פלטפורמת ADI מספקת רכיבים וכלים עבור פיתוח משקפי AR עם צליל Open-Ear

השילוב של אודיו מרחבי עם משקפי מציאות רבודה AR יכול ליצור חוויות חושיות אנושיות סוחפות ואינטראקטיביות כדי לגשר טוב יותר על הפער הפיזי והדיגיטלי. אך מתכננים צריכים להבטיח שמשקפי AR משופרים לאודיו יהיו קלי משקל ולספק זמן ריצה ממושך לשימוש מעשי.

שוק משקפי מציאות רבודה חכמים נראה על סף צמיחה משמעותית, עם משלוחי יחידות שצפויים לגדול מקצת יותר מ-676,000 בשנת 2023 ל-13 מיליון יחידות ב-2030, גידול המייצג קצב צמיחה שנתי ממוצע של 53%. שיפורים באיכות התצוגה, בחיי הסוללה ובביצועים הכוללים יהפכו את משקפי המציאות הרבודה למעשיים יותר במקרי שימוש ארגוניים, תעשייתיים וצרכניים.

משקפי AR עם מיקרופונים ורמקולים משובצים מספקים גישה מהירה אל סייעים קוליים והשמעת מוסיקה. הם יכולים להיות גורם קריטי במינוף תאומים דיגיטליים על רצפת המפעל, או במתן הנחיות ניווט וביצועים לרוכבי אופניים.

אודיו מרחבי באיכות גבוהה יכול להשפיע באופן משמעותי על חוויית המציאות הרבודה על ידי שיפור הטקסטורה, ההקשר והמשמעות של אינטראקציות חזותיות. אבל קבלת אודיו ביצועים-עיליים ממשקפי AR היא מאתגרת במיוחד בשל גורם הצורה הקטן הנדרש כדי לזכות בהתקבלות ושביעות רצון של משתמשים. נוסף לכך, התקנים אלה חייבים להיות קלי משקל ולספק חיי סוללה ממושכים, תכונות שיכולות להיות מאתגרות במיוחד כשמשלבים ביישום מאפיינים כגון אודיו באיכות גבוהה, הקלטת וידאו או תצוגות ויזואליות.

יחד עם התקדמות בכוח העיבוד וברזולוציית התצוגה, ניהול אודיו וצריכת הספק ימלאו תפקיד מכריע ביצירת יישומים מצליחים שימקסמו דרישה להתקנים אלה. מבין האתגרים שיש להתגבר עליהם נמצאים:

• רמקולים קטנים יותר נוטים להיות בעלי תדרי תהודה גבוהים שעלולים לפגוע ברמקולים אם נדחפים חזק מדי, ומקשים על דחיפת בס עמוק.
• איכות שיחה נטולת רעשים שקולטת את קולו של הלובש תוך חסימת רעשים סביבתיים, אבל מסובך בגלל המרחקים בין מיקרופונים לפיו של המשתמש.
• שילוב מאפיינים נוספים דורש פתרונות ניהול סוללה טובים יותר כדי להבטיח טעינה מהירה יותר וזמן ריצה ארוך יותר. הפשרה בין משקל, תפקוד וזמן ריצה היא מפתח לאימוץ שוק נרחב.
• מקרי שימוש רבים דורשים שהמשתמשים לא ייפגעו ביכולתם לשמוע מה קורה בסביבתם, כגון כלי רכב מתקרבים או אינטראקציות עם עמיתים לעבודה.

אודיו Open-ear

מתכננים השואפים לשלב מידע חזותי ושמיעתי באופן טבעי ומציאותי כדאי להם לשקול טכנולוגיית אודיו Open-ear. על ידי ביטול הצורך באוזניות או באוזניות כפתור, אודיו Open-ear מספק למשתמשים את היכולת לשמוע הן את צלילי ה-AR והן צלילי העולם-האמיתי, מאפשר חוויה חלקה וסוחפת מבלי להתפשר על אינטראקציה עם משתמשים אחרים והסביבה.

