Creare un dispositivo indossabile veramente wireless da orecchio per il fitness - Parte 2: Elaborazione audio

Nota del redattore: nonostante il grande potenziale di cui dispongono, gli hearable per il fitness sfidano i progettisti in tre settori chiave: la biomisurazione, l'elaborazione audio e la ricarica wireless. I tre articoli di questa serie affrontano, una alla volta, le sfide cui abbiamo accennato, mostrando agli sviluppatori come possono avvalersi di dispositivi a bassissima potenza per la creazione di hearable destinati al fitness. La Parte 1 era dedicata alla misurazione biometrica della frequenza cardiaca e dell'SpO₂. La Parte 2 si occupa dell'elaborazione audio. La Parte 3 tratterà delle soluzioni per la ricarica wireless e della gestione del consumo energetico per i progetti di dispositivi indossabili da orecchio per il fitness.

Come discusso nella Parte 1, i dispositivi intrauricolari intelligenti wireless, detti anche dispositivi indossabili veramente wireless da orecchio, si sono guadagnati una grande popolarità come dispositivi di riproduzione audio, in particolare durante l'attività sportiva, quando i cavi possono interferire con il movimento o con l'attrezzatura. Aggiungendo a questi progetti le misurazioni dello stato di salute, gli sviluppatori possono dar vita a hearable per il fitness in grado sia di riprodurre l'audio sia di fornire dati sulla salute.

Anche se l'aggiunta di queste funzioni rappresenta uno sviluppo estremamente interessante, i progettisti non possono perdere di vista la funzione fondamentale di questi dispositivi, la riproduzione audio di alta qualità. Ora si pone il problema di come mantenerla aggiungendo allo stesso tempo nuove funzioni in un fattore di forma molto compatto, con una durata della batteria soddisfacente.

Questo articolo parlerà del ruolo dei codec audio e dei processori e illustrerà gli elementi fondamentali dell'architettura di un sistema audio per i dispositivi indossabili da orecchio. Presenterà quindi un sofisticato codec audio di Maxim Integrated e mostrerà come i progettisti possono utilizzarlo per rispondere alle aspettative degli utenti in materia di suono di alta qualità in un fattore di forma compatto e con una durata estesa della batteria.

Codec e processori audio

I codec e i processori audio speciali vengono impiegati da anni nei progetti audio ad alte prestazioni. Ognuno combina una catena di segnali completa per il campionamento, la conversione e il condizionamento di un segnale audio. Se i codec (termine derivato da codificatori-decodificatori) hanno convenzionalmente limitato le loro capacità alla codifica e decodifica del segnale audio utilizzando firmware preimpostato, i processori audio costruiscono invece questa funzionalità attorno a un processore di segnali digitali (DSP) programmabile. Con l'emergere di codec riprogrammabili e di processori audio con funzioni preimpostate, le linee di demarcazione tra queste classi di prodotti si sono fatte sempre più indistinte. In entrambi i casi, gli sviluppatori possono trovare potenti dispositivi di elaborazione dei segnali audio in grado di soddisfare le richieste degli audiofili più esigenti.

La grande popolarità di cui godono gli auricolari inseriti nel condotto uditivo e quelli che non richiedono l'inserimento nel condotto uditivo ha favorito l'ulteriore evoluzione di questi dispositivi di elaborazione dei segnali audio verso un sottosistema audio completo su un chip. Abbinati alle comunicazioni wireless e alle tecnologie di ricarica wireless, questi dispositivi possono fornire la base per auricolari veramente wireless in grado di assicurare agli utenti un suono straordinariamente ricco senza l'ingombro dei fili.

L'evoluzione degli hearable

A differenza degli auricolari cablati più convenzionali, però, quelli veramente wireless aumentano notevolmente le sfide per gli sviluppatori. Da un lato devono soddisfare le prestazioni audio richieste dall'ascoltatore e dall'altra le aspettative di comodità e facilità d'uso dei fruitori dei dispositivi mobili. Ne consegue che il progetto deve garantire una qualità del suono e caratteristiche generali eccezionali, ma anche un fattore di forma minimo e la massima durata della batteria. Fortunatamente, gli sviluppatori possono trovare una vasta gamma di codec audio e processori audio in grado di soddisfare queste esigenze.

