Miten suunnitella laadukkaat TWS-korvakuulokkeet nopeasti käyttäen erillistä diskanttia ja bassoa

Äänen suoratoiston alkuaikoina langattomat tiedonsiirtonopeudet olivat vaatimattomia ja käyttäjät hyväksyivät äänenlaadun menettämisen hintana siitä, että he saivat kätevästi tuhansia digitaalisia kappaleita taskuunsa. Kuluttajista on kuitenkin tullut entistä vaativampia, kun käyttöön on tullut langatonta tekniikkaa, joka tukee suurempaa langatonta siirtonopeutta ja parempia pakkausalgoritmeja. Tämä tarkoittaa sitä, että suunnittelijoiden on nyt tarjottava TWS (True Wireless Stereo) -stereokuulokkeita täyttääkseen kuluttajien odotukset. TWS-kuulokkeet lupaavat toistaa äänen tarkemmin koko äänispektrillä, erityisesti korkeammilla taajuuksilla, jotka olivat tyypillisesti hukassa vanhemmissa malleissa.

Äänenlaatu on kuitenkin vain yksi osa nykyaikaista langatonta äänentoistoa. Kilpailu markkinoilla on kovaa ja kuulokkeiden kehittäjien on tutkittava tarkkaan, mitä kuluttajat haluavat, ja käytettävä tätä tietoa lopputuotteen differentiointiin mahdollisimman tehokkaasti ja kustannustehokkaasti. Kuluttajat saattavat esimerkiksi haluta tehokasta aktiivista melunvaimennusta (ANC) ja korvakanavaokkluusion vaimennusta, jotta he voivat nauttia kuuntelukokemuksestaan enemmän. Ikääntyneet kuuntelijat kysyvät yhä enemmän myös automaattista kompensointia sille, että korkeampien taajuuksien luonnollinen kuuleminen heikkenee iän myötä (kuulon personointi).

Näiden vaatimusten täyttäminen edellyttää uudenlaista lähestymistapaa, jossa matalia taajuuksia varten on erilliset bassoelementit ja korkeita taajuuksia varten erilliset diskanttielementit. Tämä ylittää monien kehitystiimien taidot, mikä johtaa markkinoille tulon myöhästymiseen ja menetettyihin mahdollisuuksiin, koska asiantuntemusta on palkattava tai kehitettävä.

Tässä artikkelissa esitetään yhteenveto kehitysaskelista, jotka vievät kaupallista langatonta äänentoistoa eteenpäin ja niiden vaikutuksesta korvakuulokkeiden laitteisto- ja ohjelmistosuunnitteluun. Artikkelissa esitellään TWS-kuulokkeiden referenssisuunnitelma ja näytetään, miten suunnittelijat voivat käyttää sitä tuodakseen nopeasti markkinoille kuulokeratkaisuja, jotka mahdollistavat differentioidut ominaisuudet ja toistavat samalla tarkasti voimakkaan basson ja korkeat diskantit, jotka nykyaikaiset äänenpakkausohjelmistot nykyään tallentavat.

Digitaalisen äänen kehitys

Reaalimaailmassa ääni on analoginen signaali, mutta äänitys- ja toistolaitteet käsittelevät suurelta osin digitaalisia signaaleja. Ääni digitoidaan analogi-digitaalimuuntimella (ADC), jonka ytimessä on koodaus/dekoodausalgoritmi ("koodekki"), joka määrittää näytteenottotaajuuden hertseinä (Hz) ja bittisyvyyden (bitit). Näytteenotto tallentaa äänen analogisen aaltomuodon amplitudin tietyin väliajoin.

Näytteenottotaajuus on kompromissi. Pienempi nopeus vähentää käsiteltävän datan määrää mutta sen resoluutio heikkenee. Bittisyvyys on kussakin näytteessä olevan informaation esitykseen käytettävien bittien määrä; bittien määrän ja äänenlaadun välillä on tässäkin tehtävä kompromissi. Tavalliset bittisyvyydet ovat 16, 24 ja 32 bittiä (kuva 1).

