Bouw een volledig draadloze fitness-hearable — Deel 2: audioverwerking

Opmerking van de redactie: Hoewel fitness-hearables veel potentieel hebben, brengen ze aanzienlijke ontwerpuitdagingen mee op drie belangrijke gebieden: biometingen, audioverwerking en draadloos opladen. In deze reeks van drie artikelen wordt elk van deze uitdagingen besproken. Daarnaast wordt ontwikkelaars getoond hoe ze gebruik kunnen maken van ultra-low-power componenten om effectievere fitness-hearables te bouwen. In deel 1 werd het meten van hartslag en SpO₂ behandeld. Hier in deel 2 kijken we naar audioverwerking. Deel 3 zal worden gewijd aan draadloos opladen en voedingsbeheer voor ontwerpen van fitness-hearables.

Zoals we in deel 1 hebben gezien, zijn slimme draadloze audio-oordopjes — ook wel volledig draadloze hearables genoemd — een populaire vorm van audioweergave, vooral tijdens fitnessactiviteiten wanneer snoertjes de bewegingsvrijheid belemmeren of interfereren met het gebruik van fitnessapparatuur. Door biomeetfuncties aan deze ontwerpen toe te voegen, kunnen ontwikkelaars zogenaamde fitness-hearables bouwen die zowel audio spelen als gezondheidsgegevens meten.

Hoewel het toevoegen van biomeetfuncties een interessante ontwikkeling is, mogen ontwerpers de basisfunctie van hearables niet uit het oog verliezen: hoogkwalitatieve audioweergave. Het probleem nu is hoe je hoogwaardige audio met deze nieuwe functies kunt combineren binnen een kleine vormfactor én met voldoende accucapaciteit.

In dit artikel behandelen we allereerst de rol van audiocodecs en -processors evenals de basiselementen van een audiosysteemarchitectuur voor hearables. Vervolgens laten we aan de hand van een geavanceerde audiocodec van Maxim Integrated zien hoe ontwerpers aan de verwachtingen van de gebruiker voor hoge geluidskwaliteit kunnen voldoen binnen een compacte vormfactor én met een lange accuduur.

Audiocodecs en -processors

Audiocodecs en gespecialiseerde audioprocessors worden al jarenlang in hoogwaardige audio-ontwerpen toegepast. Ze bevatten een complete signaalketen voor samplen, converteren en conditioneren van een audiosignaal. Hoewel codecs (afgeleid van coder-decoders) hun capaciteiten vanouds hebben beperkt tot het coderen en decoderen van audiosignalen via vaste firmware, bouwen audioprocessors deze functionaliteit gewoonlijk rond een programmeerbare digitale signaalprocessor (DSP). Dankzij de opkomst van herprogrammeerbare codecs en audioprocessors met vaste functies wordt de grens tussen deze productklassen steeds vager. Beide producten bieden ontwikkelaars krachtige audiosignaalverwerkingscapaciteit om te voldoen aan de eisen van de meest kritische audiofiel.

De grote populariteit van oordopjes heeft de ontwikkelaars van deze audiosignaalverwerkingscomponenten verder gestimuleerd om een compleet audiosubsysteem op een chip te leveren. Samen met technologieën voor draadloze communicatie en draadloos opladen kunnen deze componenten de basis vormen voor volledig draadloze oordopjes die gebruikers een opmerkelijk vol geluid bieden zonder de beperkingen van snoertjes.

De hearable-evolutie

In tegenstelling tot conventionele oordopjes met snoertjes staan ontwikkelaars van volledig draadloze oordopjes voor aanzienlijk meer uitdagingen. Deze producten moeten zowel voldoen aan de verwachtingen van de luisteraar wat betreft audioprestaties als aan de wensen van de mobiele gebruiker op het gebied van gemak en bruikbaarheid. Het ontwerp moet dus zowel een uitzonderlijke geluidskwaliteit als functionaliteit bevatten, plus een minimale vormfactor en maximale accuduur. Gelukkig hebben ontwikkelaars de beschikking over een groot assortiment audiocodecs en audioprocessors die kunnen helpen om aan deze eisen te voldoen.