I cosiddetti auricolari intelligenti, gli hearable, sono una naturale evoluzione di quelli veramente wireless. Oltre ad altre funzionalità avanzate, aggiungono sensori per la biometrica, il rilevamento del movimento e altre capacità studiate per migliorare il benessere dell'utente e la consapevolezza dell'ambiente.

Anche se complessi dal punto di vista funzionale, i progetti dei dispositivi indossabili da orecchio per il fitness possono poggiare su una piattaforma hardware di dispositivi System-on-Chip (SoC) facilmente reperibili, studiati appositamente per queste applicazioni a basso consumo. Come discusso nella Parte 1 di questa serie, il biosensore MAXM86161 di Maxim Integrated offre tutte le capacità biometriche richieste in questi prodotti. Il codec audio MAX98090, sempre di Maxim Integrated, fornisce invece un sottosistema audio completo in grado di supportare le diverse capacità audio progettate per gli emergenti dispositivi indossabili da orecchio per il fitness. Utilizzando questi dispositivi, insieme a un controller a radiofrequenza (RF) Bluetooth (BT) e a circuiti integrati di gestione della potenza (PMIC), gli sviluppatori possono realizzare le fondamenta hardware alla base dei sofisticati progetti per il fitness (Figura 1).

Figura 1: Un hearable per il fitness amplia le capacità di un auricolare audio veramente wireless aggiungendovi il biorilevamento, ma deve soddisfare gli stessi requisiti di riproduzione del suono di alta qualità e durata estesa della batteria. (Immagine per gentile concessione di DigiKey, basata sul materiale di Maxim Integrated)

Sottosistema audio completo

Progettato specificamente per applicazioni mobili, il codec audio MAX98090 combina prestazioni a bassissimo consumo con capacità di elaborazione dei segnali audio altamente configurabile. Per alimentare il processore di segnali digitali (DSP) FlexSound di Maxim Integrated si possono utilizzare diverse combinazioni di ingressi analogici e digitali. Da parte sua, il dispositivo può fornire l'audio trasformato FlexSound a percorsi separati dei segnali di uscita, ottimizzati per i diversi tipi di altoparlanti (Figura 2).

Figura 2: Progettato appositamente per dispositivi indossabili intrauricolari, il codec audio MAX98090 di Maxim Integrated integra una serie completa di capacità di ingresso, uscita ed elaborazione per fornire un sottosistema audio completo in grado di rispondere alle limitazioni di consumo e dimensioni degli auricolari indossabili. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Il sottosistema dell'interfaccia audio digitale (DAI) MAX98090 supporta frequenze di campionamento da 8 kHz per voce a 96 kHz per audio ad alta risoluzione, in una varietà di formati standard di modulazione impulso/codice (PCM). In un progetto tipico, l'ingresso audio digitale passerebbe direttamente dalla sorgente al sottosistema DAI. Per le sorgenti analogiche, MAX98090 fornisce un front-end analogico multicanale che comprende multiplexer d'ingresso, mixer, preamplificatori e amplificatori a guadagno programmabile (PGA). Tutti gli ingressi analogici e digitali si collegano a mixer separati per i canali di destra e di sinistra, ognuno dei quali alimenta convertitori analogico/digitali (ADC) dedicati. L'uscita dell'ADC per i canali di destra e di sinistra passa a sua volta nel sottosistema DAI, che invia l'audio digitale al core DSP FlexSound.

Il core DSP fornisce le funzionalità essenziali di elaborazione dei segnali richieste nei prodotti di riproduzione audio, ma che in genere non sono supportate nei codec audio tradizionali. Gli utenti si aspettano che i loro dispositivi indossabili intrauricolari assicurino un volume sufficiente a sovrastare un ambiente rumoroso, come quello di una palestra, fornendo comunque un segnale audio pulito a qualsiasi livello di volume. Il core DSP FlexSound di MAX98090 soddisfa questi requisiti con un sottosistema di riproduzione a più stadi, compreso un equalizzatore parametrico a sette bande separato, un controllo automatico del livello (ALC) e diversi filtri per i canali di sinistra e di destra (Figura 3).