עם מיקרופונים ורמקולים Open-ear משולבים, משקפי AR מתאימים מאוד ליישומי מציאות רבודה (AR), כמו גם מציאות מדומה (VR) ומציאות מעורבת. משתמשים יכולים ליהנות מחוויית האזנה נוחה יותר מבלי להתפשר על איכות או נאמנות הצליל. התקנים אלו מאפשרים למשתמשים לשמוע מה מתרחש בסביבתם כך שהם יכולים לשמור על מודעות מצבית כדי להבטיח בטיחות ולשתף פעולה עם עמיתים לעבודה או לקיים אינטראקציה עם אחרים, תוך כדי מזעור הסיכון—או המטרד—של שמיעת תוכן האודיו על ידי אנשים אחרים.

מהנדסים יכולים למנף אודיו Open-ear כדי ליצור יישומים אלקטרוניים המשלבים מידע חזותי ושמיעתי באופן טבעי. משקפי AR עם טכנולוגיה זו מוסיפים שכבה נוספת של ריאליזם על ידי הענקת אודיו מרחבי המספק למשתמשים צליל שנראה כאילו מגיע מכיוון ומרחק מסוימים.

אודיו מרחבי יהיה מרכיב מרכזי בפיתוח אודיו Open-ear. הוא יוצר סביבת צליל מציאותית וסוחפת התואמת תוכן חזותי ואת נקודת המבט של המשתמש. לדוגמה, התקן Vision Pro VR של Apple מתאפיין באודיו Open-ear, שילוב אודיו מרחבי ומיפוי אוזניים תלת-ממדי כדי לשפר את חוויית הסחיפה ולמנוע את הצורך באוזניות חיצוניות.

תוך הדמיית האופן שבו גלי קול מתקשרים עם אוזניו, ראשו וגופו של המשתמש, ועם משטחים וחפצים בסביבה הפיזית שלו, אודיו מרחבי יכול גם להשתמש במטא-נתונים כגון מיקום, כיוון, מרחק, מהירות כדי לכוונן באופן דינמי את פרמטרי הצליל. אלה כוללים עוצמת קול, גובה צליל והדהוד המבוססים על תנועת ואינטראקציית המשתמש.

תכנון יישומי אודיו Open-ear עבור משקפי AR דורש‏ הבנה של היתרונות והחסרונות של‏ ההתקן, העקרונות והפרקטיקות הטובים ביותר של‏ תכנון אודיו מרחבי, וכלים ומסגרות פיתוח. צגי וידאו והקלטת וידאו הם צורכי-הספק, כך שנצילות היא קריטית. צליל באיכות גבוהה ועיצובים אטרקטיביים ישחקו תפקיד גדול בהתקבלות על ידי לקוחות, וטעינת ההתקנים חייבת להיות נוחה ולעתים רחוקות ככל שהטכנולוגיה מאפשרת.

פלטפורמת ADI עבור יישומים של משקפי AR עם אודיו Open-ear

Analog Devices, Inc.‎‏ (ADI) מציעה‏ פלטפורמת משקפי AR הכוללת רכיבי לכידת אודיו, השמעה וניהול סוללה משולבים ואלגוריתמים. רכיבים וכלי פיתוח אלה מספקים למתכננים מסלול מהיר לבניית ובדיקת יישומים של משקפי AR עם אודיו Open-ear.

רכיבי ה-codec של מעבד האודיו של ADI משתמשים באלגוריתמים של עיבוד Pure Voice של החברה כדי לשפר את איכות השיחות הקוליות בסביבות אקוסטיות מאתגרות, ואלגוריתמים Dynamic Speaker Management‏ (™DSM) כדי ליצור צליל חזק ועשיר יותר מיישומים של רמקולים המוגבלים במקום.

• ה-ADAU1860 (איור 1‏) כולל ליבת HiFi 3z audio DSP וליבת FastDSP‏ שיהוי-נמוך, ביחד עם שמונה ערוצי כניסת מיקרופון דיגיטלי (DMIC), שלוש כניסות אנלוגיות, יציאה אחת אנלוגית, ושני ערוצי יציאת אפנון צפיפות פולס (PDM). מיטוב הנתיב בין הכניסה האנלוגית לבין ליבת ה-DSP עבור שיהוי נמוך הוא אידיאלי עבור ביטול רעש.

