Rakenna todellisen langaton fitness-älykuuloke – Osa 2: Audioprosessointi

Toimittajan huomautus: vaikka fitness-älykuulokkeissa on paljon potentiaalia, niissä piilee merkittäviä suunnitteluhaasteita kolmella avainalueella: biomittaus, audioprosessointi ja langaton lataus. Tässä kolmen artikkelin sarjassa tutkitaan kutakin haastetta yksitellen ja esitetään kehittäjille, miten he voivat hyödyntää erittäin vähän virtaa käyttäviä laitteita ja luoda fitness-älykuulokkeita tehokkaammin. Osa 1 käsitteli sykkeen ja SpO₂:n biomittausta. Osassa 2 tarkastellaan audioprosessointia. Osa 3 käsittelee fitness-älykuulokkeiden suunnitteluratkaisuja langattoman latauksen ja virranhallinnan osalta.

Kuten osassa 1 mainittiin, korvan sisäiset langattomat älykuulokkeet, joita kutsutaan myös todellisen langattomiksi älykuulokkeiksi, ovat nousseet suosituiksi äänentoistolaitteiksi erityisesti kuntoilussa, jossa johdot voivat häiritä liikkumista ja tarttua laitteisiin. Kun näihin malleihin lisätään terveysmetriset mittaukset, kehittäjät voivat luoda fitness-älykuulokkeita, jotka tarjoavat sekä äänentoistoa että kuntotietoja.

Biomittausominaisuuksien lisääminen on jännittävä kehitysvaihe, mutta kehittäjät eivät voi unohtaa älykuulokkeiden ydintoiminnallisuutta: korkealaatuista äänentoistoa. Ongelmana on nyt se, miten laadukas äänentoisto voidaan säilyttää ja lisätä samalla uusia toimintoja niin pienessä muodossa, että akkukesto pysyy tyydyttävänä.

Tässä artikkelissa käsitellään audiokoodekkien ja prosessoreiden roolia ja esitellään älykuulokkeiden äänentoistojärjestelmäarkkitehtuurin keskeiset elementit. Sen jälkeen artikkelissa esitellään sofistikoitunut Maxim Integrated -audiokoodekki ja näytetään, miten suunnittelijat voivat sen avulla täyttää käyttäjien odotukset korkealaatuisesta äänestä ja pitkästä akkukestosta kompaktissa muodossa.

Audiokoodekit ja prosessorit

Audiokoodekkeja ja erikoisaudioprosessoreita on käytetty korkean suorituskyvyn audiolaitteissa jo vuosien ajan. Jokaisessa yhdistetään täydellinen signaaliketju äänisignaalin näytteenottoa, muuntoa ja muokkausta varten. Koodekeissa (johdettu sanoista kooderi-dekooderi) audiosignaalin koodaus- ja dekoodausmahdollisuudet ovat perinteisesti rajoittuneet laitetasolla toteutettuun laiteohjelmistoon, kun taas audioprosessoreissa tämä toiminto rakentuu tyypillisesti ohjelmoitavan digitaalisen signaaliprosessorin (DSP) ympärille. Näiden tuoteluokkien väliset rajat hämärtyvät yhä useammin uudelleenohjelmoitavien koodekkien ja kiinteillä ominaisuuksilla varustettujen audioprosessorien yleistymisen ansiosta. Kummassakin tapauksessa kehittäjillä on käytettävissään tehokkaat audiosignaalin prosessointilaitteet, jotka pystyvät täyttämään vaativimmankin audiofiilin vaatimukset.

Pienten korvan sisäisten kuulokkeiden tai nappikuulokkeiden laaja suosio on entisestään edistänyt näiden audiosignaalin prosessointilaitteiden kehittymistä kohti mikrosirulla toteutettua täydellistä audioalijärjestelmää. Yhdessä langattomien tiedonsiirto- ja lataustekniikoiden kanssa nämä laitteet voivat tarjota perustan todella langattomille kuulokkeille, jotka pystyvät tarjoamaan huomattavan täyteläisen äänen ilman häiritseviä kaapeleita.

Älykuulokkeiden kehitys

Toisin kuin perinteiset johdolliset korvanapit, todella langattomat kuulokkeet ovat lisänneet kehittäjien kohtaamia haasteita huomattavasti. Näiden tuotteiden on täytettävä kuuntelijan äänentoistoa koskevat vaatimukset sekä samalla myös mobiilikäyttäjän odotukset mukavuudesta ja käytettävyydestä. Tämän seurauksena tuotteen on tarjottava poikkeuksellisen laadukas ääni ja ominaisuudet. Lisäksi sen on oltava kooltaan mahdollisimman pieni ja sen akun on kestettävä mahdollisimman pitkään. Onneksi kehittäjillä on käytettävissään monipuolinen valikoima audiokoodekkeja ja ääniprosessoreita, jotka pystyvät täyttämään nämä laajat vaatimukset.