Figura 3: Il core DSP FlexSound, elemento centrale del codec audio MAX98090 di Maxim Integrated, fornisce percorsi multistadio dedicati per l'elaborazione dei canali audio separati di sinistra e di destra. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Queste caratteristiche forniscono una capacità di elaborazione audio altamente flessibile in grado di soddisfare le diverse esigenze di ogni applicazione. Ad esempio, oltre alla sua modalità a sette bande, l'equalizzatore può essere abilitato anche per il funzionamento a tre o a cinque bande che potrebbe essere richiesto in prodotti con interfacce utente più semplici. Allo stesso modo, l'ALC integra una capacità di controllo della gamma dinamica (DRC) programmabile in grado di prevenire sia la saturazione del segnale audio all'estremità alta che l'amplificazione del rumore di fondo all'estremità bassa. Per pulire i dati audio digitali, il set di filtri digitali del dispositivo comprende un filtro a risposta impulsiva finita (FIR) per musica e audio ad alta frequenza e un filtro a risposta impulsiva infinita (IIR) per applicazioni vocali a 8 kHz o 16 kHz. Inoltre, per attenuare il suono a bassa frequenza si può includere uno stadio di filtro passa-alto con blocco c.c. nei filtri della musica FIR e in quelli della voce IIR.

All'uscita del core DSP un convertitore digitale/analogico (DAC) dedicato per i canali di destra e di sinistra trasmette il segnale analogico risultante ai mixer di uscita di MAX98090. Come per il suo sottosistema di ingresso, MAX98090 supporta un'ampia gamma di configurazioni di uscita audio e tipi di altoparlanti con i suoi driver di uscita per altoparlanti integrati di classe D, i driver di uscita per cuffie di classe H e i driver configurabili di classe AB. Per ogni tipo di uscita, gli sviluppatori impostano semplicemente i registri associati per configurare MAX98090 in modo da pilotare l'uscita stereo o mono dai canali di sinistra o di destra al driver di uscita appropriato per un particolare progetto.

Dispositivi indossabili da orecchio a basso consumo più performanti

Per un dispositivo indossabile da orecchio per il fitness, gli sviluppatori in genere configurano MAX98090 in modo da utilizzarne l'uscita delle cuffie di classe H per pilotare microaltoparlanti, o i sistemi microelettromeccanici emergenti (MEMS), come UT-P 2017 di Usound, sviluppato appositamente per applicazioni intrauricolari. In un dispositivo indossabile da orecchio per il fitness, l'audio digitale passerebbe attraverso la connessione Bluetooth direttamente al sottosistema di ingresso audio digitale di MAX98090. Gli sviluppatori possono così risparmiare energia configurando MAX98090 in modo da bypassare il mixer integrato del sottosistema delle cuffie, perché in una configurazione di base non sarebbero necessarie le opzioni di ingresso analogico e di linea (Figura 4).

Figura 4: Per dispositivi di riproduzione come gli auricolari audio, il codec audio integrato MAX98090 di Maxim può essere idoneo in una configurazione a basso consumo che trasmette l'audio digitale direttamente al sottosistema integrato di uscita delle cuffie del dispositivo. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

In questa configurazione, MAX98090 consuma solo circa 6 mW. Per ridurre ulteriormente il consumo energetico, il sottosistema di uscita delle cuffie di MAX98090 può essere configurato per operare in una speciale modalità a basso consumo che assorbe solo circa 3,85 mW.

