La plateforme d'ADI fournit des composants et des outils pour le développement de lunettes AR audio open-ear

L'intégration de l'audio spatial à des lunettes de réalité augmentée (AR) peut créer des expériences sensorielles humaines immersives et interactives pour mieux combler le fossé entre physique et numérique. Mais les concepteurs doivent s'assurer que les lunettes AR à amélioration audio sont légères et offrent une durée de fonctionnement étendue pour une utilisation pratique.

Le marché des lunettes AR intelligentes semble sur le point de connaître une croissance significative, avec des expéditions d'unités qui devraient passer d'un peu plus de 676 000 en 2023 à 13 millions d'unités en 2030, ce qui représente un taux de croissance annuel composé de 53 %. Grâce aux améliorations apportées à la qualité d'affichage, à l'autonomie des batteries et aux performances globales, les lunettes AR seront plus pratiques pour les cas d'utilisation grand public, industriels et d'entreprise.

Les lunettes AR avec microphones et haut-parleurs embarqués offrent un accès rapide aux assistants vocaux et à la lecture de musique. Elles peuvent être un facteur essentiel pour exploiter les jumeaux numériques dans l'usine ou pour fournir aux cyclistes des indications de navigation et de performances.

L'audio spatial haute-fidélité peut avoir un impact significatif sur l'expérience AR de l'utilisateur en améliorant la texture, le contexte et la signification des interactions visuelles. Cependant, il est particulièrement difficile d'obtenir un son hautes performances à partir de lunettes AR, en raison du petit facteur de forme requis pour répondre aux attentes de l'utilisateur. En outre, ces dispositifs doivent être légers et offrir une autonomie batterie étendue, ce qui peut s'avérer particulièrement difficile lorsqu'il s'agit d'intégrer à l'application des fonctions telles que l'audio haute qualité, l'enregistrement vidéo ou l'affichage visuel.

Parallèlement aux avancées en matière de puissance de traitement et de résolution d'affichage, la gestion de l'audio et de l'alimentation jouera un rôle crucial dans la création d'applications réussies qui maximiseront la demande pour ces dispositifs. Parmi les défis à relever figurent les suivants :

• Les haut-parleurs plus petits ont tendance à avoir des fréquences de résonance élevées qui peuvent endommager les haut-parleurs s'ils sont trop sollicités, et rendent plus difficile l'obtention de basses profondes.
• Une qualité d'appel sans parasite qui capte la voix de l'utilisateur tout en bloquant les bruits ambiants est essentielle, mais compliquée en raison des distances entre les microphones et la bouche de l'utilisateur.
• L'intégration d'un plus grand nombre de fonctions nécessite de meilleures solutions de gestion de batterie pour garantir une charge plus rapide et une durée d'utilisation plus longue. Le compromis entre poids, fonctions et durée de fonctionnement est la clé d'une large adoption par le marché.
• De nombreux cas d'utilisation exigent que les utilisateurs ne soient pas gênés dans leur capacité à percevoir tout ce qui se passe autour d'eux, comme des véhicules en approche ou des interactions avec les collègues.

Audio « open-ear »

Les concepteurs qui s'efforcent de combiner les informations visuelles et auditives de manière naturelle et réaliste doivent envisager la technologie audio à oreilles libres ou open-ear. En éliminant le recours à des écouteurs ou à des casques, l'audio open-ear offre aux utilisateurs la possibilité d'entendre à la fois les sons AR et les sons du monde extérieur, permettant une expérience fluide et immersive sans compromettre l'interaction avec les autres utilisateurs et l'environnement.

Dotées de haut-parleurs open-ear et de microphones embarqués, les lunettes AR sont parfaitement adaptées aux applications de réalité augmentée ainsi qu'aux applications de réalité virtuelle (VR) et de réalité mixte. Les utilisateurs peuvent profiter d'une expérience d'écoute plus confortable sans compromettre la qualité ou la fidélité du son. Ces dispositifs permettent aux utilisateurs d'entendre ce qui se passe dans leur environnement, de sorte qu'ils peuvent rester conscients de la situation pour garantir leur sécurité et collaborer avec leurs collègues ou interagir avec d'autres personnes, tout en minimisant le risque — ou la gêne — que d'autres personnes entendent le contenu audio.

Les ingénieurs peuvent exploiter l'audio open-ear pour créer des applications électroniques qui combinent des informations visuelles et auditives de manière naturelle. Les lunettes AR dotées de cette technologie ajoutent une dimension supplémentaire de réalisme en fournissant un son spatial qui donne aux utilisateurs l'impression que le son provient d'une direction et d'une distance spécifiques.

