ADI-platform leverer komponenter og værktøjer til udvikling af AR-briller med ’åbne-ører’-lyd

Integrationen af rumlig lyd med udvidet, virkeligheds (augmented reality/AR) -briller kan skabe fordybende og interaktive menneskelige sanseoplevelser, der bedre kan bygge bro over den fysiske og digitale kløft. Men designerne skal sikre, at de lydforstærkede AR-briller er letvægts og har lang driftstid, så de kan bruges i praksis.

Markedet for intelligente AR-briller ser ud til at være på vej mod en betydelig vækst, idet antallet af leverede enheder forventes at stige fra lidt over 676.000 i 2023 til 13 millioner enheder i 2030, hvilket svarer til en sammensat årlig vækstrate på 53 %. Forbedringer i skærmkvalitet, batterilevetid og generel ydeevne vil gøre AR-briller mere praktiske til virksomheds-, industri- og forbruger use-cases.

AR-briller med indlejrede mikrofoner og højttalere giver hurtig adgang til taleassistenter og musikafspilning. De kan være en kritisk faktor i udnyttelsen af digitale tvillinger på fabriksgulvet eller i at give cyklister navigations- og præstationsanvisninger.

Rumlig lyd i høj kvalitet kan påvirke brugerens AR-oplevelse betydeligt ved at forbedre teksturen, konteksten og betydningen af visuelle interaktioner. Men at få højtydende lyd fra AR-briller er en særlig udfordring på grund af den lille formfaktor, der er nødvendig for at opnå brugernes accept og tilfredshed. Derudover skal disse enheder være lette og have en lang batterilevetid, hvilket kan være en særlig udfordring, når der indbygges funktioner som lyd i høj kvalitet, videooptagelse eller visuelle skærme i applikationen.

Sammen med fremskridt inden for processorkraft og skærmopløsning vil lyd- og strømstyring spille en afgørende rolle i at skabe vellykkede applikationer, der vil maksimere efterspørgslen efter disse enheder. Blandt de udfordringer, der skal overvindes, er:

• Mindre højttalere har en tendens til at have høje resonansfrekvenser, som kan skade højttalerne, hvis de drives for hårdt, og gøre det sværere at drive dyb bas.
• Støjfri opkaldskvalitet, der opfanger bærerens stemme og samtidig blokerer for støj fra omgivelserne, er afgørende, men kompliceret på grund af afstanden mellem mikrofoner og brugerens mund.
• Integration af flere funktioner kræver bedre batteristyringsløsninger for at sikre hurtigere opladning og længere driftstid. Afvejningen mellem vægt, funktion og driftstid er nøglen til udbredt anvendelse på markedet.
• Mange brugssituationer kræver, at brugerne ikke hindres i at høre, hvad der foregår i deres omgivelser, f.eks. modkørende biler eller interaktioner med kolleger.

'Åbne-ører'-lyd (”Open-ear audio”)

Designere, der stræber efter at kombinere visuel og auditiv information på en naturlig og realistisk måde, bør overveje ’åbne-ører’-lydteknologi. Ved at eliminere behovet for hovedtelefoner eller earbuds giver ’åbne-ører’-lyd brugerne mulighed for at høre både AR-lyde og lyde fra den virkelige verden, hvilket giver en sømløs og fordybende oplevelse uden at gå på kompromis med interaktionen med andre brugere og omgivelserne.

Med indlejrede mikrofoner og åbne højttalere er AR-briller meget velegnede til AR såvel som virtuel virkelighed (virtual reality/VR) og blandede virkelighedsanvendelser. Brugerne kan nyde en mere behagelig lytteoplevelse uden at gå på kompromis med lydkvaliteten eller troværdigheden. Disse enheder giver brugerne mulighed for at høre, hvad der foregår i deres omgivelser, så de kan opretholde situationsfornemmelsen for at sikre sikkerheden og samarbejde med kolleger eller interagere med andre, samtidig med at de minimerer risikoen for - eller irritationen over - at andre mennesker overhører lydindholdet.

Ingeniører kan udnytte lyd i åbne ører til at skabe elektroniske applikationer, der kombinerer visuel og auditiv information på en naturlig måde. AR-briller med denne teknologi tilføjer endnu et lag af realisme ved at levere rumlig lyd, som giver brugerne lyd, der ser ud til at komme fra en bestemt retning og afstand.