איור 1‏: ה-ADAU1860 codec של ADI משלב בין השאר שני מעבדי DSP, שמונה כניסות מיקרופון דיגיטליות ושלוש כניסות אנלוגיות. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

• ה-ADAU1797 הוא אופציית Codec‏ הספק-נמוך בעלת ביצועים גבוהים יותר, המשלבת ליבת HiFi 3z audio DSP וליבת FastDSP‏ שיהוי-נמוך, ביחד עם שלוש כניסות אנלוגיות, עשרה ערוצי כניסת DMIC, שני ערוצי יציאת PDM, וערוץ יציאת מגבר Class-D נצילות-גבוהה. במצב הספק-נמוך, ליבות ה-DSP ממוטבות במיוחד עבור יישומי גורם צורה קטן כגון משקפי AR עם אודיו Open-ear. במצב ביצועים-עיליים, ליבת ה-HiFi 3z‏ מתוגברת מ-50‎ MHz עד ‎200 MHz, וה-FastDSP תומכת במספר כפול של פקודות, מ-64 ל-128. ניתן להשתמש ביכולת העיבוד המוגדלת שלו להורדת מחזורים ממעבד מארח, או לאפשר את השימוש במעבד זול יותר ללא הצורך ב-DSP אודיו או MCU נוסף חיצוני.
• ADI מציעה לוחות הערכה עבור כל אחד מרכיבי ה-Codec האלו‏. ה-EVAL-ADAU1797Z (איור 2‏) הוא תכן‏ 8‏-שכבות, עם‏ משטח הארקה ומשטח אספקת כוח בשכבות הפנימיות, וניתן להזינו על ידי אספקה יחידה של 3.8‎ V עד 5‎ V. ה-EVAL-ADAU1860EBZ הוא תכן‏ 4‏-שכבות, גם כן עם‏ משטח הארקה ומשטח מתח בשכבות הפנימיות, וניתן להזינו על ידי אפיק USB או אספקה יחידה של 5‎ V.

איור 2‏: לוח ההערכה EVAL-ADAU1797Z מספק גישה מלאה לכל הכניסות/היציאות האנלוגיות והדיגיטליות על ה-ADAU1797. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

מגברי אודיו חכמים מבית ADI מספקים משוב חישת זרם ומתח (IV) משולבים ואלגוריתמים של ניהול רמקול כדי למקסם ביצועים בגורמי צורה מאותגרי-מקום.

• ה-MAX98388‏ הוא מגבר‏ Class D‏, מונו, כניסה דיגיטלית, המתוכנן עבור AR/VR ויישומי משקפיים חכמים. הוא כולל משוב IV עבור מאפייני מגבר חכם ויכול להוריד עיבוד DSM ל-Codec האודיו. הוא ממוטב במיוחד ליישומים של עד 5.5‎ V (תא יחיד) ומספק נצילות של עד %‏90‏.
• ה-MAX98390 שהושק לאחרונה הוא מגבר Class-D מתוגבר עם DSM משולב, שיכול להגביר עוצמת קול (SPL‏) והענות בס כדי לשפר איכות אודיו ממיקרו-רמקולים תוך מקסום נצילות. ממיר מעלה מתח ומדרוג FET משולבים, ביחד עם DSM, מספקים פעולה ארוכה יותר של הסוללה. מתח היציאה המקסימלי של ממיר מעלה המתח ניתן-לתכנות מ-6.5‎ V עד ‏‎10 V‏ בקפיצות של ‎0.125 V ממתח‏ סוללה נמוך עד כדי 2.65‎ V. ה-#MAX98390CEVSYS (איור 3‏) כולל את ה-DSM Sound Studio GUI של ADI לפישוט תכן ומימוש DSM עבור יישומים המשתמשים ב-MAX98390CEWX+T.

