Hvordan man hurtigt implementerer et TWS-Earbuds design af høj kvalitet med en dedikeret tweeter og woofer

I de tidlige dage med lydstreaming var de trådløse datahastigheder begrænsede, og brugerne accepterede et tab af lydkvalitet som prisen for bekvemmeligheden ved at have tusindvis af digitale musiknumre i lommen. Men med indførelsen af trådløs teknologi, der understøtter større trådløs gennemstrømning og forbedrede komprimeringsalgoritmer, er forbrugerne blevet mere kræsne. Det betyder, at designerne nu skal tilbyde ægte trådløs stereo (TWS) lyd i Earbuds for at opfylde forbrugernes forventninger. TWS-Earbuds lovede at gengive lyden mere præcist i hele lydspektret, især de højere frekvenser, som typisk gik tabt på ældre designs.

Men lydkvalitet er kun ét aspekt af moderne trådløs lydgengivelse. På et konkurrencepræget marked skal headsetudviklere se nøje på, hvad forbrugerne ønsker, og bruge denne indsigt til at differentiere slutproduktet så effektivt og omkostningseffektivt som muligt. For eksempel ønsker forbrugerne også effektiv aktiv støjreduktion (ANC) og afbødning af okklusionseffekter, så de bedre kan nyde deres lytteoplevelse. For ældre lyttere er der også stigende efterspørgsel efter automatisk kompensation (hørepersonalisering) for naturligt høretab ved de højere frekvenser.

For at opfylde disse krav kræves en ny tilgang med design, hvor bashøjttalere er adskilt for basen og tweeter-øjttalere for tweeteren. Dette ligger uden for mange udviklingsteams kompetencer, hvilket resulterer i forlænget time-to-market-tidsplan og potentielt tabte muligheder, mens de ansætter eller udvikler ekspertisen.

Denne artikel opsummerer den udvikling, der driver kommerciel trådløs lyd, og deres indvirkning på hardware- og softwaredesignet af Earbuds. Artiklen introducerer derefter et referencedesign for TWS-Earbuds og viser, hvordan designere kan bruge det til hurtigt at markedsføre headset-løsninger, der giver mulighed for differentierede funktioner, samtidig med at de præcist gengiver den stærke bas og udvidede tweeter, der nu opfanges af moderne lydkomprimeringssoftware.

Fremskridt inden for digital lyd

I den virkelige verden er lyd et analogt signal, men vores optage- og afspilningsudstyr håndterer i vid udstrækning digitale signaler. Lyd digitaliseres ved hjælp af en analog-til-digital-konverter (ADC), der drives af en kodnings-/afkodningsalgoritme ("codec"), som styrer samplingfrekvensen i hertz (Hz) og bitdybden (bits). Sampling opfanger lydens analoge bølgeforms amplitude med bestemte intervaller.

Samplerate er en afvejning. Lavere hastigheder resulterer i færre data at håndtere, men i en lavere opløsning. Bitdybden er antallet af bitinformationer i hver prøve; igen er der behov for et kompromis mellem antallet af bitinformationer og lydkvaliteten. Almindelige bitdybder er 16, 24 og 32 bit (figur 1).

Figur 1: Analog lyd digitaliseres ved sampling med en given frekvens og bitrate. Ved at øge samplingfrekvensen og bitdybden sikres det, at den digitaliserede information i højere grad afspejler det analoge signal og forbedrer kvaliteten af gengivelsen. (Billedkilde: Knowles)

Samplingfrekvens × bitdybde × antal kanaler bestemmer bitraten i bit pr. sekund (bps). For at opnå acceptabel musikkvalitet er bitraten typisk større end 192 kilobit pr. sekund (kbps). CD-kvalitet er f.eks. baseret på en samplingfrekvens på 44,1 kilohertz (kHz) og en bitdybde på 16 bit. For stereo-gengivelse er bitraten derfor 1,411 megabit pr. sekund (Mbps).

