Kiváló minőségű TWS fülhallgatók gyors megvalósítása dedikált magas- és mélysugárzóval

Az audio streaming kezdeti időszakában a vezeték nélküli adatátviteli sebesség korlátozott volt, és a felhasználók elfogadták a természethűség-veszteséget, cserébe a zsebükben hordozható több ezer digitális zeneszám adta kényelméért. A nagyobb átviteli sebességet és fejlett tömörítési algoritmusokat támogató vezeték nélküli technológia megjelenésével azonban a felhasználók mára már igényesebbé váltak. Ez azt jelenti, hogy a fogyasztói elvárásoknak való megfeleléshez a tervezőknek valódi vezeték nélküli sztereó (TWS) audio fülhallgatókat kell kínálniuk. A TWS fülhallgatókban rejlő potenciál az, hogy a hang az egész hangspektrumban pontosabban reprodukálható, különösen a magasabb frekvenciákra nézve, amelyek a régebbi konstrukciókban jellemzően elvesztek.

A hangminősége azonban csak az egyik aspektus a modern vezeték nélküli hangreprodukció terén. A versenypiacon a headset-fejlesztőknek alaposan oda kell figyelniük a felhasználók igényeire, és fel kell használniuk a tőlük kapott visszajelzéseket, hogy saját végtermékük a hatékonyságot és az árat tekintve kiemelkedjen a többi közül. A felhasználók például hatékony aktív zajszűrést (active noise cancellation, ANC) szeretnének, valamint a hallójárat-elzáródásból eredő hatások mérséklését, a minél jobb zenehallgatási élmény érdekében. Az idősebb fülhallgatóhasználóknál pedig egyre nagyobb igény van a magasabb frekvenciák hallása terén jelentkező természetes halláscsökkenés automatikus kompenzálására (a hallás személyre szabására).

Ezeknek az igényeknek a kielégítéséhez módosított hozzáállásra van szükség, a mély hangoknak a mélyhangszóróra, a magas hangoknak pedig a magassugárzókra történő elkülönítésével. Ez meghaladja sok fejlesztőcsapat képességét, ami meghosszabbítja a piacra kerülési időket és potenciális elszalasztott lehetőségekkel járhat, mivel a szükséges szakértelmet ki kell fizetniük vagy fejleszteniük.

Ez a cikk a kereskedelmi vezeték nélküli hangtechnika fejlődését foglalja össze és annak hatását a fülhallgatói hardverek és szoftverek tervezésére vonatkozólag. Ezután bemutat egy TWS-fülhallgató készítésére használható referenciatervet, majd azt is, hogy a tervezők hogyan használhatják azt fel átlagon felüli képességekkel rendelkező fülhallgatók gyors piacra dobására, melyek pontosan képesek reprodukálni a korszerű hangtömörítő szoftverek által rögzített, mostanában elterjedt erős basszusokat és meghosszabbított magas hangokat.

Fejlődés a digitális hangzás terén

A valóságban a hang egy analóg jel, a felvételi és lejátszó berendezéseink azonban nagyrészt digitális jelekkel dolgoznak. A hang digitalizálása a mintavételi frekvenciát (Hz) és a bitmélységet (bit) szabályozó kódoló/dekódoló algoritmus (kodek) által működtetett analóg-digitális átalakító (ADC) segítségével történik. Mintavételezéskor a rendszer a hang analóg hullámformájának amplitúdóját rögzíti meghatározott időközönként.

Minden beállított mintavételi sebesség kompromisszumokkal jár. Alacsonyabb sebességek esetén kevesebb a feldolgozandó adat, de a felbontás is alacsonyabb. A bitmélység a minden egyes mintavételezett minta által hordozott információ bitekben kifejezett száma; mint az előbbi paraméternél is, a bitek száma és a hangminőség között kompromisszumos viszony áll fenn. Az elterjedt bitmélységek a 16, 24 és 32 bit (1. ábra).

