TME-FLUKE-get-gift-2024-Apr16-Apr30_MEweb

Samsung-Passive-MLCC-2024-Apr7-May7-MEweb

DigiKey-Amphenol-Max-M12-Conn-2024-Apr-MEweb

Arrow-ADI-Increase the Efficiency-18-April-2024

Kiváló minőségű, vezeték nélküli sztereó hangzást adó fülhallgatók gyors létrehozása

Megjelent: 2023. január 30.

A hanganyagok letöltésének kezdeti időszakában a vezeték nélküli adatátviteli sebesség korlátozott volt, és a felhasználók elfogadták a hangzáshűségbeli veszteséget azért a kényelemért cserébe, amelyet a zsebükben hordozható több ezer digitális zeneszám jelentett. A nagyobb átviteli sebességet lehetővé tevő és jobb tömörítési algoritmusokat támogató vezeték nélküli technika megjelenésével azonban a felhasználók egyre igényesebbé váltak.

Ez azt jelenti, hogy a fogyasztói elvárásoknak való megfeleléshez a tervezőknek ma már valódi vezeték nélküli sztereó hangzást nyújtó (TWS) fülhallgatókat kell kínálniuk. A valódi vezeték nélküli sztereó hangzású fülhallgatók azt az ígéretet hordozzák, hogy a teljes hangspektrumban pontosabban visszaadják majd a hangot, különösen a magasabb frekvenciákon, amelyek a régebbi eszközök esetében jellemzően elvesztek.
A hangminőség azonban csak az egyik szempont a korszerű vezeték nélküli hangvisszaadás esetében. A piaci versenyben a fejhallgató-fejlesztőknek körültekintően oda kell figyelniük a felhasználók igényeire, és fel kell használniuk a tőlük kapott visszajelzéseket, hogy saját termékük a hatékonyságot és az árat tekintve kiemelkedjen a többi közül. A felhasználók például a minél jobb zenehallgatási élmény érdekében hatékony aktív zajszűrést (ANC, active noise cancellation) szeretnének, valamint a hallójárat (a fülbe helyezhető fülhallgató általi) elzárásából eredő hatások mérséklését. Az idősebb fülhallgató-használók körében pedig egyre nagyobb az igény a magasabb frekvenciák hallása terén jelentkező természetes halláscsökkenés automatikus kompenzálására (azaz a hallás személyre szabására).
Ezeknek az igényeknek a kielégítéséhez módosított hozzáállásra van szükség, a mély hangoknak mélyhang-sugárzóra, a magas hangoknak pedig magashang-sugárzóra történő elkülönítésével. Ez sok fejlesztőcsapat képességeit meghaladja, ami megnöveli a piacra kerülési időt, és ezzel elszalasztott lehetőségeket rejthet, mert a szükséges szakértelmet meg kell fizetniük, vagy ki kell fejleszteniük.
Ez a cikk a fogyasztói vezeték nélküli hangtechnika fejlődését sarkalló fejlesztéseket, valamint azoknak a fülbe helyezhető fülhallgatók (jelen cikkben az egyszerűség kedvéért általában egyszerűen csak fülhallgatók) hardverének és szoftverének tervezésére gyakorolt hatását foglalja össze. Ezután bemutat egy valódi vezeték nélküli sztereó hangzást adó (TWS) fülhallgató készítésére használható referenciatervet, majd ismerteti azt is, hogy a tervezők hogyan használhatják azt fel átlagon felüli műszaki jellemzőkkel rendelkező fülhallgatók gyors piacra dobására, amelyek pontosan képesek visszaadni a korszerű hangtömörítő szoftverekkel mostanság felvett telt, testes basszusokat és a kiterjesztett magashang-tartományt.

Fejlődés a digitális hangzás terén

A hang igazából analóg jel, a felvevő- és lejátszóberendezések azonban napjainkban nagyrészt digitális jeleket használnak. A hang digitalizálása a mintavételi frekvenciát (Hz) és a bitmélységet (bitszám) meghatározó kódoló-dekódoló algoritmussal (kodek) működtetett analóg-digitális átalakító (ADC) segítségével történik. Mintavételezéskor a rendszer a hang analóg hullámformájának amplitúdóját rögzíti meghatározott időközönként.
Minden mintavételi frekvencia megalkuvásokkal jár. Kisebb mintavételi frekvencia esetén kevesebb a feldolgozandó adat, de a felbontás is kisebb. A bitmélység azt mutatja, hogy a mintavételezéssel kapott egyes minták által hordozott információt hány bittel írjuk le. Akárcsak az előbbi paraméternél, a bitek száma és a hangminőség között is kompromisszumos viszony áll fenn. Az elterjedt bitmélységek a 16, a 24 és a 32 bit (1. ábra).

