Byg en ægte trådløs fitness hearable – Del 2: Audioprocessering

Note fra redaktøren: Fitness hearables har stort potentiale, men giver betydelige designudfordringer på tre centrale områder: biomåling, audioprocessering og trådløs opladning. Denne serie på tre artikler ser på hver af disse udfordringer én efter én og viser udviklere, hvordan de kan drage fordel af enheder med ultra-lavt strømforbrug, når de skal udvikle effektive fitness hearables. Del 1 behandlede biomåling af hjertefrekvens og SpO₂. Her i del 2 fokuseres på audioprocessering. Del 3 ser på løsninger til trådløs opladning og strømstyring i forbindelse med design af fitness hearables.

Som omtalt i Del 1 er trådløse smart-øretelefoner, også kaldet ægte trådløse hearables, dukket op som populære audioafspilningsenheder, især under fitnessaktiviteter, hvor ledninger kan være i vejen for bevægelser eller udstyr. Ved at føje sundhedsmæssige målinger til disse design kan udviklere skabe "fitness hearables", der leverer både audioafspilning og sundhedsdata.

Tilføjelsen af biomålingsfunktioner er en spændende udvikling, men designerne må ikke miste fokus på kernefunktionen i hearables: Audioafspilning i høj kvalitet. Problemet er nu, hvordan man kan bevare audioafspilning i høj kvalitet, samtidig med at der tilføjes nye funktioner i en så lille formfaktor og leveres tilfredsstillende batterilevetid.

Denne artikel ser på rollen for audiocodecs og -processorer og skitserer de centrale elementer i en lydsystemsarkitektur for hearables. Derefter introduceres et sofistikeret lydcodec fra Maxim Integrated, og det vises, hvordan designere kan bruge det til at opfylde brugernes forventninger til høj lydkvalitet i en kompakt formfaktor – med længere batterilevetid.

Audiocodecs og -processorer

Audiocodecs og specialiserede lydprocessorer har i årevis leveret højtydende audiodesign. De kombinerer hver især en komplet signal-chain til sampling, konvertering og behandling af et lydsignal. Mens codecs (afledt af coder-decoders) traditionelt har begrænset deres kapaciteter til kodning og afkodning af audiosignaler ved hjælp af hardwired firmware, skaber audioprocessorer typisk denne funktionalitet baseret på en programmerbar digital signalprocessor (DSP). Grænserne mellem disse produktklasser er i stigende grad blevet udvisket med fremkomsten af programmerbare codecs og audioprocessorer med hardwired funktioner. I begge tilfælde kan udviklere finde kraftfulde enheder til processering af audiosignaler, som kan opfylde kravene hos selv de mest kræsne lydentusiaster.

De små øretelefoners udbredte popularitet har yderligere bevæget udviklingen af disse enheder til processering af audiosignaler i retning mod at levere et komplet audiodelsystem på en chip. Kombineret med teknologier til trådløs kommunikation og opladning kan disse enheder danne fundamentet for ægte trådløse øretelefoner, der kan give brugere en bemærkelsesværdigt fyldig lyd uden brug af besværlige kabler.

Evolutionen inden for hearables

I modsætning til mere konventionelle øretelefoner med kabler giver ægte trådløse øretelefoner en del flere udfordringer for udviklerne. Disse produkter skal opfylde lytterens behov for audiokvalitet og samtidig opfylde den mobile brugers forventninger om bekvemmelighed og brugervenlighed. Designet skal derfor levere exceptionel lydkvalitet og exceptionelle overordnede funktioner og samtidig have en minimal formfaktor og maksimal batterilevetid. Heldigvis kan udviklere finde et bredt udvalg af audiocodecs og audioprocessorer, der kan opfylde denne brede række krav.

De såkaldte smart-øretelefoner eller hearables repræsenterer en naturlig evolution inden for ægte trådløse øretelefoner. Sammen med andre avancerede funktionsmuligheder kan hearables tilføje sensorer til biomåling, bevægelsesregistrering og andre funktioner, der er designet til at forbedre brugerens velbefindende og bevidsthed om omgivelserne.

Selvom de er funktionelt komplekse, kan design af fitness hearables bygge på en hardwareplatform med lettilgængelige system-on-chip-enheder (SoC), der er designet specifikt til disse energibesparende anvendelser. Som nævnt i del 1 i denne serie leverer MAXM86161-biosensoren fra Maxim Integrated alle de biomålingsfunktioner, der er nødvendige i disse produkter. På samme måde giver MAX98090-audiocodec'en fra Maxim Integrated et komplet audiodelsystem, der kan understøtte det store udvalg af audiofunktioner, der inkluderes i nye fitness hearables. Ved at bruge disse enheder sammen med en Bluetooth-controller (BT) til styring af radiofrekvens (RF) og integrerede strømstyringskredsløb (PMIC'er) kan udviklere implementere et hardwarefundament, der understøtter design af sofistikerede fitness hearables (Figur 1).