Konventionelle codecs anvender typisk komprimeringsteknikker, der under kodningen udelukker oplysninger, som man har vurderet ikke vil påvirke lytterens opfattelse af den afkodede lydstrøm for meget. Målet er at sænke bitraten så meget som muligt uden at gå unødigt på kompromis med lydkvaliteten. Sådanne codecs kaldes "lossy", fordi dekoderen aldrig kan gengive det oprindelige signal, da den ikke har alle de oprindelige oplysninger. Det er typisk de højere tweeter-frekvenser, der elimineres af tabsgivende codecs.

Takket være fremskridt inden for radio med lav effekt og kort rækkevidde kan trådløse forbindelser understøtte større gennemløb uden at gå på kompromis med batterilevetiden. F.eks. tilbyder Bluetooth LE Audio, en nyligt frigivet form for Bluetooth LE-baseret trådløs streaming, nu både en meget højere lydkvalitet end Classic Bluetooth Audio og et lavere strømforbrug.

Ingeniørerne har også forbedret effektiviteten af deres codecs. Disse nyere "tabsfri" codecs har kombineret med trådløse forbindelser med højere gennemløbskapacitet muliggjort meget højere trådløs lyd (tabel 1). Lydtjenester fra virksomheder som Apple, Amazon og Spotify tilbyder nu tabsfri streaming af lyd i høj kvalitet. Designeren bør dog være opmærksom på, at den kodede bitrate for de tabsfri codecs ofte er højere end den trådløse forbindelse pålideligt kan understøtte. Sonys LDAC-codec kodet f.eks. med en bitrate på 6,1 Mbps (32 x 96 x 2), men bitraten for den trådløse forbindelse er begrænset til 990 kbps.

Tabel 1: Sammenligning af "tabsfrie" codecs (Sony, Savitech og Qualcomm) med codecs af cd-kvalitet og codecs med tab (Qualcomm og Bluetooth SIG (SBC)). Bemærk, at den maksimale bitrate for de tabsfri codecs er begrænset af den trådløse Bluetooth-forbindelses kapacitet. (Billedkilde: Knowles)

ANC og personlig lyd

Forbrugernes forventninger til TWS-Earbuds rækker ud over den fremragende lyd. Produkter i den høje ende skal også tilbyde ANC og andre funktioner. ANC er populært, fordi det giver brugerne en kvalitetslytteoplevelse, når der er et højt niveau af baggrundsstøj, f.eks. i en flykabine. ANC fungerer ved hjælp af mikrofoner, der er indbygget i Earbuds, som opfanger lavfrekvent støj og fjerner den, før brugeren er klar over, at den eksisterer. Annullering sker, når headsettet genererer en sekundær lyd, der er omvendt 180˚ i forhold til den oprindelige støj.

En anden vigtig forbedring, der nu tilbydes med trådløse Earbuds, er personlig lyd. Brugere med hørevanskeligheder, som de er født med, eller som udvikles med alderen, kan have særlige vanskeligheder med at høre højere frekvenser (figur 2). Der findes smartphone-apps og andre værktøjer, der giver brugeren mulighed for at øge specifikke frekvenser for at kompensere for høretab, men de er ofte rudimentære og giver dårlige resultater. Men nu går produkter af høj kvalitet videre med algoritmer, der indstiller hørelseniveauer over hele frekvensområdet ved at udsætte brugeren for en detaljeret lyttetest. Resultatet er Earbuds med output, der er perfekt tilpasset til at kompensere for hørevanskeligheder.

Figur 2: Efterhånden som brugerne bliver ældre, mister de gradvist evnen til at høre højere frekvenser. Personlig lyd forstærker udvalgte frekvenser for at kompensere for tab af hørefølsomhed. (Billedkilde: Knowles)

En sidste teknisk udvikling i moderne Earbuds er reduktion af okklusion. Der opstår okklusionseffekter, når en Earbud forsegler den ydre del af øregangen. Dette er et almindeligt problem med produkter, der er designet til at sidde relativt tæt i øret. Earbuds øger effektivt den akustiske "impedans" i øregangen, hvilket igen øger amplituden af det akustiske tryk, især når øret udsættes for lavfrekvent lyd fra brugeren (f.eks. ved at tale, gå og synke). Resultatet er et ekko-lignende "boom" i øret, som er irriterende og distraherende.

