ADI:s plattform tillhandahåller komponenter och verktyg för utveckling av AR-glasögon med ljud med öppet öra

Genom att integrera spatialt ljud med glasögon för förhöjd verklighet (AR) kan man skapa omslutande och interaktiva sensoriska upplevelser som bättre överbryggar den fysiska och digitala klyftan. Men konstruktörer måste se till att AR-glasögonen är lätta och har lång drifttid för praktisk användning.

Marknaden för smarta AR-glasögon verkar stå på randen till en betydande tillväxt, med en förväntad ökning av antalet levererade enheter från drygt 676 000 år 2023 till 13 miljoner år 2030, vilket motsvarar en genomsnittlig årlig tillväxttakt på 53 %. Förbättringar av skärmkvalitet, batteritid och övergripande prestanda kommer att göra AR-glasögon mer praktiska för företag, industrier och konsumenter.

AR-glasögon med inbyggda mikrofoner och högtalare ger snabb tillgång till röstassistenter och uppspelning av musik. De kan vara en avgörande faktor för att dra nytta av digitala tvillingar på fabriksgolvet eller för att förse cyklister med navigations- och prestationsmeddelanden.

Spatiellt ljud med hög kvalitet kan ha en betydande inverkan på användarens AR-upplevelse genom att förstärka strukturen, sammanhanget och betydelsen av visuella interaktioner. Men att få högeffektiv ljud från AR-glasögon är en särskild utmaning på grund av det lilla format som krävs för att användarna ska acceptera och vara nöjda med lösningen. Enheterna måste dessutom vara lätta och ha lång batteritid, vilket kan vara särskilt utmanande om man vill integrera funktioner som högkvalitativt ljud, videoinspelning eller bildskärmar i tillämpningen.

Tillsammans med framsteg inom bearbetningskraft och skärmupplösning kommer ljud- och strömhantering att spela en avgörande roll för att skapa framgångsrika tillämpningar som maximerar efterfrågan på dessa enheter. Bland utmaningarna som behöver övervinnas finns:

• Mindre högtalare tenderar att ha höga resonansfrekvenser som kan skada högtalarna om de drivs för hårt, och gör det svårare att driva djup bas.
• Samtalskvalitet samtalskvalitet som fångar upp bärarens röst utan störningar, samtidigt som omgivningsljudet blockeras är viktigt, men komplicerat på grund av avståndet mellan mikrofonerna och användarens mun.
• För att integrera fler funktioner krävs bättre lösningar för batterihantering som säkerställer snabbare laddning och längre drifttid. Kompromissen mellan vikt, funktion och drifttid är avgörande för en bred marknadsanpassning.
• Många användningsfall kräver att användaren inte hindras i sin förmåga att höra vad som händer i omgivningen, t.ex. mötande fordon eller interaktioner med kollegor.

Ljud med öppet öra

Konstruktörer som strävar efter att kombinera visuell och auditiv information på ett naturligt och realistiskt sätt bör överväga ljudteknik med öppet öra. Genom att eliminera behovet av hörlurar eller öronsnäckor ger ljud med öppet öra användaren möjlighet att höra både AR-ljud och verkliga ljud, vilket möjliggör en sömlös och uppslukande upplevelse utan att kompromissa med interaktionen med andra användare och miljön.

Med inbyggda mikrofoner och högtalare med öppet öra är AR-glasögonen mycket lämpliga i tillämpningar för såväl AR som VR och blandad verklighet. Användaren kan njuta av en bekvämare lyssningsupplevelse utan att kompromissa med ljudkvalitet eller återgivning. Enheterna gör det möjligt för användare att höra vad som händer i omgivningen så att de kan vara medvetna om situationen för att garantera säkerhet och samarbete med kollegor eller interaktion med andra, samtidigt som de minimerar risken för - eller irritationen över - att andra personer hör ljudinnehållet.

Ingenjörer kan utnyttja ljud med öppet öra för att skapa elektroniska tillämpningar som kombinerar visuell och auditiv information på ett naturligt sätt. AR-glasögon med denna teknik ger ytterligare ett lager av realism genom att tillhandahålla ett spatialt ljud som förser användaren med ljud som verkar komma från en viss riktning och ett visst avstånd.