Kuva 1: Analoginen ääni digitoidaan ottamalla näytteitä tietyllä taajuudella ja bittinopeudella. Näytteenottotaajuuden ja bittisyvyyden kasvattaminen varmistaa, että digitoitu tieto vastaa paremmin analogista signaalia ja parantaa toiston laatua. (Kuvan lähde: Knowles)

Näytteenottotaajuus × bittisyvyys × kanavien lukumäärä määrittää bittinopeuden bitteinä sekunnissa (bps). Jotta musiikin laatu olisi hyväksyttävää, bittinopeus on yleensä enemmän kuin 192 kilobittiä sekunnissa (kbps). Esimerkiksi CD-tasoinen laatu perustuu 44,1 kilohertsin (kHz) näytteenottotaajuuteen ja 16 bitin bittisyvyyteen. Stereotoistoa varten bittinopeus on siis 1,411 megabittiä sekunnissa (Mbps).

Tavanomaiset koodekit käyttävät yleensä pakkaustekniikoita, joissa koodauksen aikana hylätään sellaista tietoa, jolla on arvioitu olevan vain vähän vaikutusta siihen, miltä dekoodattu äänivirta kuulostaa kuulijasta. Tavoitteena on laskea bittinopeutta niin paljon kuin mahdollista ilman että äänenlaatu kärsisi kohtuuttomasti. Tällaisia koodekkeja kutsutaan "häviöllisiksi", koska dekooderi ei voi koskaan toistaa alkuperäistä signaalia, koska sillä ei ole kaikkea alkuperäistä tietoa. Häviölliset koodekit poistavat yleensä korkeammat taajuudet (diskanttitaajuudet).

Vähävirtaisten lyhyen kantaman radioyhteyksien kehittymisen ansiosta langattomat yhteydet mahdollistavat korkeamman tiedonsiirtokapasiteetin akun kestosta tinkimättä. Esimerkiksi Bluetooth LE Audio, hiljattain julkaistu Bluetooth LE -pohjaisen langattoman suoratoiston muoto, tarjoaa nyt paljon paremman äänenlaadun kuin klassinen Bluetooth Audio ja samalla pienemmän virrankulutuksen.

Insinöörit ovat myös parantaneet koodekkiensa tehokkuutta. Nämä uudemmat "häviöttömät" koodekit yhdistettynä nopeampiin langattomiin yhteyksiin ovat mahdollistaneet paljon paremman langattoman äänentoiston (taulukko 1). Applen, Amazonin ja Spotifyn kaltaisten yritysten äänipalvelut tarjoavat nyt korkealaatuista häviötöntä suoratoistoa. Suunnittelijan on kuitenkin otettava huomioon, että häviöttömien koodekkien koodattu bittinopeus on usein korkeampi kuin mitä langaton linkki voi luotettavasti tukea. Esimerkiksi Sonyn LDAC-koodekki suorittaa koodauksen 6,1 Mbps:n bittinopeudella (32 x 96 x 2), mutta langattoman linkin bittinopeus on rajoitettu nopeuteen 990 kbps.

Taulukko 1: "Häviöttömien" koodekkien vertailu (Sony, Savitech ja Qualcomm) sekä CD-laatu ja häviölliset koodekit (Qualcomm ja Bluetooth SIG (SBC)). Huomaa, että häviöttömien koodekkien enimmäisbittinopeutta rajoittaa langattoman Bluetooth-yhteyden kapasiteetti. (Kuvan lähde: Knowles)

ANC ja personoitu ääni

Kuluttajat odottavat TWS-kuulokkeilta muutakin kuin erinomaista ääntä. Huippuluokan tuotteissa on oltava myös ANC ja muita ominaisuuksia. ANC on suosittu, koska se tarjoaa käyttäjille laadukkaan kuuntelukokemuksen myös voimakkaassa taustamelussa, esimerkiksi lentokoneen matkustamossa. ANC käyttää korvakuulokkeisiin sisäänrakennettuja mikrofoneja, jotka poimivat matalataajuisen melun ja poistavat sen ennen kuin käyttäjä huomaa sitä. Vaimennus toteutetaan siten, että kuulokkeet generoivat vastavaiheisen äänen, jonka vaihe-ero alkuperäiseen meluun on 180˚.

