ADI:n kehitysalusta tarjoaa komponentit ja työkalut avoimia kuulokkeita käyttävien AR-lasien kehittämiseen

Tilaäänen integrointi lisätyn todellisuuden (Augmented Reality, AR) laseihin voi luoda ihmisille mukaansatempaavia ja vuorovaikutteisia aistielämyksiä, jotka tuovat fyysistä ja digitaalista maailmaa lähemmäs toisiaan. Suunnittelijoiden on kuitenkin varmistettava, että äänitehosteiset AR-lasit ovat kevyitä ja tarjoavat riittävän käyttöajan.

Älykkäiden AR-lasien markkinat näyttävät olevan lähdössä merkittävään nousuun, ja niiden myynnin ennustetaan kasvavan vuoden 2023 hieman yli 676 000:sta yksiköstä jo 13 miljoonaan vuonna 2030, mikä vastaa 53 %:n vuosittaista kasvuvauhtia. Näyttöjen laadun, akunkeston ja suorituskyvyn parannukset tehostavat AR-lasien käytännöllisyyttä yritys-, teollisuus- ja kuluttajakäytössä.

Upotetuilla mikrofoneilla ja kaiuttimilla varustetut AR-lasit tarjoavat nopean pääsyn ääniavustajiin ja musiikin toistoon. Tämä voi olla kriittinen tekijä digitaalisten kaksosten hyödyntämiseksi tehtaissa tai navigointiohjeiden ja suoriutumistietojen tarjoamiseksi pyöräilijöille.

Hi-Fi-tasoinen tilaääni voi tehostaa huomattavasti käyttäjän AR-kokemusta lisäämällä visuaalisiin interaktioihin tekstuuria, kontekstia ja merkityksellisyyttä. Laitteen on oltava pieni käyttäjien hyväksynnän ja tyytyväisyyden saavuttamiseksi, mutta se tekee suorituskykyisen äänen toistamisesta AR-lasien kautta erityisen haasteellista. Lisäksi näiden laitteiden on oltava kevyitä ja tarjottava hyvä akunkesto. Tämä on erityisen haastavaa haluttaessa käyttää korkealaatuista äänentoistoa, videon tallennusta ja visuaalisia näyttöjä.

Suoritustehon ja näyttöresoluution kehitysten ohella ääni ja tehonhallinta ovat kriittisiä tekijöitä onnistuneiden ja laitteiden kysynnän maksimoivien sovellusten luomisen kannalta. Ratkaistavia haasteita ovat mm.:

• Pienemmillä kaiuttimilla on usein korkeammat resonanssitaajuudet, jotka voivat suurella teholla toistettuna vaurioittaa kaiuttimia sekä hankaloittaa syvien bassoäänten toistoa.
• On tärkeää tarjota kohinaton puhelu, joissa käyttäjän ääni kuuluu selkeästi ja ympäristön melu poistetaan. Mikrofonin ja käyttäjän suun välinen etäisyys kuitenkin vaikeuttaa tätä.
• Yhä useampien ominaisuuksien integrointi vaatii parempia akunhallintaratkaisuja nopeamman lataamisen ja pidemmän käyttöiän tarjoamiseksi. Painon, ominaisuuksien ja käyttöiän tasapainottaminen on kriittistä markkinoilla menestymiseksi.
• Monissa käyttötapauksissa halutaan säilyttää käyttäjien kyky kuulla ympäristöään, esimerkkeinä muu liikenne ja työtovereiden puhe.

Avoimet kuulokkeet

Kuvaa ja ääntä luonnollisella ja realistisella tavalla yhdistämään pyrkivien suunnittelijoiden on syystä harkita avoimia kuulokkeita. Avoimissa kuulokkeissa ei käytetä perinteistä kuuloketekniikkaa eikä korvanappeja, joten käyttäjät voivat kuulla sekä AR-äänet että ympäristön äänet. Näin saadaan saumaton ja immersiivinen kokemus heikentämättä vuorovaikutusta ympäristön ja muiden käyttäjien kanssa.

