La piattaforma di ADI fornisce componenti e strumenti per lo sviluppo di occhiali AR con audio open-ear

L'integrazione dell'audio spaziale con gli occhiali per la realtà aumentata (AR) può creare esperienze sensoriali umane immersive e interattive per colmare meglio il divario tra il mondo fisico e quello digitale. I progettisti tuttavia devono assicurare che gli occhiali AR con audio siano leggeri e garantiscano un'autonomia prolungata per un uso pratico.

Il mercato degli occhiali intelligenti AR sembra sull'orlo di una crescita sostanziale, con un aumento delle spedizioni da poco più di 676.000 unità nel 2023 a 13 milioni di unità nel 2030, pari a un tasso di crescita annuale composto del 53%. I miglioramenti nella qualità del display, nella durata della batteria e nelle prestazioni complessive renderanno gli occhiali AR più pratici nei casi d'uso aziendali, industriali e consumer.

Gli occhiali AR con microfoni e altoparlanti incorporati consentono di accedere rapidamente agli assistenti vocali e alla riproduzione musicale. Possono essere un fattore critico per sfruttare i gemelli digitali in fabbrica o per fornire ai ciclisti indicazioni sulla navigazione e sulle prestazioni.

L'audio spaziale ad alta fedeltà può avere un impatto significativo sull'esperienza AR dell'utente, migliorando il tessuto, il contesto e il significato delle interazioni visive. Ma ottenere un audio ad alte prestazioni dagli occhiali AR è particolarmente impegnativo a causa del fattore di forma ridotto necessario per l'accettazione e la soddisfazione degli utenti. Inoltre, questi dispositivi devono essere leggeri e garantire una lunga durata della batteria, il che può essere difficile quando nell'applicazione vengono incorporate funzioni come l'audio di alta qualità, la registrazione video o la visualizzazione.

Oltre ai progressi nella potenza di elaborazione e nella risoluzione dei display, l'audio e la gestione dell'alimentazione svolgeranno un ruolo cruciale nella creazione di applicazioni di successo che massimizzeranno la domanda di questi dispositivi. Tra le sfide da superare si ricordano:

• I diffusori più piccoli tendono ad avere frequenze di risonanza elevate che possono danneggiarli se pilotati con una forza eccessiva e rendono più difficile il pilotaggio dei bassi profondi.
• Effettuare chiamate senza rumore, capaci captare la voce di chi indossa il dispositivo bloccando al contempo il rumore ambientale, è essenziale ma complicato per via delle distanze tra i microfoni e la bocca dell'utente.
• L'integrazione di più funzioni richiede migliori soluzioni di gestione della batteria per garantire una ricarica più rapida e un'autonomia maggiore. Il compromesso tra peso, funzionalità e tempo di esecuzione è fondamentale per l'adozione diffusa sul mercato.
• In molte situazioni d'uso reale, gli utenti non devono essere ostacolati nella capacità di sentire ciò che accade nell'ambiente circostante, ad esempio i veicoli in circolazione o le interazioni con i colleghi.

Audio Open-Ear

I progettisti che cercano di combinare informazioni visive e uditive in modo naturale e realistico dovrebbero prendere in considerazione la tecnologia audio open-ear. Eliminando la necessità di cuffie o auricolari, l'audio open-ear consente agli utenti di ascoltare sia i suoni dell'AR che quelli del mondo reale, per un'esperienza immersiva e senza soluzione di continuità che non compromette l'interazione con gli altri utenti e l'ambiente.

Grazie ai microfoni incorporati e agli altoparlanti aperti, gli occhiali AR sono particolarmente adatti per applicazioni di AR, realtà virtuale (VR) e realtà mista. Gli utenti possono godere di un'esperienza di ascolto più confortevole senza compromettere la qualità o la fedeltà del suono. Questi dispositivi consentono agli utenti di ascoltare ciò che accade nell'ambiente circostante, in modo da mantenere la consapevolezza della situazione per garantire la sicurezza e collaborare con i colleghi o interagire con gli altri, riducendo al minimo il rischio - o il fastidio - che altre persone ascoltino il contenuto audio.

Gli ingegneri possono sfruttare l'audio open-ear per creare applicazioni elettroniche che combinano informazioni visive e uditive in modo naturale. Gli occhiali AR dotati di questa tecnologia aggiungono un ulteriore livello di realismo, fornendo un audio spaziale che sembra provenire da una specifica direzione e distanza.

