Hur man snabbt implementerar en högkvalitativ TWS-hörlurskonstruktion med en dedikerad diskant och woofer

I ljudströmningens begynnelse var de trådlösa datahastigheterna begränsade, och användarna accepterade en förlust av kvalitet som ett pris för bekvämligheten med tusentals digitala låtar i fickan. Men i och med införandet av trådlös teknik som har stöd för större trådlös genomströmning och förbättrade komprimeringsalgoritmer har konsumenterna blivit mer kräsna. Det innebär att konstruktörer nu måste erbjuda true wireless-stereohörlurar (TWS) för att uppfylla konsumenternas förväntningar. TWS-hörlurar lovade att återge ljudet mer exakt över hela ljudspektrumet, särskilt i de högre frekvenserna som vanligtvis försvann i äldre konstruktioner.

Men ljudkvaliteten är bara en aspekt av modern trådlös ljudåtergivning. På en konkurrensutsatt marknad måste utvecklare av headset titta noga på vad konsumenterna vill ha och använda den insikten för att differentiera slutprodukten så effektivt och kostnadseffektivt som möjligt. Konsumenterna vill till exempel också ha effektiv aktiv brusneutralisering (ANC) och minska tillslutningseffekter så att de bättre kan njuta av sin lyssningsupplevelse. För äldre lyssnare är automatisk kompensation (personlig hörselanpassning) för naturlig hörselnedsättning vid högre frekvenser också alltmer efterfrågad.

För att uppfylla dessa krav krävs en ny strategi med konstruktioner som separerar woofers för basen och diskanthögtalare för diskanten. Många utvecklingsteam har inte den kompetens som krävs för detta, vilket leder till förlängd tid för att komma ut på marknaden och potentiellt förlorade möjligheter när de anställer eller utvecklar kompetensen.

Artikeln sammanfattar den utveckling som driver kommersiellt trådlöst ljud och dess inverkan på hård- och mjukvarudesignen för hörlurar. Artikeln presenterar sedan en referensdesign för TWS-hörlurar och visar hur konstruktörer kan använda denna för att snabbt få ut headsetlösningar på marknaden som möjliggör differentierade funktioner, samtidigt som de återger den starka basen exakt, och den utökade diskanten som nu fångas upp av modern ljudkomprimeringsprogramvara.

Framsteg inom digitalt ljud

I den verkliga världen är ljud en analog signal, men vår inspelnings- och uppspelningsutrustning hanterar till stor del digitala signaler. Ljudet digitaliseras med hjälp av en analog-till-digitalomvandlare (ADC) som drivs av en kodnings-/avkodningsalgoritm ("codec") som styr samplingsfrekvensen i Hz och bitdjupet (bitar). Samplingen fångar ljudets analoga vågformsamplituder i specifika intervaller.

Samplingsfrekvensen är en kompromiss. Lägre hastigheter ger mindre information att hantera men lägre upplösning. Bitdjupet är antalet bitar information i varje sampling. Även här krävs en kompromiss mellan antalet bitar och ljudkvaliteten. Vanliga bitdjup är 16, 24 och 32 bitar (figur 1).

Figur 1: Analogt ljud digitaliseras genom sampling vid en given frekvens och bithastighet. Genom att öka samplingsfrekvensen och bitdjupet kan man se till att den digitaliserade informationen speglar den analoga signalen bättre för att förbättra återgivningskvaliteten. (Bildkälla: Knowles)

Samplingsfrekvens x bitdjup x antal kanaler bestämmer bithastigheten i bitar per sekund (bps). För acceptabel musikkvalitet är bithastigheten vanligtvis högre än 192 kilobit per sekund (kbps). CD-kvalitet förlitar sig exempelvis på en samplingsfrekvens vid 44,1 kHz och ett bitdjup på 16 bitar. För stereouppspelning är bithastigheten därför 1,411 Mbit/s.

Konventionella codecs använder vanligtvis komprimeringstekniker som under kodningen tar bort information som man har fastställt inte kommer att påverka hur lyssnaren uppfattar den avkodade ljudströmmen. Målet är att sänka bithastigheten så mycket som möjligt utan att ljudkvaliteten försämras i onödan. Sådana codecs kallas "förstörande" då avkodaren aldrig kan återskapa den ursprungliga signalen eftersom den inte innehåller all ursprunglig information. Det är vanligen de högre frekvenserna (diskanten) som elimineras av förstörande codecs.

