Schnelle Implementierung eines hochwertigen TWS-Kopfhörerdesigns mit dediziertem Hochtöner und Tieftöner

In den Anfängen des Audio-Streamings waren die drahtlosen Datenraten begrenzt, und die Nutzer akzeptierten einen Verlust an Klangtreue als Preis für die Bequemlichkeit tausender digitaler Musikstücke in ihrer Tasche. Doch mit der Einführung von Mobilfunktechnologien, die einen höheren Funkdurchsatz und verbesserte Komprimierungsalgorithmen unterstützen, sind die Verbraucher anspruchsvoller geworden. Das bedeutet, dass Entwickler jetzt echte kabellose Stereo-Ohrhörer (TWS) anbieten müssen, um die Erwartungen der Verbraucher zu erfüllen. Die TWS-Ohrhörer versprechen eine präzisere Klangwiedergabe über das gesamte Audiospektrum hinweg, insbesondere bei den höheren Frequenzen, die bei älteren Modellen normalerweise verloren gehen.

Doch die Klangqualität ist nur ein Aspekt der modernen drahtlosen Audiowiedergabe. In einem wettbewerbsintensiven Markt müssen die Entwickler von Headsets genau darauf achten, was die Verbraucher wollen, und diese Erkenntnisse nutzen, um das Endprodukt so effizient und kostengünstig wie möglich zu gestalten. So wünschen sich die Verbraucher beispielsweise auch eine wirksame aktive Geräuschunterdrückung (ANC) und eine Abschwächung der Okklusionseffekte, damit sie ihr Hörerlebnis besser genießen können. Für ältere Hörer wird zunehmend auch eine automatische Kompensation (Hörpersonalisierung) des natürlichen Hörverlustes in den höheren Frequenzen nachgefragt.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist ein überarbeiteter Ansatz mit getrennten Tieftönern für den Bass und Hochtönern für die Höhen erforderlich. Dies übersteigt die Fähigkeiten vieler Entwicklungsteams, was zu verlängerten Markteinführungszeiten und potenziell verpassten Chancen führt, während sie das Fachwissen einstellen oder entwickeln.

Dieser Artikel fasst die Entwicklungen im Bereich der kommerziellen drahtlosen Audioübertragung und ihre Auswirkungen auf die Hardware- und Softwareentwicklung von Ohrhörern zusammen. Der Artikel stellt dann ein Referenzdesign für TWS-Ohrhörer vor und zeigt, wie Entwickler damit schnell Headset-Lösungen auf den Markt bringen können, die differenzierte Funktionen ermöglichen und gleichzeitig die starken Bässe und erweiterten Höhen, die von moderner Audiokompressionssoftware erfasst werden, präzise wiedergeben.

Fortschritte bei der digitalen Tontechnik

In der realen Welt ist der Ton ein analoges Signal, aber unsere Aufnahme- und Wiedergabegeräte arbeiten überwiegend mit digitalen Signalen. Der Ton wird mit einem Analog/Digital-Wandler (ADC) digitalisiert, der von einem Kodier-/Dekodier-Algorithmus („Codec“) gesteuert wird, der die Abtastrate in Hertz (Hz) und die Bittiefe (Bits) bestimmt. Beim Sampling wird die Amplitude der analogen Wellenform des Sounds in bestimmten Intervallen erfasst.

Die Abtastrate ist ein Kompromiss. Niedrigere Raten bedeuten weniger zu verarbeitende Daten, aber eine geringere Auflösung. Die Bittiefe ist die Anzahl der Informationsbits in jedem Sample; auch hier ist ein Kompromiss zwischen der Anzahl der Bits und der Audioqualität erforderlich. Übliche Bittiefen sind 16, 24 und 32 Bit (Abbildung 1).

