Come implementare rapidamente un progetto di auricolari TWS di alta qualità con un tweeter e un woofer dedicati

Agli albori dello streaming audio, la velocità dei dati wireless era limitata e gli utenti accettavano una perdita di fedeltà come il prezzo da pagare per la comodità di avere migliaia di brani digitali in tasca. Ma con l'introduzione della tecnologia wireless che supporta un maggiore throughput wireless e algoritmi di compressione migliorati, i consumatori sono diventati più esigenti. Ciò significa che i progettisti devono offrire auricolari con audio stereo realmente wireless (true wireless, TWS) per soddisfare le aspettative dei consumatori. Gli auricolari TWS promettono di riprodurre il suono in modo più accurato in tutto lo spettro audio, in particolare alle frequenze più alte che di solito si perdono con i modelli più vecchi.

Ma la qualità del suono è solo un aspetto della moderna riproduzione audio wireless. In un mercato competitivo, gli sviluppatori di cuffie devono osservare attentamente ciò che i consumatori desiderano e utilizzare questa conoscenza per differenziare il prodotto finale nel modo più efficiente ed economico possibile. Ad esempio, i consumatori desiderano un'efficace cancellazione attiva del rumore (ANC) e l'attenuazione degli effetti di occlusione per godere al meglio della loro esperienza di ascolto. Per gli ascoltatori più anziani è sempre più richiesta anche la compensazione automatica (personalizzazione dell'udito) per la naturale perdita uditiva alle frequenze più alte.

Per soddisfare queste esigenze è necessario rivisitare l'approccio, con progetti che separano i woofer per i bassi e i tweeter per gli alti. Si tratta di un compito che va oltre le competenze di molti team di sviluppo, con il risultato di allungare il time-to-market e di perdere potenzialmente le opportunità di assunzione o di sviluppo delle competenze.

Questo articolo riassume gli sviluppi dell'audio wireless commerciale e il loro impatto sulla progettazione hardware e software degli auricolari. L'articolo presenta un progetto di riferimento per gli auricolari TWS e mostra come i progettisti possano utilizzarlo per introdurre rapidamente sul mercato soluzioni per cuffie che consentano di differenziare le caratteristiche, riproducendo con precisione i bassi forti e gli alti estesi ora registrati dai moderni software di compressione audio.

I progressi del suono digitale

Nel mondo reale, il suono è un segnale analogico, ma le nostre apparecchiature di registrazione e riproduzione trattano in gran parte i segnali digitali. Il suono viene digitalizzato mediante un convertitore analogico/digitale (ADC) alimentato da un algoritmo di codifica/decodifica ("codec") che regola la frequenza di campionamento in Hertz e la profondità di bit. Il campionamento acquisisce l'ampiezza della forma d'onda analogica del suono a intervalli specifici.

La frequenza di campionamento è un compromesso. Le velocità più basse comportano una minore quantità di dati da gestire, ma una minore risoluzione. La profondità di bit è il numero di bit di informazioni in ogni campione; anche in questo caso, è necessario un compromesso tra il numero di bit e la qualità audio. Le profondità di bit più comuni sono 16, 24 e 32 bit (Figura 1).

Figura 1: Il suono analogico viene digitalizzato mediante campionamento a una determinata frequenza e velocità di trasmissione. L'aumento della frequenza di campionamento e della profondità di bit garantisce che l'informazione digitalizzata rispecchi più da vicino il segnale analogico e migliora la qualità della riproduzione. (Immagine per gentile concessione di Knowles)

La frequenza di campionamento × la profondità di bit × il numero di canali determina la velocità di trasmissione in bit al secondo (bps). Per una qualità musicale accettabile, il bitrate è in genere superiore a 192 kbps. La qualità dei CD, ad esempio, si basa su una frequenza di campionamento di 44,1 kHz e una profondità di bit di 16 bit. Per la riproduzione stereo, la velocità di trasmissione è quindi di 1,411 Mbps.

I codec convenzionali utilizzano in genere tecniche di compressione che durante la codifica scartano le informazioni che si sa non influenzano eccessivamente il modo in cui l'ascoltatore percepisce il flusso audio decodificato. L'obiettivo è quello di ridurre il più possibile il bitrate senza compromettere eccessivamente la qualità audio. Tali codec sono detti "a perdita" perché il decoder non potrà mai riprodurre il segnale originale, non disponendo di tutte le informazioni originali. In genere sono le frequenze più alte (acuti) a essere eliminate dai codec a perdita.

