כיצד לממש במהירות תכן אוזניות TWS‏ באיכות גבוהה עם טוויטר ו-וופר ייעודיים

בימים הראשונים של הזרמת אודיו, קצבי הנתונים האלחוטיים היו מוגבלים, והמשתמשים נאלצו להשלים עם אובדן נאמנות כמחיר עבור הנוחות של אלפי מנגינות דיגיטליות בכיסם. אך עם כניסתה של טכנולוגיה אלחוטית התומכת בתפוקה אלחוטית גדולה יותר ובאלגוריתמי דחיסה משופרים, הצרכנים הפכו לנבונים יותר. המשמעות היא שהמתכננים צריכים כעת להציע אוזניות עם אודיו סטריאו אלחוטי אמיתי (TWS) כדי לעמוד בציפיות הצרכנים. אוזניות TWS הבטיחו לשחזר סאונד בצורה מדויקת יותר על פני ספקטרום האודיו, במיוחד בתדרים הגבוהים שאבדו בדרך כלל בתכנים ישנים יותר.

אך איכות הסאונד היא רק היבט אחד של השמעת אודיו אלחוטי מודרני. בשוק תחרותי, מפתחי אוזניות חייבים להסתכל מקרוב על מה שהצרכנים רוצים, ולהשתמש בתובנה זו כדי לספק בידול מוצר סופי בצורה יעילה וחסכונית ככל האפשר. לדוגמה, צרכנים רוצים גם ביטול רעשים אקטיבי (ANC) יעיל והפחתת ההשפעות של חסימה כדי שיוכלו ליהנות טוב יותר מחוויית ההאזנה שלהם. עבור מאזינים מבוגרים יותר, גם פיצוי אוטומטי (התאמה אישית של השמיעה) עבור אובדן שמיעה טבעי בתדרים הגבוהים יותר הופך מבוקש יותר ויותר.

עמידה בדרישות אלה דורשת גישה מתוקנת עם תכנים המפרידים בין וופרים לבאס וטוויטרים עבור הטונים הגבוהים, ה-טרבל (Treble‏). מאחר וזה נמצא מעבר למערך המיומנויות של צוותי פיתוח רבים, התוצאה היא לוחות זמנים ארוכים יותר ליציאה לשוק והחמצת הזדמנויות כאשר הם שוכרים אחרים או מפתחים בעצמם את המומחיות.

מאמר זה מסכם את ההתפתחויות המניעות אודיו אלחוטי מסחרי והשפעתם על תכן החומרה והתוכנה של אוזניות. לאחר מכן המאמר מציג תכן ייחוס עבור אוזניות TWS ומראה כיצד המתכננים יכולים להשתמש בו כדי להביא במהירות לשוק פתרונות אוזניות המאפשרים מאפיינים נבדלים, תוך שחזור מדויק של הבס החזק והטרבל המורחב המוקלטים כיום על ידי תוכנות דחיסת אודיו מודרניות.

חידושים בסאונד דיגיטלי

בעולם האמיתי, הסאונד הוא אות אנלוגי, אך ציוד ההקלטה וההשמעה שלנו עוסק במידה רבה באותות דיגיטליים. הסאונד עובר דיגיטציה באמצעות ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC), המופעל על ידי אלגוריתם קידוד/פענוח ("Codec") השולט בקצב הדגימה בהרץ (Hz‏) ובעומק הביטים (Bits). בתהליך הדגימה נקלטת אמפליטודת צורת הגל האנלוגית של הסאונד במרווחים מסוימים.

קצב הדגימה מהווה פשרה. קצבים נמוכים יותר מביאים פחות נתונים לטיפול אך ירידה ברזולוציה. עומק הביטים הוא מספר הביטים של המידע בכל דגימה; שוב, נדרשת פשרה בין מספר הביטים לבין איכות האודיו. עומקי ביטים נפוצים הם 16, 24 ו-32 ביטים (איור 1).