L'audio spatial sera un élément clé du développement de l'audio open-ear. Il crée un environnement sonore réaliste et immersif qui correspond au contenu visuel et à la perspective de l'utilisateur. Le dispositif Vision Pro VR d'Apple, par exemple, dispose d'un son open-ear, d'une intégration audio spatiale et d'une cartographie 3D de l'oreille pour améliorer l'expérience immersive et éliminer le besoin d'écouteurs externes.

En simulant la manière dont les ondes sonores interagissent avec les oreilles, la tête et le corps d'un utilisateur — et avec les surfaces et les objets de son environnement physique — l'audio spatial peut également utiliser des métadonnées telles que la position, l'orientation, la distance, la vitesse et la direction pour ajuster dynamiquement les paramètres sonores. Ces paramètres incluent le volume, la hauteur, le timbre et la réverbération, en fonction du mouvement et de l'interaction de l'utilisateur.

La conception d'applications audio open-ear pour les lunettes AR requiert une compréhension des avantages et des inconvénients du dispositif, des principes et des meilleures pratiques de conception audio spatiale, ainsi que des outils et structures de développement. Les écrans vidéo et l'enregistrement vidéo consommant beaucoup d'énergie, l'efficacité est donc essentielle. Un son de haute qualité et un design esthétique joueront un rôle important dans l'acceptation par les clients, et la recharge des dispositifs doit être pratique et aussi peu fréquente que la technologie le permet.

Plateforme d'ADI pour les applications de lunettes AR audio open-ear

Analog Devices, Inc. (ADI) propose une plateforme de lunettes AR qui inclut des composants intégrés de capture audio, de lecture, de gestion des batteries, ainsi que des algorithmes. Ces composants et outils de développement offrent aux concepteurs un moyen rapide de créer et de tester des applications de lunettes AR audio open-ear.

Les codecs de processeur audio d'ADI utilisent les algorithmes de traitement Pure Voice de l'entreprise pour améliorer la qualité des appels vocaux dans les environnements acoustiques difficiles, ainsi que les algorithmes DSM™ (Dynamic Speaker Management) pour créer un son plus fort et plus riche à partir d'applications de haut-parleurs à espace restreint.

• L'ADAU1860 (Figure 1) comprend un cœur DSP audio HiFi 3z et un cœur FastDSP à faible latence, ainsi que huit canaux d'entrée de microphone numérique (DMIC), trois entrées analogiques, une sortie analogique et deux canaux de sortie de modulation de densité d'impulsions (PDM). L'optimisation du chemin entre l'entrée analogique et le cœur DSP pour une faible latence est idéale pour la suppression du bruit.

Figure 1 : Le codec ADAU1860 d'ADI intègre deux DSP, huit entrées microphone numériques et trois entrées analogiques, entre autres fonctionnalités. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

• L'ADAU1797 est une option de codec basse consommation et hautes performances qui intègre également un cœur DSP audio HiFi 3z et un cœur FastDSP à faible latence, ainsi que trois canaux d'entrée analogiques, 10 canaux d'entrée DMIC, deux canaux de sortie PDM et un canal de sortie d'amplificateur de classe D haut rendement. En mode basse consommation, les cœurs DSP sont optimisés pour les applications à petit facteur de forme telles que les lunettes AR audio open-ear. En mode hautes performances, le cœur HiFi 3z passe de 50 MHz à 200 MHz et le cœur FastDSP prend en charge le double du nombre d'instructions, de 64 à 128. La capacité de traitement accrue peut être utilisée pour décharger des cycles d'un processeur hôte ou pour permettre l'utilisation d'un processeur hôte à plus faible coût sans nécessiter de microcontrôleur ni de DSP audio externe supplémentaire.
• ADI propose des cartes d'évaluation pour chacun de ces codecs. La carte EVAL-ADAU1797Z (Figure 2) est une conception à 8 couches, avec un plan de masse et un plan d'alimentation sur les couches internes, et elle peut être alimentée par une seule alimentation de 3,8 V à 5 V. La carte EVAL-ADAU1860EBZ est une conception à 4 couches, également avec un plan de masse et un plan d'alimentation sur les couches internes, et elle peut être alimentée par le bus USB ou par une alimentation simple de 5 V.

Figure 2 : La carte d'évaluation EVAL-ADAU1797Z offre un accès complet à toutes les entrées/sorties analogiques et numériques de l'ADAU1797. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Les amplificateurs audio intelligents d'ADI fournissent des algorithmes intégrés de contre-réaction de courant et de tension (IV) et de gestion des haut-parleurs pour maximiser les performances dans les facteurs de forme à espace restreint.