Niin kutsutut älykorvanapit tai älykuulokkeet edustavat todellisten langattomien korvanappien luonnollista evoluutiota. Muiden kehittyneiden toimintojen lisäksi niissä on antureita biomittausta, liiketunnistusta ja muita ominaisuuksia varten, joiden tarkoitus on parantaa käyttäjän hyvinvointia ja tietoisuutta ympäristöstä.

Vaikka fitness-älykuulokkeet ovat toiminnallisesti kompleksisia, ne voidaan rakentaa juuri tällaisia vähävirtaisia sovelluksia varten kehitettyjen ja helposti saatavilla olevien järjestelmäpiirilaitteiden (SoC) laitteistoalustoille. Kuten mainittiin tämän sarjan osassa 1, Maxim Integrated MAXM86161 -bioanturi tarjoaa kaikki biomittausominaisuudet, joita näiltä laitteilta vaaditaan. Samoin Maxim Integrated MAX98090 -audiokoodekki tarjoaa täydellisen audioalijärjestelmän, joka pystyy tukemaan monipuolisia kehittyville fitness-älykuulokkeille suunnitteilla oleva audio-ominaisuuksia. Kehittäjät voivat toteuttaa laitteistoperustan sofistikoituneille fitness-älykuulokkeille (kuva 1) näiden laitteiden sekä Bluetooth-radiotaajuussäätimen ja virranhallintaan tarkoitettujen integroitujen piirien (PMIC) avulla.

Kuva 1: Fitness-älykuuloke laajentaa todellisen langattoman kuulokkeen ominaisuuksia biotunnistuksella. Samalla siltä kuitenkin odotetaan samaa korkealaatuista äänentoistoa ja pitkää akkukestoa. (Kuvan lähde: DigiKey, Maxim Integrated -lähdemateriaalin perusteella)

Kattava audioalijärjestelmä

Erityisesti mobiilisovelluksia varten suunnitellussa MAX98090-audiokoodekissa yhdistyvät erittäin vähävirtainen suorituskyky ja monella tapaa konfiguroitava audiosignaalin prosessointi. Laitteen ytimenä toimivaan digitaaliseen Maxim Integrated FlexSound -signaaliprosessoriin (DSP) voidaan syöttää analogisten ja digitaalisten tulojen eri yhdistelmiä. Laite voi puolestaan tuottaa FlexSound-muunnettua ääntä erillisiin lähdön signaalireitteihin, jotka on optimoitu erityyppisille kaiuttimille (kuva 2).

Kuva 2: Erityisesti korvan sisäisiä laitteita varten suunnitellussa Maxim Integrated MAX98090 -audiokoodekissa on integroituna kattava sarja tulo-, lähtö- ja prosessointiominaisuuksia. Ne tarjoavat täydellisen audioalijärjestelmän, joka vastaa älykuulokkeen virta- ja kokovaatimuksia. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Digitaalinen MAX98090-audioliitäntä (DAI) on alijärjestelmä, joka tukee näytteenottotaajuuksia alkaen 8 kilohertsin (kHz) puheäänestä aina 96 kHz:n ääneen korkealla resoluutiolla sekä erilaisissa vakiomallisissa pulssikoodimodulaatiomuodoissa (PCM). Tyypillisessä ratkaisussa digitaalinen audiotulo siirtyy suoraan lähteestä DAI-alijärjestelmään. Analogisille lähteille MAX98090 tarjoaa monikanavaisen analogisen etuasteen, joka koostuu tulon multipleksereistä, miksereistä, esivahvistimista sekä vahvistimista ohjelmoitavalla vahvistuksella (PGA). Analogiset ja digitaaliset tulot yhdistyvät kaikki vasemman ja oikean kanavan erillisiin miksereihin, jotka kukin syöttävät äänen sille tarkoitettuun analogia-digitaalimuuntimeen (ADC). ADC-ulostulo vasempaan ja oikeaan kanavaan siirtyy sitten DAI-alijärjestelmään, joka lopuksi vie digitaalisen äänen FlexSound DSP -ytimeen.

