANC) i inne funkcje. Popularność aktywnej kontroli szumów wynika z możliwości zapewnnienia użytkownikom jakości wrażeń słuchowych przy wysokim poziomie hałasu w tle, na przykład w kabinie samolotu. Aktywna kontrola szumów (ANC) działa w oparciu o wbudowane w słuchawki douszne mikrofony, które wychwytują szumy niskiej częstotliwości i eliminują je, zanim dotrą do użytkownika. Eliminacja tych zakłóceń następuje, gdy zestaw słuchawkowy generuje dodatkowy dźwięk, odwrócony o 180˚ w stosunku do oryginalnego szumu.

Kolejną kluczową funkcją oferowaną obecnie w bezprzewodowych słuchawkach dousznych jest spersonalizowany dźwięk. Użytkownicy z wrodzonymi lub nabytymi z wiekiem ubytkami słuchu mogą mieć szczególne trudności ze słyszeniem wyższych częstotliwości (ilustracja 2). Istnieją aplikacje na smartfony i inne narzędzia, które pozwalają użytkownikom wzmacniać określone częstotliwości w celu zrekompensowania utraty słuchu, ale zwykle są one niedoskonałe i dają słabe wyniki. Współczesne produkty wysokiej jakości idą jednak o krok dalej dzięki algorytmom, które ustalają poziomy słyszenia w całym zakresie częstotliwości, poddając użytkownika szczegółowej próbie odsłuchu. Rezultatem są słuchawki douszne z idealnie wyregulowanym dźwiękiem wyjściowym w sposób kompensujący ubytki słuchu.

Ilustracja 2: z wiekiem użytkownicy stopniowo tracą zdolność słyszenia wyższych częstotliwości. Spersonalizowany dźwięk wzmacnia wybrane częstotliwości, rekompensując utratę czułości słuchu. (Źródło ilustracji: Knowles)

Ostatnim osiągnięciem technicznym nowoczesnych słuchawek dousznych jest redukcja okluzji. Efekty okluzji występują, gdy słuchawka douszna uszczelnia zewnętrzną część przewodu słuchowego. Jest to częsty problem w przypadku produktów zaprojektowanych tak, aby stosunkowo ciasno pasowały wewnątrz ucha. Słuchawka douszna skutecznie zwiększa impedancję akustyczną przewodu słuchowego, co z kolei zwiększa amplitudę ciśnienia akustycznego, szczególnie gdy do ucha docierają dźwięki o niskiej częstotliwości generowane przez użytkownika (na przykład mówienie, chodzenie i przełykanie). Rezultatem jest irytujący i rozpraszający, przypominający echo, głuchy dźwięk w uchu.

Producenci słuchawek dousznych pracowali nad zmniejszeniem efektów okluzji poprzez rozwiązania mechaniczne, takie jak dodanie małego otworu między słuchawką douszną a kanałem słuchowym w celu zmniejszenia impedancji akustycznej, a także poprzez rozwiązania na poziomie oprogramowania, takie jak włączenie redukcji okluzji do procedur aktywnej kontroli szumów (ANC).

Zalety oddzielnych przetworników nisko- i wysokotonowych

Do niedawna projektowanie słuchawek bezprzewodowych było mniejszym wyzwaniem w porównaniu z projektowaniem pełnowymiarowych głośników podłączanych do wysokiej klasy audiofilskich systemów dźwiękowych. Użytkownicy zaakceptowali niższą jakość dźwięku w swoich słuchawkach w zamian za wygodę, co ułatwiło projektantom tworzenie produktów o niewielkich rozmiarach przy rozsądnych kosztach. Na przykład powszechne było stosowanie przetwornika pełnozakresowego zamiast osobnych przetworników nisko- i wysokotonowych, co pozwalało na oszczędność miejsca. Działania te były realizowane kosztem wyższych częstotliwości, ale nie stanowiło to dużego problemu, gdyż te częstotliwości nie występowały w bezprzewodowym strumieniu audio.

Jednak w wyniku pojawienia się kodeków bezstratnych i technologii o wysokiej przepustowości, takich jak Bluetooth LE Audio, bezprzewodowy dźwięk oferuje obecnie pełen zakres niskich i wysokich częstotliwości (ilustracja 3). Ich odtwarzanie stawia słuchawkom znacznie wyższe wymagania. Ponadto konsumenci oczekują aktywnej kontroli szumów (ANC), spersonalizowanego dźwięku, zredukowanych efektów okluzji i przydatności do szerokiej gamy zastosowań, w tym słuchania muzyki, oglądania telewizji, obsługi wideokonferencji oraz połączeń głosowych – wszystko w bardzo kompaktowej obudowie i nadal za rozsądną cenę.