L'audio spaziale sarà una componente chiave dello sviluppo dell'audio open-ear, poiché crea un ambiente sonoro realistico e coinvolgente che si adatta al contenuto visivo e alla prospettiva dell'utente. Il dispositivo Vision Pro VR di Apple, ad esempio, è dotato di audio open-ear, integrazione audio spaziale e mappatura 3D dell'orecchio per migliorare l'esperienza immersiva ed eliminare la necessità di cuffie esterne.

Simulando il modo in cui le onde sonore interagiscono con le orecchie, la testa e il corpo dell'utente e con le superfici e gli oggetti dell'ambiente fisico, l'audio spaziale può anche utilizzare metadati come la posizione, l'orientamento, la distanza, la velocità e la direzione per regolare dinamicamente i parametri del suono. Questi includono il volume, l'altezza, il timbro e il riverbero, in base al movimento e all'interazione dell'utente.

La progettazione di applicazioni audio open-ear per occhiali AR richiede la comprensione dei vantaggi e degli svantaggi del dispositivo, dei principi e delle best practice di progettazione audio spaziale, nonché degli strumenti e dei framework di sviluppo. La visualizzazione e la registrazione video sono energivore, quindi l'efficienza è fondamentale. L'audio di alta qualità e il design accattivante giocheranno un ruolo importante nell'accettazione da parte dei consumatori, mentre la ricarica dei dispositivi deve essere comoda e poco frequente, per quanto la tecnologia lo consenta.

La piattaforma di ADI per le applicazioni audio open-ear degli occhiali AR

Analog Devices, Inc. (ADI) offre una piattaforma per occhiali AR che comprende componenti integrati per l'acquisizione, la riproduzione e la gestione della batteria e algoritmi audio. Questi componenti e strumenti di sviluppo offrono ai progettisti una corsia preferenziale per la realizzazione e il collaudo di applicazioni di occhiali AR con audio open-ear.

I codec dei processori audio di ADI utilizzano gli algoritmi di elaborazione Pure Voice dell'azienda per migliorare la qualità delle chiamate vocali in ambienti acustici difficili e gli algoritmi di Dynamic Speaker Management (DSM™) per creare un suono più forte e ricco da applicazioni dotate di altoparlanti con vincoli di spazio.

• ADAU1860 (Figura 1) è dotato di un core DSP audio HiFi 3z e di un core FastDSP a bassa latenza, oltre a otto canali di ingresso microfonico digitali (DMIC), tre ingressi analogici, un'uscita analogica e due canali di uscita a modulazione della densità di impulso (PDM). L'ottimizzazione del percorso tra l'ingresso analogico e il core DSP per ottenere una bassa latenza è ideale per la cancellazione del rumore.

Figura 1: Il codec ADAU1860 di ADI incorpora, tra le altre caratteristiche, due DSP, otto ingressi microfonici digitali e tre ingressi analogici. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

• ADAU1797 è un'opzione di codec a basso consumo e ad alte prestazioni che integra anche un core DSP audio HiFi 3z e un core FastDSP a bassa latenza, oltre a tre canali di ingresso analogici, 10 canali di ingresso DMIC, due canali di uscita PDM e un canale di uscita per amplificatore in classe D ad alta efficienza. In modalità a basso consumo, i core DSP sono ottimizzati per applicazioni di piccole dimensioni, come gli occhiali AR con audio open-ear. In modalità ad alte prestazioni, il core HiFi 3z passa da 50 MHz a 200 MHz, mentre il core FastDSP supporta un numero doppio di istruzioni da 64 a 128. La sua maggiore capacità di elaborazione può essere utilizzata per alleggerire dei cicli un processore host o per consentire l'utilizzo di un processore host a basso costo senza la necessità di un DSP o MCU audio esterno aggiuntivo.
• ADI offre schede di valutazione per ciascuno di questi codec. EVAL-ADAU1797Z (Figura 2) è un progetto a 8 strati, con un piano di massa e un piano di alimentazione sugli strati interni e può essere alimentato da una singola fonte da 3,8 V a 5 V. EVAL-ADAU1860EBZ è un progetto a 4 strati, con un piano di massa e un piano di alimentazione sugli strati interni e può essere alimentato dal bus USB o da una singola fonte da 5 V.

Figura 2: La scheda di valutazione EVAL-ADAU1797Z offre accesso completo a tutti gli ingressi/uscite analogici e digitali di ADAU1797. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Gli amplificatori audio intelligenti di ADI forniscono un feedback di rilevamento corrente e tensione (IV) integrato e algoritmi di gestione degli altoparlanti per massimizzare le prestazioni in fattori di forma con vincoli di spazio.