Per rispondere alla potenza solitamente limitata dei dispositivi indossabili intrauricolari, gli sviluppatori possono anche disabilitare selettivamente i singoli blocchi di ingresso e di uscita in MAX98090. Durante i periodi di inattività, il dispositivo può essere messo programmaticamente in modalità di spegnimento, fase in cui consuma solo pochi microampere. In questa modalità, l'interfaccia seriale I²C del dispositivo rimane attiva, il che consente agli sviluppatori di caricare nuove configurazioni prima di riavviare il dispositivo impostando un bit nel suo registro di spegnimento. A questo punto, il dispositivo torna in modalità completamente attiva in soli 10 millisecondi, fornendo all'utente un'esperienza di accensione quasi istantanea.

Per il progetto di un dispositivo indossabile da orecchio per il fitness, gli sviluppatori dovrebbero collegare MAX98090 attraverso l’interfaccia seriale I²C a un microcontroller abilitato Bluetooth a bassissimo consumo come RSL10 di ON Semiconductor (vedere "Implementare rapidamente un dispositivo IoT multi-sensore certificato Bluetooth 5 alimentato a batteria"). Grazie al set completo di blocchi di ingresso, elaborazione e uscita integrati in MAX98090, per completare questa integrazione del sistema servono solo pochi altri componenti (Figura 5).

Figura 5: Gli sviluppatori possono implementare il progetto dell'interfaccia hardware del codec audio MAX98090 di Maxim Integrated aggiungendo solo pochi componenti in più. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Con uno sforzo minimo, si potrebbe migliorare il progetto di base (riproduzione) descritto sopra per supportare altre caratteristiche come l'uso dell'ingresso audio per le interfacce assistente vocale connesse via Bluetooth o le conversazioni con il cellulare. Per catturare la voce di un utente, questo progetto potrebbe utilizzare microfoni a elettrete a basso consumo come quelli da 50 μA serie FG di Knowles o quelli analogici MEMS come ICS-40310 da 25 μA di TDK InvenSense o VM1010 da 5 μA di Vesper Technologies.

Con poche altre impostazioni di registro, gli sviluppatori possono configurare MAX98090 in modo che accetti l'ingresso audio da questi microfoni analogici o da microfoni digitali, a seconda dei casi. Stadi d'ingresso dei microfoni analogici e digitali separati forniscono gli stadi front-end necessari per il condizionamento dei segnali analogici o il controllo digitale (Figura 6).

Figura 6: Il codec audio MAX98090 di Maxim Integrated offre un front end analogico completo (A) e un'interfaccia digitale (B) per il collegamento, rispettivamente, di microfoni analogici e digitali. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Dopo lo stadio di ingresso, il flusso di dati digitalizzati entra nel sottosistema separato di registrazione del core DSP FlexSound che precede il sottosistema di riproduzione DSP descritto in precedenza. Come la sua funzione di riproduzione, anche quella di registrazione fornisce più stadi sequenziali di elaborazione. In questo caso, l'elaborazione comprende una serie di filtri digitali che includono un filtro per la voce IIR, uno per la musica FIR e uno di blocco c.c. (Figura 7).

Figura 7: Oltre al supporto dell'ingresso analogico e digitale, il codec audio integrato MAX98090 di Maxim include un percorso di registrazione multistadio all'interno del core DSP FlexSound dell'azienda. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Il sistema di riproduzione DSP combina successivamente questo tono laterale registrato con il flusso di musica audio digitale primario per elaborarlo ulteriormente e inviarlo al sottosistema di uscita MAX98090.

Conclusione

I dispositivi indossabili veramente wireless da orecchio per il fitness devono essere in grado di soddisfare le aspettative degli utenti in termini di funzionalità più avanzate, operando al contempo entro stretti vincoli di consumi e dimensioni. Per quanto riguarda la riproduzione audio, il codec audio MAX98090 di Maxim Integrated combina i sottosistemi di ingresso e uscita analogici e digitali con un sofisticato processore di segnali digitali audio per fornire le funzionalità audio complete necessarie nei progetti di dispositivi indossabili da orecchio per il fitness. Come è stato dimostrato, utilizzando MAX98090 insieme a dispositivi SoC altrettanto ottimizzati, gli sviluppatori possono costruire una Base Hardware flessibile per sofisticati dispositivi indossabili da orecchio per il fitness.