Hoe maakt u snel een hoogwaardig TWS-oordopjesontwerp met een speciale tweeter en woofer?

In de begindagen van audiostreaming waren de draadloze datasnelheden beperkt en accepteerden gebruikers een verlies aan natuurgetrouwheid als prijs voor het gemak van duizenden digitale deuntjes in hun zak. Maar met de introductie van draadloze technologie die een grotere draadloze doorvoer en verbeterde compressiealgoritmen ondersteunt, is de consument kritischer geworden. Dat betekent dat ontwerpers nu echt draadloze stereo-oordopjes (TWS) moeten aanbieden om aan de verwachtingen van de consument te voldoen. TWS-oordopjes beloofden geluid nauwkeuriger te reproduceren over het hele audiospectrum, vooral bij de hogere frequenties die bij oudere ontwerpen meestal verloren gingen.

Maar geluidskwaliteit is slechts één aspect van moderne draadloze audioweergave. In een concurrerende markt moeten ontwikkelaars van headsets goed kijken naar wat consumenten willen, en dat inzicht gebruiken om het eindproduct zo efficiënt en kosteneffectief mogelijk te differentiëren. Consumenten willen bijvoorbeeld ook effectieve actieve ruisonderdrukking (ANC) en vermindering van occlusie-effecten, zodat ze beter van hun luisterervaring kunnen genieten. Voor oudere luisteraars is er ook steeds meer vraag naar automatische compensatie (gehoorpersonalisatie) voor natuurlijk gehoorverlies in de hogere frequenties.

Om aan deze eisen te voldoen is een herziene aanpak nodig met ontwerpen die woofers voor de lage tonen en tweeters voor de hoge tonen scheiden. Dit gaat de vaardigheden van veel ontwikkelingsteams te boven, wat leidt tot langere time-to-market schema's en mogelijk gemiste kansen bij het inhuren of ontwikkelen van de expertise.

Dit artikel geeft een overzicht van de ontwikkelingen op het gebied van commerciële draadloze audio en hun invloed op het ontwerp van oordopjeshardware en -software. Het artikel introduceert vervolgens een referentieontwerp voor TWS-oordopjes en laat zien hoe ontwerpers dit kunnen gebruiken om snel headsetoplossingen op de markt te brengen die gedifferentieerde functies mogelijk maken, terwijl de sterke bas en uitgebreide hoge tonen die nu door moderne audiocompressiesoftware worden vastgelegd, nauwkeurig worden gereproduceerd.

Vooruitgang op het gebied van digitaal geluid

In de echte wereld is geluid een analoog signaal, maar onze opname- en afspeelapparatuur werkt grotendeels met digitale signalen. Geluid wordt gedigitaliseerd met behulp van een analoog-digitaalomzetter (ADC) die wordt aangestuurd door een codeer/decodeer-algoritme ("codec") dat de bemonsteringsfrequentie in Hertz (Hz) en de bitdiepte (bits) bepaalt. Bemonstering legt de amplitude van de analoge golfvorm van het geluid vast met specifieke intervallen.

Bemonsteringsfrequentie is een afweging. Lagere snelheden resulteren in minder te verwerken gegevens, maar een lagere resolutie. De bitdiepte is het aantal bits informatie in elke sample; ook hier is een compromis nodig tussen het aantal bits en de audiokwaliteit. Gangbare bitdieptes zijn 16, 24 en 32 bits (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Analoog geluid wordt gedigitaliseerd door bemonstering met een bepaalde frequentie en bitsnelheid. Het verhogen van de bemonsteringsfrequentie en de bitdiepte zorgt ervoor dat de gedigitaliseerde informatie het analoge signaal beter weerspiegelt en verbetert de weergavekwaliteit. (Bron afbeelding: Knowles)

Bemonsteringsfrequentie × bitdiepte × aantal kanalen bepaalt de bitrate in bits per seconde (bps). Voor een aanvaardbare muziekkwaliteit is de bitrate doorgaans hoger dan 192 kilobits per seconde (kbps). CD-kwaliteit, bijvoorbeeld, is gebaseerd op een 44,1 kilohertz (kHz) bemonsteringsfrequentie en een bitdiepte van 16 bits. Voor stereoweergave is de bitrate dus 1,411 megabits per seconde (Mbps).