Tack vare framsteg inom radio med låg effekt och kort räckvidd kan trådlösa länkar stödja större genomströmning utan att kompromissa med batteritiden. Bluetooth LE Audio, en nyligen lanserad form av trådlös strömning baserad på Bluetooth LE, erbjuder till exempel både mycket högre ljudkvalitet än Classic Bluetooth Audio och lägre strömförbrukning.

Ingenjörerna har även förbättrat effektiviteten i sina codecs. Dessa nyare "förlustfria" codecs har i kombination med trådlösa anslutningar med högre genomströmning möjliggjort mycket bättre trådlöst ljud (tabell 1). Ljudtjänster från företag som Apple, Amazon och Spotify erbjuder nu högkvalitativ förlustfri ljudströmning. Konstruktörer bör dock notera att den kodade bithastigheten för förlustfria codecs ofta är högre än vad den trådlösa länken kan stödja på ett tillförlitligt sätt. Codecen LDAC från Sony kodar exempelvis med en bithastighet på 6,1 Mbit/s (32 x 96 x 2), men bithastigheten för den trådlösa länken är begränsad till 990 kbit/s.

Tabell 1: Jämförelse av "förlustfria" codecs (Sony, Savitech och Qualcomm) med CD-kvalitet och "förstörande" codecs (Qualcomm och Bluetooth SIG (SBC)). Observera att den maximala bithastigheten för förlustfria codecs begränsas av den trådlösa Bluetooth-länkens kapacitet. (Bildkälla: Knowles)

Aktiv brusneutralisering (ANC) och personligt anpassat ljud

Konsumenternas förväntningar på TWS-hörlurar sträcker sig längre än till överlägset ljud. Högklassiga produkter måste även erbjuda ANC och andra funktioner. ANC är populärt eftersom det ger användaren en högkvalitativ lyssningsupplevelse när det finns en hög nivå av bakgrundsbrus, som exempelvis i en flygplanskabin. ANC fungerar med hjälp av mikrofoner som är inbyggda i öronsnäckorna och fångar upp lågfrekventa störningar och neutraliserar dessa innan användaren är medveten om deras existens. Utsläckning sker när headsetet genererar ett sekundärt ljud som är 180˚ fasförskjutet i förhållande till det ursprungliga ljudet.

En annan viktig förbättring som nu erbjuds med trådlösa hörlurar är personligt anpassat ljud. Användare med hörselskador sedan födseln, eller som utvecklats med åren, kan ha särskilda svårigheter att höra högre frekvenser (figur 2). Det finns appar för smartphones och andra verktyg som gör det möjligt för användare att förstärka specifika frekvenser för att kompensera för hörselnedsättning, men de är ofta simpla och ger dåliga resultat. Men nu tar högkvalitativa produkter detta vidare med algoritmer som fastställer hörselnivåer i hela frekvensområdet genom att utsätta användaren för ett detaljerat lyssningstest. Resultatet är hörlurar vars utgångar är perfekt anpassade för att kompensera för hörselnedsättningar.

Figur 2: När användare åldras förlorar de gradvis förmågan att höra högre frekvenser. Personligt anpassat ljud förstärker utvalda frekvenser för att kompensera för minskad hörselkänslighet. (Bildkälla: Knowles)

En sista teknisk utveckling i moderna hörlurar är minskningen av tillslutning. Tillslutningseffekter uppstår när en hörlur förseglar den yttre delen av hörselgången. Detta är ett vanligt problem med produkter som är utformade för att sitta relativt tätt i örat. Hörluren ökar effektivt den akustiska "impedansen" i hörselgången, vilket i sin tur ökar det akustiska ljudtryckets amplitud, särskilt när örat utsätts för lågfrekventa ljud som genereras av användaren (som exempelvis att: prata, gå och svälja). Resultatet är ett ekoliknande "boom" i örat som är irriterande och störande.