De zogenaamde slimme oordopjes, oftewel hearables, zijn een natuurlijke opvolger van de volledig draadloze oordopjes. Naast andere geavanceerde functies kunnen hearables biometingen, bewegingsdetectie en andere functies uitvoeren, ontworpen om het welzijn van de gebruiker en het omgevingsbewustzijn te verbeteren.

Hoewel fitness-hearables functioneel complex zijn, kunnen ze gebruik maken van een hardwareplatform met eenvoudig verkrijgbare SoC-componenten (system on chip) die speciaal zijn ontworpen voor deze low-power toepassingen. Zoals in deel 1 werd besproken, biedt de MAXM86161 biosensor van Maxim Integrated alle biomeetcapaciteiten die voor deze producten vereist zijn. Evenzo biedt de MAX98090 audiocodec van Maxim Integrated een volledig audiosubsysteem die de verschillende audiocapaciteiten die in fitness-hearables worden gebruikt, ondersteunt. Met behulp van deze componenten, samen met een Bluetooth (BT) radiofrequentie (RF) controller en power management integrated circuits (PMIC's), kunnen ontwikkelaars de hardwarebasis implementeren voor ontwerpen van geavanceerde fitness-hearables (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een fitness-hearable breidt de capaciteiten van volledig draadloze audio-oordopjes uit met biometingen, maar moet nog steeds voldoen aan dezelfde eisen voor hoogkwalitatief geluid én een lange accuduur. (Bron afbeelding: DigiKey, op basis van materiaal van Maxim Integrated)

Uitgebreid audiosubsysteem

De MAX98090 audiocodec is speciaal ontworpen voor mobiele toepassingen en combineert ultra-low-power prestaties met zeer configureerbare audiosignaalverwerking. Verschillende combinaties van analoge en digitale invoer kunnen worden gebruikt om de FlexSound Digital Signal processor (DSP) van Maxim Integrated in de kern van het component te voeden. De chip zelf kan de door FlexSound getransformeerde audio naar aparte signaalpaden sturen die geoptimaliseerd zijn voor verschillende typen audioluidsprekers (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De MAX98090 audiocodec van Maxim Integrated is speciaal ontworpen voor in-ear wearables en integreert een uitgebreide reeks ingangs-, uitgangs- en verwerkingsmogelijkheden voor een volledig audiosubsysteem dat voldoet aan de vereisten voor afmetingen en stroomverbruik van hearables. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Het DAI-subsysteem (digital audio interface) van de MAX98090 ondersteunt samplefrequenties tussen 8 kilohertz (kHz) stemgeluid en 96 kHz hoge resolutie audio in verschillende standaard PCM-indelingen (pulscodemodulatie). Gewoonlijk gaat in een ontwerp de digitale audio-invoer rechtstreeks van de bron naar het DAI-subsysteem. Voor analoge bronnen biedt de MAX98090 echter een meerkanaals analoge front-end, bestaande uit ingangsmultiplexers, mixers, voorversterkers en PGA’s (programmable gain amplifiers). Alle analoge en digitale ingangen worden aangesloten op afzonderlijke linker- en rechterkanaalmixers, die elk verbonden zijn met speciale analoog-digitaalomzetters (ADC’s). De ADC-uitgang voor linker- en rechterkanalen is vervolgens verbonden met het DAI-subsysteem, dat uiteindelijk de digitale audio aan de FlexSound DSP-core levert.