DSP-ydin tarjoaa signaaliprosessointitoiminnallisuuden, jota tarvitaan äänentoistotuotteissa, mutta jota perinteiset audiokoodekit eivät yleensä tue. Käyttäjät odottavat korvan sisäisten laitteiden tarjoavan riittävän äänenvoimakkuuden, joka vaimentaa meluisan ympäristön, esimerkkinä kuntosali, mutta tuottaa silti puhtaan äänisignaalin kaikissa äänenvoimakkuuksissa. MAX98090 FlexSound DSP -ydin vastaa kaikkiin näihin vaatimuksiin useita asteita sisältävällä toistoalijärjestelmällä, esimerkkinä erillinen seitsenkaistainen parametrinen taajuuskorjain, automaattinen tasonsäätö (ALC) sekä useita vasemman ja oikean kanavan suodattimia (kuva 3).

Kuva 3: FlexSound DSP -ydin Maxim Integrated MAX98090 -audiokoodekin sisällä tarjoaa erityisiä moniasteisia reittejä vasemman ja oikean audiokanavan erillistä prosessointia varten. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Nämä ominaisuudet tarjoavat erittäin joustavan audioprosessointikyvyn, joka vastaa jokaisen sovelluksen erilaisia vaatimuksia. Seitsenkaistaisen tilan lisäksi taajuuskorjain pystyy esimerkiksi kolmi- tai viisikaistaiseen toimintaan, jota saatetaan tarvita yksinkertaisempaa käyttöliittymää käyttävissä tuotteissa. Samoin ALC:hen on integroitu ohjelmoitava DRC-ominaisuus, jolla voidaan estää sekä voimakkaiden audiosignaalien leikkaaminen että heikon taustametelin vahvistaminen. Digitaalisten audiotietojen puhdistamista varten laitteen digitaalisten suodattimien sarja sisältää FIR-suodattimen musiikille ja korkealle äänenlaadulle sekä IIR-suodattimen 8 tai 16 kHz:n äänisovelluksille. FIR-musiikin ja IIR-äänen suodattimiin voidaan lisätä myös DC-eston ylipäästösuodatinaste vaimentamaan matalataajuista ääntä.

DSP-ytimen lähdössä erityinen digitaali-analogiamuunnin (DAC) vasemmalle ja oikealle kanavalle siirtää saadun analogisen signaalin MAX98090-lähtömiksereihin. MAX98090-piirin tuloalijärjestelmä tukee useita audiolähdön konfiguraatioita ja kaiutintyyppejä integroitujen D-luokan kaiutinlähtöohjainten, H-luokan kuulokelähtöohjainten ja konfiguroitavien AB-luokan ohjainten ansiosta. Kehittäjien tarvitsee vain asettaa kullekin ulostulotyypille niihin liittyvät rekisterit. Niillä määritetään MAX98090-audiokoodekki ohjaamaan stereo- tai monolähtö vasemmasta tai oikeasta kanavasta lähtöohjaimeen halutun tarkoituksen mukaan.

Parannettu vähävirtainen älykuuloke

Fitness-älykuulokkeissa kehittäjät määrittävät MAX98090-audiokoodekin käyttämään yleensä H-luokan kuulokelähtöä. Se ohjaa mikrokaiuttimia tai markkinoille ilmestyneitä MEMS-kaiuttimia (microelectromechanical systems), esimerkkinä korvan sisäisiä sovelluksia varten kehitetty Usound UT-P 2017. Fitness-älykuulokkeessa digitaalinen ääni kulkee Bluetooth-liitännän läpi suoraan MAX98090-laitteen digitaalisen äänitulon alijärjestelmään. Tämän seurauksena kehittäjät voivat säästää virtaa konfiguroimalla MAX98090-laite ohittamaan kuulokealijärjestelmän sisäinen mikseri, koska peruskonfiguraatiossa ei tarvita analogisen ja linjatulon valintoja (kuva 4).

Kuva 4: Sellaisissa toistolaitteissa kuten korvanappikuulokkeet Maxim Integrated MAX98090 -audiokoodekki voi toimia vähävirtaisessa konfiguraatiossa. Näin digitaalinen ääni lähetetään suoraan laitteen integroituun kuulokelähdön alijärjestelmään. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Tässä konfiguraatiossa MAX98090 kuluttaa virtaa vain noin 6 milliwattia (mW). Virransäästöä voidaan parantaa edelleen, jos MAX98090-laitteen kuulokelähdön alijärjestelmä konfiguroidaan toimimaan erityisessä vähävirtaisessa tilassa, joka pudottaa virrankulutuksen noin 3,85 milliwattiin.