Toinen keskeinen parannus, jonka langattomat kuulokkeet nyt tarjoavat, on yksilöity ääni. Käyttäjillä, joilla on synnynnäinen tai iän myötä kehittyvä kuulovamma, voi olla erityisiä vaikeuksia kuulla korkeampia taajuuksia (kuva 2). Saatavana on älypuhelinsovelluksia ja muita työkaluja, joiden avulla käyttäjä voi korostaa tiettyjä taajuuksia kompensoidakseen kuulon heikkenemistä, mutta ne ovat yleensä varsin alkeellisia ja niiden lopputulos jää heikoksi. Laadukkaissa tuotteissa tätä on nyt kuitenkin parannettu algoritmeilla, jotka asettavat kuulotason koko taajuusalueelle tekemällä käyttäjälle yksityiskohtaisen kuuntelutestin. Tuloksena on kuulokkeet, joiden ääni on täydellisesti säädetty kompensoimaan kuulon heikkouksia.

Kuva 2: Käyttäjien ikääntyessä heidän kykynsä kuulla korkeampia taajuuksia heikkenee vähitellen. Yksilöity ääni vahvistaa valittuja taajuuksia ja kompensoi kuuloherkkyyden heikkenemistä. (Kuvan lähde: Knowles)

Viimeisin tekninen kehitysaskel nykyaikaisissa korvakuulokkeissa on korvakäytäväokkluusion vähentäminen. Okkluusiovaikutus syntyy, kun korvakuuloke sulkee korvakäytävän ulomman osan. Tämä on yleinen ongelma tuotteissa, jotka on suunniteltu istumaan korvaan suhteellisen tiukasti. Korvakuuloke kasvattaa korvakäytävän akustista "impedanssia", mikä puolestaan lisää akustisen paineen amplitudia erityisesti silloin, kun korvaan kohdistuu käyttäjän itse synnyttämää matalataajuista ääntä (esimerkiksi puhuminen, kävely ja nieleminen). Seurauksena on korvassa kuultava ärsyttävä ja häiritsevä kaiun kaltainen "jyrinä".

Tulppakuulokkeiden valmistajat ovat pyrkineet vähentämään okkluusion vaikutusta mekaanisella suunnittelulla, kuten lisäämällä pieni aukko kuulokkeen ja korvakäytävän väliin akustisen impedanssin vähentämiseksi, sekä ohjelmistollisesti lisäämällä okkluusion vaimennus ANC-rutiineihin.

Erillisten bassojen ja diskanttien edut

Viime aikoihin asti langattomien kuulokkeiden suunnittelu ei ole ollut yhtä haastavaa kuin huippuluokan audiofiilitason äänentoistojärjestelmiin liitettyjen täysikokoisten kaiuttimien suunnittelu. Käyttäjät ovat hyväksyivät kuulokkeiden heikomman laadun mukavuuden hintana, ja tämä helpotti suunnittelijoiden työtä kehittää pienikokoisia tuotteita kohtuullisin kustannuksin. Aikaisemmin oli esimerkiksi tavallista käyttää tilan säästämiseksi yhtä kaiutinelementtiä koko taajuusalueelle erillisen basson ja diskantin sijasta. Korkeampien taajuuksien toisto saattoi kärsiä, mutta tämä tuskin oli ongelma, kun kyseiset taajuudet joka tapauksessa puuttuivat langattomasta äänivirrasta.

Häviöttömien koodekkien ja Bluetooth LE Audio -tekniikan kaltaisten korkean tiedonsiirtokapasiteetin tekniikoiden myötä langaton äänentoisto tarjoaa nyt kuitenkin kaikki basso- ja diskanttitaajuudet (kuva 3). Tämän äänen toistaminen vaatii korvakuulokkeilta paljon enemmän. Lisäksi kuluttajat odottavat ANC:tä, räätälöityä ääntä, okkluusion vaimennusta ja kuulokkeiden sopimista monenlaisiin käyttötarkoituksiin, kuten musiikin kuunteluun, television katseluun, videoneuvotteluihin ja äänipuheluihin - ja kaikki tämä erittäin pienikokoisessa muodossa ja yhä kohtuulliseen hintaan.