• MAX98388 è un amplificatore di ingresso digitale mono in classe D progettato per applicazioni AR/VR e occhiali smart. È dotato di feedback IV per le funzioni di amplificatore intelligente e può scaricare l'elaborazione DSM sul codec audio. È ottimizzato per applicazioni fino a 5,5 V (cella singola) e offre un'efficienza fino al 90%.
• MAX98390, di recente introduzione, è un amplificatore in classe D potenziato con DSM integrato in grado di aumentare il volume (SPL) e la risposta dei bassi per migliorare la qualità audio dei microaltoparlanti massimizzando l'efficienza. Il convertitore boost integrato e lo scaling FET, insieme al DSM, garantiscono il funzionamento prolungato della batteria. La massima tensione di uscita del convertitore boost è programmabile da 6,5 a 10 V con incrementi di 0,125 V da una tensione della batteria di soli 2,65 V. MAX98390CEVSYS# (Figura 3) include l'interfaccia grafica DSM Sound Studio di ADI per semplificare la progettazione e l'implementazione del DSM per le applicazioni che utilizzano MAX98390CEWX+T.

Figura 3: Il sistema di valutazione MAX98390CEVSYS# include il software DSM Sound Studio con una potente interfaccia grafica per estrarre, mettere a punto e valutare l'amplificatore MAX98390C. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

La potenza è un fattore critico per la progettazione di occhiali AR. Gli altoparlanti audio open-ear richiedono una maggiore potenza rispetto alla gestione tipica delle cuffie e ADI offre diversi CI efficienti per la gestione dell'alimentazione che i progettisti possono utilizzare per le loro applicazioni:

• I circuiti integrati di gestione dell'alimentazione (PMIC) della serie MAX77654 di ADI sono soluzioni altamente integrate per la ricarica e l'alimentazione delle batterie. Dotati di un regolatore a induttore singolo e uscita multipla (SIMO), forniscono tre rail di alimentazione programmabili in modo indipendente da un unico induttore per ridurre al minimo le dimensioni della soluzione. Il caricabatterie Li+/Li-Poly Smart Power Selector™ fornisce una corrente di carica programmabile da 7,5 mA a 300 mA e una tensione di carica programmabile da 3,6 V a 4,6 V, con monitoraggio della temperatura della batteria per la ricarica sicura. Incorpora due regolatori lineari a bassa caduta di tensione (LDO) da 100 mA per garantire la reiezione del ripple in applicazioni audio e altre applicazioni sensibili al rumore.
• Il PMIC MAX77659 è dotato di un regolatore buck/boost SIMO a doppio ingresso che fornisce un rail di carica e tre rail di alimentazione programmabili in modo indipendente da un unico induttore e un LDO per la reiezione del ripple.
• MAX77972 di ADI è un chip combinato 3-in-1 che include il rilevamento USB-C, un caricatore buck da 3 A e un indicatore di carica. Supporta il boost inverso USB On-The-Go (OTG) e include uno Smart Power Selector™ (SPS). L'indicatore di carica utilizza l'algoritmo ModelGauge™ m5 che compensa automaticamente l'invecchiamento delle celle, la temperatura e la velocità di scarica e fornisce uno stato di carica (SOC) preciso in un'ampia gamma di condizioni operative. I pin di rilevamento del canale di configurazione USB Type-C (CC) consentono il rilevamento automatico della fonte di alimentazione USB Type-C e la configurazione del limite di corrente in ingresso.
• MAX17301 è un CI standalone per l'indicatore di carica a pacchetto. Fornisce protezione, rilevamento opzionale dell'autoscarica interna della batteria e autenticazione SHA-256 opzionale per le batterie agli ioni di litio/polimeri a 1 cella. Un'interfaccia I²C 1-Wire o 2-Wire di Maxim fornisce accesso ai registri di controllo e dati.
• MAX17332 di ADI è una soluzione a chip singolo per la gestione della batteria che include un caricatore lineare, un indicatore di carica, protezione della batteria e rilevamento di autoscarica. È in grado di bilanciare la capacità delle batterie miste e di fornire una ricarica rapida, con la possibilità di caricare in modo indipendente le batterie in parallelo e di evitare la carica incrociata.

Conclusione

L'audio è da sempre un grosso limite nel raggiungimento del potenziale delle applicazioni AR, che si sono tipicamente concentrate sulla visione. L'audio open-ear offre l'opportunità di sfruttare questo potenziale con occhiali AR più leggeri, alla moda e confortevoli, in grado di supportare numerosi casi d'uso. ADI ha messo a punto una piattaforma di componenti, strumenti e software per creare soluzioni complete.