1. ábra Az analóg hangot egy adott frekvenciájú és bitmélységű mintavételezéssel digitalizálják. A mintavételi frekvencia és a bitmélység növelésével a digitalizált információ pontosabban írja le az analóg jel alakját, és ennek következtében javul a visszaadható hangminőség (Kép: Knowles)

A felbontást vagy más néven adatsűrűséget a mintavételi frekvencia × a bitmélység × a csatornák száma szorzattal kapjuk meg másodpercenkénti bitszámban (vagy bit/másodpercben, amely SI jelöléssel b/s, de elterjedt az angolszász bps jelölés is). Elfogadható zenei minőségnek általában a több mint 192 kilobit/másodperc (kb/s) felbontást tekintjük. A CD-minőség például 44,1 kHz-es mintavételi frekvencián és 16 bites bitmélységen alapul. A CD-minőségű sztereó hangfelvételnek tehát a fenti képlet alapján 1,411 megabit/másodperc (Mb/s) a felbontása.
A hagyományos kodekek jellemzően olyan tömörítési technikákat használnak, amelyek a kódolás során elvetnek egyes olyan információkat, amelyekről hallásvizsgálatokkal azt állapították meg, hogy nem befolyásolják túlzottan azt, hogy a hallgató hogyan érzékeli a dekódolt hanganyagot. A cél a felbontás lehető legnagyobb mértékű csökkentése a hangminőség túlságosan nagy mértékű romlása nélkül. Az ilyen kodekeket „veszteséges” (a magyarban is elterjedt angol szóval lossy) kodekeknek nevezik, ugyanis a dekódoló soha nem tudja az eredeti jelet előállítani, mert a tömörített jel nem tartalmazza az összes eredeti információt. A veszteséges kodekek jellemzően a magasabb frekvenciák egy részét távolítják el.
A kis fogyasztású, kis hatótávolságú rádiók terén elért fejlesztéseknek köszönhetően a vezeték nélküli kapcsolatok nagyobb átviteli teljesítményt tudnak nyújtani az akkumulátor üzemidejének csökkenése nélkül. Például a Bluetooth LE-alapú vezeték nélküli adattovábbítás nemrég megjelent formája, a Bluetooth LE Audio a hagyományos Bluetooth Audionál sokkal jobb hangminőséget és kisebb fogyasztást tesz lehetővé.
A mérnökök a kodekek hatásfokát is javították. Ezek az újabb „veszteségmentes” (a magyarban is elterjedt angol szóval lossless) kodekek a nagyobb vezeték nélküli átviteli sebességgel kombinálva sokkal jobb vezeték nélküli hangvisszaadást tesznek lehetővé (1. táblázat). Az Apple, az Amazon, a Spotify és más cégek hanganyag-szolgáltatásai már kiváló minőségű, élő adatfolyammal veszteségmentesen letölthető hanganyagokat kínálnak. A tervezőknek figyelembe kell azonban venniük, hogy a veszteségmentes kodekekkel kódolt felbontás gyakran nagyobb, mint amit a vezeték nélküli kapcsolat megbízhatóan képes átvinni. A Sony LDAC kodekje például 6,1 Mb/s felbontással kódol (32 × 96 × 2), de a vezeték nélküli kapcsolat adatátvitele csupán 990 kb/s.

1. táblázat A veszteségmentes kodekek (Sony, Savitech és Qualcomm) összehasonlítása a CD-minőséggel és veszteséges kodekekkel (Qualcomm és Bluetooth SIG (SBC)). Itt jegyezzük meg, hogy a veszteségmentes kodekek maximális felbontása a vezeték nélküli Bluetooth-kapcsolat képességei miatt korlátozott (Kép: Knowles)