Ilustracja 3: kodeki bezstratne dostarczają więcej informacji w zakresie wysokich częstotliwości, umożliwiając lepsze odtwarzanie wysokich tonów podczas słuchania muzyki w odpowiednio zaprojektowanych słuchawkach dousznych. (Źródło ilustracji: Knowles)

Wiele z tych wymagań wymusza kompromisy projektowe. Na przykład, aby zapewnić skuteczne działanie aktywnej kontroli szumów (ANC) w hałaśliwym otoczeniu, takim jak kabina samolotu, przetworniki głośnikowe muszą generować mocne basy o niskich zniekształceniach. Półotwarte konstrukcje, które rozwiązują problem okluzji, stawiają dalsze wymagania w zakresie generowania basów. Jednocześnie bezstratne odtwarzanie dźwięku wymaga od przetwornika głośnikowego obsługi wysokich tonów o częstotliwościach 20kHz i więcej. Spełnienie obu wymagań z wykorzystaniem jednego dynamicznego przetwornika głośnikowego w niewielkiej obudowie jest praktycznie niemożliwe.

Rozwiązaniem jest rozdzielenie częstotliwości niskich i wysokich pomiędzy dynamiczny przetwornik niskotonowy i wysokotonowy z symetryczną kotwicą (BA). Przetwornik wysokotonowy z symetryczną kotwicą to specjalistyczny komponent, opracowany pierwotnie do zastosowań w aparatach słuchowych, a obecnie coraz częściej wykorzystywany do wzmacniania górnych zakresów w wysokiej jakości słuchawkach dousznych. W przetworniku wysokotonowym BA sygnał elektroniczny wprowadza w drgania niewielką kotwicę, zamontowaną symetrycznie (w pozycji zrównoważonej) między dwoma magnesami w kompaktowej obudowie. Ruch kotwicy jest przenoszony na bardzo sztywną aluminiową membranę, która generuje dźwięk.

Dzięki specjalnej konfiguracji przetwornika niskotonowego i wysokotonowego BA, przetwornik niskotonowy można zaprojektować tak, aby koncentrował się na dostarczaniu mocnego basu i wspierał bezstratne odtwarzanie, aktywną kontrolę szumów (ANC) i redukcję efektów okluzji, natomiast sygnał z przetwornika wysokotonowego BA jest zoptymalizowany pod kątem czystych i wyraźnych tonów wysokich. Zmniejsza to potrzebę korekcji, co z kolei oszczędza energię i zwiększa zapas dynamiki (Ilustracja 4).

Ilustracja 4: rozdzielenie systemu pomiędzy dynamiczny przetwornik niskotonowy (kolor zielony) i przetwornik wysokotonowy BA (kolor niebieski) daje hybrydową odpowiedź o płaskiej charakterystyce częstotliwościowej (kolor czerwony). (Źródło ilustracji: Knowles)

Kolejną zaletą wynikającą z rozdzielenia przetworników jest większa swoboda projektanta w rozmieszczeniu przetworników. Na przykład przetwornik niskotonowy nie musi być dokładnie wyrównany z końcówką douszną, co pozwala na umieszczenie przetwornika wysokotonowego BA w pobliżu otworu ucha, aby zminimalizować objętość powietrza uwięzionego między przetwornikiem wysokotonowym a końcówką douszną i ograniczyć w ten sposób efekty okluzji (ilustracja 5).

Ilustracja 5: rozdzielenie przetwornika niskotonowego i wysokotonowego w słuchawkach dousznych umożliwia umieszczenie przetwornika wysokotonowego z przodu urządzenia, co pomaga ograniczyć efekty okluzji. (Źródło ilustracji: Knowles)

Ponadto rozdzielenie przetworników niskotonowych i wysokotonowych pozwala projektantom dopracować odpowiedź częstotliwościową. Mogą na przykład kształtować parametry akustyczne w pobliżu otworu przetwornika wysokotonowego, aby udoskonalić odpowiedź w zakresie wysokich częstotliwości. Następnie projektanci mogą dostosować zwrotnicę w celu płynnego miksowania sygnałów przetwornika niskotonowego i wysokotonowego. Mogą również dostosować czułość przetwornika wysokotonowego, aby uzyskać lepsze dopasowanie do przetwornika niskotonowego, wybierając wyższą lub niższą impedancję cewki. Ostateczny kształt ogólnej odpowiedzi częstotliwościowej słuchawki dousznej można osiągnąć za pomocą dostrojenia z użyciem cyfrowego przetwarzania sygnałów (DSP).

Co więcej, wiele układów scalonych technologii Bluetooth posiada podwójne wyjścia, dzięki czemu przetworniki niskotonowy i wysokotonowy mogą mieć oddzielne wzmacniacze, co zapewnia jeszcze większą elastyczność w kształtowaniu odpowiedzi częstotliwościowej.