1. ábra: Adott frekvencián és bitsebességgel mintavételezett és digitalizált analóg hangjel. A mintavételi sebesség és a bitmélység növelésével a digitalizált információ az analóg jel hűebb tükörképének felel meg, és a reprodukálható minőség javul (kép: Knowles)

A mintavételi sebesség × bitmélység × csatornák száma határozza meg a bitrátát másodpercenként bitben (bps). Az elfogadható zenei minőséghez a bitrátának általában nagyobbnak kell lennie másodpercenként 192 kilobitnél (kbps). A CD minőséghez például 44,1 kHz mintavételi frekvencia és 16 bites bitmélység kell. Sztereó reprodukció esetén a bitráta tehát 1,411 megabit másodpercenként (Mbps).

A hagyományos kodekek jellemzően olyan tömörítési technikákat alkalmaznak, amelyek a kódolás során olyan információkat dobnak ki, amelyekről megállapított, hogy nem befolyásolják túlzottan a hallgató által érzékelt dekódolt hangfolyamot. A cél a bitráta lehető legnagyobb mértékű csökkentése a hangminőség indokolatlan romlása nélkül. Az ilyen kodekeket „veszteségesnek” (lossy) nevezik, mivel a dekódoló soha nem tudja reprodukálni az eredeti jelet, mivel nem rendelkezik az összes eredeti információval. A veszteséges kodekek jellemzően a magasabb frekvenciákat távolítják el.

Az alacsony fogyasztású, kis hatótávolságú rádiók terén elért fejlesztéseknek köszönhetően a vezeték nélküli kapcsolatok nagyobb átviteli teljesítményt tudnak biztosítani az akkumulátor élettartamának csökkenése nélkül. Például a Bluetooth LE-alapú vezeték nélküli streaming nemrég megjelent formája a Bluetooth LE Audio a klasszikus Bluetooth Audio-nál sokkal jobb hangminőséget és alacsonyabb energiafogyasztást kínál.

A mérnökök a kodekek hatékonyságát is javították. Ezek az újabb „veszteségmentes” (lossless) kodekek a nagyobb vezeték nélküli átviteli sebességgel kombinálva sokkal jobb vezeték nélküli hangreprodukciót tettek lehetővé (1. táblázat). Az Apple, az Amazon, a Spotify és más cégek hangszolgáltatásai már kiváló minőségű, veszteségmentes streaminget kínálnak. A tervezőknek azonban figyelembe kell venniük, hogy a veszteségmentes kodekek kódolt bitrátája gyakran magasabb, mint amit a vezeték nélküli kapcsolat megbízhatóan támogatni tud. A Sony LDAC kodekje például 6,1 Mbps bitrátával kódol (32 x 96 x 2), de a vezeték nélküli kapcsolat bitrátája csupán 990 kbps.

1. táblázat: A veszteségmentes kodekek (Sony, Savitech és Qualcomm) összehasonlítása a CD-minőségű és veszteséges kodekekkel (Qualcomm és Bluetooth SIG (SBC)). Megjegyzendő, hogy a veszteségmentes kodekek maximális bitrátája a vezeték nélküli Bluetooth kapcsolat képessége miatt korlátozott (kép: Knowles)

Aktív zajszűrés (ANC) és személyre szabott hangzás

A felhasználók a TWS fülhallgatóktól már többet várnak a „csupán” kiváló hangzásnál. A csúcskategóriás termékeknek egyebek mellett aktív zajszűrést (ANC-t) és más funkciókat is kínálniuk kell. Az ANC azért népszerű, mert minőségi hallgatási élményt nyújt a felhasználóknak még nagy háttérzaj esetén is, például egy repülőgép utasterében. Az ANC-t a fülhallgatóba épített mikrofonok teszik lehetővé, amelyek felfogják az alacsony frekvenciájú zajokat, és kioltják őket, mielőtt a felhasználó egyáltalán regisztrálná azok létezését. Ezen kioltás vagy semlegesítés úgy történik, hogy a fülhallgató az eredeti zajhoz képest egy 180˚-ban fordított másik hangot generál.