De DSP-core biedt de essentiële signaalverwerkingsfunctionaliteit die nodig is voor audioproducten, maar wordt doorgaans niet ondersteund in traditionele audiocodecs. Gebruikers verwachten van hun wearables dat ze voldoende volume leveren om in lawaaierige omgevingen zoals fitnessruimtes te worden gebruikt evenals op alle volumeniveaus een helder audiosignaal. De MAX98090 FlexSound DSP-core voldoet aan deze vereisten met een meertraps audiosubsysteem, waaronder een aparte zevenbands parametrische equalizer, automatische niveauregeling (ALC) en meerdere filters voor linker- en rechterkanalen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De bedrijfseigen FlexSound DSP-core in de MAX98090 audiocodec van Maxim Integrated levert gespecialiseerde meertraps paden voor het apart verwerken van linker- en rechter audiokanalen. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Dit biedt een zeer flexibele audioverwerking die aan de uiteenlopende eisen van alle toepassingen kan voldoen. Zo kan de equalizer naast de zevenbandsmodus bijvoorbeeld ook worden gebruikt voor drie- of vijfbandsbewerkingen die wellicht nodig zijn in producten met een eenvoudiger gebruikersinterface. Ook integreert het ALC een programmeerbare Dynamic Range Control (DRC) om zowel begrenzing van het audiosignaal aan de hoge kant als versterking van achtergrondruis aan de lage kant te voorkomen. Voor het opschonen van digitale audiogegevens bevat de digitale filterset van het component een FIR-filter (finite impulse response) voor muziek en high rate audio, evenals een IIR-filter (infinite impulse response) voor 8 kHz of 16 kHz spraaktoepassingen. Bovendien kan een DC-blokkerende high-pass filtertrap in de FIR-muziek- en IIR-spraakfilters worden opgenomen om laagfrequent geluid te dempen.

Aan de uitgang van de DSP-core wordt het resulterende analoge signaal door een speciale digitaal-analoogomzetter (DAC) voor de linker- en rechterkanalen naar de uitgangsmixers van de MAX98090 gestuurd. Net als bij het ingangsubsysteem ondersteunt de MAX98090 tal van audio-uitgangconfiguraties en luidsprekertypen met de geïntegreerde klasse D luidsprekeruitgangsdrivers, klasse H hoofdtelefoonuitgangsdrivers en configureerbare klasse AB-drivers. Voor elk uitgangstype stellen ontwikkelaars de bijbehorende registers in om de MAX98090 zo te configureren dat stereo of mono uitgangssignalen van linker- of rechterkanalen naar het uitgangsdriver wordt verzonden dat geschikt is voor hun individuele ontwerp.

Verbeterde low-power hearable

Voor een fitness-hearable configureren ontwikkelaars de MAX98090 gewoonlijk zo dat de klasse H hoofdtelefoonuitgang wordt gebruikt voor het aansturen van microluidsprekers of MEMS-luidsprekers, zoals de UT-P 2017 van Usound, die speciaal is ontwikkeld voor oordopjes. In een fitness-hearable streamt digitale audio via de Bluetooth-verbinding rechtstreeks naar het digitale audio-ingangsubsysteem van de MAX98090. Op die manier kunnen ontwikkelaars stroom besparen door de MAX98090 zo te configureren dat de ingebouwde mixer van het hoofdtelefoonsubsysteem wordt omzeild, omdat de analoge en lijningangsopties in een basisconfiguratie niet nodig zijn (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Voor audioapparaten zoals oordopjes kan de MAX98090 audiocodec van Maxim Integrated in een energiezuinige configuratie werken waarbij digitale audio rechtstreeks naar het geïntegreerde uitgangssubsysteem van de hooftelefoon wordt gestreamd. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

In deze configuratie verbruikt de MAX98090 slechts ongeveer 6 milliwatt (mW). Om het energieverbruik nog verder te verlagen, kan het hoofdtelefoonuitgangsubsysteem van de MAX98090 worden geconfigureerd voor gebruik in een speciale energiezuinige modus die het energieverbruik tot ongeveer 3,85 mW verlaagt.