Tillverkare av hörlurar har arbetat för att minska tillslutningseffekterna genom mekanisk design, som att exempelvis lägga till en liten öppning mellan hörluren och hörselgången för att minska den akustiska impedansen, och genom mjukvarudesign, till exempel genom att inkludera tillslutningsreducering i ANC-rutinerna.

Fördelarna med separata woofers och diskanter

Tills nyligen var det mindre utmanande att konstruera trådlösa hörlurar än att konstruera fullstora högtalare som är anslutna till avancerade ljudsystem för audiofiler. Användarna accepterade lägre kvalitet på sina hörlurar som ett pris för bekvämligheten, vilket gjorde det lättare för konstruktörer att utveckla produkter med ett litet format till en rimlig kostnad. Det var exempelvis vanligt att använda drivelement med hela omfånget istället för en separat woofer och diskant för att spara utrymme. Högfrekvensåtergivningen kunde eventuellt offras, men det var knappast ett problem när dessa frekvenser inte fanns med i den trådlösa ljudströmmen.

Men i och med införandet av förlustfria codecs och tekniker med hög genomströmning, såsom Bluetooth LE Audio, erbjuder trådlöst ljud nu ett komplett utbud av woofer- och diskantfrekvenser (figur 3). Att återge detta ljud kräver mycket mer av hörlurarna. Dessutom förväntar sig konsumenterna ANC, personligt anpassat ljud, minskade tillslutningseffekter och lämplighet för ett stort antal användningsområden, inklusive musik, TV, videokonferenser och röstsamtal - allt i ett mycket kompakt format, och återigen till en rimlig kostnad.

Figur 3: Förlustfria codecs förmedlar mer information om höga frekvenser, vilket gör att diskanttoner återges bättre vid musikuppspelning i lämpligt konstruerade hörlurar. (Bildkälla: Knowles)

Många av dessa krav kräver kompromisser i konstruktionen. För att ge en effektiv ANC i bullriga miljöer, som t.ex. i en flygplanskabin, måste högtalarnas drivelement ge en hög bas med låg distorsion. Halvöppna konstruktioner som tar hänsyn till tillslutning ställer ytterligare krav på basen. Samtidigt kräver förlustfri uppspelning av ljud att hörlurens drivelement kan hantera en diskant på upp till 20 kHz eller mer. Att uppfylla båda kraven med ett enda dynamiskt drivelement i ett litet format är praktiskt taget omöjligt.

Lösningen är att dela upp bas- och diskantfrekvenserna i en dynamisk woofer och en separat BA-diskant (balanserad armatur). En BA-diskant är en specialiserad komponent som ursprungligen utvecklades för hörapparater, men som nu allt oftare används för att öka gensvaret för diskanten i hörlurar av hög kvalitet. I en BA-diskant vibrerar en elektronisk signal ett litet blad som balanseras mellan två magneter i ett kompakt hölje. Rörelsen i rörbladet överförs till ett mycket styvt aluminiummembran som producerar ljudet.

Med en särskild konfiguration för woofern och BA-diskanten kan woofern utformas för att fokusera på att ge stark bas med stöd för förlustfri återgivning, ANC och reducering av tillslutningseffekter, medan BA-diskanten är optimerad för en tydlig och distinkt diskant. Detta minskar behovet av utjämning, vilket i sin tur sparar ström och ökar det dynamiska ljudutrymmet (Figur 4).

Figur 4: Genom att separera högtalarna till en dynamisk woofer (grön) och en BA-diskant (blå) skapas ett platt frekvens-"hybrid"-svar (rött). (Bildkälla: Knowles)

Ytterligare en fördel är att drivelementen är separerade: konstruktören har större frihet när det gäller drivelementens placering. Woofern kan t.ex. vara mindre och direkt riktad mot öronspetsen, vilket gör det möjligt att placera BA-diskanten nära örats öppning för att minimera den luftvolym som fångas mellan diskanten och öronspetsen, för att begränsa tillslutningseffekterna (figur 5).