Figur 1: En fitness hearable udvider mulighederne for en ægte trådløs audioøretelefon med biomålingsegenskaber, men står over for de samme krav i forhold til lydafspilning i høj kvalitet og forlænget batterilevetid. (Billedkilde: DigiKey, baseret på kildemateriale fra Maxim Integrated)

Omfattende audiodelsystem

MAX98090-audiocodec er designet specifikt til mobil brug og kombinerer ydeevne ved ultra-lavt strømforbrug med muligheden for yderst konfigurerbar processering af audiosignaler. Forskellige kombinationer af analoge og digitale input kan bruges som feed til Maxim Integrateds digitale signalprocessor (DSP) FlexSound i enhedens kerne. Enheden kan til gengæld levere den FlexSound-transformerede lyd til separate outputsignalstier, der er optimeret til forskellige typer audiohøjttalere (Figur 2).

Figur 2: Maxim Integrated MAX98090-audiocodec er designet specielt til wearables til øret og integrerer et omfattende sæt input-, output- og processeringsfunktioner for at levere et komplet audiodelsystem, der kan opfylde begrænsningerne i forhold til strøm og størrelse i hearables. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Delsystemet MAX98090 med digital audiogrænseflade (DAI) understøtter samplingfrekvenser fra 8 kHz stemmeaudio til 96 kHz audio i høj opløsning i en række standardformater for pulskodemodulering (PCM). I et typisk design ville det digitale audioinput gå direkte fra kilden til DAI-delsystemet. Ved analoge kilder giver MAX98090 en analog frontend med flere kanaler, der omfatter inputmultipleksere, mixere, forforstærkere og programmerbar forstærkning (PGA). Analoge og digitale input er alle forbundet til mixere med separate venstre- og højrekanaler, der hver især feedes til dedikerede analog-til-digital-konvertere (ADC). ADC-outputtet for venstre og højre kanal går ind i DAI-delsystemet, som i sidste ende leverer den digitale audio til FlexSound DSP-kernen.

DSP-kernen leverer den essentielle signalprocessering, der er nødvendig i forbindelse med audioafspilningsprodukter, men som typisk ikke understøttes i traditionelle audiocodecs. Brugerne forventer, at deres wearables til ørerne kan levere tilstrækkelig lydstyrke til at overdøve støjende omgivelser som f.eks. et motionscenter og stadig levere et rent audiosignal på alle lydstyrkeniveauer. MAX98090 FlexSound DSP-kernen opfylder disse krav med et afspilningsdelsystem, der omfatter flere stadier, herunder en separat parametrisk equalizer med syv bånd, automatisk niveaukontrol (ALC) og flere filtre til venstre og højre kanal (Figur 3).

Figur 3: Centralt i Maxim Integrated MAX98090-audiocodec'en leverer virksomhedens FlexSound DSP-kerne dedikerede stier med flere stier til processering af separate venstre- og højrelydkanaler. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Disse funktioner giver en yderst fleksibel audioprocesseringskapacitet, der kan opfylde de forskellige krav ved hver anvendelse. For eksempel kan equalizeren ud over dens 7-båndstilstand også aktiveres til 3- eller 5-båndsdrift, der kan være nødvendig i produkter med enklere brugergrænseflader. På samme måde integrerer ALC en programmerbar kontrolfunktion til dynamikområder (DRC), der kan forhindre både klipning af audiosignalet i den høje ende og forstærkningen af baggrundsstøj i den lave ende. Til rengøring af digitale audiodata inkluderer enhedens sæt af digitale filtre med et begrænset filter for impulsrespons (FIR) til musik og audio i høj kvalitet samt et uendeligt impulsresponsfilter (IIR) til stemmeanvendelser i 8 kHz eller 16 kHz. Desuden kan der inkluderes et stadie med DC-blokering med højpasfilter i FIR-musik- og IIR-stemmefiltre for at dæmpe lavfrekvent lyd.

Ved outputtet fra DSP-kernen passerer en dedikeret digital-til-analog-omformer (DAC) for venstre og højre kanal det resulterende analoge signal til MAX98090's outputmixere. Ligesom dens inputdelsystem understøtter MAX98090 en bred vifte af audiooutputkonfigurationer og højttalertyper med de integrerede klasse D-højttaleroutputdrivere, klasse H-hovedtelefonoutputdrivere og konfigurerbare klasse AB-drivere. For hver outputtype indstiller udviklere blot tilknyttede registre til at konfigurere MAX98090 til at køre stereo- eller monooutput fra venstre eller højre kanal til den outputdriver, der passer til det individuelle design.

Forbedret hearable med lavt strømforbrug

Til et fitness hearable-produkt konfigurerer udviklere typisk MAX98090 til at bruge klasse H-hovedtelefonudgangen til at køre mikrohøjttalere eller nye mikroelektromekaniske systemer (MEMS) som f.eks. Usounds UT-P 2017, der er udviklet specielt til anvendelse i øretelefoner. I en fitness hearable streames digital audio via Bluetooth-forbindelsen direkte til MAX98090's digitale delsystem til audioinput. Udviklere kan derfor spare strøm ved at konfigurere MAX98090 til at omgå hovedtelefondelsystemets indbyggede mixer, fordi mulighederne for analogt input og linjeinput ikke ville være nødvendige i en basiskonfiguration (figur 4).