Grazie ai progressi della radio a bassa potenza e corto raggio, i collegamenti wireless possono supportare un throughput maggiore senza compromettere la durata della batteria. Ad esempio, Bluetooth LE Audio, una forma di streaming wireless basata su Bluetooth LE rilasciata di recente, offre ora una qualità audio molto più elevata rispetto a Classic Bluetooth Audio e un consumo energetico inferiore.

Gli ingegneri hanno anche migliorato l'efficienza dei codec. Questi nuovi codec "senza perdite", combinati con una connettività wireless a più alto throughput, hanno prodotto un audio wireless molto più elevato (Tabella 1). I servizi audio di aziende come Apple, Amazon e Spotify offrono ora uno streaming audio senza perdite di alta qualità. Tuttavia, il progettista deve tener presente che il bitrate codificato per i codec senza perdite è spesso superiore a quello che il collegamento wireless può supportare in modo affidabile. Ad esempio, il codec LDAC di Sony codifica a un bitrate di 6,1 Mbps (32 x 96 x 2), ma il bitrate del collegamento wireless è limitato a 990 kbps.

Tabella 1: Confronto tra i codec "senza perdite" (Sony, Savitech e Qualcomm) e i codec di qualità CD e a perdita (Qualcomm e Bluetooth SIG (SBC)). Si noti che il bitrate massimo per i codec senza perdite è limitato dalla capacità del collegamento wireless Bluetooth. (Immagine per gentile concessione di Knowles)

ANC e suono personalizzato

L'aspettativa dei consumatori per gli auricolari TWS va oltre un suono eccellente. I prodotti di fascia alta devono offrire anche ANC e altre funzioni. ANC è rinomato, perché offre agli utenti un'esperienza di ascolto di qualità in presenza di un elevato livello di rumore di fondo, come ad esempio nella cabina di un aereo. ANC funziona grazie a microfoni integrati negli auricolari che captano i rumori a bassa frequenza e li cancellano prima che l'utente si accorga della loro esistenza. La cancellazione avviene quando le cuffie generano un suono secondario invertito di 180° rispetto al rumore originale.

Un altro miglioramento fondamentale offerto dagli auricolari wireless è l'audio personalizzato. Gli utenti con disabilità uditive nate o sviluppatesi con l'età possono avere particolari difficoltà a percepire le frequenze più elevate (Figura 2). Esistono applicazioni per smartphone e altri strumenti che consentono all'utente di potenziare frequenze specifiche per compensare la perdita dell'udito, ma tendono a essere rudimentali e a offrire scarsi risultati. Ma ora i prodotti di alta qualità si spingono oltre, con algoritmi che impostano i livelli uditivi sull'intero campo di frequenze sottoponendo l'utente a un test di ascolto dettagliato. Il risultato sono auricolari con uscite perfettamente regolate per compensare le carenze uditive.

Figura 2: Con l'avanzare dell'età, gli utenti perdono gradualmente la capacità di sentire le frequenze più alte. Il suono personalizzato potenzia le frequenze selezionate per compensare la perdita di sensibilità uditiva. (Immagine per gentile concessione di Knowles)

Un ultimo sviluppo tecnico dei moderni auricolari è la riduzione dell'occlusione. Gli effetti di occlusione si verificano quando un auricolare sigilla la parte esterna del condotto uditivo. Si tratta di un problema comune ai prodotti progettati per essere inseriti in modo relativamente stretto nell'orecchio. L'auricolare aumenta efficacemente l'impedenza acustica del condotto uditivo, che a sua volta aumenta l'ampiezza della pressione acustica, in particolare quando l'orecchio è soggetto a suoni a bassa frequenza generati dall'utente (come parlare, camminare e deglutire). Il risultato è un "boom" simile a un'eco nell'orecchio, che è fastidioso e distrae.