Abbildung 1: Analoger Sound wird durch Abtasten mit einer bestimmten Frequenz und Bitrate digitalisiert. Durch die Erhöhung der Abtastrate und der Bittiefe wird sichergestellt, dass die digitalisierten Informationen das analoge Signal besser widerspiegeln und die Qualität der Wiedergabe verbessert wird. (Bildquelle: Knowles)

Abtastrate × Bittiefe × Anzahl der Kanäle ergibt die Bitrate in Bit pro Sekunde (bit/s). Für eine akzeptable Musikqualität ist die Bitrate in der Regel höher als 192 Kilobit pro Sekunde (kbit/s). Die CD-Qualität beispielsweise beruht auf einer Abtastrate von 44,1 Kilohertz (kHz) und einer Bittiefe von 16 Bit. Für die Stereowiedergabe beträgt die Bitrate also 1,411 Megabit pro Sekunde (Mbit/s).

Herkömmliche Codecs verwenden in der Regel Komprimierungstechniken, bei denen während der Kodierung Informationen verworfen werden, von denen festgestellt wurde, dass sie die Wahrnehmung des dekodierten Audiostroms durch den Hörer nicht übermäßig beeinträchtigen. Ziel ist es, die Bitrate so weit wie möglich zu senken, ohne die Audioqualität zu sehr zu beeinträchtigen. Solche Codecs werden als „verlustbehaftet“ bezeichnet, weil der Decoder niemals das ursprüngliche Signal wiedergeben kann, da er nicht über alle ursprünglichen Informationen verfügt. Bei verlustbehafteten Codecs werden in der Regel die höheren Frequenzen (Höhen) eliminiert.

Dank der Fortschritte im Bereich des stromsparenden Kurzstreckenfunks können drahtlose Verbindungen einen höheren Datendurchsatz ermöglichen, ohne dass die Batterielebensdauer darunter leidet. So bietet Bluetooth LE Audio, eine kürzlich veröffentlichte Form des drahtlosen Streamings auf Basis von Bluetooth LE, jetzt sowohl eine viel bessere Audioqualität als Classic Bluetooth Audio als auch einen geringeren Stromverbrauch.

Die Ingenieure haben auch die Effizienz ihrer Codecs verbessert. Diese neueren „verlustfreien“ Codecs haben in Verbindung mit drahtlosen Verbindungen mit höherem Durchsatz eine wesentlich höhere Audioqualität ermöglicht (Tabelle 1). Audio-Dienste von Unternehmen wie Apple, Amazon und Spotify bieten jetzt verlustfreies Audio-Streaming in hoher Qualität an. Der Entwickler sollte jedoch beachten, dass die kodierte Bitrate für die verlustfreien Codecs oft höher ist, als die drahtlose Verbindung zuverlässig unterstützen kann. Der LDAC-Codec von Sony kodiert beispielsweise mit einer Bitrate von 6,1 Mbit/s (32 x 96 x 2), aber die Bitrate der drahtlosen Verbindung ist auf 990 kbit/s begrenzt.

Tabelle 1: Vergleich von „verlustfreien“ Codecs (Sony, Savitech und Qualcomm) mit CD-Qualität und verlustbehafteten Codecs (Qualcomm und Bluetooth SIG (SBC)). Beachten Sie, dass die maximale Bitrate für die verlustfreien Codecs durch die Leistungsfähigkeit der drahtlosen Bluetooth-Verbindung begrenzt ist. (Bildquelle: Knowles)

ANC und personalisierter Sound

Die Erwartungen der Verbraucher an die TWS-Kopfhörer gehen über den hervorragenden Klang hinaus. Hochwertige Produkte müssen auch ANC und andere Funktionen bieten. ANC ist sehr beliebt, weil es dem Benutzer ein hochwertiges Hörerlebnis bietet, wenn es einen hohen Grad an Hintergrundgeräuschen gibt, wie z. B. in einer Flugzeugkabine. ANC arbeitet mit Mikrofonen in den Ohrhörern, die niederfrequente Geräusche aufnehmen und auslöschen, bevor der Benutzer sie wahrnimmt. Die Auslöschung tritt auf, wenn das Headset einen Sekundärschall erzeugt, der gegenüber dem ursprünglichen Geräusch um 180˚ invertiert ist.