Upotettuja mikrofoneja ja avoimia kuulokkeita käyttävät AR-lasit sopivat hyvin lisätyn todellisuuden, virtuaalitodellisuuden (Virtual Reality, VR) ja yhdistetyn todellisuuden sovelluksiin. Käyttäjät saavat mukavamman kuuntelukokemuksen heikentämättä äänen laatua ja puhtautta. Nämä laitteet sallivat käyttäjien kuulla ympäristönsä äänet ja säilyttää tilannetajunsa. Tämä parantaa turvallisuutta sekä mahdollistaa yhteistyön työtovereiden ja muiden kanssa. Samalla se minimoi riskit ja häiriöt, joita syntyy muiden kuullessa äänisisältöä.

Suunnittelijat voivat luoda avoimien kuulokkeiden ansiosta sovelluksia, joissa kuva- ja äänisisältö yhdistyvät luonnollisella tavalla. Tätä tekniikkaa hyödyntävät AR-lasit lisäävät käyttäjien kokemukseen uuden realismikerroksen tarjoten äänen, joka vaikuttaa tulevan tietystä suunnasta ja tietyltä etäisyydeltä.

Tilaääni tulee olemaan tärkeä osa avointen kuulokkeiden kehitystä. Se luo realistisen ja immersiivisen äänimaailman, joka sopii käyttäjän kuvasisällön perspektiiviin. Esimerkiksi Apple Vision Pro -VR-laitteessa yhdistyvät avoimet kuulokkeet, integroitu tilaääni ja korvien 3D-kartoitus immersiivisen kokemuksen parantamiseksi ilman ulkoisia kuulokkeita.

Tämän ansiosta voidaan simuloida, kuinka käyttäjän korvat, pää ja keho sekä fyysisen ympäristön pinnat ja esineet vaikuttavat ääniaaltoihin. Tilaääni voi myös säätää äänen parametreja dynaamisesti käyttämällä metatietoja, kuten sijaintia, asentoa, etäisyyttä, suuntausta ja nopeutta. Näihin parametreihin kuuluvat äänenvoimakkuus, äänenkorkeus, sointi ja jälkikaiunta, joita voidaan mukauttaa käyttäjän liikkeen ja toiminnan perusteella.

AR-lasien kanssa käytettävien avointen kuulokkeiden suunnittelu vaatii laitteen vahvuuksien ja heikkouksien sekä tilaäänen suunnitteluperiaatteiden ja parhaiden käytäntöjen ymmärtämistä, minkä lisäksi tarvitaan oikeat kehitystyökalut ja -puitteet. Videonäytöt ja videon tallennus vaativat paljon tehoa, joten energiatehokkuus on tärkeää. Korkealaatuinen ääni ja tuotteen ulkoasu ovat merkittävässä asemassa asiakkaiden hyväksynnän saamisen kannalta, ja laitteiden lataamisen tulee olla mahdollisimman kätevää ja latausvälien mahdollisimman pitkiä.

ADI:n kehitysalusta avoimia kuulokkeita käyttäviä AR-laseja varten

Analog Devices, Inc. (ADI) tarjoaa AR-laseja varten kehitysalustaa, johon kuuluu integroitu äänen tallennus ja toisto sekä akunhallintakomponentit ja algoritmit. Nämä komponentit ja kehitystyökalut tarjoavat suunnittelijoille nopean tavan rakentaa ja testata avoimia kuulokkeita käyttäviä AR-laseja.

ADI:n ääniprosessori ja koodekit hyödyntävät yrityksen Pure Voice -algoritmeja puheluäänen parantamiseksi haastavissa akustisissa olosuhteissa, ja Dynamic Speaker Management (DSM™) -algoritmit luovat tehokkaamman ja täyteläisemmän äänen tilarajoitteisissa kaiutintoteutuksissa.