איור 1‏: סאונד אנלוגי העובר דיגיטציה על ידי דגימה בתדר וקצב ביטים נתונים. הגדלת קצב הדגימה ועומק הביטים מבטיחה שהמידע הדיגיטלי משקף טוב יותר את האות האנלוגי ומשפר את איכות השחזור. (מקור התמונה: Knowles‏)

המכפלה של קצב הדגימה × עומק הביטים × מספר הערוצים קובעת את קצב הביטים בביטים-לשנייה (bps). עבור איכות מוזיקה סבירה, קצב הביטים הוא בדרך כלל גדול מ-192 קילו-ביט-לשנייה (kbps). איכות CD, למשל, מסתמכת על קצב דגימה של 44.1 קילו-הרץ (kHz) ועומק ביטים של 16 ביטים. עבור שחזור סטריאו, קצב הביטים הוא אפוא 1.411 מגה-ביט-לשנייה (Mbps).

רכיבי Codec קונבנציונליים משתמשים בדרך כלל בטכניקות דחיסה המתעלמות במהלך הקידוד ממידע שנקבע שלא ישפיע יתר על המידה על האופן שבו המאזין תופס את זרם האודיו המפוענח. המטרה היא להוריד את קצב הביטים ככל האפשר מבלי להתפשר יתר על המידה על איכות האודיו. רכיבי Codec‏ כאלה נקראים "עם-הפסדים" מכיוון שהמפענח לעולם לא יכול לשחזר את האות המקורי מכיוון שאין לו את כל המידע המקורי. אלו הם לרוב התדרים הגבוהים יותר (הטרבל) המבוטלים על ידי רכיבי Codec בעלי-הפסדים.

הודות לחידושים ברדיו עם הספק נמוך וטווח קצר, קישורים אלחוטיים יכולים לתמוך בתפוקה גדולה יותר מבלי לפגוע בחיי הסוללה. לדוגמה, Bluetooth LE Audio, פורמט סטרימינג אלחוטי מבוסס Bluetooth LE שהושק לאחרונה, מציע כעת גם איכות אודיו גבוהה בהרבה וגם צריכת הספק נמוכה יותר לעומת Classic Bluetooth Audio‏.

המהנדסים גם שיפרו את הנצילות של רכיבי ה-Codec שלהם. רכיבי Codec "ללא-הפסדים" חדשים אלה, בשילוב עם קישוריות אלחוטית בתפוקה גבוהה יותר, אפשרו אודיו אלחוטי טוב בהרבה (טבלה 1). שירותי האודיו של חברות כמו אפל, אמזון וספוטיפיי מציעים כעת הזרמת אודיו באיכות גבוהה ללא-הפסדים. עם זאת, המתכנן צריך לשים לב שקצב הביטים המקודדים עבור רכיבי Codec ללא-הפסדים הוא לעתים קרובות גבוה יותר ממה שהקישור האלחוטי יכול לתמוך באופן אמין. לדוגמה, רכיב Codec ‏LDAC של Sony מקודד בקצב ביטים של Mbps‏ 6.1‏ (2‏ x‏ 96‏ x‏ 32‏), אך קצב-הביטים של הקישור האלחוטי מוגבל ל-kbps‏ 990‏.

טבלה 1: השוואה של רכיבי Codec "ללא-הפסדים" (Sony‏, Savitech‏ ו-Qualcomm‏) עם איכות CD ורכיבי Codec עם-הפסדים (Qualcomm ו-Bluetooth SIG‏ (SBC)). שימו לב שקצב הביטים המקסימלי עבור רכיבי Codec ללא-הפסדים מוגבל על ידי היכולת של הקישור האלחוטי של ה-Bluetooth. (מקור התמונה: Knowles‏)

ANC וסאונד מותאם-אישית

ציפיות הצרכנים לאוזניות TWS הן מעבר לסאונד מעולה. מוצרים מהרמה-העליונה חייבים גם להציע ANC - ביטול רעשים אוטומטי - ומאפיינים אחרים. ANC הוא נפוץ מכיוון שהוא מציע למשתמשים חווית האזנה איכותית כאשר יש רמה גבוהה של רעשי רקע, כמו בתא הנוסעים במטוסים. ה-ANC פועל באמצעות מיקרופונים המובנים בתוך האוזניות וקולטים רעשי חוץ בתדר נמוך, כאשר האוזניות מבטלות אותם לפני שהמשתמש מודע לקיומם. הביטול מתרחש כאשר האוזניות מייצרות סאונד משני הפוך בפאזה ב-°‏180 ביחס לרעש המקורי.