Eine weitere wichtige Verbesserung, die jetzt mit kabellosen Ohrhörern angeboten wird, ist der personalisierte Sound. Nutzer mit angeborenen oder sich im Alter entwickelnden Hörbehinderungen haben möglicherweise besondere Schwierigkeiten, höhere Frequenzen zu hören (Abbildung 2). Es gibt Smartphone-Apps und andere Hilfsmittel, mit denen der Nutzer bestimmte Frequenzen verstärken kann, um den Hörverlust auszugleichen, aber sie sind in der Regel rudimentär und bieten nur minderwertige Ergebnisse. Hochwertige Produkte gehen jedoch noch einen Schritt weiter, indem sie Algorithmen verwenden, die das Hörvermögen über den gesamten Frequenzbereich hinweg einstellen, indem sie den Nutzer einem detaillierten Hörtest unterziehen. Das Ergebnis sind Ohrhörer, deren Ausgangssignal perfekt auf die Kompensation von Hörmängeln abgestimmt ist.

Abbildung 2: Mit zunehmendem Alter verliert der Mensch allmählich die Fähigkeit, höhere Frequenzen zu hören. Der personalisierte Klang verstärkt ausgewählte Frequenzen, um den Verlust der Hörempfindlichkeit auszugleichen. (Bildquelle: Knowles)

Eine letzte technische Entwicklung bei modernen Ohrhörern ist die Okklusionsreduzierung. Okklusionseffekte treten auf, wenn ein Ohrhörer den äußeren Teil des Gehörgangs verschließt. Dies ist ein häufiges Problem bei Produkten, die so konzipiert sind, dass sie relativ fest im Ohr sitzen. Der Ohrhörer erhöht die akustische „Impedanz“ des Gehörgangs, was wiederum die Amplitude des akustischen Drucks erhöht, insbesondere wenn das Ohr niederfrequenten Geräuschen ausgesetzt ist, die vom Benutzer erzeugt werden (z. B. beim Sprechen, Gehen und Schlucken). Das Ergebnis ist ein echoartiges „Dröhnen“ im Ohr, das lästig ist und ablenkt.

Die Hersteller von Ohrhörern haben sich bemüht, die Okklusionseffekte durch mechanisches Design zu reduzieren, z. B. durch Hinzufügen einer kleinen Öffnung zwischen Ohrhörer und Gehörgang, um die akustische Impedanz zu verringern, sowie durch Softwaredesign, z. B. durch Einbeziehung der Okklusionsreduzierung in die ANC-Routinen.

Die Vorteile von separaten Tief- und Hochtönern

Bis vor kurzem war die Entwicklung von drahtlosen Kopfhörern eine geringere Herausforderung als die Entwicklung von Lautsprechern, die an audiophile High-End-Soundsysteme angeschlossen sind. Die Benutzer akzeptierten eine geringere Qualität ihrer Kopfhörer als Preis für die Bequemlichkeit, was es den Entwicklern erleichterte, Produkte mit einem kleinen Formfaktor zu einem vernünftigen Preis zu entwickeln. So war es beispielsweise üblich, einen Vollbereichslautsprecher anstelle eines separaten Tief- und Hochtöners zu verwenden, um Platz zu sparen. Die Wiedergabe höherer Frequenzen wurde möglicherweise geopfert, aber das war kaum ein Problem, wenn diese Frequenzen im drahtlosen Audiostrom fehlten.

Mit dem Aufkommen verlustfreier Codecs und Technologien mit hohem Durchsatz wie Bluetooth LE Audio bietet die drahtlose Audioübertragung jetzt jedoch ein vollständiges Spektrum an Bass- und Höhenfrequenzen (Abbildung 3). Die Wiedergabe dieses Klangs verlangt den Ohrhörern viel mehr ab. Darüber hinaus erwarten die Verbraucher ANC, personalisierten Klang, reduzierte Okklusionseffekte und die Eignung für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, einschließlich Musik, Fernsehen, Videokonferenzen und Sprachanrufe - und das alles in einem äußerst kompakten Formfaktor und natürlich zu einem vernünftigen Preis.