Spatialt ljud kommer att vara en viktig komponent i utvecklingen av ljud med öppet öra. Det skapar en realistisk och omslutande ljudmiljö som motsvarar det visuella innehållet och användarens perspektiv. VR-enheten Vision Pro från Apple, har exempelvis ljud med öppet öra, spatial ljudintegration och 3D-mappning för örat för att förbättra den omslutande upplevelsen och eliminera behovet av externa hörlurar.

Genom att simulera hur ljudvågor interagerar med en användares öron, huvud och kropp - och med ytor och föremål i den fysiska miljön - kan spatialt ljud även använda metadata som position, orientering, avstånd, hastighet och riktning för att justera ljudparametrarna dynamiskt. Dessa inkluderar volym, tonhöjd, klangfärg och efterklang, baserat på användarens rörelse och interaktion.

För att kunna utforma ljudtillämpningar för AR-glasögon med öppet öra måste man förstå för- och nackdelarna med enheten, principerna och bästa praxis för spatial ljuddesign samt utvecklingsverktyg och ramverk. Videovisning och videoinspelning är strömkrävande, så effektivitet är avgörande. Högkvalitativt ljud och attraktiv design kommer att spela en stor roll för kundernas acceptans, och det måste vara bekvämt att ladda enheterna så sällan som tekniken tillåter.

ADI:s plattform för tillämpningar med AR-glasögon och ljud med öppet öra

Analog Devices, Inc. (ADI) har en plattform för AR-glasögon som inkluderar integrerad ljudinspelning, uppspelning, komponenter för batterihantering och algoritmer. Komponenterna och utvecklingsverktygen förser konstruktörer med ett snabbt sätt att bygga och testa tillämpningar med AR-glasögon och ljud med öppet öra.

ADI:s codecs för ljudprocessorer använder företagets bearbetningsalgoritmer Pure Voice för att förbättra kvaliteten på röstsamtal i utmanande akustiska miljöer och algoritmer för Dynamic Speaker Management (DSM™) för att skapa ett högre och fylligare ljud i tillämpningar med högtalare i ett begränsat utrymme.

• ADAU1860 (figur 1) har en kärna med en HiFi 3z ljud-DSP och en FastDSP-kärna med låg latens, samt åtta digitala ingångskanaler för mikrofoner (DMIC), tre analoga ingångar, en analog utgång och två PDM-utgångskanaler (pulse density modulation). Att optimera vägen mellan den analoga ingången och DSP-kärnan för låg latens är perfekt för brusreducering.

Bild 1: ADI:s ADAU1860-codec har bland annat två DSP:er, åtta digitala mikrofoningångar och tre analoga ingångar. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

• ADAU1797 är en alternativ codec med låg strömförbrukning och högre prestanda som även integrerar en kärna med en HiFi 3z ljud-DSP och en FastDSP-kärna med låg latens, tillsammans med tre analoga ingångskanaler, tio digitala ingångskanaler för mikrofoner, två PDM-utgångskanaler och en högeffektiv utgångskanal med en klass D-förstärkare. I läget med låg strömförbrukning är DSP-kärnorna optimerade för tillämpningar med litet format, som t.ex. AR-glasögon med ljud för öppet öra. I läget för hög prestanda ökar HiFi 3z-kärnan från 50 till 200 MHz och FastDSP stödjer dubbelt så många instruktioner (från 64 till 128). Denna ökade processorkapacitet kan antingen användas för att avlasta värdprocessorn eller möjliggöra användning av en värdprocessor med lägre kostnad utan att kräva en extra extern DSP eller MCU för ljud.
• ADI har utvärderingskort för var och en av dessa codecs. EVAL-ADAU1797Z (bild 2) är en konstruktion med åtta lager, där jord- och strömplan finns i de inre lagren och kan drivas med en enda matning på 3,8-5 V. EVAL-ADAU1860EBZ (bild 2) är en konstruktion med fyra lager, där jord- och strömplan finns i de inre lagren och kan drivas med en USB-buss eller en enda matning på 5 V.

Figur 2: Utvärderingskortet EVAL-ADAU1797Z ger full tillgång till alla analoga och digitala in- och utgångar på ADAU1797. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Smarta ljudförstärkare från ADI har integrerad ström- och spänningsavkänning (IV) samt algoritmer för högtalarhantering för att maximera prestanda i format där utrymmet är litet.