Projekt referencyjny bezprzewodowego urządzenia audio wysokiej jakości

Inżynierowie przyzwyczajeni do rozwiązań jednoprzetwornikowych w swoich projektach bezprzewodowych będą musieli zmierzyć się z dodatkową złożonością rozwiązania, wynikającą z zastosowania oddzielnego przetwornika niskotonowego i wysokotonowego do odtwarzania wysokiej jakości dźwięku. Jednak trend wyraźnie zmierza w kierunku wyższej jakości odtwarzania dźwięku, dlatego należy rozważyć ścieżkę projektową prowadzącą do rozwiązań z oddzielnymi przetwornikami, zapewniającymi wysoką jakość odtwarzania przy bezstratnym strumieniowym przesyłaniu dźwięku.

Aby pomóc projektantom, którzy wybrali ten kierunek, firma Knowles, producent przetworników wysokotonowych BA, wprowadziła referencyjny projekt słuchawek dousznych TWS (True Wireless Stereo) TC-35030-000. Projekt referencyjny skraca czas wprowadzenia na rynek słuchawek dousznych TWS poprzez uwzględnienie wielu kluczowych zaawansowanych funkcji wymaganych przez użytkowników, eliminując w ten sposób szereg typowych wyzwań projektowych.

Projekt referencyjny zawiera przetwornik wysokotonowy BA opracowany przez firmę Knowles, zapewniający dobrą jakość dźwięku wysokiej częstotliwości, a także dynamiczny przetwornik niskotonowy o średnicy 10mm zapewniający pełne basy. Jednostka zawiera również mikrofony mikroelektromechaniczne (MEMS) do aktywnej kontroli szumów (ANC) i połączeń głosowych. Projekt referencyjny zapewnia 13 godzin odtwarzania dźwięku lub 8 godzin rozmów na wbudowanej baterii i jest kompatybilny z technologią Bluetooth 5.2. Dodatkowe funkcje wbudowane w zestaw obejmują sterowanie dotykowe i zintegrowaną technologię asystenta głosowego (ilustracja 6).

Ilustracja 6: projekt referencyjny słuchawek dousznych TWS (True Wireless Stereo) TC-35030-000 zawiera przetwornik wysokotonowy BA opracowany przez firmę Knowles, zapewniający dobry dźwięk o wysokiej częstotliwości oraz dynamiczny przetwornik niskotonowy o średnicy 10mm generujący pełne basy. (Źródło ilustracji: Knowles)

Przetwornik wysokotonowy BA zapewnia odpowiedź znacznie przekraczającą 20kHz. Porównując emisję tonów wysokich produktu Knowles z typowym dynamicznym przetwornikiem 8mm, przetwornik wysokotonowy BA zapewnia zwiększoną emisję sopranów i rozszerzenie niezbędne do uzyskania wysokiej jakości dźwięku, w tym możliwość obsługi funkcji personalizacji lub poprawy słyszenia (ilustracja 7).

Ilustracja 7: wykres przedstawiający porównanie odpowiedzi przetwornika wysokotonowego BA firmy Knowles i przetwornika dynamicznego w zakresie wysokich częstotliwości. (Źródło ilustracji: Knowles)

Podsumowanie

Postęp technologiczny w dziedzinie bezprzewodowych urządzeń półprzewodnikowych i kodeków zmienił wygląd rynku słuchawek dousznych. Konsumenci oczekują obecnie od swoich dousznych urządzeń TWS (True Wireless Stereo) głębokich basów, wyrafinowanej góry i szerokiego zakresu dynamiki. Co więcej, użytkownicy oczekują zaawansowanych funkcji, takich jak aktywna kontrola szumów (ANC) oraz personalizacja dźwięku i są mniej skłonni do zaakceptowania takich efektów, jak okluzja.

Aby lepiej spełnić wymagania dotyczące odpowiedzi częstotliwościowej zestawów słuchawkowych TWS (True Wireless Stereo), projektanci muszą przejść na konstrukcje dwuprzetwornikowe, z oddzielnymi przetwornikami wysoko- i niskotonowymi. W realizacji tego technicznie wymagającego zadania pomocny może być projekt referencyjny słuchawek dousznych TWS (True Wireless Stereo) TC-35030-000 firmy Knowles. Dzięki połączeniu przetwornika wysokotonowego BA, przetwornika niskotonowego i mikrofonu mikroelektromechanicznego (MEMS), stanowi on dobrą bazę do projektowania wysokiej jakości słuchawek dousznych z funkcjami umożliwiającymi uzyskanie wyróżniających się produktów.