I produttori di auricolari hanno lavorato per ridurre gli effetti dell'occlusione sia attraverso la progettazione meccanica, come l'aggiunta di una piccola apertura tra l'auricolare e il condotto uditivo per ridurre l'impedenza acustica, sia attraverso la progettazione software, come l'inclusione della riduzione dell'occlusione nelle routine ANC.

I vantaggi di woofer e tweeter separati

Fino a poco tempo fa, la progettazione di cuffie wireless era meno impegnativa rispetto a quella di diffusori a misura intera collegati a sistemi audio di fascia alta. Gli utenti hanno accettato una qualità inferiore nelle cuffie come il prezzo da pagare per la comodità, e questo ha reso più facile per i progettisti sviluppare prodotti con un fattore di forma ridotto a un costo ragionevole. Ad esempio, era consuetudine utilizzare un altoparlante a campo intero al posto di un woofer e di un tweeter separati, per risparmiare spazio. La riproduzione delle frequenze più alte è stata potenzialmente sacrificata, ma questo non è stato un problema quando tali frequenze erano assenti dal flusso audio wireless.

Tuttavia, con l'avvento dei codec senza perdite e delle tecnologie ad alta velocità come Bluetooth LE Audio, l'audio wireless offre ora il campo intero di frequenze basse e alte (Figura 3). La riproduzione di questo audio richiede molto di più agli auricolari. Inoltre, i consumatori si aspettano ANC, suono personalizzato, riduzione degli effetti di occlusione e adattabilità a un'ampia gamma di casi d'uso, tra cui musica, TV, videoconferenze e chiamate vocali, il tutto in un fattore di forma estremamente compatto e a costi ragionevoli.

Figura 3: I codec senza perdite forniscono una maggiore quantità di informazioni ad alta frequenza, consentendo una migliore riproduzione dei toni alti durante la riproduzione musicale in auricolari opportunamente progettati. (Immagine per gentile concessione di Knowles)

Molti di questi requisiti richiedono compromessi progettuali. Ad esempio, per garantire un ANC efficace in ambienti rumorosi come la cabina di un aereo, i driver dei diffusori devono produrre bassi elevati con una bassa distorsione. I progetti semiaperti che affrontano l'occlusione pongono ulteriori requisiti all'uscita dei bassi. Allo stesso tempo, la riproduzione audio senza perdite richiede che il driver del diffusore gestisca gli acuti fino a 20 kHz e anche oltre. Soddisfare entrambi i requisiti con un singolo altoparlante dinamico in un fattore di forma compatto è praticamente impossibile.

La soluzione consiste nel suddividere le frequenze basse e alte tra un woofer dinamico e un tweeter separato ad armatura bilanciata (BA). Il tweeter BA è un componente specializzato, originariamente sviluppato per le applicazioni degli apparecchi acustici, ora sempre più utilizzato per aumentare la risposta degli alti negli auricolari di alta qualità. In un tweeter BA, un segnale elettronico fa vibrare una piccola ancia bilanciata tra due magneti all'interno di un involucro compatto. Il movimento dell'ancia viene trasferito a un diaframma in alluminio molto rigido che produce il suono.

Con una configurazione dedicata del woofer e del tweeter BA, il woofer può essere progettato per fornire bassi potenti a supporto della riproduzione senza perdite, di ANC e della riduzione degli effetti di occlusione, mentre l'uscita del tweeter BA è ottimizzata per produrre alti chiari e distinti. In questo modo si riduce la necessità di equalizzazione, con conseguente risparmio di potenza e aumento dello spazio dinamico (Figura 4).

Figura 4: La separazione del sistema di altoparlanti in un woofer dinamico (verde) e in un tweeter BA (blu) produce una risposta "ibrida" a frequenza piatta (rosso). (Immagine per gentile concessione di Knowles)

Un ulteriore vantaggio deriva dalla separazione degli altoparlanti: il progettista ha un maggior grado di libertà nella loro disposizione. Ad esempio, il woofer può essere meno direttamente allineato con la punta dell'orecchio, permettendo così al tweeter BA di essere posizionato vicino all'apertura dell'orecchio per ridurre al minimo il volume d'aria intrappolato tra il tweeter e la punta dell'orecchio, limitando gli effetti di occlusione (Figura 5).