• MAX98388 är en digital ingångsförstärkare i klass D, mono, avsedd för tillämpningar med AR/VR- och smarta glasögon. Den har ström- och spänningsavkänning för smarta förstärkarfunktioner och kan avlasta DSM-bearbetningen till ljudcodecen. Den är optimerad för tillämpningar på upp till 5,5 V (en cell) och har en verkningsgrad på upp till 90 %.
• Den nyligen introducerade MAX98390 är en förstärkt klass D-förstärkare med integrerad DSM som kan öka ljudstyrkan (SPL) och basåtergivningen för att förbättra ljudkvaliteten från mikrohögtalare samtidigt som effektiviteten maximeras. En integrerad boost-omvandlare och FET-skalning, tillsammans med DSM, ger längre batteridrift. Boost-omvandlarens maximala utspänning är programmerbar från 6,5 V till 10 V i steg om 0,125 V från en batterispänning ända ned till 2,65 V. MAX98390CEVSYS# (figur 3) innehåller det grafiska användargränssnittet DSM Sound Studio från ADI för att förenkla design och DSM-implementering i tillämpningar som använder MAX98390CEWX+T.

Figur 3: Utvärderingssystemet MAX98390CEVSYS# innehåller programmet DSM Sound Studio med ett kraftfullt grafiskt användargränssnitt för att extrahera, ställa in och utvärdera förstärkaren MAX98390C. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Strömförbrukning är en kritisk designfaktor för AR-glasögon. Hörlurar med öppet öra kräver mer ström än vanliga hörlurar och ADI har flera effektiva kretsar för strömhantering som konstruktörer kan använda i sina tillämpningar:

• ADI:s integrerade strömförsörjningskretsar (PMIC) i serien MAX77654 ger högintegrerade lösningar för batteriladdning och strömförsörjning. Den har en SIMO-regulator (enkel induktor, flera utgångar) och ger tre oberoende programmerbara matningar från en enda induktor för att minimera lösningens storlek. En Smart Power Selector™ Li+/Li-Poly-laddare ger programmerbar laddningsström från 7,5 till 300 mA och programmerbar laddningsspänning från 3,6 till 4,6 V, med övervakning av batteritemperatur för säker laddning. Den innehåller två LDO-regulatorer på 100 mA (linjära regulatorer med lågt spänningsfall) som dämpar rippel för ljudtillämpningar och andra störningskänsliga tillämpningar.
• PMIC-kretsen MAX77659 har en buck-boost regulator med en SIMO med två ingångar som tillhandahåller en matning för laddning och tre oberoende programmerbara matningar från en enda induktor och en LDO för att avvisa rippel.
• MAX77972 från ADI är en tre-i-ett-kombinationskrets med USB-C-detektering, en laddare på 3 A och en laddningsmätare. Den har stöd för USB On-The-Go (OTG) omvänd förstärkning och inkluderar en Smart Power Selector™ (SPS). Laddningsmätaren använder algoritmen ModelGauge™ m5 som automatiskt kompenserar för åldrade celler, temperatur och urladdningshastighet och ger exakt laddningsstatus (SOC) i en stor mängd driftsförhållanden. Stift för detektering av Configuration Channel (CC) för USB Type-C möjliggör automatisk detektering av USB Type-C-strömkällor och konfiguration av ingångens strömbegränsning.
• MAX17301 är en fristående krets för laddningsmätning på batteripaketsidan. Den ger skydd, detektering av batteriets interna självurladdning (tillval) och SHA-256-autentisering (tillval) för litiumjon-/polymerbatterier med en cell. Ett I²C-gränssnitt med 1-tråd eller 2-tråd från Maxim ger tillgång till data- och kontrollregister.
• MAX17332 från ADI är en lösning vör batterihantering med en enda krets som innehåller en linjär laddare, en laddningsmätare, batteriskydd och detektering av självurladdning. Den kan balansera en blandad batterikapacitet och tillhandahålla snabb laddning, med möjlighet att ladda parallella batterier oberoende av varandra samt förhindra korsladdning.

Sammanfattning

Ljud har varit en stor begränsning när det gäller att utnyttja potentialen i AR-tillämpningar, som vanligtvis har fokuserat på bild. Ljud med öppet öra ger möjlighet att uppfylla den potentialen med lättare, moderiktiga och bekväma AR-glasögon som kan stödja många olika användningsområden. ADI har satt samman en plattform av komponenter, verktyg och programvara för att skapa kompletta lösningar.