שיפור מרכזי נוסף המוצע כעת עם אוזניות אלחוטיות הוא סאונד מותאם-אישית. משתמשים עם ליקויי שמיעה מולדים, או המתפתחים עם הגיל, עשויים להיתקל בקושי מיוחד בשמיעת תדרים גבוהים יותר (איור 2). ישנן אפליקציות לסמארטפון וכלים אחרים המאפשרים למשתמש להגביר תדרים מסוימים כדי לפצות על אובדן שמיעה, אך הם נוטים להיות בסיסיים ומציעים תוצאות גרועות. אך כיום, מוצרים באיכות גבוהה משפרים זאת עם אלגוריתמים הקובעים רמות שמיעה על פני כל תחום התדרים באמצעות מבחן האזנה מפורט למשתמש. התוצאה היא אוזניות עם יציאות מותאמות בצורה מושלמת כדי לפצות על לקויות שמיעה.

איור 2: ככל שהמשתמשים מתבגרים, הם מאבדים בהדרגה את היכולת לשמוע תדרים גבוהים יותר. סאונד מותאם-אישית מגביר את התדרים שנבחרו כדי לפצות על אובדן רגישות השמיעה. (מקור התמונה: Knowles‏)

פיתוח טכני אחרון באוזניות מודרניות הוא הפחתת חסימה. תופעות חסימה מתרחשות כאשר האוזנייה אוטמת את החלק החיצוני של תעלת האוזן. זו בעיה שכיחה במוצרים שנועדו להתאים באופן הדוק יחסית לתוך האוזן. האוזנייה מגדילה למעשה את ה"אימפדנס" האקוסטי של תעלת האוזן, אשר בתורו מגביר את אמפליטודת הלחץ האקוסטי, במיוחד כאשר האוזן נתונה לסאונד בתדר נמוך המופק על ידי המשתמש (דוגמאות כוללות דיבור, הליכה ובליעה). התוצאה היא "בום" דמוי הד באוזן שמעצבן ומסיח את הדעת.

יצרניות האוזניות פעלו להפחתת השפעות החסימה על ידי עיצוב מכני, כגון הוספת פתח קטן בין האוזניות לתעלת האוזן כדי להפחית את האימפדנס האקוסטי, וכן באמצעות התאמת התוכנה, כגון הכללת הפחתת חסימה ברוטינת ה-ANC.

היתרונות של וופרים וטוויטרים נפרדים

עד לאחרונה, תכנון אוזניות אלחוטיות היה פחות מאתגר בהשוואה לתכנון רמקולים בגודל מלא המחוברים למערכות סאונד אודיופיל מתקדמות. המשתמשים קיבלו איכות נמוכה יותר באוזניות שלהם כמחיר עבור הנוחות, וזה הקל על המתכננים לפתח מוצרים בפורמט קטן בעלות סבירה. לדוגמה, היה מקובל להשתמש בדוחף תחום-מלא במקום וופר וטוויטר נפרדים, תוך חיסכון במקום. זה היה על חשבון שחזור התדרים הגבוהים יותר, אך זו לא הייתה בעיה כאשר התדרים הללו ממילא נעדרו מזרם האודיו האלחוטי.

עם זאת, עם כניסתם של רכיבי Codec‏ ללא-הפסדים וטכנולוגיות עם תפוקה גבוהה כגון Bluetooth LE Audio, אודיו אלחוטי מציע כעת מגוון שלם של תדרי בס וטרבל (איור 3). שחזור אודיו זה דורש הרבה יותר מהאוזניות. יתרה מכך, הצרכנים מצפים ל-ANC, סאונד מותאם-אישית, אפקטי חסימה מופחתים והתאמה למגוון רחב של מקרי שימוש, כולל מוזיקה, טלוויזיה, שיחות ועידה בווידאו ושיחות קוליות - והכל בצורה קומפקטית ביותר, ושוב במחיר סביר.

