ADI-platform biedt componenten en tools voor de ontwikkeling van open-ear AR-brillen

De integratie van ruimtelijke audio met brillen voor augmented reality (AR) creëert een immersieve en interactieve zintuiglijke ervaring om de fysieke en digitale kloof beter te overbruggen. Ontwerpers moeten er echter voor zorgen dat AR-brillen met geluidsversterking licht van gewicht zijn en lang meegaan voor praktisch gebruik.

De markt voor slimme AR-brillen lijkt aan de vooravond te staan van een substantiële groei, met een verwachte groei van iets meer dan 676.000 brillen in 2023 naar 13 miljoen in 2030, wat neerkomt op een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 53%. Verbeteringen in beeldschermkwaliteit, levensduur van de batterij en algehele prestaties zullen AR-brillen praktischer maken voor bedrijven, de industrie en consumenten.

AR-brillen met ingebouwde microfoons en luidsprekers bieden snelle toegang tot spraakassistenten en het afspelen van muziek. Ze kunnen een cruciale factor zijn voor digitale tweelingen (of digital twins) op de fabrieksvloer of om fietsers te voorzien van navigatie- en prestatieaanwijzingen.

High-fidelity ruimtelijke audio kan de AR-ervaring van de gebruiker aanzienlijk beïnvloeden door de textuur, context en betekenis van visuele interacties te verbeteren. Maar het verkrijgen van hoogwaardige audio van AR-brillen is vooral een uitdaging vanwege de kleine vormfactor die nodig is voor aanvaarding en tevredenheid bij de eindgebruikers. Bovendien moeten deze apparaten licht zijn en een lange batterijlevensduur hebben, wat vooral een uitdaging kan zijn als er functies zoals hoogwaardige audio, video-opname of visuele weergave worden geïntegreerd.

Samen met de vooruitgang in processorkracht en beeldschermresolutie, spelen audio en energiebeheer een cruciale rol in het creëren van succesvolle toepassingen die de vraag naar deze apparaten zullen maximaliseren. De uitdagingen die overwonnen moeten worden, zijn onder andere:

• Kleinere luidsprekers hebben vaak hoge resonantiefrequenties die luidsprekers kunnen beschadigen als ze te sterk worden aangestuurd en waardoor het moeilijker is om diepe bastonen aan te sturen.
• Een ruisvrije gesprekskwaliteit waarbij de stem van de drager wordt opgepikt terwijl omgevingsgeluid wordt geblokkeerd, is essentieel, maar gecompliceerd vanwege de afstanden tussen de microfoon en de mond van de gebruiker.
• De integratie van meer functies vereist betere oplossingen voor batterijbeheer om sneller opladen en een langere runtime te garanderen. De afweging tussen gewicht, functionaliteit en runtime is de sleutel tot wijdverspreide toepassing op de markt.
• Veel use-cases vereisen dat gebruikers niet worden belemmerd in hun vermogen om te horen wat er in hun omgeving gebeurt, zoals tegemoetkomende voertuigen of interacties met collega’s.

Open-ear audio

Ontwerpers die visuele en auditieve informatie op een natuurlijke en realistische manier willen combineren, moeten open-ear audiotechnologie overwegen. Open-ear audio maakt een hoofdtelefoon of oordopjes overbodig en biedt gebruikers de mogelijkheid om zowel AR-geluid als omgevingsgeluid te horen. Dit zorgt voor een naadloze en immersieve ervaring die niet ten koste gaat van de interactie met andere gebruikers en de omgeving.

Met ingebouwde microfoons en open-ear speakers zijn AR-brillen zeer geschikt voor zowel AR als VR (virtual reality) en mixed-reality toepassingen. Gebruikers kunnen genieten van een comfortabele luisterervaring zonder dat dit ten koste gaat van de geluidskwaliteit of natuurgetrouwheid. Met deze apparaten kunnen gebruikers horen wat er in hun omgeving gebeurt, zodat ze zich bewust blijven van hun situatie om de veiligheid te garanderen en te kunnen samenwerken en communiceren met collega’s of anderen, terwijl het risico dat andere mensen de audio horen—of erdoor gehinderd worden—tot een minimum wordt beperkt.

Engineers kunnen open-ear audio gebruiken om elektronische toepassingen te creëren die visuele en auditieve informatie op een natuurlijke manier combineren. AR-brillen met deze technologie voegen een extra laag van realisme toe door ruimtelijke audio te bieden waarbij het geluid uit een specifieke richting of van een bepaalde afstand lijkt te komen.