Aktív zajszűrés (ANC) és személyre szabott hangzás

A felhasználók a valódi vezeték nélküli sztereó hangzást biztosító (TWS) fülhallgatóktól már többet várnak, mint „csupán” a kiváló hangzást. A csúcskategóriás termékeknek egyebek mellett aktív zajszűrést és más funkciókat is kínálniuk kell. Az aktív zajszűrés azért népszerű, mert jó minőségű hallgatási élményt nyújt a felhasználóknak még nagy háttérzaj esetén is, például egy repülőgép utasterében. Az aktív zajszűrést a fülhallgatóba épített mikrofonok teszik lehetővé, amelyek érzékelik az alacsony frekvenciájú zajokat, és kioltják azokat, mielőtt a felhasználóban egyáltalán tudatosulna, hogy vannak ilyenek. Ezen kioltás vagy semlegesítés úgy történik, hogy a fülhallgató az eredeti zajhoz képest 180˚-kal ellentétes fázisú másik hangot állít elő.
A vezeték nélküli fülhallgatók által napjainkban kínált másik kulcsfontosságú fejlesztés a személyre szabott hangzás. Előfordulhat, hogy a születésüktől fogva halláskárosultak vagy azok, akik az életkoruk előrehaladtával kialakult halláskárosodástól szenvednek, a magasabb frekvenciákat csak nehezen vagy egyáltalán nem hallják (2. ábra). Bár léteznek olyan okostelefonos alkalmazások és egyéb eszközök, amelyek lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy bizonyos frekvenciákat felerősítsenek a halláskárosodás kompenzálására, ezek általában kezdetlegesek, és az elérhető eredmények is gyengék. A kiváló minőségű termékek azonban ezt most már olyan algoritmusokkal egészítik ki, amelyek a teljes frekvenciatartományban beállítják a hallásszinteket, és a felhasználót részletes hallásvizsgálatnak vetik alá. Ezzel a módszerrel olyan fülhallgatók készíthetők, amelyek hangja tökéletesen képes kompenzálni a létező halláshibákat.

2. ábra A felhasználók öregedésével fokozatosan romlik a magasabb frekvenciák hallásának képessége. A személyre szabott hangzás felerősíti a kiválasztott frekvenciákat, hogy kompenzálja a hallás csökkenését (Kép: Knowles)

A fülbe helyezhető korszerű fülhallgatók terén elért egyik utolsó műszaki fejlesztés a hallójárat-elzárás hatásainak csökkentése. Ezek akkor jelentkeznek, amikor a fülbe helyezhető fülhallgató lezárja a hallójárat külső részét. Ez a fülbe viszonylag szorosan illeszkedő termékeknél gyakori probléma. A fülhallgató gyakorlatilag megnöveli a hallójárat akusztikus „impedanciáját”, ennek következtében pedig megnő az akusztikus nyomás amplitúdója, különösen akkor, amikor a fület a felhasználó által keltett alacsony frekvenciájú hang éri (például beszédkor, járáskor, nyeléskor). Ilyenkor a hangokat erősebben, visszhangszerűen, mintegy hordóból jövően halljuk, ami bosszantó és zavaró.
A fülhallgatógyártók mechanikai kialakítással (például az akusztikus impedancia csökkentése érdekében a fülhallgató és a hallójárat között egy kis nyílást kialakítva), valamint szoftveres tervezéssel igyekeznek csökkenteni a hallójárat-elzárás következtében fellépő hatásokat (például az aktív zajszűrési (ANC-) rutinokba építve be ezen hatások csökkentését).

A különálló mély- és magashang-sugárzókkal járó előnyök

A vezeték nélküli fejhallgatók tervezése egészen a közelmúltig kevesebb kihívással járt, mint a csúcsminőségű audiofil hangrendszerekhez szánt teljes méretű hangszórók tervezése. A felhasználók a kényelem áraként elfogadták a vezeték nélküli fejhallgatókkal járó gyengébb minőséget, és ez megkönnyítette a tervezők számára, hogy észszerű áron fejlesszenek kis méretű termékeket. Helytakarékossági okokból például a külön mély- és a magashang-sugárzó hangszóró helyett egyetlen, a teljes tartományt lefedő hangsugárzót használtak. Ezzel gyakorlatilag feláldozták a magasabb frekvenciák visszaadását, de ez nem igazán jelentett problémát, mert ezek a frekvenciák egyébként is hiányoztak a vezeték nélküli adatkapcsolaton át továbbított hanganyagokból.
A veszteségmentes kodekek és a nagy átviteli teljesítményű technikák, például a Bluetooth LE Audio megjelenésével azonban ma már a teljes hangtartomány, azaz a basszus- és a magas hangok átvitele is megvalósítható vezeték nélküli hangátvitellel is (3. ábra). Az ilyen hanganyagok visszaadása azonban sokkal többet követel meg a fülhallgatóktól. A fogyasztók emellett aktív zajszűrést, személyre szabott hangzást, a hallójárat-elzárási hatások csökkentését és széles körben való használhatóságot várnak el, beleértve a zene- és tévéhallgatást, a videókonferenciákat és a beszédcélú telefonhívásokat is – mindezt rendkívül kis méretben, és természetesen észszerű áron.