Abbildung 3: Verlustfreie Codecs liefern mehr Hochfrequenzinformationen und ermöglichen so eine bessere Wiedergabe von hohen Tönen bei der Musikwiedergabe in entsprechend gestalteten Ohrhörern. (Bildquelle: Knowles)

Viele dieser Anforderungen erfordern Kompromisse bei der Entwicklung. Um beispielsweise in lauten Umgebungen wie einer Flugzeugkabine eine effektive ANC zu ermöglichen, müssen die Lautsprechertreiber eine hohe Bassleistung bei geringer Verzerrung liefern. Halboffene Konstruktionen, die auf Okklusion ausgerichtet sind, stellen weitere Anforderungen an die Bassleistung. Gleichzeitig erfordert die verlustfreie Audiowiedergabe, dass der Lautsprechertreiber Höhen von bis zu 20 Kilohertz (kHz) und mehr verarbeiten kann. Beide Anforderungen mit einem einzigen dynamischen Lautsprechertreiber in einem winzigen Formfaktor zu erfüllen, ist praktisch unmöglich.

Die Lösung besteht darin, die Bass- und Hochtonfrequenzen auf einen dynamischen Tieftöner und einen separaten BA-Hochtöner (BA: Balanced Armature) aufzuteilen. Der BA-Hochtöner ist ein spezielles Bauteil, das ursprünglich für Hörgeräteanwendungen entwickelt wurde und nun zunehmend zur Verstärkung der Höhenwiedergabe in hochwertigen Ohrhörern eingesetzt wird. In einem BA-Hochtöner bringt ein elektronisches Signal ein winziges Blatt zum Schwingen, das zwischen zwei Magneten in einem kompakten Gehäuse ausbalanciert ist. Die Bewegung des Blattes wird auf eine sehr steife Aluminiummembran übertragen, die den Ton erzeugt.

Mit einer speziellen Konfiguration aus Tieftöner und BA-Hochtöner kann der Tieftöner so ausgelegt werden, dass er sich auf die Bereitstellung starker Bässe konzentriert, um verlustfreie Wiedergabe, ANC und die Reduzierung von Okklusionseffekten zu unterstützen, während der BA-Hochtöner für klare und deutliche Höhen optimiert ist. Dadurch ist weniger Entzerrung erforderlich, was wiederum Strom spart und den dynamischen Spielraum erhöht (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Aufteilung des Lautsprechersystems in einen dynamischen Tieftöner (grün) und einen BA-Hochtöner (blau) führt zu einem flachen „Hybrid“-Frequenzgang (rot). (Bildquelle: Knowles)

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Trennung der Lautsprecher: Der Entwickler hat einen größeren Freiheitsgrad bei der Anordnung. So kann beispielsweise der Tieftöner weniger direkt auf die Ohrmuschel ausgerichtet werden, so dass der BA-Hochtöner in der Nähe der Ohröffnung positioniert werden kann, um das zwischen Hochtöner und Ohrmuschel eingeschlossene Luftvolumen zu minimieren und die Okklusionseffekte zu begrenzen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Durch die Trennung von Tief- und Hochtöner in den Ohrhörern kann der Hochtöner zur Vorderseite des Geräts hin positioniert werden, was dazu beiträgt, Okklusionseffekte zu begrenzen. (Bildquelle: Knowles)

Außerdem ermöglicht die Trennung von Tief- und Hochtönern den Entwicklern, den Frequenzgang zu verfeinern. So können sie beispielsweise die akustischen Merkmale in der Nähe der Hochtöneröffnung formen, um die Hochtonwiedergabe zu verfeinern. Dann können die Entwickler die Frequenzweiche so einstellen, dass die Signale von Tief- und Hochtöner gleichmäßig überlagert werden. Die Entwickler können auch die Empfindlichkeit des Hochtöners anpassen, um eine bessere Abstimmung mit dem Tieftöner zu erreichen, indem sie eine höhere oder niedrigere Spulenimpedanz wählen. Die endgültige Gestaltung des gesamten Frequenzgangs des Ohrhörers kann mithilfe der digitalen Signalverarbeitung (DSP) erfolgen.

