Bygg en trådlös, smart in-ear-hörlur – del 2: ljudprocessning

Redaktörens anmärkning: Trådlösa smarta hörlurar för sport och motion har stor potential men innebär vissa designutmaningar inom framför allt tre områden: biometrisk mätning, ljudbehandling och trådlös laddning. I den här artikelserien (om tre artiklar) undersöker vi de olika utmaningarna och visar hur utvecklarna kan dra fördel av enheter med ultralåg effektförbrukning, för att skapa trådlösa motionshörlurar på ett effektivt sätt. Del 1 handlade om biometrimätningar för hjärtfrekvens och SpO₂. Del 2 handlar om ljudbehandling. Del 3 diskuterar lösningar för trådlös laddning och strömhantering för motionshörlurar.

Som diskuterats i del 1 har trådlösa, smarta in-ear-hörlurar, som kan ha många andra benämningar, blivit verkligt populära ljuduppspelningsenheter, i synnerhet under sport- och motionsaktiviteter, då kablarna hos konventionella hörlurar kan vara i vägen. Genom att lägga till mätning av hälsoparametrar kan utvecklarna skapa motionshörlurar som levererar både ljudfunktioner och hälsodata.

Biometriska mätningar är en spännande utveckling, men konstruktörerna får inte glömma hörlurarnas kärnfunktion: ljuduppspelning med hög kvalitet. Problemet för tillfället är hur man kan bibehålla hög kvalitet i ljuduppspelningen när nya funktioner läggs till i ett sådant litet format med tillfredsställande batterilivslängd.

Den här artikeln diskuterar rollen för ljudcodecar och processorer och beskriver huvudelementen i en ljudsystemarkitektur för hörlurar. Därefter presenteras en sofistikerad ljudcodec från Maxim Integrated med en beskrivning av hur konstruktörer kan använda den för att uppfylla användarnas förväntningar på högkvalitetsljud i kompakt format – med utökad batterilivslängd.

Ljudcodecar och ljudprocessorer

Ljudcodecar och specialiserade ljudprocessorer har använts i högpresterande ljudkonstruktioner i åratal. Båda teknikerna kombinerar en komplett signalkedja för sampling, omvandling och konditionering av en ljudsignal. Medan codecar (namnet kommer från coder-decoders) brukade vara begränsade till att koda och avkoda ljudsignaler med fast ansluten inbyggd programvara bygger ljudprocessorerna typiskt sett den här funktionen runt en programmerbar digital signalprocessor (DSP). Nu har dock gränserna mellan dessa produkttyper blivit allt mer otydliga genom att det kommit omprogrammerbara codecar och ljudprocessorer med fast inbyggda funktioner. I båda fallen kan utvecklarna hitta kraftfulla processorenheter för ljudsignaler som kan uppfylla de mest kräsna ljudexperternas krav.

Populariteten hos små in-ear-hörlurar eller öronsnäckor har drivit på utvecklingen av dessa ljudbehandlande enheter ytterligare, mot skapandet av ett komplett ljudsystem på ett chip. I kombination med trådlös kommunikation och trådlös laddningsteknik kan dessa enheter utgöra grunden för helt trådlösa öronsnäckor som ger användarna en otroligt stark ljudupplevelse utan störande kablar.

Hörlursutvecklingen

Till skillnad mot konventionella trådbundna hörlurar innebär helt trådlösa lurar betydande utmaningar för utvecklare. Produkterna måste uppfylla lyssnarnas förväntningar på ljudkvalitet samtidigt som de ska vara smidiga och användarvänliga. Det innebär att konstruktionen ska tillhandahålla utmärkt ljudkvalitet och övergripande funktioner i minimalt format med maximal batterilivslängd. Som tur är kan utvecklarna hitta ett stort urval av ljudcodecar och ljudprocessorer som kan uppfylla de här varierande kraven.

Så kallade smarta öronsnäckor eller hörlurar är ett naturligt steg i utvecklingen av trådlösa hörlurar. Tillsammans med avancerade funktioner innehåller hörlurarna sensorer för biometriska mätningar, rörelseavkänning och andra funktioner för att förbättra användarens välmående och medvetenhet om omgivningarna.

Trots att konstruktionen av motionshörlurar är komplex funktionsmässigt kan konstruktionen byggas på en maskinvaruplattform med allmänt tillgängliga SoC-enheter som är särskilt utformade för dessa strömsnåla tillämpningar. Som diskuterats i del 1 i den här serien tillhandahåller biosensorn Maxim Integrated MAXM86161 alla de funktioner för biometrisk mätning som krävs i dessa produkter. På liknande vis erbjuder Maxim Integrateds ljudcodec MAX98090 ett komplett ljudsubsystem som ger stöd åt de varierande ljudfunktioner som integreras i designen av moderna motionshörlurar. Med dessa enheter, en Bluetooth (BT) RF-styrenhet och PMIC:er (power management integrated circuits) kan utvecklare implementera maskinvarugrunden bakom de sofistikerade funktionerna inom motionshörlurar (figur 1).