3. ábra A veszteségmentes kodekek többet tartanak meg a magasabb frekvenciájú információkból, így a megfelelően kialakított fülhallgatók a magas hangokat pontosabban tudják visszaadni (Kép: Knowles)

E követelmények közül soknak a megvalósításához kompromisszumokat kell kötni a tervezés során. Ahhoz például, hogy az aktív zajszűrés hatékony legyen zajos környezetben (például egy repülőgép utasterében), a hangsugárzóknak erős basszuskimenetet kell szolgáltatniuk kis torzítással. A hallójárat-elzárásra megoldást kínáló félig nyitott kialakítások további követelményeket támasztanak a visszaadott basszushangokkal szemben. Ugyanakkor a veszteségmentes hanglejátszás megköveteli, hogy a hangsugárzó képes legyen a 20 kHz-es és az a fölötti magas hangok lejátszására is. Mindkét követelményt egyetlen dinamikus hangsugárzóval teljesíteni a kis méretű eszközökben gyakorlatilag lehetetlen.
A megoldás az, hogy az alacsony és a magas frekvenciák visszaadását egy dinamikus mélyhang-sugárzó és egy különálló, kiegyensúlyozott armatúrás (BA, balanced armature) magashang-sugárzó között osztják fel. A kiegyensúlyozott armatúrás technikát használó magashang-sugárzók különleges eszközök, amelyeket eredetileg hallókészülékekben történő használatra fejlesztettek ki, és amelyeket mostanában egyre gyakrabban használnak a magas hangok visszaadásának javítására a fülbe helyezhető kiváló minőségű fülhallgatókban. A kiegyensúlyozott armatúrás magashang-sugárzóban az elektronikus jel egy kis méretű házban elhelyezett két mágnes között kiegyensúlyozott apró nyelvet rezget. A rezgőnyelv mozgása egy nagyon merev alumínium membránra vivődik át, amely a hangot állítja elő.
A külön mélyhang-sugárzót és kiegyensúlyozott armatúrás magassugárzót tartalmazó kialakítással a mélyhang-sugárzó megtervezhető úgy, hogy eléggé testes basszust adjon a veszteségmentes hangvisszaadás és az automatikus zajszűrés támogatásához, valamint a hallójárat-elzárási hatások csökkentéséhez, míg a kiegyensúlyozott armatúrás magashang-sugárzó a tiszta és határozott magas hangok visszaadására optimalizálható. Ez csökkenti a hangszínszabályozás szükségességét, ami viszont energiát takarít meg, és nagyobb dinamikus kivezérelhetőségi tartalékot (dynamic headroom) tesz lehetővé (4. ábra).

4. ábra A hangszórórendszer dinamikus mélyhang-sugárzóra (zöld) és kiegyensúlyozott armatúrás magashang-sugárzóra (kék) történő szétválasztása lapos frekvenciamenetű „hibrid” választ eredményez (piros) (Kép: Knowles)

A hangsugárzók szétválasztásának van egy további előnye is, mégpedig az, hogy a tervezők nagyobb szabadságot kapnak a hangsugárzók elrendezésében. Például a mélyhang-sugárzó elhelyezhető úgy, hogy ne legyen pontosan egy vonalban a fülilleszték nyílásával, így elegendő hely marad a kiegyensúlyozott armatúrás magashang-sugárzónak a hangnyílás közelében történő elhelyezésére, hogy a magashang-sugárzó és a fülilleszték közé csak minimális levegő szoruljon, amivel csökkenthetők a hallójárat-elzárásból eredő hatások (5. ábra).