Conventionele codecs maken gewoonlijk gebruik van compressietechnieken waarbij tijdens het coderen informatie wordt weggegooid waarvan is vastgesteld dat deze de manier waarop de luisteraar de gedecodeerde audiostroom waarneemt niet al te zeer beïnvloedt. Het doel is de bitrate zoveel mogelijk te verlagen zonder al te veel afbreuk te doen aan de geluidskwaliteit. Dergelijke codecs worden "lossy" genoemd omdat de decoder nooit het oorspronkelijke signaal kan reproduceren omdat hij niet over alle oorspronkelijke informatie beschikt. Het zijn typisch de hogere (hoge) frequenties die door lossy codecs worden geëlimineerd.

Dankzij de vooruitgang op het gebied van radio met een laag stroomverbruik en een kort bereik kunnen draadloze verbindingen een grotere doorvoer ondersteunen zonder dat dit ten koste gaat van de levensduur van de batterij. Zo biedt Bluetooth LE Audio, een onlangs uitgebrachte vorm van op Bluetooth LE gebaseerde draadloze streaming, nu zowel een veel hogere audiokwaliteit dan klassieke Bluetooth Audio als een lager energieverbruik.

Ingenieurs hebben ook de efficiëntie van hun codecs verbeterd. Deze nieuwere "lossless" codecs, gecombineerd met draadloze connectiviteit met hogere doorvoer, hebben een veel hogere draadloze audio mogelijk gemaakt (Tabel 1). Audiodiensten van bedrijven als Apple, Amazon en Spotify bieden nu hoogwaardige audio lossless streaming. De ontwerper dient er echter rekening mee te houden dat de gecodeerde bitrate voor de lossless codecs vaak hoger is dan de draadloze verbinding betrouwbaar kan ondersteunen. De LDAC-codec van Sony codeert bijvoorbeeld met een bitrate van 6,1 Mbps (32 x 96 x 2), maar de bitrate van de draadloze verbinding is beperkt tot 990 kbps.

Tabel 1: Vergelijking van "lossless" codecs (Sony, Savitech en Qualcomm) met CD-kwaliteit en lossy codecs (Qualcomm en Bluetooth SIG (SBC)). De maximale bitrate voor de lossless codecs wordt beperkt door de capaciteit van de draadloze Bluetooth-verbinding. (Bron afbeelding: Knowles)

ANC en gepersonaliseerd geluid

De verwachtingen van de consument voor TWS-oordopjes gaan verder dan superieur geluid. Hoogwaardige producten moeten ook ANC en andere functies bieden. ANC is populair omdat het gebruikers een hoogwaardige luisterervaring biedt bij veel achtergrondlawaai, zoals in een vliegtuigcabine. ANC werkt met in de oordopjes ingebouwde microfoons die laagfrequent geluid opvangen en annuleren voordat de gebruiker zich bewust is van het bestaan ervan. Annulering treedt op wanneer de headset een secundair geluid genereert dat 180˚ is omgekeerd ten opzichte van het oorspronkelijke geluid.

Een andere belangrijke verbetering die draadloze oordopjes nu bieden, is gepersonaliseerd geluid. Gebruikers met gehoorproblemen waarmee ze geboren zijn of die zich met de jaren ontwikkelen, kunnen vooral moeite hebben met het horen van hogere frequenties (Afbeelding 2). Er bestaan smartphone-apps en andere hulpmiddelen waarmee een gebruiker specifieke frequenties kan versterken om gehoorverlies te compenseren, maar die zijn meestal rudimentair en bieden slechte resultaten. Maar nu gaan hoogwaardige producten nog verder met algoritmen die de hoorniveaus over het hele frequentiebereik instellen door de gebruiker aan een gedetailleerde luistertest te onderwerpen. Het resultaat zijn oordopjes waarvan de output perfect is aangepast om gehoorproblemen te compenseren.

Afbeelding 2: Naarmate gebruikers ouder worden, verliezen zij geleidelijk het vermogen om hogere frequenties te horen. Gepersonaliseerd geluid versterkt geselecteerde frequenties om verlies van gehoorgevoeligheid te compenseren. (Bron afbeelding: Knowles)

Een laatste technische ontwikkeling in moderne oordopjes is occlusiereductie. Occlusie-effecten treden op wanneer een oordopje het buitenste deel van de gehoorgang afsluit. Dit is een veel voorkomend probleem bij producten die ontworpen zijn om relatief strak in het oor te passen. De oorknop verhoogt de akoestische "impedantie" van de gehoorgang, waardoor de amplitude van de geluidsdruk toeneemt, met name wanneer het oor wordt blootgesteld aan laagfrequent geluid van de gebruiker (bijvoorbeeld praten, lopen en slikken). Het resultaat is een echo-achtige "boom" in het oor die vervelend en storend is.

