Az ADI Platform alkatrészeket és eszközöket kínál a fület szabadon hagyó hangtechnikát használó kiterjesztettvalóság-szemüvegek kifejlesztéséhez

A térbeli hangzás kiterjesztettvalóság-szemüvegekbe (AR-szemüvegek) való beépítése olyan magával ragadó és egymásra kölcsönösen ható emberi érzékszervi élményeket hozhat létre, amelyek jobban áthidalják a fizikai és a digitális világ közti szakadékot. A tervezőknek azonban gondoskodniuk kell arról, hogy a hangrendszerrel kiegészített kiterjesztettvalóság-szemüvegek könnyűek legyenek, és hosszabb üzemidőt tegyenek lehetővé, hogy kényelmesen lehessen használni őket.

Az okos kiterjesztettvalóság-szemüvegek piaca jelentős növekedés előtt áll: az előrejelzések szerint a 2023-as alig több mint 676 000 darabról 2030-ra 13 millió darabra emelkedik a szállított darabszám, ami 53%-os éves növekedési ütemet jelent. A kijelző minőségének, az akkumulátor üzemidejének és az általános teljesítménynek a javulása révén a kiterjesztettvalóság-szemüvegek mindinkább elterjednek a vállalati, ipari és fogyasztói felhasználási területeken.

A beágyazott mikrofonokkal és hangszórókkal ellátott kiterjesztettvalóság-szemüvegek gyors hozzáférést tesznek lehetővé a hangvezérelt segédekhez és a zenelejátszáshoz. Fontos szerepet kaphatnak például a digitális ikrek gyárüzemekben való használatában és a kerékpárosok navigációs és teljesítményadatokkal való ellátásában.

A nagy hanghűségű (hifi) térbeli hangzás jelentősen befolyásolhatja a felhasználó kiterjesztettvalóság-élményét azáltal, hogy javítja a képi megjelenítés környezetét, összefüggéseit és jelentését. A kiterjesztettvalóság-szemüvegek nagy teljesítményű hangrendszerrel való kiegészítése azonban leginkább a felhasználók általi elfogadáshoz és elégedettséghez szükséges kis méret miatt jelent nagy kihívást. Ezenkívül ezeknek az eszközöknek könnyűeknek kell lenniük, és hosszabb akkumulátor-üzemidőt kell lehetővé tenniük, ami különösen akkor jelenthet nehézséget, ha olyan funkciókat építenek be beléjük, mint a kiváló minőségű hang, a videofelvételi lehetőség vagy képi kijelző.

A feldolgozási teljesítmény és a kijelző felbontásának fejlődése mellett a hangrendszer és az energiagazdálkodás is döntő szerepet játszik majd a sikeres szoftveres alkalmazások létrehozásában, amelyek a lehető legnagyobbra növelik a keresletet ezen eszközök iránt. A leküzdendő nehézségek többek között az alábbiak:

• A kisebb hangszóróknak általában magas a rezonanciafrekvenciájuk, ami túl erős meghajtás esetén károsíthatja a hangszórókat, és megnehezíti a mély basszushangok visszaadását.
• A zajmentes hívásminőség, amikor a készülék a viselőjének hangját veszi, de a környezeti zajokat kiszűri, alapvető fontosságú, de a mikrofonok és a felhasználó szája közötti távolság miatt bonyolult megvalósítani.
• A több funkció beépítése a gyorsabb töltés és a hosszabb üzemidő biztosítása érdekében jobb akkumulátorkezelési megoldásokat igényel. A tömeg, a funkciók és az üzemidő közötti kompromisszum kulcsfontosságú a széles körű piaci elfogadáshoz.
• Számos használati mód megköveteli, hogy a felhasználókat semmi ne akadályozza abban, hogy hallják, mi történik a környezetükben, például a közeledő járműveket vagy a munkatársakkal folytatott társalgást.

A fület szabadon hagyó hangtechnika

A képi és hanginformációk természetes és valósághű kombinálására törekvő tervezőknek érdemes megfontolniuk a fület szabadon hagyó hangtechnika használatát. A fület szabadon hagyó hangtechnika a fülre vagy fülbe helyezhető fülhallgató szükségességének kiküszöbölésével lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy mind a kiterjesztett valóságbeli hangokat, mind a valós környezet hangjait hallják, ami kellemes és a beleélést segítő élményt nyújt anélkül, hogy veszélyeztetné a többi felhasználóval és a környezettel való kapcsolatot.