Figura 5: La separazione del woofer e del tweeter negli auricolari consente di posizionare il tweeter verso la parte anteriore del dispositivo, limitando così gli effetti di occlusione. (Immagine per gentile concessione di Knowles)

Inoltre, la separazione di woofer e tweeter consente ai progettisti di perfezionare la risposta in frequenza. Ad esempio, possono modellare le caratteristiche acustiche in prossimità dell'apertura del tweeter per affinare la risposta alle alte frequenze. I progettisti possono quindi regolare il crossover per una fusione omogenea dei segnali del woofer e del tweeter. Possono anche regolare la sensibilità del tweeter per una migliore corrispondenza con il woofer, selezionando un'impedenza della bobina più alta o più bassa. La regolazione finale della risposta in frequenza complessiva degli auricolari può avvenire mediante l'elaborazione di segnali digitali (DSP).

Inoltre, poiché molti CI Bluetooth sono dotati di due uscite, il woofer e il tweeter possono essere pilotati da amplificatori singoli, per una flessibilità ancora maggiore nel modellare la risposta in frequenza.

Progetto di riferimento per audio wireless di alta qualità

Gli ingegneri abituati a un singolo altoparlante nei progetti wireless saranno messi alla prova dall'ulteriore complessità derivante dalla separazione di woofer e tweeter necessaria per riprodurre audio di alta qualità. Tuttavia, la tendenza è chiaramente verso capacità audio di qualità superiore, quindi è necessario prendere in considerazione un progetto a doppio driver per la riproduzione di qualità di streaming audio senza perdite.

Per aiutare i progettisti a muoversi in questa direzione, Knowles, produttore di tweeter BA, ha presentato il progetto di riferimento per auricolari stereo true wireless TC-35030-000. Questo progetto di riferimento abbatte il time-to-market degli auricolari TWS includendo molte delle principali funzioni avanzate richieste dagli utenti, eliminando così molte delle comuni sfide di progettazione.

Il progetto di riferimento include un tweeter BA progettato da Knowles per ottenere un buon suono ad alta frequenza, insieme a un woofer dinamico di 10 mm per bassi solidi. L'unità comprende anche microfoni in sistema microelettromeccanico (MEMS) per ANC e chiamate vocali. Il progetto di riferimento offre 13 ore di riproduzione o 8 ore di autonomia in conversazione grazie alla batteria integrata ed è compatibile con la tecnologia Bluetooth 5.2. Tra le caratteristiche aggiuntive del kit vi sono i comandi tattili e la tecnologia di assistenza vocale integrata (Figura 6).

Figura 6: Il progetto di riferimento degli auricolari TWS TC-35030-000 presenta un tweeter BA per un buon suono ad alta frequenza e un woofer dinamico di 10 mm per bassi solidi. (Immagine per gentile concessione di Knowles)

Il tweeter BA offre una risposta che si estende ben oltre i 20 kHz. Se si confronta l'uscita degli acuti del prodotto di Knowles con quella di un tipico diffusore dinamico di 8 mm, il tweeter BA fornisce una maggiore uscita ed estensione degli acuti, necessaria per un audio di alta qualità, compresa la capacità di supportare la personalizzazione o il miglioramento dell'udito (Figura 7).

Figura 7: La risposta alle alte frequenze del tweeter BA di Knowles è confrontata con quella di un diffusore dinamico. (Immagine per gentile concessione di Knowles)

Conclusione

I progressi nei semiconduttori e nei codec wireless hanno alterato il panorama degli auricolari. I consumatori si aspettano oggi bassi profondi, alti raffinati e un'ampia gamma dinamica dai loro dispositivi TWS intrauricolari. Inoltre, gli utenti si aspettano funzioni avanzate come ANC e audio personalizzato e accettano meno effetti come l'occlusione.

Per soddisfare meglio i requisiti di risposta in frequenza delle cuffie TWS, i progettisti devono optare per progetti a due driver, con tweeter e woofer separati e dedicati. Anche se si tratta di una sfida tecnica, il progetto di riferimento degli auricolari TWS TC-35030-000 di Knowles può essere d'aiuto. Combinando un tweeter BA, un woofer e microfoni MEMS, fa da ottima base per la progettazione di auricolari audio di alta qualità con caratteristiche che consentono una chiara differenziazione del prodotto.