Producenterne af Earbuds har arbejdet på at reducere okklusionseffekter ved hjælp af mekanisk design, f.eks. ved at tilføje en lille åbning mellem Earbuds og øregangen for at reducere den akustiske impedans, og ved hjælp af softwaredesign, f.eks. ved at inkludere okklusionsreduktion i ANC-rutinerne.

Fordelene ved separate bas- og tweeter

Indtil for nylig var det mindre udfordrende at designe trådløse hovedtelefoner end at designe højttalere i fuld størrelse, der var forbundet til audiofile lydsystemer i topklasse. Brugerne accepterede lavere kvalitet i deres hovedtelefoner som prisen for bekvemmelighed, og det gjorde det lettere for designerne at udvikle produkter i en lille formfaktor til en rimelig pris. Det var f.eks. almindeligt at bruge en full-range-driver i stedet for en separat bashøjttaler og tweeter for at spare plads. Højere frekvenser blev potentielt ofret, men det var næppe et problem, da disse frekvenser ikke var til stede i den trådløse lydstrøm.

Men med fremkomsten af tabsfri codecs og teknologier med høj kapacitet som Bluetooth LE Audio tilbyder trådløs lyd nu et komplet udvalg af bas- og tweeter-frekvenser (figur 3). At gengive denne lyd kræver meget mere af Earbuds. Desuden forventer forbrugerne ANC, personlig lyd, reducerede okklusionseffekter og egnethed til en lang række anvendelsesmuligheder, herunder musik, tv, videokonferencer og taleopkald - alt sammen i en meget kompakt formfaktor og igen til en rimelig pris.

Figur 3: Tabsfri codecs giver mere højfrekvensinformation, hvilket giver bedre gengivelse af tweeter-toner under musikafspilning i passende designede Earbuds. (Billedkilde: Knowles)

Mange af disse krav kræver designmæssige afvejninger. For at levere effektiv ANC i støjende miljøer som f.eks. en flykabine skal højttalerdriverne f.eks. producere høj basoutput med lav forvrængning. Halvåbne konstruktioner, der tager højde for tildækning, stiller yderligere krav til basudgangen. Samtidig kræver tabsfri lydgengivelse, at højttalerdriveren kan håndtere tweeter-udgange på op til 20 kilohertz (kHz) og derover. At opfylde begge krav med en enkelt dynamisk højttalerdriver i en lille formfaktor er praktisk talt umuligt.

Løsningen er at dele bas- og tweeter-frekvenserne op på en dynamisk bashøjttaler og en separat BA-højttaler (balanced armature). BA-tweeteren er en specialiseret komponent, der oprindeligt blev udviklet til høreapparatanvendelser, og som nu i stigende grad bruges til at øge tweeter-responsen i Earbuds af høj kvalitet. I en BA-tweeter får et elektronisk signal et lille rørblad til at vibrere, som er afbalanceret mellem to magneter i et kompakt kabinet. Rørbladets bevægelse overføres til en meget stiv aluminiummembran, som frembringer lyden.

Med en dedikeret woofer og BA-tweeter konfiguration kan wooferen designes til at fokusere på at levere kraftig bas til understøttelse af tabsfri gengivelse, ANC og reduktion af okklusionseffekter, mens BA-tweeter udgangen er optimeret til klar og tydelig diskant. Dette reducerer behovet for udligning, hvilket igen sparer strøm og øger den dynamiske headroom (Figur 4).

Figur 4: Ved at opdele højttalersystemet i en dynamisk bashøjttaler (grøn) og en BA-højttaler (blå) opnås et fladt frekvens-"hybrid"-respons (rød). (Billedkilde: Knowles)

En anden fordel ved at adskille højttalerdriverne er, at designeren har en større grad af frihed med hensyn til driverarrangementet. For eksempel kan wooferen være mindre direkte rettet mod ørespidsen, hvilket gør det muligt at placere BA-tweeteren tæt på øreåbningen for at minimere mængden af luft, der er fanget mellem højttaleren og ørespidsen, hvilket begrænser okklusionseffekten (figur 5).