Fabrikanten van oordopjes hebben gewerkt aan het verminderen van occlusie-effecten door middel van mechanisch ontwerp, zoals het toevoegen van een kleine opening tussen de oordop en de gehoorgang om de akoestische impedantie te verminderen, en door middel van softwareontwerp, zoals het opnemen van occlusiereductie in de ANC-routines.

De voordelen van afzonderlijke woofers en tweeters

Tot voor kort was het ontwerpen van draadloze hoofdtelefoons minder uitdagend dan het ontwerpen van full-size luidsprekers die verbonden zijn met high-end audiofiele geluidssystemen. Gebruikers accepteerden een lagere kwaliteit van hun hoofdtelefoon als prijs voor gemak, en dat maakte het voor ontwerpers gemakkelijker om producten met een kleine vormfactor tegen een redelijke prijs te ontwikkelen. Het was bijvoorbeeld gebruikelijk om een full-range driver te gebruiken in plaats van een aparte woofer en tweeter, om ruimte te besparen. De weergave van hogere frequenties werd mogelijk opgeofferd, maar dit was nauwelijks een probleem wanneer die frequenties afwezig waren in de draadloze audiostroom.

Met de komst van lossless codecs en technologieën met hoge doorvoer, zoals Bluetooth LE Audio, biedt draadloze audio nu echter een volledig bereik van lage en hoge tonen (Afbeelding 3). Het weergeven van dit geluid vraagt veel meer van de oordopjes. Bovendien verwachten consumenten ANC, gepersonaliseerd geluid, minder occlusie-effecten en geschiktheid voor een groot aantal toepassingen, waaronder muziek, tv, videoconferenties en telefoongesprekken - en dat alles in een zeer compacte vormfactor, en opnieuw tegen een redelijke prijs.

Afbeelding 3: Lossless codecs leveren meer informatie over hoge frequenties, waardoor de hoge tonen tijdens het afspelen van muziek beter worden weergegeven in goed ontworpen oordopjes. (Bron afbeelding: Knowles)

Veel van deze eisen vereisen compromissen bij het ontwerp. Om bijvoorbeeld effectieve ANC te leveren in lawaaierige omgevingen zoals een vliegtuigcabine, moeten de luidsprekerdrivers een hoge basuitvoer produceren met weinig vervorming. Halfopen ontwerpen die occlusie aanpakken stellen nog meer eisen aan de basweergave. Tegelijkertijd vereist lossless audioweergave dat de luidsprekerdriver hoge tonen tot 20 kilohertz (kHz) en hoger aankan. Aan beide eisen voldoen met een enkele dynamische luidsprekerdriver in een kleine vormfactor is vrijwel onmogelijk.

De oplossing bestaat erin de lage en hoge frequenties te verdelen over een dynamische woofer en een afzonderlijke tweeter met gebalanceerde armatuur (BA). De BA-tweeter is een gespecialiseerd onderdeel dat oorspronkelijk werd ontwikkeld voor hoortoestellen, maar dat nu steeds vaker wordt gebruikt om de hoge tonen in hoogwaardige oordopjes te versterken. In een BA-tweeter brengt een elektronisch signaal een klein riet in trilling dat gebalanceerd is tussen twee magneten in een compacte behuizing. De beweging van het riet wordt overgebracht op een zeer stijf aluminium membraan dat het geluid produceert.

Met een speciale woofer- en BA-tweeterconfiguratie kan de woofer worden ontworpen voor een krachtige bas ter ondersteuning van lossless reproductie, ANC en vermindering van occlusie-effecten, terwijl de BA-tweeter is geoptimaliseerd voor heldere en duidelijke hoge tonen. Dit vermindert de behoefte aan equalisatie, wat weer stroom bespaart en de dynamische hoofdruimte vergroot (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Door het luidsprekersysteem te splitsen in een dynamische woofer (groen) en een BA-tweeter (blauw) ontstaat een vlakke "hybride" frequentierespons (rood). (Bron afbeelding: Knowles)

Een ander voordeel van het scheiden van de luidsprekerdrivers is dat de ontwerper een grotere mate van vrijheid heeft bij de plaatsing van de drivers. De woofer kan bijvoorbeeld minder direct op de oortip worden gericht, zodat de BA-tweeter dicht bij de ooropening kan worden geplaatst om het volume van de lucht tussen de tweeter en de oortip te minimaliseren, waardoor occlusie-effecten worden beperkt (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Door de woofer en de tweeter in de oordopjes te scheiden, kan de tweeter naar de voorkant van het toestel worden geplaatst, waardoor occlusie-effecten worden beperkt. (Bron afbeelding: Knowles)