Ruimtelijke audio wordt een belangrijk onderdeel van de ontwikkeling van open-ear audio. Het creëert een realistische en meeslepende geluidsomgeving die past bij de visuele inhoud en het perspectief van de gebruiker. Het Vision Pro VR-apparaat van Apple is bijvoorbeeld voorzien van open-ear audio, ruimtelijke audio-integratie en 3D ear-mapping om de overweldigende ervaring te verbeteren en een externe hoofdtelefoon overbodig te maken.

Door de manier te simuleren waarop geluidsgolven reageren op de oren, het hoofd en het lichaam van een gebruiker—en op oppervlakken en objecten in hun fysieke omgeving—kan ruimtelijke audio ook gebruikmaken van metadata zoals positie, oriëntatie, afstand, snelheid en richting om de geluidsparameters dynamisch aan te passen. Deze omvatten volume, toonhoogte, timbre en nagalm, op basis van de beweging en interactie van de gebruiker.

Het ontwerpen van open-ear audio-toepassingen voor AR-brillen vereist inzicht in de voor- en nadelen van het apparaat, de principes en best practices van ruimtelijk audio-ontwerp, evenals ontwikkeltools en frameworks. Videodisplays en video-opnamen zijn energie-intensief, dus efficiëntie is essentieel. Hoogwaardig geluid en een aantrekkelijk ontwerp zullen een grote rol spelen bij de aanvaarding door klanten. Daarnaast moet het opladen van de apparaten gemakkelijk zijn en zo snel als de technologie dit toelaat.

ADI’s platform voor open-ear audio AR-brillentoepassingen

Analog Devices, Inc. (ADI) biedt een AR-brilplatform dat geïntegreerde componenten voor audio-opname, -afspelen en batterijmanagement evenals algoritmen bevat. Deze componenten en ontwikkeltools bieden ontwerpers een snelle route naar het bouwen en testen van open-ear AR-brillen.

De codecs voor audioprocessors van ADI maken gebruik van de Pure Voice-verwerkingsalgoritmen van het bedrijf om de kwaliteit van spraakoproepen in veeleisende akoestische omgevingen te verbeteren, evenals van DSM™-algoritmen (Dynamic Speaker Management) om een luider en rijker geluid te creëren uit luidsprekertoepassingen met beperkte ruimte.

• De ADAU1860 (afbeelding 1) heeft een HiFi 3z audio DSP-kern en een FastDSP-kern met lage latentie, samen met acht DMIC-ingangskanalen (digitale microfoon), drie analoge ingangen, één analoge uitgang en twee PDM-uitgangskanalen (pulse density modulation). Het optimaliseren van het pad tussen de analoge ingang en de DSP-kern voor een lage latentie is ideaal voor ruisonderdrukking.

Afbeelding 1: ADI’s ADAU1860 codec bevat onder andere twee DSP’s, acht digitale microfooningangen en drie analoge ingangen. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

• De ADAU1797 is een codec-optie met laag stroomverbruik en hogere prestaties die ook een HiFi 3z audio DSP-kern en een FastDSP-kern met lage latentie integreert, samen met drie analoge ingangskanalen, 10 DMIC-ingangskanalen, twee PDM-uitgangskanalen en een zeer efficiënt klasse-D versterkeruitgangskanaal. In de spaarstand zijn de DSP-kernen geoptimaliseerd voor toepassingen met een kleine vormfactor, zoals open-ear AR-brillen. In de high-performance modus wordt de HiFi 3z core opgevoerd van 50 MHz naar 200 MHz en ondersteunt de FastDSP het dubbele aantal instructies, van 64 naar 128. De grotere verwerkingscapaciteit kan worden gebruikt om cycli van een host-processor te halen of om het gebruik van een goedkopere host-processor mogelijk te maken zonder dat er een extra externe audio DSP of MCU nodig is.
• ADI biedt evaluatiekaarten voor elk van deze codecs. De EVAL-ADAU1797Z (afbeelding 2) is een ontwerp met 8 lagen, met een grondvlak en voedingsvlak op de binnenste lagen, en het kan gevoed worden door een enkele voeding van 3,8 V tot 5 V. De EVAL-ADAU1860EBZ is een 4-laags ontwerp, ook met een grondvlak en voedingsvlak op de binnenste lagen, en het kan gevoed worden door de USB-bus of een enkele 5V-voeding.

Afbeelding 2: Het evaluatiebord EVAL-ADAU1797Z biedt volledige toegang tot alle analoge en digitale ingangen/uitgangen van de ADAU1797. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Slimme audioversterkers van ADI bieden geïntegreerde feedback voor stroom- en spanningsdetectie (IV) en algoritmen voor luidsprekerbeheer om de prestaties te maximaliseren in modellen met beperkte ruimte.