איור 3: רכיבי Codec‏ ללא-הפסדים מספקים יותר מידע בתדר גבוה, ומאפשרים שחזור טוב יותר של צלילי הטרבל בהשמעת מוזיקה באוזניות המתוכננות כראוי. (מקור התמונה: Knowles‏)

רבות מהדרישות הללו דורשות פשרות תכנון. לדוגמה, כדי לספק ANC יעיל בסביבות רועשות כמו תא הנוסעים במטוסים, דוחפי הרמקולים צריכים לייצר יציאת בס גבוה עם עיוותים נמוכים. תכנים חצי-פתוחים המטפלים בחסימה מציבים דרישות נוספות ליציאת הבס. במקביל, השמעת אודיו ללא-הפסדים מחייבת את דוחף הרמקול להתמודד עם יציאות טרבל של עד 20 קילו-הרץ (kHz) ומעלה. עמידה בשתי הדרישות עם דוחף רמקול דינמי יחיד בגורם צורה זעיר היא כמעט בלתי אפשרית.

הפתרון הוא לפצל את תדרי הבס והטרבל על פני וופר דינמי וטוויטר סליל מאוזן (BA) נפרד. הטוויטר BA הוא רכיב מיוחד שפותח במקור עבור יישומי מכשירי שמיעה, שכעת נעשה בו שימוש יותר ויותר כדי להגביר את היענות הטרבל באוזניות איכותיות. בטוויטר BA, אות אלקטרוני מרעיד סליל Reed קטנטן המאוזן בין שני מגנטים בתוך מארז קומפקטי. תנועת ה- Reed מועברת לדיאפרגמת אלומיניום נוקשה מאוד המפיקה את הסאונד.

עם תצורת וופר וטוויטר BA ייעודיים, ניתן לתכנן את הוופר כך שיתמקד במתן בס חזק כדי לתמוך בשחזור ללא-הפסדים, ב-ANC ובהפחתת אפקטי חסימה, בעוד שיציאת הטוויטר BA ממוטבת עבור טרבל ברור ומובחן. זה מקטין את הצורך באיזון, שבתורו חוסך בהספק ומגדיל את המרווח הדינמי (איור 4).

איור 4‏: הפרדת מערכת הרמקול לוופר דינמי (ירוק) ולטוויטר BA‏ (כחול) מייצרת היענות תדרים "היברידית" שטוחה (אדום). (מקור התמונה: Knowles‏)

יתרון נוסף נובע מהפרדת דוחפי הרמקולים: למתכננים יש מידה רבה יותר של חופש בסידור הדוחפים. לדוגמה, הוופר יכול להיות פחות מיושר ישירות עם קצה האוזן, ובכך לאפשר את מיקומו של הטוויטר BA ליד פתח האוזן כדי למזער את נפח האוויר הכלוא בין הטוויטר לקצה האוזן, ולהגביל את השפעות החסימה (איור 5).

איור 5: הפרדת הוופר והטוויטר באוזניות מאפשרת למקם את הטוויטר לכיוון קדמת ההתקן, מה שעוזר להגביל את השפעות החסימה. (מקור התמונה: Knowles‏)

בנוסף, ההפרדה בין וופרים וטוויטרים מאפשרת למתכננים לחדד את היענות התדרים. לדוגמה, הם יכולים לעצב את המאפיינים האקוסטיים ליד פתח הטוויטר כדי לחדד את היענות התדרים הגבוהים. לאחר מכן המתכננים יכולים להתאים את הקרוסאובר עבור עירוב חלק של אותות הוופר והטוויטר. המתכננים יכולים גם להתאים את הרגישות של הטוויטר כדי לקבל תיאום טוב יותר לוופר על ידי בחירת אימפדנס סליל גבוה יותר או נמוך יותר. ניתן לבצע את העיצוב הסופי של היענות התדרים הכוללת של האוזניות באמצעות כוונון מאופשר-עיבוד אותות דיגיטלי (DSP‏).