Bovendien stelt de scheiding van woofers en tweeters ontwerpers in staat de frequentierespons te verfijnen. Zij kunnen bijvoorbeeld de akoestische kenmerken in de buurt van de tweeteropening vormgeven om de hoge frequentierespons te verfijnen. Vervolgens kunnen ontwerpers de crossover aanpassen voor een soepele menging van de woofer- en tweetersignalen. Ontwerpers kunnen ook de gevoeligheid van de tweeter aanpassen om deze beter af te stemmen op de woofer door een hogere of lagere spoelimpedantie te kiezen. De uiteindelijke vormgeving van de totale frequentierespons van de oordopjes kan worden bereikt met behulp van digitale signaalverwerking (DSP).

Aangezien veel Bluetooth IC's dubbele uitgangen hebben, kunnen de woofer en de tweeter bovendien door afzonderlijke versterkers worden aangestuurd voor nog meer flexibiliteit bij het vormgeven van de frequentierespons.

Hoogwaardig draadloos audio-referentieontwerp

Ingenieurs die in hun draadloze ontwerpen gewend zijn aan een enkele luidsprekerdriver, zullen worden uitgedaagd door de extra complexiteit die wordt veroorzaakt door de afzonderlijke woofer en tweeters die nodig zijn voor de weergave van hoogwaardige audio. De trend gaat echter duidelijk in de richting van kwalitatief betere audiomogelijkheden, zodat een ontwerp met twee drivers voor kwaliteitsweergave van lossless audiostreaming moet worden overwogen.

Om ontwerpers in deze richting te helpen, heeft Knowles, een fabrikant van tweeters van BA, het TC-35030-000 True Wireless Stereo-oordopjes referentieontwerp geïntroduceerd. Het referentieontwerp verkort de time-to-market voor TWS oordopjes door veel van de belangrijkste geavanceerde functies waar gebruikers om vragen op te nemen, waardoor veel van de gebruikelijke ontwerpuitdagingen worden weggenomen.

Het referentieontwerp omvat Knowles' eigen ontwerp van een BA-tweeter voor een goed hoogfrequent geluid, samen met een dynamische woofer van 10 millimeter (mm) voor een stevige bas. Het toestel bevat ook microfoons met micro-elektromechanische systemen (MEMS) voor ANC en spraakoproepen. Het referentieontwerp biedt een afspeeltijd van 13 uur of 8 uur. van gesprekstijd van de ingebouwde batterij, en het is Bluetooth 5.2 compatibel. Extra functies die in de kit zijn ingebouwd, zijn onder meer aanraakbediening en geïntegreerde spraakassistenttechnologie (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Het TC-35030-000 TWS-referentieontwerp van oordopjes heeft een BA-tweeter voor een goed hoogfrequent geluid en een dynamische woofer van 10 mm voor een stevige bas. (Bron afbeelding: Knowles)

De BA-tweeter heeft een respons tot ver boven 20 kHz. Als we de hoge tonen van het Knowles product vergelijken met een typische dynamische luidspreker van 8 mm, levert de BA tweeter de hogere hoge tonen en uitbreiding die nodig zijn voor hoogwaardige audio, inclusief de mogelijkheid om het gehoor te personaliseren of te verbeteren (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De hoge frequentierespons van de BA-tweeter van Knowles wordt vergeleken met die van een dynamische luidspreker. (Bron afbeelding: Knowles)

Conclusie

Vooruitgang op het gebied van draadloze halfgeleiders en codecs heeft het landschap voor oordopjes veranderd. Consumenten verwachten nu diepe bassen, verfijnde hoge tonen en een groot dynamisch bereik van hun in-ear TWS-apparaten. Bovendien verwachten gebruikers geavanceerde functies zoals ANC en gepersonaliseerd geluid en accepteren ze minder effecten zoals occlusie.

Om beter te voldoen aan de frequentieresponsvereisten van TWS-headsets, moeten ontwerpers overstappen op ontwerpen met dubbele drivers, met een speciale tweeter en woofer. Hoewel dit technisch een uitdaging is, kan Knowles' TC-35030-000 TWS-oordopjes referentieontwerp helpen. De combinatie van een BA-tweeter, een woofer en MEMS-microfoons biedt een goede basis voor het ontwerp van hoogwaardige audio-oortjes met kenmerken die een duidelijke productdifferentiatie mogelijk maken.