Korvan sisäisten laitteiden tyypillisesti rajallinen virtabudjetin pitämiseksi kehittäjät voivat myös valikoivasti poistaa käytöstä MAX98090-laitteen yksittäisiä tulo- ja lähtölohkoja. Jos laitetta ei käytetä, se voidaan asettaa ohjelmallisesti sammutustilaan. Tällöin se kuluttaa vain muutamia mikroampeereita. Tässä tilassa laitteen I²C-sarjaliitäntä pysyy aktiivisena. Tällöin kehittäjät voivat ladata uusia konfiguraatioita ennen laitteen käynnistämistä uudelleen asettamalla bitin sen sammutusrekisteriin. Näin laite palaa täysin aktiiviseen tilaan vain 10 millisekunnissa (ms) tarjoten käyttäjälle lähes välittömän käynnistyskokemuksen.

Suunnitellessaan fitness-älykuulokejärjestelmää kehittäjät voivat yhdistää MAX98090-laitteen sen I²C-sarjaliitännän kautta erittäin vähävirtaiseen Bluetoothia käyttävään mikrokontrolleriin, kuten ON Semiconductorin RSL10 (katso Rapidly Deploy a Battery-Powered Bluetooth 5 Certified Multi-Sensor IoT Device. MAX98090-laitteeseen integroidut kattavat sarja tulo-, prosessointi- ja lähtölohkoja merkitsevät sitä, että tällaisen järjestelmäintegroinnin toteuttamiseen tarvitaan vain muutamia lisäkomponentteja (kuva 5).

Kuva 5: Kehittäjät voivat toteuttaa Maxim Integrated MAX98090 -audiokoodekin laitteistoliitännän vain muutamalla lisäkomponentilla. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Edellä kuvattua perusäänentoistomallia voidaan parantaa erittäin helposti lisäominaisuuksilla, esimerkkinä audiotulon käyttö Bluetoothin kautta yhdistetylle ääniavusteisille liittymille tai matkapuhelinkeskusteluihin. Jotta käyttäjän ääni saadaan talteen, laite voi käyttää vähävirtaisia elektreettimikrofoneja, kuten Knowlesin FG-sarjan 50 mikroampeerin (μA) mikrofoneja, tai analogisia MEMS-mikrofoneja, kuten TDK InvenSense 25 μA ICS-40310- tai Vesper Technologies 5 μA VM1010 -mikrofonia.

Muutamalla rekisterin lisäasetuksella kehittäjät voivat konfiguroida MAX98090-piirin hyväksymään äänitulon näistä analogisista mikrofoneista tai tarpeen mukaan digitaalisista mikrofoneista. Erilliset analogisen ja digitaalisen mikrofonin tuloasteet tarjoavat vaaditut etuasteet analogisen signaalin käsittelylle ja digitaaliselle säädölle (kuva 6).

Kuva 6: Maxim Integrated MAX98090 -audiokoodekki tarjoaa täydellisen analogisen etuasteen (A) sekä digitaalisen liitännän (B) analogisten ja digitaalisten mikrofonien liittämiseen. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Tulon jälkeen digitalisoitu datavirta siirtyy FlexSound DSP -ytimen erilliseen tallennusalijärjestelmään, joka edeltää aiemmin kuvattua DSP-toistoalijärjestelmää. Toistotoiminnon tavoin myös tallennustoiminto tarjoaa useita peräkkäisiä prosessointiasteita. Tässä tapauksessa prosessointiin kuuluu joukko digitaalisia suodattimia, mukaan lukien IIR-äänisuodatin, FIR-musiikkisuodatin ja DC-estosuodatin (kuva 7).

Kuva 7: Maxim Integrated MAX98090 -audiokoodekki tukee analogista ja digitaalista tuloa sekä sisältää moniasteisen tallennusreitin yrityksen FlexSound DSP -ytimessä. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Tämän jälkeen DSP-toistojärjestelmä yhdistää tallennetun sivuäänen ensisijaisen digitaalisen musiikkivirran kanssa jatkoprosessointia ja MAX98090-lähtöalijärjestelmään toimitusta varten.

Yhteenveto

Todellisten langattomien fitness-älykuulokkeiden on kyettävä tuottamaan monipuolisia toimintoja, joilla tarjotaan käyttäjien odottamat uusimmat ominaisuudet; samalla niiden on toimittava tiukkojen teho- ja kokorajoitusten puitteissa. Äänentoiston osalta Maxim Integrated MAX98090 -audiokoodekki yhdistää analogiset ja digitaaliset tulon ja lähdön alijärjestelmät sofistikoituneella digitaalisella audiosignaaliprosessorilla, joka tarjoaa fitness-älykuulokkeissa vaaditut monipuoliset audiotoiminnot. Kuten artikkelissa on esitetty, käyttämällä MAX98090-laitetta yhdessä samalla tavalla optimoitujen SoC-laitteiden kanssa kehittäjät voivat rakentaa joustavan laitteistoperustan sofistikoituneille fitness-älykuulokkeille.