Figur 5: Ved at adskille wooferen og tweeteren i Earbuds kan tweeteren placeres foran på enheden, hvilket er med til at begrænse okklusionseffekter. (Billedkilde: Knowles)

Desuden giver adskillelsen af bas- og tweeter designerne mulighed for at forfine frekvensresponsen. De kan f.eks. forme de akustiske egenskaber nær tweeter-åbningen for at forfine høj frekvensresponsen. Derefter kan designerne justere crossoveren for at sikre en jævn blanding af signalerne fra wooferen og tweeteren. Designere kan også justere tweeterens følsomhed for at opnå et bedre match med bashøjttaleren ved at vælge en højere eller lavere spoleimpedans. Den endelige udformning af Earbuds samlede frekvensrespons kan man opnå ved hjælp af digital signalbehandling (DSP) aktiveret tuning.

Da mange Bluetooth-IC'er har dobbelte udgange, kan wooferen og tweeteren desuden drives af individuelle forstærkere for at opnå endnu større fleksibilitet i udformningen af frekvensresponsen.

Trådløst referencedesign af høj kvalitet til trådløs lyd

Ingeniører, der er vant til en enkelt højttalerdriver i deres trådløse design, vil blive udfordret af den ekstra kompleksitet, som den separate bashøjttaler og tweetere, der er nødvendige for at gengive lyd af høj kvalitet, medfører. Tendensen går dog klart i retning af højere lydkvalitet, så der skal overvejes en vej mod et design med to drivere til kvalitetsgengivelse af tabsfri lydstreaming.

For at hjælpe designere med at bevæge sig i denne retning har Knowles, en BA tweeter-producent, introduceret TC-35030-000 True Wireless Stereo earbuds-referencedesignet. Referencedesignet forkorter time-to-market for TWS-Earbuds ved at inkludere mange af de vigtigste avancerede funktioner, som brugerne efterspørger, og fjerner dermed mange af de almindelige designudfordringer.

Referencedesignet omfatter Knowles' eget design af en BA-tweeter for god højfrekvent lyd sammen med en dynamisk 10 mm bashøjttaler for solid bas. Enheden omfatter også MEMS-mikrofoner (mikroelektromekaniske systemer) til ANC og taleopkald. Referencedesignet giver 13 timers (timer) afspilningstid eller 8 timer (timer). taletid fra det indbyggede batteri, og den er kompatibel med Bluetooth 5.2. Yderligere funktioner, der er indbygget i sættet, omfatter touch-kontrol og integreret stemmeassistentteknologi (Figur 6).

Figur 6: TWS-referencedesignet TC-35030-000 TWS-Earbuds har en BA-tweeter for god højfrekvenslyd og en 10 mm dynamisk bashøjttaler for solid bas. (Billedkilde: Knowles)

BA-tweeteren giver en respons, der strækker sig langt over 20 kHz. Når man sammenligner Knowles-produktets tweeter-udgang med en typisk 8 mm dynamisk højttaler, giver BA-tweeteren den øgede tweeter-udgang og forlængelse, der er nødvendig for lyd af høj kvalitet, herunder muligheden for at understøtte personlig tilpasning eller forbedring af hørelsen (Figur 7).

Figur 7: Her ses højfrekvensresponsen for Knowles' BA-tweeter sammenlignet med responsen for en dynamisk højttaler. (Kilde til figur: Knowles)

Konklusion

Fremskridt inden for trådløse halvledere og codecs har ændret landskabet for Earbuds. Forbrugerne forventer nu dyb bas, raffineret tweeter og et bredt dynamisk område fra deres TWS-enheder til in-ear brug. Desuden forventer brugerne avancerede funktioner som ANC og personlig lyd og accepterer i mindre grad effekter som f.eks. okklusion.

For bedre at opfylde frekvensresponskravene til TWS-headsets skal designerne gå over til design med dobbeltdrivere med en dedikeret tweeter og bashøjttaler. Selv om det er en teknisk udfordring, kan Knowles' TC-35030-000 TWS-Earbuds referencedesign hjælpe dig med at gøre det. Den kombinerer en BA-tweeter, en woofer og MEMS-mikrofoner og udgør et godt grundlag for design af højkvalitetslydøre med funktioner, der muliggør en klar produktdifferentiering.