יתרה מזאת, מכיוון של-ICs‏ Bluetooth רבים יש יציאות כפולות, ניתן לדחוף את הוופר והטוויטר על ידי מגברים נפרדים לקבלת גמישות רבה עוד יותר בעיצוב היענות התדרים.

תכן ייחוס של אודיו אלחוטי באיכות גבוהה

מהנדסים הרגילים לדוחפים של רמקול בודד בתכנים האלחוטיים שלהם יאותגרו מהמורכבות הנוספת שיביאו הוופר והטוויטר הנפרדים הדרושים לשחזור אודיו באיכות גבוהה. עם זאת, המגמה היא בבירור לכיוון של יכולות אודיו באיכות גבוהה יותר, ולכן יש לשקול נתיב לכיוון של דוחפים כפולים עבור שחזור איכותי של הזרמת אודיו ללא-הפסדים.

כדי לסייע למתכננים שמתקדמים בכיוון זה, Knowles‏, יצרנית טוויטר BA, הציגה את תכן הייחוס של אוזניות עם סטריאו אלחוטי אמיתי TC-35030-000‏. תכן הייחוס מקצר את זמן היציאה לשוק עבור אוזניות TWS הודות להכללת רבים מהמאפיינים המתקדמים העיקריים שהמשתמשים דורשים, ובכך מסיר רבים מאתגרי התכנון הנפוצים.

תכן הייחוס כולל תכן טוויטר BA של Knowles עבור סאונד טוב בתדרים גבוהים, יחד עם וופר דינמי של 10 מילימטר (מ"מ) עבור בס מלא. היחידה כוללת גם מיקרופונים של מערכות מיקרו-אלקטרומכניות (MEMS) עבור ANC ושיחות קול. תכן הייחוס מציע 13 שעות של זמן השמעה או 8 שעות של זמן שיחה מהסוללה המובנית שלו, והוא תואם Bluetooth 5.2‏. מאפיינים נוספים המובנים בערכה כוללים פקדי מגע וטכנולוגיית עוזר קולי משולבת (איור 6).

איור 6: תכן הייחוס של אוזניות TC-35030-000 TWS כולל טוויטר BA עבור סאונד טוב בתדרים גבוהים ו-וופר דינמי של 10 מ"מ עבור בס מלא. (מקור התמונה: Knowles‏)

הטוויטר BA מספק היענות נרחבת של הרבה מעל kHz‏ 20‏. כאשר משווים את תפוקת הטרבל של מוצר Knowles לזו של רמקול דינמי טיפוסי בגודל 8 מ"מ, הטוויטר BA מספק את תפוקת הטרבל המוגברת והנרחבת הדרושה עבור אודיו באיכות גבוהה, כולל היכולת לתמוך בהתאמה-אישית או שיפור של השמיעה (איור 7).

איור 7‏: גרף ההיענות של הטוויטר BA של Knowles‏ בהשוואה לזו של רמקול דינמי. (מקור התמונה: Knowles‏)

סיכום

החידושים במוליכים-למחצה וברכיבי Codec‏ לאלחוט שינו את הנוף עבור אוזניות. הצרכנים מצפים כיום לבס עמוק, טרבל מעודן ותחום דינמי רחב מהתקני ה-TWS שלהם שבתוך-האוזן. יתר על כן, המשתמשים מצפים למאפיינים מתקדמים כגון ANC וסאונד מותאם-אישית ומוכנים פחות ופחות לקבל אפקטים כגון חסימה.

כדי לעמוד טוב יותר בדרישות היענות התדרים של אוזניות TWS, המתכננים צריכים לעבור לתכנים עם דוחפים-כפולים עם טוויטר ו-וופר ייעודיים. למרות שזה מאתגר מבחינה טכנית, תכן הייחוס של אוזניות TC-35030-000 TWS של Knowles יכול לעזור. עם הצירוף של טוויטר BA, וופר ומיקרופונים MEMS, הוא מציע בסיס טוב עבור תכנון אוזניות אודיו באיכות גבוהה עם מאפיינים המאפשרים בידול ברור של המוצר.