• Le MAX98388 est un amplificateur d'entrée numérique mono de classe D, destiné aux applications AR/VR et de lunettes intelligentes. Il offre une contre-réaction IV pour les fonctionnalités d'amplificateur intelligent et peut décharger le traitement DSM vers le codec audio. Il est optimisé pour les applications jusqu'à 5,5 V (une seule cellule) et présente un rendement atteignant 90 %.
• Le MAX98390 plus récent est un amplificateur de classe D optimisé avec DSM intégré qui peut augmenter le niveau sonore (SPL) et la réponse des basses pour améliorer la qualité audio des micro-haut-parleurs tout en maximisant le rendement. Un convertisseur élévateur intégré et une mise à l'échelle des FET, avec le DSM, assurent une autonomie batterie plus étendue. La tension de sortie maximum du convertisseur élévateur est programmable de 6,5 V à 10 V par incrément de 0,125 V depuis une tension batterie de seulement 2,65 V. Le MAX98390CEVSYS# (Figure 3) inclut l'interface graphique DSM Sound Studio d'ADI pour simplifier la conception et l'implémentation DSM pour les applications utilisant le MAX98390CEWX+T.

Figure 3 : Le système d'évaluation MAX98390CEVSYS# inclut le logiciel DSM Sound Studio avec une puissante interface graphique pour extraire, régler et évaluer l'amplificateur MAX98390C. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

La puissance est un facteur de conception critique pour les lunettes AR. Les haut-parleurs audio open-ear requièrent plus de puissance que la gestion des écouteurs classiques, et ADI propose plusieurs circuits intégrés de gestion de l'alimentation efficaces que les concepteurs peuvent utiliser pour leurs applications :

• Les circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC) série MAX77654 d'ADI fournissent des solutions de charge de batterie et d'alimentation électrique hautement intégrées. Doté d'un régulateur à inductance unique et à sorties multiples (SIMO), il fournit trois rails d'alimentation individuellement programmables à partir d'un seule inductance pour minimiser la taille de la solution. Un chargeur Li+/Li-Poly Smart Power Selector™ fournit un courant de charge programmable de 7,5 mA à 300 mA et une tension de charge programmable de 3,6 V à 4,6 V, avec surveillance de la température de la batterie pour une charge sûre. Il intègre deux régulateurs à faible chute de tension (LDO) linéaires de 100 mA pour fournir une réjection d'ondulation pour les applications audio et autres applications sensibles au bruit.
• Les PMIC MAX77659 sont dotés d'un régulateur abaisseur-élévateur SIMO à double entrée qui fournit un rail de charge et trois rails d'alimentation individuellement programmables à partir d'une seule inductance et d'un LDO pour la réjection d'ondulation.
• Le MAX77972 d'ADI est une puce combinée trois-en-un qui inclut la détection USB-C, un chargeur abaisseur de 3 A et un indicateur de charge. Il prend en charge l'amplification inverse USB On-The-Go (OTG) et inclut un chargeur Smart Power Selector™ (SPS). L'indicateur de charge utilise l'algorithme ModelGauge™ m5 qui compense automatiquement le vieillissement des cellules, la température et le taux de décharge, et fournit un état de charge (SOC) précis sur de nombreuses conditions de fonctionnement. Les broches de détection du canal de configuration (CC) USB Type-C permettent la détection automatique de la source d'alimentation USB Type-C et la configuration de la limite de courant d'entrée.
• Le MAX17301 est un circuit intégré d'indicateur de charge côté bloc-batterie autonome. Il offre une protection, une détection optionnelle d'autodécharge interne de la batterie et une authentification SHA-256 optionnelle pour les batteries lithium-ion/polymère à 1 cellule. Une interface I²C 1-wire ou 2-wire de Maxim fournit un accès aux registres de données et de contrôle.
• Le MAX17332 d'ADI est une solution de gestion de batterie monopuce incluant un chargeur linéaire, un indicateur de charge, une protection de batterie et une détection d'autodécharge. Il peut équilibrer la capacité des batteries mixtes et fournir une charge rapide, avec la possibilité de charger individuellement des batteries parallèles et d'éviter les charges croisées.

Conclusion

L'audio a été un obstacle majeur à la réalisation du potentiel des applications de réalité augmentée, qui se sont généralement concentrées sur la vision. L'audio open-ear offre la possibilité d'exploiter ce potentiel avec des lunettes AR plus légères, tendance et confortables, capables de prendre en charge de nombreux cas d'utilisation. ADI a mis au point une plateforme de composants, d'outils et de logiciels pour créer des solutions complètes.