Kuva 3: Häviöttömät koodekit sisältävät enemmän tietoa korkeilla taajuuksilla ja mahdollistavat musiikkia kuunneltaessa paremman korkeiden äänien toiston oikein suunnitelluissa korvakuulokkeissa. (Kuvan lähde: Knowles)

Monet näistä vaatimuksista edellyttävät kompromisseja suunnittelussa. Jotta ANC esimerkiksi toimisi tehokkaasti meluisassa ympäristössä, esimerkkinä lentokoneen matkustamo, kaiutinelementin on tuotettava korkea bassoteho pienellä säröllä. Okkluusiota vähentävä puoliavoin rakenne asettaa lisävaatimuksia bassotoistolle. Samaan aikaan häviötön äänentoisto edellyttää, että kaiutinelementti pystyy käsittelemään jopa 20 kilohertsin (kHz) ja sitä korkeampia diskanttiääniä. Molempien vaatimusten täyttäminen yhdellä pienellä dynaamisella kaiutinelementillä on käytännössä mahdotonta.

Ratkaisu on jakaa basso- ja diskanttitaajuudet dynaamisen bassoelementin ja erillisen BA (Balanced Armature) -diskanttielementin kesken. BA-diskantti on erikoiskomponentti, joka kehitettiin alun perin kuulokojeita varten ja jota käytetään nyt yhä useammin korkeiden äänien vahvistamiseen korkealaatuisissa kuulokkeissa. BA-diskantissa elektroninen signaali liikuttaa pientä kieltä, joka on tasapainossa kahden magneetin välissä kompaktin kotelon sisällä. Kielen liike siirtyy erittäin jäykkään alumiinikalvoon, joka tuottaa äänen.

Käytettäessä erillistä bassoa ja BA-diskanttia basso voidaan suunnitella niin, että se tarjoaa voimakkaan basson joka tukee häviötöntä toistoa, ANC:tä ja okkluusion vaimennusta, kun taas BA-diskantin ääni voidaan optimoida kirkasta ja selkeää diskanttitoistoa varten. Tämä vähentää tarvetta taajuuskorjaukselle, mikä puolestaan säästää virtaa ja lisää dynaamista kapasiteettia (kuva 4).

Kuva 4: Äänentoiston jakaminen dynaamiselle bassokaiuttimelle (vihreä) ja BA-diskantille (sininen) tuottaa tasaisen "hybridi"-taajuusvasteen (punainen). (Kuvan lähde: Knowles)

Erillisten kaiutinelementtien käytössä on vielä sekin etu, että suunnittelija voi sijoitella ne vapaammin. Esimerkiksi basso voi olla kauempana tulppaosasta, jolloin BA-diskantti voidaan sijoittaa lähelle korvan aukkoa ja minimoida diskantin ja tulppaosan väliin jäävän ilman määrä, mikä vähentää okkluusiovaikutuksia (kuva 5).

Kuva 5: Kun korvakuulokkeissa käytetään erillistä bassoa ja diskanttia, diskantti voidaan sijoittaa sen etuosaan, mikä auttaa vähentämään okkluusiovaikutuksia. (Kuvan lähde: Knowles)

Lisäksi erillinen basso ja diskantti antavat suunnittelijoille mahdollisuuden hienosäätää taajuusvastetta. Suunnittelijat voivat esimerkiksi muotoilla diskantin aukon akustisia ominaisuuksia korkeiden taajuuksien vasteen hienosäätämiseksi. Tämän jälkeen suunnittelijat voivat säätää jakosuodatinta, niin että basso ja diskantti jakavat signaalin sopivalla tavalla. Suunnittelijat voivat myös säätää diskantin herkkyyttä valitsemalla korkeamman tai matalamman kelaimpedanssin, jotta se sopisi paremmin yhteen basson kanssa . Korvakuulokkeiden kokonaistaajuusvasteen lopullinen viimeistely voidaan toteuttaa digitaalisen signaalinkäsittelyn (DSP) avulla.

Koska monissa Bluetooth-mikropiireissä on lisäksi kaksi lähtöä, bassoa ja diskanttia voidaan ohjata erillisillä vahvistimilla, mikä lisää joustavuutta taajuusvasteen muotoilussa.