A beágyazott mikrofonokkal és a fület szabadon hagyó hangszórókkal ellátott kiterjesztettvalóság-szemüvegek kiválóan alkalmasak a kiterjesztettvalóság-, valamint a virtuálisvalóság- (VR) és a vegyesvalóság-alkalmazásokhoz. A felhasználók kényelmesebben tudják hallgatni az alkalmazás hangjait anélkül, hogy a hangminőség vagy a hanghűség romlana. Ezek az eszközök lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy hallják a környezeti hangokat, így a biztonság érdekében mindig tudatában lehetnek annak, hogy mi történik a közelükben, és kommunikálhatnak a munkatársaikkal vagy másokkal, miközben minimálisra csökkentik annak kockázatát – vagy bosszúságát –, hogy más emberek meghallják az elhangzottakat.

A mérnökök felhasználhatják a fület szabadon hagyó hangtechnikát arra, hogy olyan elektronikus készülékeket hozzanak létre, amelyek természetes módon kombinálják a képi és hanginformációkat. Az ezzel a technikával ellátott kiterjesztettvalóság-szemüvegek a valósághűség egy újabb rétegét teremtik meg a térbeli hangzás használatával, amely olyan hanghatásokat nyújt a felhasználók számára, amelynél a különféle hangok látszólag adott irányból és távolságból érkeznek.

A térbeli hangzás a fület szabadon hagyó hangtechnika fejlesztésének kulcsfontosságú eleme lesz. Olyan valósághű és a beleélést segítő hangkörnyezetet hoz létre, amely illeszkedik a képi tartalomhoz és a felhasználó nézőpontjához. Az Apple Vision Pro virtuálisvalóság-eszköze például a fület szabadon hagyó hangtechnikával, a térbeli hangzás beépítésével és 3D fülleképezéssel van ellátva, hogy segítse a valósághű hanghatások visszaadását, és kiküszöbölje a külső fejhallgató szükségességét.

A térbeli hangzás szimulálja a hanghullámok kölcsönhatását a felhasználó fülével, fejével és testével, valamint a fizikai környezetében lévő felületekkel és tárgyakkal, és a hangzás paramétereinek dinamikus beállításához olyan metaadatokat is képes felhasználni, mint a térbeli helyzet, a nézési irány, a távolság, a haladási sebesség és a haladási irány. Ilyen dinamikus tényező még a hangerő, a hangmagasság, a hangszín és a visszhang beállítása a felhasználó mozgása és tevékenysége alapján.

A fület szabadon hagyó hangtechnikát használó kiterjesztettvalóság-szemüvegekhez szánt eszközök tervezése megköveteli az eszköz előnyeinek és hátrányainak, a térbeli hangzás tervezési elveinek és bevált módszereinek, valamint a fejlesztőeszközöknek és keretrendszereknek a megértését. A videokijelzők és a videofelvételek energiaigényesek, ezért a hatásfok is kritikus fontosságú. A kiváló minőségű hangzás és a szemrevaló kinézet is nagy szerepet játszik abban, hogy a vásárlók hogyan fogadják a terméket, a készülékek töltésének pedig kényelmesnek kell lennie, és fontos, hogy a technika által lehetővé tett legritkább esetben legyen rá szükség.

Az ADI platformja a fület szabadon hagyó hangtechnikát használó kiterjesztettvalóság-szemüvegekhez szánt eszközökhöz

Az Analog Devices, Inc. (ADI) olyan platformot kínál a kiterjesztettvalóság-szemüvegekhez, amely beépített hangrögzítést, hanglejátszást, akkumulátorkezelő összetevőket és algoritmusokat tartalmaz. Ezek az alkatrészek és fejlesztőeszközök a tervezők számára gyors utat biztosítanak a fület szabadon hagyó hangtechnikát használó kiterjesztettvalóság-szemüvegekhez szánt eszközök építéséhez és teszteléséhez.

Az ADI hangprocesszoros kodekjei a vállalat Pure Voice feldolgozóalgoritmusait használják a beszédcélú hívások minőségének kihívást jelentő akusztikai környezetekben való javítására, valamint dinamikus hangszórókezelési (DSM™, Dynamic Speaker Management) algoritmusokat a nagyobb hangerő és a gazdagabb hangzás létrehozására helyszűkében lévő hangszórók esetében.

• Az ADAU1860 (1. ábra) egy HiFi 3z hangtechnikai digitális jelfeldolgozó (DSP, digital signal processor) processzormagot és egy kis késleltetésű FastDSP processzormagot tartalmaz, valamint nyolc digitálismikrofon- (DMIC-) bemeneti csatornát, három analóg bemenetet, egy analóg kimenetet és két impulzussűrűség-modulációs (PDM, pulse density modulation) kimeneti csatornát. Az analóg bemenet és a digitális jelfeldolgozó processzormag közötti útvonalnak a kis késleltetés érdekében történő optimalizálása ideális a zajszűréshez.