A vezeték nélküli fülhallgatókkal együtt napjainkban kínált másik kulcsfontosságú fejlesztés a személyre szabott hangzás. Azok a személyek, akik születésüktől fogva halláskárosultak, vagy akik az életkoruk előrehaladtával kialakult halláskárosodással küzdenek, előfordulhat, hogy a magasabb frekvenciákat egyáltalán nem, vagy csak nehezen hallják (2. ábra). Bár léteznek olyan okostelefon-alkalmazások és egyéb eszközök, amelyek lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy bizonyos frekvenciákat erősítsenek a halláskárosodás kompenzálására, ezek általában kezdetlegesek és az elérhető eredmények is gyengék. A kiváló minőségű termékek azonban ezt most már olyan algoritmusokkal egészítik ki, amelyek a teljes frekvenciatartományban beállítják a hallásszinteket, és a felhasználót részletes hallásvizsgálatnak vetik alá. Ezzel olyan fülhallgatók készíthetők, amelyek kimenete tökéletesen képes kompenzálni a létező halláshibákat.

2. ábra: A felhasználók öregedésével azon képességük, hogy a magasabb frekvenciákat hallják fokozatosan csökken. A személyre szabott hangzás felerősíti a kiválasztott frekvenciákat, hogy kompenzálja a hallásérzékenység csökkenését (kép: Knowles)

A modern fülhallgatók terén elért egyik utolsó technikai fejlesztés a hallójárat-elzáródás hatásainak a csökkentése, melynek hatásai akkor jelentkeznek, amikor a fülhallgató lezárja a hallójárat külső részét. Ez gyakori probléma a fülbe viszonylag szorosan illeszkedő termékeknél. A fülhallgató valójában megnöveli a hallójárat akusztikus impedanciáját, és ennek következtében az akusztikus nyomás amplitúdója is növekszik, különösen akkor, amikor a fület a felhasználó által generált alacsony frekvenciájú hang éri (például beszédkor, járáskor, nyeléskor). Ilyenkor a hangokat erősebben, visszhangszerűen, mintegy hordóból jövően halljuk, ami bosszantó és zavaró.

A fülhallgató-gyártók mechanikai kialakítással (például az akusztikus impedancia csökkentéséhez a fülhallgató és a hallójárat közötti kis nyílás hozzáadásával), valamint szoftveres tervezéssel (például az ANC rutinokba építve be ezen hatások csökkentését) igyekeznek csökkenteni a hallójárat-elzáródás következtében fellépő effektusokat.

Különálló mély- és magas hangszórókkal járó előnyök

A közelmúltig vezeték nélküli fejhallgatókat tervezni kevesebb kihívással járt, mint teljes méretű hangszórókat tervezni csúcskategóriás audiofil hangrendszerekhez. A felhasználók elfogadták a fejhalgatókkal járó alacsonyabb minőséget, mint a kényelem árát, és ez megkönnyítette a tervezők számára, hogy kis méretű termékeket fejlesszenek ésszerű áron. Helytakarékossági okokból például egy-egy különálló mély- és a magas hangszóró helyett egyetlen teljes tartományú hangsugárzót használtak. Ezzel a magasabb frekvenciák reprodukálhatóságát potenciálisan feláldozták, de ez aligha jelentett problémát, mivel ezek a frekvenciák hiányoztak a vezeték nélküli adatkapcsolaton továbbított hangfolyamból.

A veszteségmentes kodekek és a nagy átviteli teljesítményű technológiák, például a Bluetooth LE Audio megjelenésével azonban a vezeték nélküli hangátvitel területén ma már a basszus és a magas hangok átvitele a teljes frekvenciatartományon belül megvalósítható (3. ábra). Ilyen hangfolyamok reprodukálása sokkal többet követel a fülhallgatóktól. A fogyasztók emellett ANC-t, személyre szabott hangzást, a hallójárat-elzáródási effektusok csökkentését és széleskörű felhasználási alkalmazhatóságot várnak el, beleértve a zene- és TV-hallgatást, a videokonferenciát és a hanghívásokat – mindezt rendkívül kompakt formában, és természetesen ésszerű áron.