Figur 1: Motionshörlurar utökar funktionerna hos trådlösa hörlurar med bioavkänningsfunktioner, men har samma krav på sig för ljudåtergivning med hög kvalitet och lång batterilivslängd. (Bildkälla: DigiKey, baserat på källmaterial från Maxim Integrated)

Omfattande ljudsubsystem

Ljudcodecen MAX98090 är särskilt utformad för mobila tillämpningar och kombinerar ultralåg effekt med behandling av ljudsignaler med stora inställningsmöjligheter. Olika kombinationer av analoga och digitala ingångar kan användas för att mata Maxim Integrateds digitala signalprocessor (DSP) FlexSound i enhetens kärna. Enheten kan i sin tur leverera FlexSound-omvandlat ljud för att separera utgående signalvägar som optimerats för olika typer av ljudhögtalare (figur 2).

Figur 2: Ljudcodecen Maxim Integrated MAX98090 är särskilt utformad för in-ear-hörlurar och har ett omfattande utbud av ingångs-, utgångs- och processningsfunktioner som ger ett komplett ljudsubsystem som uppfyller hörlurarnas krav på begränsad effekt och storlek. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Det digitala ljudgränssnittets (DAI) MAX98090 subsystem har stöd för samplingsfrekvenser från 8 kHz röstbaserat ljud till 96 kHz högupplöst ljud i olika standard-PCM-format (pulse-code modulation). I en typisk konstruktion går den digitala ljudinsignalen direkt från källan till DAI-subsystemet. För analoga källor erbjuder MAX98090 en flerkanalig analog front-end som består av multiplexrar, mixrar, förförstärkare samt PGA:er (programmable-gain amplifiers). Analoga och digitala ingångar ansluts alla till separata vänster- och högerkanalmixrar som var och en matar in i specialiserade analog-till-digitalomvandlare (ADC:er). ADC:ns utsignaler för vänster och höger kanal passerar i sin tur till DAI-subsystemet som slutligen matar det digitala ljudet till FlexSound DSP-kärnan.

DSP-kärnan tillhandahåller den huvudsakliga signalbehandlingsfunktionen som krävs i ljuduppspelningsprodukter, men som normalt inte stöds i traditionella ljudcodecar. Användarna förväntar sig att deras in-ear-hörlurar ska ge tillräcklig volym för att överrösta en bullrig miljö som ett gym samtidigt som de ska ge en ren ljudsignal vid alla volymnivåer. MAX98090 FlexSound DSP-kärnan uppfyller dessa krav med ett uppspelningssubsystem som består av flera steg inklusive en separat parameterbaserad equalizer med sju band, automatisk nivåkontroll (ALC) och flera filter för vänster och höger kanal (figur 3).

Figur 3: I Maxim Integrateds ljudcodec MAX98090 innehåller företagets FlexSound DSP-kärna som erbjuder dedikerade flerstegsvägar för att behandla separata vänster- och högerljudkanaler. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Dessa funktioner ger en mycket flexibel ljudbehandlingsfunktion som uppfyller de varierande kraven i varje tillämpning. Till exempel kan equalizern utöver sitt sjubandsläge även ställas in på tre- eller fembandsdrift som kan behövas för produkter med enklare användargränssnitt. På liknande sätt innehåller ALC en programmerbar DRC-funktion (dynamic range control) som kan förhindra båda avklippning av ljudsignalen i det höga området och förstärkning av bakgrundsbrus i det låga området. För rengöring av digital ljuddata innehåller enhetens digitala filtersats ett FIR-filter (finite impulse response) för musik och högupplöst ljud samt ett IIR-filter (infinite impulse response) för rösttillämpningar på 8 kHz eller 16 kHz. Dessutom kan ett DC-blockerande högpassfiltersteg ingå i FIR-musik- och IIR-röstfiltren för att dämpa lågfrekvent ljud.

Vid utgången från DSP-kärnan finns en dedikerad digital-till-analogomvandlare (DAC) för den vänstra och högra kanalen som förmedlar den resulterande analoga signalen till MAX98090:s utgångsmixrar. Som för ingångssubsystemet, ger MAX98090 stöd för en stor uppsättning ljudutmatningskonfigurationer och högtalartyper med sina integrerade utgångsdrivsteg för högtalare av klass D, utgångsdrivsteg för hörlurar av klass H och konfigurerbara drivsteg av klass AB. För varje utgångstyp behöver utvecklarna bara ange förknippade register för att konfigurera MAX98090 att driva stereo- eller monoutmatning från vänster eller höger kanal till det utgångsdrivsteg som passar för den specifika konstruktionen.

Förbättrade hörlurar med låg effekt

För motionshörlurar skulle utvecklarna typiskt sett konfigurera MAX98090 att använda sin klass H-hörlursutgång för att driva mikrohögtalare eller kommande MEMS-högtalare (microelectromechanical systems) som Usounds UT-P 2017 som utvecklats specifikt för in-ear-tillämpningar. I motionshörlurar strömmar digitalt ljud genom Bluetooth-anslutningen direkt till MAX98090:s digitala ljudingångssubsystem. Det innebär att utvecklarna kan spara ström genom att konfigurera MAX98090 för att koppla förbi hörlurssubsystemets inbyggda mixer eftersom analog- och ledningsingång inte krävs i grundkonfigurationen (figur 4).