1. ábra: Az ADI ADAU1860 kodek többek között két digitális jelfeldolgozó processzort, nyolc digitálismikrofon-bemenetet és három analóg bemenetet tartalmaz (kép: Analog Devices, Inc.)

• Az ADAU1797 szintén egy kis fogyasztású, nagyobb teljesítményű hangkodek, amely egy HiFi 3z hangtechnikai digitális jelfeldolgozó processzormagot és egy kis késleltetésű FastDSP processzormagot tartalmaz, valamint három analóg bemeneti csatornát, 10 digitálismikrofon-bemeneti csatornát, két PDM kimeneti csatornát és egy jó hatásfokú D osztályú erősítős kimeneti csatornát. Kis fogyasztású üzemmódban a digitális jelfeldolgozó processzormagok olyan kis méretű készülékekhez vannak optimalizálva, mint például a fület szabadon hagyó hangtechnikát használó kiterjesztettvalóság-szemüvegek. Nagy teljesítményű üzemmódban a HiFi 3z mag 50 MHz-ről 200 MHz-re gyorsul, a FastDSP pedig kétszer annyi, 64 helyett 128 utasítás támogatására képes. Megnövelt feldolgozási képessége arra használható, hogy ciklusokat vegyen le a fő processzorról, vagy hogy lehetővé tegye egy olcsóbb fő processzor használatát anélkül, hogy további külső hangtechnikai digitális jelfeldolgozó processzorra vagy mikrovezérlőre lenne szükség.
• Az ADI mindegyik kodekhez kínál fejlesztőkártyát is. Az EVAL-ADAU1797Z (2. ábra) 8 rétegű kialakítású, a belső rétegeken egy testelőfelület és egy tápfeszültség-felület is található, és egyetlen 3,8 V és 5 V közötti tápfeszültségről táplálható. Az EVAL-ADAU1860EBZ 4 rétegű kialakítású, a belső rétegeken szintén található egy testelőfelület és egy tápfeszültség-felület is, és az USB-sínről vagy egyetlen 5 V-os tápfeszültségről táplálható.

2. ábra: Az EVAL-ADAU1797Z fejlesztőkártya teljes hozzáférést kínál az ADAU1797 IC összes analóg és digitális be- és kimenetéhez (kép: Analog Devices, Inc.)

Az ADI intelligens hangerősítői beépített áramerősség- és feszültségérzékelő (IV) visszacsatolást és hangszórókezelő algoritmusokat kínálnak, hogy maximalizálják a teljesítményt a helyszűkében lévő készülékek esetében.

• A MAX98388 egy D osztályú monó digitális bemeneti erősítő, amelyet kiterjesztettvalóság-, virtuálisvalóság- és okosszemüvegekhez terveztek. Az intelligens erősítőfunkciókhoz áramerősség- és feszültségérzékelő visszacsatolással van ellátva, és képes a dinamikus hangszórókezelést (DSM, Dynamic Speaker Management) a hangkodekre terhelni. Maximum 5,5 V-os (egytelepes) készülékekhez van optimalizálva, és akár 90%-os hatásfokra is képes.
• A nemrégiben bemutatott MAX98390 egy beépített dinamikus hangszórókezeléssel ellátott, megnövelt erősítésű D osztályú erősítő, amely képes növelni a hangerőt (SPL, sound press level) és javítani a basszushangátvitelt, hogy javítsa a mikrohangszórók hangminőségét, miközben maximálisra növeli a hatásfokot. Az integrált áramkörös feszültségnövelő áramátalakító és a FET-méretezés a dinamikus hangszórókezeléssel együtt hosszabb akkumulátor-üzemidőt tesz lehetővé. A feszültségnövelő áramátalakító legnagyobb kimenőfeszültsége 6,5 V és 10 V között állítható 0,125 V-os lépésekben, és erre akár 2,65 V-os akkumulátorfeszültségről is képes. A MAX98390CEVSYS# (3. ábra) tartalmazza az ADI DSM Sound Studio GUI grafikus felhasználói felületet, amely egyszerűsíti a MAX98390CEWX+T erősítőt használó készülékek tervezését és a dinamikus hangszórókezelés megvalósítását.

3. ábra: A MAX98390CEVSYS# fejlesztőkártya tartalmazza a DSM Sound Studio szoftvert, amely hatékony grafikus felhasználói felülettel van ellátva a MAX98390C erősítőből való jelkinyeréshez, valamint az erősítő hangolásához és kiértékeléséhez (kép: Analog Devices, Inc.)