Ook kunnen ontwikkelaars, om tegemoet te komen aan het doorgaans beperkte stroombudget van in-ear wearables, afzonderlijke ingangs- en uitgangsblokken in de MAX98090 selectief uitschakelen. Tijdens inactieve perioden kan het component programmatisch in de uitschakelmodus worden geplaatst, waarbij slechts enkele microampère worden verbruikt. De seriële I²C-interface van het component blijft in deze modus actief, zodat ontwikkelaars nieuwe configuraties kunnen laden voordat het component opnieuw wordt opgestart door een bit in het afsluitregister in te stellen. Op dat moment keert het component in slechts 10 milliseconden (ms) terug naar de volledig actieve modus met een nagenoeg instant-on ervaring voor de gebruiker.

Voor het systeemontwerp van de fitness-hearable moeten ontwikkelaars de MAX98090 via de I²C seriële interface aan een ultra-low-power Bluetooth-microcontroller verbinden, zoals de RSL10 van ON Semiconductor (zie ‘Rapidly Deploy a Battery-Powered Bluetooth 5 Certified Multi-Sensor IoT Device’). Dankzij de uitgebreide reeks geïntegreerde ingangs-, verwerkings- en uitgangsblokken in de MAX98090 zijn er maar een paar extra componenten nodig om deze systeemintegratie te voltooien (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Ontwikkelaars kunnen het hardware-interfaceontwerp van de MAX98090 audiocodec van Maxim Integrated implementeren met maar een paar extra componenten. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Met minimale inspanning kan het hierboven beschreven basisontwerp voor audioweergave worden uitgebreid met ondersteuning voor extra functies, zoals het gebruik van audio-invoer voor Bluetooth-interfaces voor spraakassistent of mobiele telefoongesprekken. Om de stem van een gebruiker op te vangen, maakt een dergelijk ontwerp wellicht gebruik van low-power elektretmicrofoons zoals de FG-serie 50 microamp (μA) microfoons van Knowles of van MEMS analoge microfoons, zoals de 25 μA ICS-40310 van TDK InvenSenseof de 5 μA VM1010 van Vesper Technologies.

Met een paar extra registerinstellingen kunnen ontwikkelaars de MAX98090 zo configureren om geluidsinvoer van deze analoge microfoons of digitale microfoons te accepteren. Afzonderlijke analoge en digitale microfooningangen bieden de noodzakelijke front-end trappen voor analoge signaalconditionering of digitale regeling (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De MAX98090 audiocodec van Maxim Integrated biedt een volledig analoog front end (A) en digitaal interface (B) om respectievelijk analoge en digitale microfoons aan te sluiten. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Na de ingangstrap komt de gedigitaliseerde gegevensstroom binnen in het afzonderlijke opnamesubsysteem van de FlexSound DSP-core dat voorafgaat aan het eerder beschreven DSP-weergavesubsysteem. Net als de weergavefunctie bestaat de opnamefunctie uit meerdere opeenvolgende verwerkingstrappen. In dit geval bestaat de verwerking uit een reeks digitale filters, waaronder een IIR-spraakfilter, FIR-muziekfilter en een DC-blokkeerfilter (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Naast ondersteuning voor analoge en digitale invoer bevat de MAX98090 audiocodec van Maxim Integrated een uit meerdere trappen bestaand opnamepad in de bedrijfseigen FlexSound DSP-core. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Het DSP-weergavesysteem combineert deze opgenomen zijtoon vervolgens met de primaire digitale audiostream voor verdere verwerking en levering aan het MAX98090-uitgangsubsysteem.

Conclusie

Volledig draadloze fitness-hearables moeten de benodigde functionaliteit en de nieuwste functies bieden om te kunnen voldoen aan de verwachtingen van de gebruiker, terwijl tegelijkertijd rekening moet worden gehouden met de beperkingen voor stroomverbruik en afmeting. Wat betreft audioweergave combineert de MAX98090 audiocodec van Maxim Integrated analoge en digitale invoer- en uitvoersubsystemen met geavanceerde audio-DSP om de uitgebreide audiofunctionaliteit te bieden die nodig is voor fitness-hearables. Zoals blijkt, kunnen ontwikkelaars de MAX98090 samen met eveneens geoptimaliseerde SoC-componenten gebruiken om een flexibele hardwarebasis te bouwen voor geavanceerde fitness-hearables.