Figur 4: Til afspilningsenheder som f.eks. audioøretelefoner kan Maxim Integrated MAX98090-audiocodec fungere i en konfiguration med lavere strømforbrug, der streamer digital audio direkte til enhedens integrerede outputdelsystem til hovedtelefoner. (Billedkilde: Maxim Integrated)

I denne konfiguration bruger MAX98090 kun ca. 6 milliwatt (mW). For at reducere strømforbruget endnu mere kan MAX98090-delsystemet til hovedtelefonoutput konfigureres til at fungere i en særlig energibesparende tilstand, der nedsætter strømforbruget til ca. 3,85 mW.

For at opfylde det typisk begrænsede strømbudget i wearables til ørerne kan udviklere også selektivt deaktivere individuelle input- og outputblokke i MAX98090. Under inaktive perioder kan enheden programmatisk placeres i nedlukket tilstand, som kun bruger nogle få mikroampere. I denne tilstand forbliver enhedens serielle I²C-grænseflade aktiv, hvilket giver udviklere mulighed for at indlæse nye konfigurationer, før enheden genstartes, ved at angive en bit i nedlukningsregistret. På dette tidspunkt vender enheden tilbage til fuldt aktiv tilstand på kun 10 millisekunder (ms), så brugeren oplever, at enheden tændes næsten øjeblikkeligt.

Til fitness hearable-systemdesignet kan udviklere forbinde MAX98090 gennem dens I²C-seriegrænseflade til en Bluetooth-aktiveret mikrocontroller som f.eks. ON Semiconductors RSL10 (se "Rapidly Deploy a Battery-Powered Bluetooth 5 Certified Multi-Sensor IoT Device"). Det omfattende sæt af input-, processerings- og outputblokke, der er integreret i MAX98090, betyder, at der kun kræves et par yderligere komponenter for at fuldføre denne systemintegration (figur 5).

Figur 5: Udviklere kan implementere brugergrænsefladedesign til hardware med Maxim Integrated MAX98090-audiocodec med kun få ekstra komponenter. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Med minimal indsats kan det grundlæggende afspilningsdesign, der er beskrevet ovenfor, forbedres, så det understøtter yderligere funktioner som f.eks. brug af audioinput til Bluetooth-tilsluttede brugergrænseflader for stemmeassistenter eller samtaler på mobiltelefoner. For at fange en brugers stemme kan et sådant design bruge energibesparende elektrostatiske mikrofoner som f.eks. Knowles' FG-serie-mikrofoner på 50 mikroampere (μA) eller MEMS analoge mikrofoner som f.eks. TDK InvenSenses 25 μA ICS-40310 eller Vesper Technologies' 5 μA VM1010.

Med nogle få ekstra registreringsindstillinger kan udviklere konfigurere MAX98090 til at acceptere lydinput fra disse analoge mikrofoner eller fra digitale mikrofoner efter behov. Separate analoge og digitale mikrofoninputstadier giver de nødvendige frontendstadier til analog signalbehandling eller digital kontrol (figur 6).

Figur 6: Maxim Integrated MAX98090-audiocodec giver en komplet analog frontend (a) og en digital grænseflade (B) til tilslutning af henholdsvis analoge og digitale mikrofoner. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Efter indgangstrinnet går den digitaliserede datastrøm ind i FlexSound DSP-kernens separate optagedelsystem, der står forud for DSP-afspilningsdelsystemet, der er beskrevet tidligere. Ligesom afspilningsfunktionen giver optagefunktionen flere sekventielle processeringsstadier. I dette tilfælde omfatter processeringen et sæt digitale filtre, herunder et IIR-stemmefilter, FIR-musikfilter og DC-blokeringsfilter (figur 7).

Figur 7: Ud over understøttelsen af analoge og digitale input omfatter Maxim Integrated MAX98090-audiocodec en optagebane i flere faser i virksomhedens FlexSound DSP-kerne. (Billedkilde: Maxim Integrated)

DSP-afspilningssystemet kombinerer efterfølgende denne registrerede sidetone med den primære digitale audiomusikstream for at foretage yderligere processering og levering til MAX98090-outputdelsystemet.

Konklusion

Ægte trådløse fitness hearables skal kunne levere den omfattende funktionalitet, der er nødvendig for at imødekomme brugernes forventninger til de nyeste funktioner, samtidig med at de arbejder inden for stramme strøm- og størrelsesbegrænsninger. Med hensyn til audioafspilning kombinerer Maxim Integrated MAX98090-audiocodec analoge og digitale input- og outputdelsystemer med en sofistikeret signalprocessor til digital audio for at levere den omfattende audiofunktionalitet, der er nødvendig i design af fitness hearables. Som vist kan udviklere ved hjælp af MAX98090 sammen med tilsvarende optimerede SoC-enheder opbygge et fleksibelt hardwarefundament til sofistikerede fitness hearables.