5. ábra A mély- és a magashang-sugárzónak a fülhallgatókban történő szétválasztása lehetővé teszi, hogy a magashang-sugárzót a készülék kimenetének közelében lehessen elhelyezni, amivel csökkenthetők a hallójárat-elzárásból eredő hatások (Kép: Knowles)

Ezen túlmenően a mély- és a magashang-sugárzó szétválasztása lehetővé teszi a tervezők számára a frekvenciamenet (vagy frekvenciaátvitel) finomítását is. Például a magashang-sugárzó hangnyílásának környéke akusztikai szempontból kialakítható úgy, hogy finomabb legyen a magasabb frekvenciák átvitele. A tervezők emellett beállíthatják a mélyhang-sugárzó és a magashang-sugárzó megszólalása közötti átmeneti pontot is a jelek egyenletes keveredéséhez. Nagyobb vagy kisebb impedanciájú tekercset választva a magashang-sugárzó érzékenységét is beállíthatják úgy, hogy a magashang-sugárzó hangzása jobban illeszkedjen a mélyhang-sugárzóéhoz. A fülhallgató teljes frekvenciamenetének végső kialakítása digitális jelfeldolgozással (DSP) támogatott hangolással érhető el.
Sőt, mivel sok Bluetooth IC-nek két kimenete van, a mély- és a magashang-sugárzó külön erősítőkkel is meghajtható, így a frekvenciamenet még rugalmasabban szabályozható.

Referenciaterv
kiváló minőségű vezeték nélküli hangátvitelhez

Az egy hangsugárzós vezeték nélküli fülhallgató-kialakításokhoz szokott mérnökök számára esetleg gondot jelenthet a kiváló hanghűségű hangvisszaadáshoz szükséges külön mély- és magashang-sugárzó jelentette nagyobb összetettség. A világ azonban egyértelműen a jobb hangvisszaadási képességek irányába halad, ezért elengedhetetlen a veszteségmentes hanganyag jó minőségű visszaadásához szükséges két hangsugárzós rendszer kialakítási lehetőségeit figyelembe venni.
Hogy segítsen az ebbe az irányba haladó tervezőknek, a Knowles, a kiegyensúlyozott armatúrás magashang-sugárzók egyik gyártója közzétette a valódi vezeték nélküli sztereó hangzást nyújtó, fülbe helyezhető TC-35030-000 fülhallgató referenciatervét. A referenciaterv lerövidíti a valódi vezeték nélküli sztereó hangzást adó fülhallgatók piacra kerülésének idejét, mert számos, a felhasználók által igényelt kulcsfontosságú korszerű funkciót tartalmaz, és ezáltal a tervezők előtt álló számos gyakori kihívást kiküszöböl.
A referenciaterv a magasabb frekvenciák jó visszaadása érdekében a Knowles saját tervezésű kiegyensúlyozott armatúrás magashang-sugárzóját tartalmazza, valamint egy 10 mm-es dinamikus mélyhangsugárzót a telt, testes basszushangok megszólaltatásához. A készülék mikro-elektromechanikus rendszerű (MEMS) mikrofonokat is tartalmaz az aktív zajszűréshez és a beszédcélú telefonhívásokhoz. A referenciaterv beépített akkumulátora 13 órás lejátszási vagy 8 órás beszélgetési időt tesz lehetővé, és a készülék Bluetooth 5.2-kompatibilis. A készletbe beépített további funkciók közé tartozik az érintésvezérlés és a beépített beszédértő segédtechnika (6. ábra).

6. ábra A TC-35030-000 valódi vezeték nélküli sztereó hangzást adó fülhallgató referenciaterve tartalmaz egy kiegyensúlyozott armatúrás magashang-sugárzót a magasabb frekvenciák jó visszaadása érdekében, valamint egy 10 mm-es dinamikus mélyhang-sugárzót a telt, testes basszushangok megszólaltatásához (Kép: Knowles)

A kiegyensúlyozott armatúrás magashang-sugárzó a 20 kHz-et jóval meghaladó frekvenciájú hangok visszaadására is képes. Ha összehasonlítjuk a Knowles termékének hangját egy jellegzetes 8 mm-es dinamikus hangszóróéval, láthatjuk, hogy a kiegyensúlyozott armatúrás magashang-sugárzó képes megszólaltatni a kiváló minőségű hangzáshoz szükséges magasabb frekvenciájú és a hallható frekvencián túli hangtartományba eső hangokat is, valamint lehetőséget ad a hallás személyre szabására, illetve javítására is (7. ábra).

7. ábra A Knowles cég kiegyensúlyozott armatúrás magashang-sugárzójának frekvenciamenete a magasabb hangfrekvenciákon egy dinamikus hangszóróéval összehasonlítva (Kép: Knowles)