איור 3‏: מערכת ההערכה #MAX98390CEVSYS כוללת תוכנת DSM Sound Studio עם GUI‏ רב-עוצמה כדי לחלץ, לכוונן ולהעריך את מגבר ה-MAX98390C. (מקור תמונה: .Analog Devices, Inc‏)

הספק הוא גורם תכנון קריטי עבור משקפי AR. רמקולי אודיו Open-ear דורשים יותר הספק מניהול אוזניות אופייני, ו-ADI מציעה מספר מעגלים משולבים אופייניים שמתכננים יכולים להשתמש בהם עבור היישום שלהם:

• מעגלים-משולבים לניהול הספק (PMICs) מסדרת MAX77654 של ADI מספקים פתרונות טעינת סוללה ואספקת כוח משולבים ביותר. הם כוללים מייצב משרן-יחיד, מרובה-יציאות (SIMO), ומספק שלוש מסילות אספקת-כוח ניתנות-לתכנות עצמאי ממשרן יחיד כדי להקטין למינימום את גודל הפתרון‏. מטען ‏Smart Power Selector™ Li+/Li-Poly‏ מספק זרם טעינה ניתן-לתכנות מ-‎7.5 mA‏ ‏עד 300‎ mA‏, ומתח טעינה ניתן-לתכנות מ-‎3.6 V‏ עד ‎4.6 V‏, עם ניטור טמפרטורת סוללה עבור טעינה בטוחה. הוא משלב שני מייצבים ליניאריים ירידת-מתח-נמוכה (LDOs) ‏100‎ mA כדי לספק דחיית אדווה עבור אודיו ויישומים אחרים רגישים לרעש.
• רכיבי ה-MAX77659 PMIC כוללים מייצב Buck-Boost‏ SIMO שתי כניסות המספק ‏מסילת טעינה אחת ושלוש מסילות אספקת-כוח ניתנות-לתכנות עצמאי ממשרן יחיד ו-LDO אחד עבור דחיית אדווה.
• ה-MAX77972‏ של ADI‏ הוא שבב משולב של שלושה באחד הכולל זיהוי USB-C, מטען Buck‏ 3‎ A ומד רמת-טעינה של סוללה. הוא תומך בטעינה הפוכה USB On-The-Go‏ (OTG) וכולל‏ ™Smart Power Selector‏ (SPS). מד רמת טעינה של סוללה משתמש באלגוריתם ה-ModelGauge™ m5 המקזז אוטומטית עבור התיישנות תא, טמפרטורה וקצב פריקה, ומספק מצב טעינה (SOC) מדויק בתחום רחב של תנאי עבודה. פיני USB Type-C Configuration Channel‏ (CC) מאפשרים זיהוי מקור-כוח USB Type-C אוטומטי ותצורת מגבל זרם כניסה.
• ה-MAX17301 הוא IC מד רמת-טעינה עצמאי לצד מארז הסוללות. הוא מספק הגנה, גילוי פריקה-עצמית פנימית אופציונלית של סוללה, ואימות SHA-256 אופציונלי עבור סוללות ליתיום-יון/פולימר תא-אחד. ממשק Maxim‏ C‏^2‏I חוט-אחד או שני-חוטים מספק גישה לאוגרי נתונים ובקרה.
• ה-MAX17332‏ של ADI‏ הוא פתרון ניהול סוללה שבב-יחיד הכולל‏ מטען לינארי, מד רמת-טעינה, הגנת סוללה וגילוי פריקה-עצמית. הוא יכול לאזן קיבולת סוללה מעורבת ולספק טעינה מהירה, עם היכולת לטעון באופן עצמאי סוללות מקבילות ולמנוע טעינה צולבת.

סיכום

אודיו היה מגבלה משמעותית בהשגת הפוטנציאל של יישומי AR, שהתמקדו בדרך כלל בראייה. אודיו Open-ear מספק‏ הזדמנות למלא את אותו פוטנציאל עם משקפי AR קלים יותר, אופנתיים ונוחים המסוגלים לתמוך במקרי שימוש רבים. ADI הרכיבה פלטפורמה של רכיבים, כלים ותוכנות ליצירת פתרון שלם.