• ADAU1860 (kuva 1) sisältää HiFi 3z DSP -ääniytimen, matalan latenssin FastDSP-ytimen, kahdeksan digitaalista tulokanavaa mikrofoneille (DMIC), kolme analogituloa, yhden analogilähdön ja kaksi pulssitiheysmodulaatiota (Pulse-Density Modulation, PDM) käyttävää lähtökanavaa. Analogisen tulon ja DSP-ytimen polun optimointi latenssin minimoimiseksi tukee ihanteellisesti vastamelutoimintoa.

Kuva 1: ADI ADAU1860-koodekkiin kuuluu muun muassa kaksi DSP:tä, kahdeksan digitaalista mikrofonituloa ja kolme analogituloa. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

• ADAU1797 on vähävirtainen korkean suorituskyvyn koodekkivaihtoehto, johon on integroitu HiFi 3z DSP -ääniydin, matalan latenssin FastDSP-ydin, kolme analogista tulokanavaa, 10 DCIM-tuloa, kaksi PDM-lähtökanavaa sekä huipputehokas D-luokan vahvistinlähtökanava. DSP-ytimet on optimoitu virransäästötilassa pienikokoisia sovelluksia varten, esimerkkinä AR-lasien avoimet kuulokkeet. Korkean suorituskyvyn tilassa HiFi 3z -ytimen taajuus nostetaan 50 MHz:stä 200 MHz:iin, ja FastDSP tukee kaksinkertaista käskymäärää (64 käskystä 128 käskyyn). Tällä korkeammalla prosessointikapasiteetilla voidaan joko vähentää isäntäprosessorin kuormitusta tai käyttää edullisempaa isäntäprosessoria ilman ulkoista ääni-DSP- tai MCU-yksikköä.
• ADI tarjoaa arviointikortteja kummallekin näistä koodekeista. EVAL-ADAU1797Z (kuva 2) käyttää kahdeksaa kerrosta, joissa maataso ja jännitetaso ovat sisemmissä kerroksissa. Syöttöjännite on yksipuolinen 3,8 V – 5 V. Myös neljän kerroksen EVAL-ADAU1860EBZ-kortilla maataso ja jännitetaso ovat sisemmissä kerroksissa. Syöttöjännite voidaan ottaa USB-väylästä tai yksipuolisesta 5 V:n virtalähteestä.

Kuva 2: EVAL-ADAU1797Z-arviointikortti tarjoaa täyden pääsyn ADAU1797-piirin analogisiin ja digitaalisiin tuloihin ja lähtöihin. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

ADI:n älyvahvistimet tarjoavat integroidun jännite- ja virtamittauspalautteen (IV) sekä kaiuttimen hallinta-algoritmit suorituskyvyn maksimoimiseksi tilarajoitteisissa laitteissa.

• MAX98388 on D-luokan digitaalinen monotuloinen vahvistin, joka on suunniteltu AR-, VR- ja älylasisovelluksiin. Siihen tarjoaa IV-palautteen älyvahvistintukea varten ja se voi delegoida DSM-prosessointia äänikoodekille. Se on optimoitu enintään 5,5 V:n sovelluksiin (yksi kenno), ja sen tehokkuus on jopa 90 %.
• Uudempi MAX98390 on integroidun DSM-tuen tarjoava tehostettu D-luokan vahvistin, joka voi kasvattaa äänenpainetasoa (Sound Pressure Level, SPL) ja bassovastetta, mikä mahdollistaa mikrokaiutinten äänenlaadun parantamisen ja tehokkuuden maksimoinnin. Integroitu jännitteenkorotusmuunnin, FET-skaalaus ja DSM mahdollistavat pidemmän akunkeston. Jännitteenkorotusmuuntimen enimmäislähtöjännite on asetettavissa välillä 6,5 V – 10 V, askelkoko 0,125 V, ja akun vähimmäisjännite on 2,65 V. MAX98390CEVSYS# (kuva 3) hyödyntää ADI DSM Sound Studio -ohjelmiston graafista käyttöliittymää, joka yksinkertaistaa DSM-toteutustaMAX98390CEWX+T:-piiriä käyttävissä sovelluksissa.