Rumlig lyd vil være en nøglekomponent i udviklingen af ’åbne-ører’-lyd. Det skaber et realistisk og fordybende lydmiljø, der matcher det visuelle indhold og brugerens perspektiv. Apples Vision-Pro-VR-enhed har f.eks. lyd i åbne ører, rumlig lydintegration og 3D-ørekortlægning for at forbedre den fordybende oplevelse og eliminere behovet for eksterne hovedtelefoner.

Ved at simulere måden, lydbølger interagerer med en brugers ører, hoved og krop på - og med overflader og objekter i deres fysiske omgivelser - kan rumlig lyd også bruge metadata som position, orientering, afstand, hastighed og retning til dynamisk at justere lydparametrene. Disse inkluderer lydstyrke, tonehøjde, klangfarve og efterklang baseret på brugerens bevægelse og interaktion.

At designe ’åbne-ører’-lydapplikationer til AR-briller kræver en forståelse af enhedens fordele og ulemper, principperne og de bedste fremgangsmåder for rumligt lyddesign samt udviklingsværktøjer og -rammer. Videoskærme og videooptagelser er energiintensive, så effektivitet er afgørende. Lyd i høj kvalitet og attraktivt design vil spille en stor rolle for kundernes accept, og det skal både være nemt at oplade enhederne, og det skal ske så sjældent som teknologien tillader.

ADI's platform til åbent øre-lyd-AR-briller-applikationer

Analog Devices, Inc. (ADI) tilbyder en AR-brilleplatform, der inkluderer integreret lydoptagelse, afspilning, batteristyringskomponenter og algoritmer. Disse komponenter og udviklingsværktøjer giver designere mulighed for hurtigt at bygge og teste AR-brilleapplikationer med ’åbne-ører’-lyd.

ADI's lydprocessor-kodeks bruger virksomhedens ’Pure Voice’-behandlingsalgoritmer til at forbedre kvaliteten af taleopkald i udfordrende akustiske miljøer og dynamiske højtalerstyrings- (Dynamic Speaker Management/DSM™) algoritmer til at skabe højere og rigere lyd fra højtaler-applikationer med begrænset plads.

• ADAU1860 (figur 1) har en HiFi 3z audio DSP-kerne og en FastDSP-kerne med lav latenstid sammen med otte digitale mikrofonindgange (DMIC), tre analoge indgange, en analog udgang og to pulsdensitetsmodulations- (Pulse Density Modulation/PDM) udgangskanaler. Optimering af stien mellem den analoge indgang og DSP-kernen til lav latenstid er ideel til støjreduktion.

Figur 1: ADI's ADAU1860-kodek har blandt andet to DSP'er, otte digitale mikrofonindgange og tre analoge indgange. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

• ADAU1797 er en kodek-løsning med lavt strømforbrug og højere ydeevne, som også integrerer en HiFi 3z audio DSP-kerne og en FastDSP-kerne med lav latenstid sammen med tre analoge indgangskanaler, 10 DMIC-indgangskanaler, to PDM-udgangskanaler og en højeffektiv klasse D-forstærkerudgangskanal. I strømsparetilstand er DSP-kernerne optimeret til applikationer med lille formfaktor, såsom AR-briller med ’åbne-ører’-lyd. I højtydende tilstand øges HiFi 3z-kernen fra 50 MHz til 200 MHz, og FastDSP understøtter dobbelt så mange instruktioner (fra 64 til 128). Den øgede processorkapacitet kan bruges til at aflaste cyklusser fra en værtsprocessor eller til at muliggøre brugen af en billigere værtsprocessor uden behov for en ekstra ekstern audio-DSP eller MCU.
• ADI tilbyder evalueringskort til hver af disse kodek. EVAL-ADAU1797Z (figur 2) er et 8-lags design med en stelplade og et effektplan på de indre lag, og det kan forsynes med en enkelt 3,8 V til 5 V-forsyning. EVAL-ADAU1860EBZ er et 4-lags design, der inkluderer både et stelplade og et effektplan på de indre lag, og kan strømforsynes fra USB-bussen eller en enkelt 5 V-forsyning.

Figur 2: EVAL-ADAU1797Z-evalueringsprintkortet giver fuld adgang til alle analoge og digitale indgange/udgange på ADAU1797. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

Smarte lydforstærkere fra ADI har integreret strøm- og spændings (integrated current and voltage sense/IV) -feedback og højtalerstyringsalgoritmer for at maksimere ydeevnen i pladsudfordrende formfaktorer.