A teljesítmény a kiterjesztettvalóság-szemüvegek kritikus tervezési tényezője. A fület szabadon hagyó hangszórók több energiát igényelnek, mint a szokványos fejhallgatók, és az ADI számos jó hatásfokú energiagazdálkodási IC-t kínál, amelyeket a tervezők felhasználhatnak a készülékeikhez:

• Az ADI MAX77654 sorozatú energiagazdálkodási integrált áramkörei (PMIC, power management integrated circuit) nagy integráltsági fokú akkumulátortöltési és áramellátási megoldásokat kínálnak. Az egytekercses, többkimenetű (SIMO, single-inductor, multiple-output) feszültségszabályozóval ellátott modul három egyetlen tekercsről levett, egymástól függetlenül programozható tápsínt tartalmaz, így csökkentve minimálisra a készülék méretét. A Smart Power Selector™ Li+/Li-Poly (lítiumionos és lítium–polimer akkumulátor-) töltő 7,5 mA és 300 mA között beállítható töltőáramot és 3,6 V és 4,6 V között beállítható töltőfeszültséget szolgáltat, és a biztonságos töltés érdekében ellenőrzi az akkumulátor hőmérsékletét. Két 100 mA-es, kis feszültségkülönbségű lineáris feszültségszabályozót (LDO, low-dropout linear regulator) tartalmaz, amelyek a búgófeszültség-csillapítást biztosítják a hangtechnikai és egyéb zajérzékeny készülékekhez.
• A MAX77659 energiagazdálkodási IC-kben egy kétbemenetű egytekercses, többkimenetű feszültségcsökkentő-feszültségnövelő feszültségszabályozó található, amely egy töltősínt és egyetlen tekercsről levett három egymástól függetlenül programozható tápsínt lát el feszültséggel, valamint egy kis feszültségkülönbségű feszültségszabályozót is tartalmaz a búgófeszültség-csillapítás érdekében.
• Az ADI MAX77972 egy három az egyben kombinált IC, amely egy USB-C érzékelőt, egy 3 A-es feszültségcsökkentő feszültségszabályozós töltőt és egy akkumulátor-töltöttségmérőt tartalmaz. Támogatja az USB OTG (On-The-Go, útközben használható USB) külsőeszköz-töltést, és található benne egy Smart Power Selector™ (SPS, intelligens tápfeszültség-választó) is. Az akkumulátor-töltöttségmérő a cellák öregedését, a hőmérsékletet és a kisütési sebességet automatikusan helyesbítő ModelGauge™ m5 algoritmust használja, és pontos töltöttségi állapotot (SOC, state-of-charge) mutat az üzemi körülmények széles tartományában. Az USB-C beállítócsatorna (CC, Configuration Channel) érzékelőérintkezői lehetővé teszik az USB-C áramforrás automatikus érzékelését és a bemeneti áramkorlátozás beállítását.
• Az MAX17301 egy önálló, az akkumulátoron elhelyezhető akkumulátor-töltöttségmérő IC. Védelmet, külön választhatóan akkumulátor belső önkisülés-érzékelést és külön választhatóan SHA-256 hitelesítést kínál 1 cellás lítiumionos és lítium–polimer akkumulátorokhoz. Az adat- és vezérlőregiszterekhez való hozzáférést a Maxim 1 vezetékes vagy 2 vezetékes I²C illesztőfelület teszi lehetővé.
• Az ADI MAX17332 egy önálló akkumulátorkezelő IC, amely lineáris töltőt, akkumulátor-töltöttségmérőt, akkumulátorvédelmet és önkisülés-érzékelést kínál. Képes megteremteni az egyensúlyt a vegyes akkumulátorok kapacitásai között, gyors töltést tesz lehetővé, valamint képes a párhuzamos akkumulátorok független töltésére és a kereszttöltés megakadályozására.

Összegzés

A kiterjesztettvalóság-eszközökben rejlő lehetőségek kiaknázásában a hang az egyik fő korlát, mivel ezek az eszközök jellemzően a látásra összpontosítanak. A fület szabadon hagyó hangtechnika lehetőséget kínál ennek a lehetőségnek a könnyebb, divatosabb és kényelmesebb kiterjesztettvalóság-szemüvegekkel való kihasználására, amelyek számos felhasználási módot képesek támogatni. Az ADI alkatrészek, eszközök és szoftverek teljes körű megoldások létrehozására alkalmas platformját állította össze.