• De MAX98388 is een klasse-D, mono digitale ingangsversterker ontworpen voor AR/VR en toepassingen met slimme brillen. Het beschikt over IV-feedback voor slimme versterkerfuncties en kan DSM-verwerking overhevelen naar de audio-codec. Dit apparaat is geoptimaliseerd voor toepassingen tot 5,5 V (enkele cel) en levert een efficiëntie tot 90%.
• De meer recent geïntroduceerde MAX98390 is een versterker van klasse-D met geïntegreerde DSM die de luidheid (SPL) en basrespons kan verhogen om de geluidskwaliteit van microluidsprekers te verbeteren en tegelijkertijd de efficiëntie te maximaliseren. Een geïntegreerde boostconverter en FET-schaling zorgen samen met DSM voor een langere batterijduur. De maximale uitgangsspanning van de boostconverter is programmeerbaar van 6,5 V tot 10 V in stappen van 0,125 V vanaf een batterijspanning van slechts 2,65 V. De MAX98390CEVSYS# (afbeelding 3) bevat ADI’s DSM Sound Studio GUI om het ontwerp en de DSM-implementatie voor toepassingen met de MAX98390CEWX+T te vereenvoudigen.

Afbeelding 3: Het MAX98390CEVSYS# evaluatiesysteem bevat DSM Sound Studio software met een krachtige GUI om de MAX98390C-versterker te extraheren, af te stellen en te evalueren. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Vermogen is een kritieke ontwerpfactor voor AR-brillen. Open-ear audioluidsprekers hebben meer vermogen nodig dan typisch hoofdtelefoonbeheer, en ADI biedt verschillende efficiënte IC’s voor energiebeheer die ontwerpers kunnen gebruiken voor hun toepassingen:

• De MAX77654-serie van ADI bevat power management integrated circuits (PMIC’s) en biedt zeer geïntegreerde oplossingen voor voeding en het opladen van batterijen. Met een SIMO (single-inductor, multiple-output) regelaar biedt deze drie onafhankelijk programmeerbare voedingsrails vanuit een enkele inductor om de afmeting van de oplossing te minimaliseren. Een Smart Power Selector™ Li+/Li-Poly-lader biedt een programmeerbare laadstroom van 7,5 mA tot 300 mA en programmeerbare laadspanning van 3,6 V tot 4,6 V, met bewaking van de batterijtemperatuur voor veilig opladen. Het apparaat bevat twee lineaire regelaars (LDO’s) van 100 mA met lage uitval voor rimpelonderdrukking voor audio- en andere ruisgevoelige toepassingen.
• De MAX77659 PMIC’s zijn voorzien van een dubbelingang SIMO buck-boostregelaar die één laadrail en drie onafhankelijk programmeerbare voedingssporen levert vanuit één spoel en één LDO voor rimpelonderdrukking.
• De MAX77972 van ADI is een drie-in-één combo-chip die USB-C-detectie, een 3 A buck-oplader en een brandstofmeter bevat. Het component ondersteunt USB On-The-Go (OTG) reverse boost en bevat een Smart Power Selector™ (SPS). De brandstofmeter maakt gebruik van het ModelGauge™ m5-algoritme dat automatisch de veroudering van de cel, temperatuur en ontladingssnelheid compenseert en een nauwkeurige state-of-charge (SOC) geeft over een breed scala aan bedrijfsomstandigheden. Detectiepinnen voor USB Type-C Configuration Channel (CC) maken automatische detectie van de USB Type-C-voedingsbron en configuratie van de ingangsstroombegrenzing mogelijk.
• De MAX17301 is een standalone pack-side brandstofmeter-IC. De chip biedt bescherming, optionele detectie van interne zelfontlading van de batterij en optionele SHA-256-verificatie voor eencellige lithium-ion/polymeerbatterijen. Een 1-draads of 2-draads I²C-interface van Maxim biedt toegang tot gegevens- en controleregisters.
• ADI’S MAX17332 is een single-chip batterijbeheeroplossing met een lineaire lader, een brandstofmeter, batterijbeveiliging en zelfontladingsdetectie. Deze chip kan gemengde batterijcapaciteit balanceren en snel opladen, met de mogelijkheid om parallelle batterijen onafhankelijk op te laden en cross-charging te voorkomen.

Conclusie

Audio is doorgaans een belangrijke beperking geweest om het potentieel van AR-toepassingen te verwezenlijken, die zich meestal hebben gericht op beeld. Open-ear audio biedt een kans om dat potentieel te bereiken met lichtere, modieuze en comfortabele AR-brillen die talloze gebruikssituaties kunnen ondersteunen. ADI heeft een platform van componenten, tools en software samengesteld voor complete oplossingen.