Figur 4: För uppspelningsenheter som hörsnäckor kan Maxim Integrateds ljudcodec MAX98090 arbeta med en lägre effektkonfiguration som strömmar digitalt ljud direkt till enhetens integrerade hörlursutgångssubsystem. (Bildkälla: Maxim Integrated)

I den här konfigurationen förbrukar MAX98090 endast cirka 6 milliwatt (mW). För att minska strömförbrukningen ytterligare kan hörlursutgångssubsystemet på MAX98090 konfigureras till att drivas i ett särskilt lågeffektläge som sänker effektförbrukningen till cirka 3,85 mW.

För att uppfylla den typiskt sett begränsade strömbudgeten för in-ear-enheter, kan utvecklar även välja att inaktivera enskilda ingångs- och utgångsblock i MAX98090. När enheten inte används kan den programmeras till att använda avstängningsläge, vilket endast förbrukar några få mikroampere. I det här läget är enhetens I²C-seriegränssnitt aktivt så att utvecklarna kan läsa in nya konfigurationer innan enheten startas om genom att ställa in en bit i avstängningsregistret. Vid det här tillfället återgår enheten till helt aktivt läge på bara 10 millisekunder (ms), vilket ger användaren en nästan omedelbar startupplevelse.

För att konstruera hörlurssystemet kan utvecklarna ansluta MAX98090 via sitt I²C-seriegränssnitt till en Bluetooth-kompatibel microcontroller med ultralåg effekt som ON Semiconductors RSL10 (se, "Distribuera snabbt en batteridriven Bluetooth 5-certifierad IoT-enhet med flera sensorer"). Den omfattande uppsättning ingångs-, processnings- och utgångsblock som är integrerade i MAX98090 innebär att endast några få ytterligare komponenter krävs för att slutföra systemintegrationen (figur 5).

Figur 5: Utvecklare kan implementera designen för maskinvarugränssnittet för Maxim Integrateds MAX98090-ljudcodec med bara några få ytterligare komponenter. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Den grundläggande uppspelningsutformningen som beskrivs ovan kan enkelt förstärkas med stöd för ytterligare funktioner, som användning av ljudinmatning för Bluetooth-anslutna röstassistentgränssnitt eller mobilsamtal. För att registrera en användares röst kan en sådan konstruktion använda strömsnåla elektretmikrofoner som Knowles FG series-mikrofoner på 50 mikroampere (μA) eller MEMS analoga mikrofoner som TDK InvenSenses 25 μA ICS-40310 eller Vesper Technologies 5 μA VM1010.

Med några få ytterligare registerinställningar kan utvecklarna konfigurera MAX98090 för att ta emot ljudinmatning från dessa analoga mikrofoner eller från digitala mikrofoner vid behov. Separata analoga och digitala mikrofoningångssteg ger de front-end-steg som krävs för analog signalkonditionering eller digital styrning (figur 6).

Figur 6: Maxim Integrateds ljudcodec MAX98090 erbjuder ett komplett analogt front-end- (A) och digitalgränssnitt (B) för anslutning av analoga och digitala mikrofoner. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Efter ingångssteget når den digitaliserade dataströmmen FlexSound DSP-kärnans separata registersubsystem före DSP-uppspelningssubsystemet som beskrevs tidigare. Precis som uppspelningsfunktionen innehåller inspelningsfunktionen flera steg i processningssekvensen. I det här fallet innehåller processningen en uppsättning digitala filter inklusive ett IIR-röstfilter, ett FIR-musikfilter och ett DC-blockerande filter (figur 7).

Figur 7: Utöver sitt analoga och digitala inmatningsstöd inkluderar Maxim Integrateds ljudcodec MAX98090 en flerstegad inspelningsväg i företagets FlexSound DSP-kärna. (Bildkälla: Maxim Integrated)

DSP-uppspelningssystemet kombinerar därefter den här inspelade sidtonen med den primära digitala musikströmmen för ytterligare behandling och leverans till MAX98090-utmatningssubsystemet.

Slutsats

Helt trådlösa motionshörlurar måste kunna erbjuda de omfattande funktioner som krävs för att uppfylla användarnas förväntningar på de senaste funktionerna och samtidigt klara detta med begränsad effekt och på litet utrymme. När det gäller ljuduppspelning kombinerar Maxim Integrateds ljudcodec MAX98090 analoga och digitala in- och utgångssubsystem med en avancerad digital ljudsignalprocessor, för att kunna erbjuda de omfattande ljudfunktioner som krävs i konstruktionen av motionshörlurar. Som visats kan utvecklarna kombinera MAX98090 med optimerade SoC-enher för att bygga en flexibel maskinvarubas för avancerade motionshörlurar.