3. ábra: A veszteségmentes kodekekkel több magas frekvenciájú információt kódolható, így a megfelelően kialakított fülhallgatók a magas hangokat jobban reprodukálni tudják (kép: Knowles)

E követelmények közül sokuk megvalósításához kompromisszumokat kell hozni a tervezés során. Ahhoz például, hogy az ANC hatékony legyen zajos környezetben (például egy repülőgép kabinjában), a hangsugárzóknak magas basszusteljesítményt kell nyújtaniuk, alacsony torzítással. A hallójárat-elzáródásra megoldást kínáló félig nyitott kialakítások további követelményeket támasztanak a basszussal szemben. Ugyanakkor a veszteségmentes hanglejátszás megköveteli, hogy a hangsugárzó a 20 kHz és afölötti magas hangok lejátszására is képes legyen. Mindkét követelményt egyetlen dinamikus hangsugárzóval teljesíteni egy apró méretformájú kialakításban gyakorlatilag lehetetlen.

A megoldás az, hogy a mély- és magas frekvenciák reprodukálását egy dinamikus mélysugárzóra és egy különálló, kiegyensúlyozott armatúrás (BA) magassugárzóra osztják. A BA technológiás magassugárzók speciális alkatrészek, amelyeket eredetileg hallókészülékeknél történő alkalmazásra fejlesztettek ki, és amelyeket mostanában egyre gyakrabban használnak a magas hangszín reprodukálásának erősítésére a kiváló minőségű fülhallgatókban. A BA magassugárzóban az elektronikus jel egy kompakt házban lévő, két mágnes között kiegyensúlyozott apró nyelvet rezget. A rezgőnyelv mozgása egy nagyon merev alumínium membránra vivődik át, ami a hangot produkálja.

A dedikált mélysugárzót és BA magassugárzót tartalmazó konfigurációval a mélysugárzó megtervezhető úgy, hogy a veszteségmentes reprodukció és az ANC támogatása, valamint a hallójárat-elzáródási hatások csökkentéséhez erős basszust adjon, míg a BA magassugárzó kimenete a tiszta és határozott magas hangzásra optimalizálható. Ez csökkenti a kiegyenlítés szükségességét, ami viszont energiát takarít meg, és jobb dinamikus kivezérelhetőségi tartalékot (dynamic headroom) biztosít (4. ábra).

4. ábra: A hangszórórendszernek egy dinamikus mélysugárzóra (zöld) és egy BA technológiás magassugárzóra (kék) való szétválasztásával egy lapos frekvenciájú „hibrid” választ (piros) kapunk (kép: Knowles)

A hangsugárzók szétválasztásának egy további előnye is van, mégpedig az, hogy a tervezők nagyobb szabadságot kapnak a hangsugárzók elrendezésében. Például a mélysugárzó elhelyezhető úgy, hogy ne legyen közvetlenül egyvonalban a fülillesztékkel, így elegendő hely marad a BA magassugárzónak a fülnyílás közelében történő elhelyezésére, hogy a magassugárzó és a fülilleszték közé csak minimális levegő szoruljon, ezzel is korlátozva a hallójárat-elzáródásból eredő hatásokat (5. ábra).

5. ábra: A mély- és a magas hangszórók fülhallgatón belüli szétválasztása lehetővé teszi, hogy a magas hangszóró a készülék elülső része felé kerüljön, ami segít a hallójárat-elzáródási hatások csökkentésében (kép: Knowles)

Ezen túlmenően, a mély- és a magas hangszórók szétválasztása lehetővé teszi a tervezők számára a frekvenciaválasz finomítását. Például a magassugárzó kibocsátó nyílása körüli formák úgy alakíthatók, hogy a magas frekvenciás válasz kifinomultabb legyen. A tervezők továbbá beállíthatják az átmeneti pontot is a mélysugárzó és a magassugárzó között a jelek egyenletes keveréséhez. Magasabb vagy alacsonyabb impedanciájú tekercs kiválasztásával a magassugárzó érzékenységét is beállíthatják, hogy az jobb párost alkosson a mélysugárzóval. A fülhallgató teljes frekvenciaválaszának végső alakítása digitális jelfeldolgozással (DSP) támogatott hangolással érhető el.

Sőt, mivel sok Bluetooth IC kettős kimenettel rendelkezik, a mély- és a magassugárzó külön erősítőkkel is meghajtható, így a frekvenciaválasz még rugalmasabban alakítható.