Figur 5: Genom att separera woofer och diskant i hörlurarna kan diskanten placeras på framsidan av enheten, vilket bidrar till en begränsning av tillslutningseffekter. (Bildkälla: Knowles)

Separeringen av woofer och diskant gör det dessutom möjligt för konstruktörer att förfina frekvenssvaret. De kan exempelvis forma de akustiska egenskaperna nära diskantens öppning för att förfina frekvenssvaret vid höga frekvenser. Sedan kan konstruktörer justera delningsfiltret för att få en jämn blandning av signalerna från woofer och diskant. Konstruktörer kan även justera diskantens känslighet för att få en bättre överensstämmelse med woofern genom att välja en högre eller lägre impedans i spolen. Den slutliga utformningen av hörlurarnas övergripande frekvenssvar kan justeras med hjälp av digital signalbehandling (DSP).

Eftersom många Bluetooth-kretsar har dubbla utgångar kan woofern och diskanten dessutom drivas av separata förstärkare för att få ännu större flexibilitet i utformningen av frekvenssvaret.

Referensdesign för trådlöst ljud av hög kvalitet

Ingenjörer som är vana vid ett enda drivelement i sina trådlösa konstruktioner kommer att få problem med den ytterligare komplexitet som uppstår genom de separata woofers och diskanter som behövs för att återge högkvalitativt ljud. Trenden går dock helt klart mot högre ljudkvalitet, så en väg till en konstruktion med dubbla drivelement för kvalitetsåtergivning av förlustfri ljudströmning måste övervägas.

För att hjälpa konstruktörer att ta sig i den här riktningen har Knowles, en tillverkare av BA-diskanter, introducerat referensdesignen TC-35030-000 för True Wireless-sterohörlurar. Referenskonstruktionen förkortar tiden till marknadsintroduktion för TWS-hörlurar genom att inkludera många av de viktigaste avancerade funktionerna som användarna efterfrågar, och därmed undanröja många av de vanligaste konstruktionsutmaningarna.

Referensdesignen innehåller Knowles egen design av BA-diskant för bra högfrekvent ljud, tillsammans med en dynamisk woofer på 10 mm för en gedigen bas. Enheten innehåller även mikroelektromekaniska systemmikrofoner (MEMS) för ANC och röstsamtal. Referenskonstruktionen ger 13 timmars uppspelningstid eller 8 timmars samtalstid från det inbyggda batteriet, och den är kompatibel med Bluetooth 5.2. Ytterligare funktioner som är inbyggda i satsen är bland annat touchkontroller och inbyggd teknik för röstassistenter (figur 6).

Figur 6: Referenskonstruktionen TC-3503030-000 för TWS-hörlurar har en BA-diskant för bra högfrekvent ljud och en dynamisk woofer på 10 mm för en gedigen bas. (Bildkälla: Knowles)

BA-diskanten har ett gensvar som sträcker sig långt över 20 kHz. När man jämför Knowles-produktens diskant med en typisk 8 mm dynamisk högtalare ger BA-diskanten den ökade diskant och förlängning som krävs för högkvalitativt ljud, inklusive möjligheten att stödja personlig hörselanpassning eller hörselförbättring (figur 7).

Figur 7: Här visas det högfrekventa gensvaret hos Knowles BA-diskant jämfört med gensvaret hos en dynamisk högtalare. (Bildkälla: Knowles)

Slutsats

Framsteg inom trådlösa halvledare och codecs har förändrat landskapet för hörlurar. Konsumenterna förväntar sig nu en djup bas, förfinad diskant och ett brett dynamiskt omfång i sina TWS-hörlurar. Användarna förväntar sig dessutom avancerade funktioner såsom ANC och personligt anpassat ljud och har mindre acceptans för effekter såsom tillslutning.

För att bättre uppfylla kraven på frekvenssvar i TWS-headsets måste konstruktörer gå över till konstruktioner med dubbla drivelement med en dedicerad diskant och en dedicerad woofer. Även om detta är en teknisk utmaning kan referensdesignen TC-3503030-000 för TWS-hörlurar från Knowles underlätta. Den kombinerar en BA-diskant, en woofer och MEMS-mikrofoner och ger en bra grund för konstruktion av högkvalitativa hörlurar med funktioner som gör det möjligt att differentiera produkten på ett tydligt sätt.