Da viele Bluetooth-ICs über zwei Ausgänge verfügen, können der Tieftöner und der Hochtöner von einzelnen Verstärkern angesteuert werden, was die Flexibilität bei der Gestaltung des Frequenzgangs erhöht.

Hochwertiges drahtloses Audio-Referenzdesign

Ingenieure, die an einen einzigen Lautsprecher in ihren kabellosen Designs gewöhnt sind, werden durch die zusätzliche Komplexität herausgefordert, die durch die separaten Tieftöner und Hochtöner entsteht, die für die Wiedergabe von hochwertigem Audio erforderlich sind. Der Trend geht jedoch eindeutig in Richtung höherer Audioqualität, so dass ein Zwei-Lautsprecher-Design für die hochwertige Wiedergabe von verlustfreiem Audio-Streaming in Betracht gezogen werden muss.

Zur Unterstützung von Entwicklern, die sich in diese Richtung bewegen, hat Knowles, ein Hersteller von BA-Hochtönern, das Referenzdesign True Wireless Stereo TC-35030-000 für Ohrhörer vorgestellt. Das Referenzdesign verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung von TWS-Kopfhörern, da es viele der von den Nutzern geforderten modernen Funktionen enthält und somit viele der üblichen Designprobleme beseitigt.

Das Referenzdesign umfasst einen von Knowles selbst entwickelten BA-Hochtöner für einen guten Klang im Hochtonbereich sowie einen dynamischen 10-Millimeter-Tieftöner für solide Bässe. Das Gerät enthält außerdem MEMS-Mikrofone (MEMS: Mikroelektromechanische Systeme) für ANC und Sprachanrufe. Das Referenzdesign bietet eine Wiedergabezeit von 13 Stunden oder 8 Stunden Gesprächszeit mit dem integrierten Akku und ist mit Bluetooth 5.2 kompatibel. Zu den zusätzlichen Funktionen des Kits gehören Touch-Bedienelemente und eine integrierte Sprachassistententechnologie (Abbildung 6).

Abbildung 6: Das Referenzdesign TC-35030-000 des TWS-Ohrhörers verfügt über einen BA-Hochtöner für einen guten Hochtonbereich und einen dynamischen 10mm-Tieftöner für solide Bässe. (Bildquelle: Knowles)

Der BA-Hochtöner bietet einen Frequenzgang, der weit über 20 kHz hinausreicht. Vergleicht man die Hochtonleistung des Knowles-Produkts mit der eines typischen dynamischen 8mm-Lautsprechers, so bietet der BA-Hochtöner die erhöhte Hochtonleistung und -erweiterung, die für eine hohe Audioqualität erforderlich sind, einschließlich der Möglichkeit, eine Hörpersonalisierung oder -verbesserung zu unterstützen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Abbildung zeigt den Hochtonbereich des BA-Hochtöners von Knowles im Vergleich zu einem dynamischen Lautsprecher. (Bildquelle: Knowles)

Fazit

Fortschritte bei Halbleitern für drahtlose Technologien und Codecs haben die Landschaft für Ohrhörer verändert. Die Verbraucher erwarten von ihren im Ohr getragenen TWS-Geräten tiefe Bässe, feine Höhen und einen großen Dynamikbereich. Darüber hinaus erwarten die Nutzer fortschrittliche Funktionen wie ANC und personalisierten Klang sowie die Reduzierung von Effekten wie der Okklusion (Verdeckung).

Um die Anforderungen an den Frequenzgang von TWS-Headsets besser erfüllen zu können, müssen die Entwickler auf Zwei-Lautsprecher-Designs mit einem dedizierten Hoch- und Tieftöner umsteigen. Dies ist zwar eine technische Herausforderung, aber das Referenzdesign TC-35030-000 von Knowles für TWS-Ohrhörer kann bei der Umsetzung helfen. Die Kombination aus einem BA-Hochtöner, einem Tieftöner und MEMS-Mikrofonen bietet eine gute Grundlage für die Entwicklung hochwertiger Audio-Ohrhörer mit Funktionen, die eine klare Produktdifferenzierung ermöglichen.