Laadukas langaton audio-referenssisuunnitelma

Suunnittelijoilla, jotka ovat tottuneet käyttämään langattomissa ratkaisuissa vain yhtä kaiutinelementtiä, on haasteena laadukkaan äänen toistamiseen tarvittavien erillisen bassoelementin ja diskanttielementin mukanaan tuoma lisäkompleksisuus. Suuntaus on kuitenkin selvästi kohti parempilaatuisia äänentoisto-ominaisuuksia, joten ei kannata sivuuttaa kahden elementin ratkaisua häviöttömän audiosuoratoiston laadukkaassa toistamisessa.

Auttaakseen suunnittelijoita siirtymään tähän suuntaan Knowles, BA-diskanttien valmistaja, on esitellyt referenssisuunnitelman TC-35030-000 True Wireless Stereo -kuulokkeita varten. Referenssisuunnitelma lyhentää TWS-kuulokkeiden markkinoille tuloaikaa, sillä se sisältää monia käyttäjien vaatimia keskeisiä lisäominaisuuksia ja poistaa siten monia yleisiä suunnitteluhaasteita.

Referenssisuunnitelma sisältää Knowlesin oman BA-diskantin, joka takaa hyvän äänen korkeilla taajuuksilla, sekä 10 millimetrin (mm) dynaaminen basson, joka takaa tukevan bassotoiston. Laite sisältää myös MEMS (microelectromechanical systems) -mikrofonin ANC:tä ja äänipuheluita varten. Referenssisuunnitelman toistoaika on 13 tuntia tai 8 tuntia puheaikaa sisäänrakennetulla akulla, ja se on myös Bluetooth 5.2 -yhteensopiva. Sarjan lisäominaisuuksiin kuuluvat kosketusohjaimet ja integroitu ääniavustinteknologia (kuva 6).

Kuva 6: TC-35030-000-referenssisuunnitelma TWS-kuulokkeille sisältää BA-diskantin laadukasta korkeiden taajuuksien toistoa varten sekä 10 mm:n dynaamisen basson tukevaa bassotoistoa varten. (Kuvan lähde: Knowles)

BA-diskantin taajuusvaste ulottuu reilusti yli 20 kHz:n. Kun Knowles-tuotteen diskanttitoistoa verrataan tyypilliseen 8 mm:n dynaamiseen kaiuttimeen, BA-diskantti tarjoaa paremman diskanttitoiston ja pidemmälle ulottuvan taajuusalueen, jotka ovat korkeatasoisen äänentoiston kannalta välttämättömiä. Samalla ne mahdollistavat äänen personoinnin ja parantamisen (kuva 7).

Kuva 7: Kuvassa näytetään Knowles BA-diskantin taajuusvaste korkeilla taajuuksilla dynaamiseen kaiuttimeen verrattuna. (Kuvan lähde: Knowles)

Yhteenveto

Langattomien puolijohteiden ja koodekkien kehittyminen on muuttanut merkittävästi kuulokkeille asetettavia vaatimuksia ja sitä mitä niillä on mahdollista saavuttaa. Kuluttajat odottavat nyt TWS-korvakuulokkeiltaan syvää bassoa, hienostunutta diskanttia ja laajaa dynamiikka-aluetta. Lisäksi käyttäjät odottavat ANC:n ja yksilöllisen äänentoiston kaltaisia kehittyneitä ominaisuuksia eivätkä he enää hyväksy okkluusion kaltaisia haittavaikutuksia.

Voidakseen täyttää TWS-kuulokkeiden taajuusvastevaatimukset suunnittelijoiden on alettava käyttämään ratkaisuissaan erillistä diskanttia ja erillistä bassoa. Tämä on teknisesti haastavaa, mutta Knowles TC-35030-000-referenssisuunnitelma TWS-kuulokkeille voi auttaa. Siinä yhdistyvät BA-diskantti, bassoelementti ja MEMS-mikrofoni ja se tarjoaa hyvän perustan korkealaatuisten korvakuulokkeiden suunnittelulle tarjoten samalla ominaisuudet, jotka mahdollistavat selkeän tuotedifferentioinnin.