• MAX98388’en er en D-klasse, mono digital indgangsforstærker designet til AR/VR- og smartbrille-applikationer. Den har IV-feedback til smarte forstærkerfunktioner og kan aflaste DSM-behandling til lyd-kodek'en. Den er optimeret til op til 5,5 V-applikationer (enkeltcelle) og leverer en effektivitet på op til 90 %.
• Den nyligt introducerede MAX98390 er en forstærket klasse-D-forstærker med integreret DSM, der kan øge lydstyrken (SPL) og basresponsen for at forbedre lydkvaliteten fra mikrohøjttalere og samtidigt maksimere effektiviteten. En integreret boost-konverter og FET-skalering giver sammen med DSM mulighed for længerevarende batteridrift. Den maksimale udgangsspænding for boost-konverteren kan programmeres fra 6,5 V til 10 V i trin på 0,125 V fra en batterispænding på helt ned til 2,65 V. MAX98390CEVSYS# (figur 3) inkluderer ADI's DSM Sound Studio GUI for at forenkle design og DSM-implementering for applikationer, der bruger MAX98390CEWX+T.

Figur 3: MAX98390CEVSYS#-evalueringssystemet indeholder DSM Sound Studio-software med en kraftfuld GUI til at udtrække, tune og evaluere MAX98390C-forstærkeren. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

Strømforbrug er en kritisk designfaktor for AR-briller. Lydhøjttalere med åbne ører kræver mere strøm end typiske hovedtelefoner, og ADI tilbyder flere effektive strømstyrings-IC'er, som designere kan bruge til deres applikationer:

• ADI's integrerede strømstyringskredsløb (PMIC'er) i MAX77654 -serien giver højt integrerede løsninger til batteriopladning og strømforsyning. Med en ’enkeltinduktor, flere udgange’ (single-inductor, multiple-output/SIMO) -regulator giver den tre uafhængigt programmerbare strømskinner fra en enkelt induktor for at minimere løsningens størrelse. En Smart Power Selector™ Li+/Li-Poly-oplader giver programmerbar opladningsstrøm fra 7,5 mA til 300 mA og programmerbar opladningsspænding fra 3,6 V til 4,6 V med overvågning af batteriets temperatur for sikker opladning. Den indeholder to 100 mA lav-udfalds (low dropout) lineære regulatorer (LDO'er), der giver ripple-afvisning til lyd og andre støjfølsomme anvendelser.
• MAX77659 PMIC'erne er udrustet med en SIMO buck-boost-regulator med dobbelte indgang, der leverer én opladningsskinne og tre uafhængigt programmerbare strømskinner fra en enkel induktor og en LDO til rippelafvisning.
• ADI's MAX77972 er en tre-i-en-kombichip, der inkluderer USB-C-detektion, en 3 A buck-oplader og en brændstofmåler. Den understøtter USB-On-The-Go (OTG) omvendt boost og inkluderer en smart spændingsvælger (Smart Power Selector™/SPS). Brændstofmåleren bruger ModelGauge™-m5-algoritmen, der automatisk kompenserer for cellernes ældning, temperatur og afladningshastighed og giver en nøjagtig opladningstilstand (state-of-charge/SOC) over en lang række driftsforhold. USB Type-C konfigureringskanals (Configuration Channel/CC) -detektionsstifter muliggør automatisk detektion af USB Type-C-strømkilde og konfiguration af indgangsstrømgrænse.
• MAX17301 er en standalone IC til brændstofmåler på pakkesiden. Den giver beskyttelse, valgfri registrering af batteriets interne selvafladning og valgfri SHA-256-godkendelse for 1-celle litium-ion/polymer-batterier. En Maxim 1-wire eller 2-wire I²C-grænseflade giver adgang til data- og kontrolregistre.
• ADI's MAX17332 er en batteristyringsløsning på en enkel-chip, der inkluderer en lineær oplader, en brændstofmåler, batteribeskyttelse og selvafladningsdetektering. Den kan afbalancere blandet batterikapacitet og give hurtig opladning, med mulighed for uafhængig opladning af parallelle batterier og forhindre krydsopladning.

Konklusion

Lyd har været en stor begrænsning i forhold til at udnytte potentialet i AR-applikationer, som typisk har fokuseret på synet. ’Åbne-ører’ (open-ear)-lyd giver mulighed for at opfylde dette potentiale med lettere, moderigtige og komfortable AR-briller, der kan understøtte mange anvendelsesmuligheder. ADI har samlet en platform af komponenter, værktøjer og software til at skabe komplette løsninger.