Referenciaterv kiváló minőségű vezeték nélküli hangátvitelhez

Az egyhangsugárzós megoldásokhoz szokott mérnökök számára esetleg problémát jelenthet a kiváló hanghűségű reprodukáláshoz szükséges külön mély- és magassugárzó okozta további összetettség. A külső trendek azonban egyértelműen a jobb minőségű audioképességek biztosítását kérik, ezért érdemes foglalkozni a veszteségmentes hangfolyam minőségi reprodukciójához szükséges kéthangsugárzós rendszer kialakításának módjával és számításba venni ennek lehetőségét.

Az ebbe az irányba mozduló tervezők számára segítségként a BA magassugárzókat gyártó Knowles a valódi vezeték nélküli sztereo (True Wireless Stereo) fülhallgatók készítéséhez a TC-35030-000 referenciatervét kínálja. A referenciaterv lerövidíti a TWS fülhallgatók piacra kerülésének idejét azáltal, hogy számos, a felhasználók által igényelt kulcsfontosságú, korszerű funkciót tartalmaz, és ezáltal kiküszöböli a számos általános tervezési problémával való megküzdést.

A referenciatervben a Knowles saját tervezésű BA magassugárzója található a jó magas frekvenciájú hangzáshoz, valamint egy 10 mm-es dinamikus mélysugárzó az erős basszusokért. A készülék mikroelektromechanikus rendszerű (MEMS) mikrofonokat is tartalmaz ANC-hez és hanghívásokhoz. A referenciaterv beépített akkumulátora 13 órás lejátszási vagy 8 órás beszélgetési időt kínál, és a kialakítás Bluetooth 5.2 kompatibilis. A készletbe épített további funkciók közé tartoznak az érintésvezérlési és a beépített hangalapú asszisztens technológiák (6. ábra).

6. ábra: A TC-35030-000 TWS fülhallgató referenciatervben egy BA magassugárzó található a jó magas frekvenciájú hangzásért és egy 10 mm-es dinamikus mélysugárzó az erős basszusért (kép: Knowles)

A BA magassugárzó a 20 kHz-et jóval meghaladó hangfrekvenciák reprodukálására is képes. Ha összehasonlítjuk a Knowles termékét egy tipikus 8 mm-es dinamikus hangszóróval, hogy azok hogyan teljesítenek a magas hangok visszaadása terén, a BA magassugárzó képes biztosítani a kiváló minőségű hangzáshoz szükséges kimenetet és magas hangszínt, valamint támogatja a hallás személyre szabását vagy a hallásjavítást (7. ábra).

7. ábra: A Knowles BA magassugárzójának és egy dinamikus hangszóró frekvenciaválaszainak összehasonlítása (kép: Knowles)

Összegzés

A vezeték nélküli félvezetős technológia és a kodekek fejlődése terén elért eredmények megváltoztatták a helyzetet a fülhallgatók terén. A fogyasztók ma már mély basszust, kifinomult magas hangokat és széles dinamikatartományt várnak el a fülbe helyezhető TWS készülékektől. A felhasználók emellett olyan korszerű funkciókat is elvárnak, mint az aktív zajszűrés (ANC) és személyre szabott hangzás, és kevésbé hajlamosak elfogadni a rossz élménnyel járó effektusokat, mint amilyeneket például a hallójárat-elzáródása okoz.

A TWS-fejhallgatóktól elvárt frekvenciaválaszok jobb kielégítéséhez a tervezőknek a dedikált magas- és mélysugárzóval rendelkező kéthangsugárzós kialakításokra kell áttérniük. Bár ez műszaki kihívást jelenthet, a Knowles TWS fülhallgatókat modellező TC-35030-000 referenciaterve segíthet ebben. Egy BA magassugárzó, egy mélysugárzó és MEMS-mikrofonok kombinálásával jó alapot képez, melynek felhasználásával kiváló minőségű hanglejátszó fülhallgatók tervezhetők olyan jellemzőkkel, melyek egyértelműen kiemelik őket az átlag közül.