Kuva 3: MAX98390CEVSYS#-arviointijärjestelmään kuuluu tehokkaalla graafisella käyttöliittymällä varustettu DSM Sound Studio -ohjelmisto MAX98390C-vahvistimen ekstraktointiin, viritykseen ja arviointiin. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Virrankulutus on kriittinen suunnittelutekijä AR-laseissa. Avoimet kuulokkeet vaativat enemmän tehoa kuin tyypilliset kuulokkeet, ja ADI tarjoaakin useita tehokkaita tehonhallintapiirejä, joita suunnittelijat voivat käyttää sovelluksissaan:

• ADI MAX77654-sarjan integroidut tehonhallintapiirit (Power Management Integrated Circuit, PMIC) tarjoavat korkeasti integroidut akunlataus- ja virtalähderatkaisut. Tuotteessa käytetään yhden induktorin ja usean lähdön (Single-Inductor, Multiple-Output, SIMO) regulaattoria, jonka avulla se tarjoaa kolme erikseen asetettavaa jännitetasoa. Smart Power Selector™ Li+/Li-Poly -laturi tarjoaa ohjelmoitavan latausvirran 7,5–300 mA, ohjelmoitavan latausjännitteen 3,6–4,6 V sekä latauksen turvallisuutta parantavan akun lämpötilan valvonnan. Se sisältää kaksi 100 mA:n matalan jännitehäviön (Low-Dropout, LDO) lineaarista regulaattoria aaltoilun poistamiseksi äänisovelluksissa ja muissa kohinaherkissä sovelluksissa.
• MAX77659-PMIC sisältää kahden tulon SIMO-tyyppisen jännitteenkorotus-jännitteenalennusregulaattorin, joka tarjoaa yhden latausjännitetason ja kolme erikseen asetettavaa jännitetasoa yhdellä induktorilla ja yhdellä LDO-yksiköllä aaltoilun poistamiseksi.
• ADI MAX77972 on kolmitoiminen yhdistelmäpiiri, johon kuuluu USB-C-tunnistus, 3 A:n jännitteenalennuslaturi ja varausmittari. Se tukee käänteistä USB On-The-Go (OTG) -vahvistusta ja sisältää Smart Power Selector™ (SPS) -tuen. Varausmittari käyttää ModelGauge™ m5 -algoritmia, joka kompensoi toimintaa automaattisesti kennon ikääntymisen, lämpötilan ja purkautumisnopeuden mukaan sekä tarjoaa tarkat varaustiedot (SOC) erilaisissa käyttöolosuhteissa. USB Type-C Configuration Channel (CC) -tunnistusnastat mahdollistavat automaattisen USB Type-C -virtalähteen tunnistuksen ja tulovirtarajojen määrityksen.
• MAX17301 on itsenäinen akkupuolen varausmittaripiiri. Se tarjoaa suojausominaisuudet, valinnaisen akun sisäisen itsepurkauksen tunnistuksen sekä valinnaisen SHA-256-todennuksen yhden kennon litiumioni-/polymeeriakuille. Yhden tai kahden johtimen Maxim-I²C-rajapinta tarjoaa käyttöön data- ja ohjausrekisterit.
• ADI MAX17332 on yhden piirin akunhallintajärjestelmä, johon kuuluu lineaarinen laturi, varausmittari, akun suojaus ja itsepurkauksen tunnistus. Sen ominaisuuksiin kuuluvat akkukapasiteetin tasapainotus, nopea lataus, rinnakkaisten akkujen itsenäinen lataus sekä ristiinlatauksen estäminen.

Yhteenveto

Ääni on ollut merkittävä rajoite AR-sovellusten potentiaalin saavuttamisessa ja sovellusten suunnittelu on painottunut enemmän visuaalisiin ominaisuuksiin. Avoimet kuulokkeet tarjoavat tilaisuuden täyttää tämä potentiaali kevyemmillä, näyttävämmillä ja mukavammilla AR-laseilla, jotka voivat tukea erilaisia käyttötapauksia. ADI on koonnut komponentti-, työkalu- ja ohjelmistoalustan valmiiden ratkaisujen kehittämiseen.