ADI-Plattform bietet Komponenten und Tools für die Entwicklung von AR-Brillen mit Open-Ear-Audio

Die Integration von räumlichem Audio mit Augmented-Reality-Brillen (AR) kann immersive und interaktive menschliche Sinneserfahrungen schaffen, um die physische und digitale Kluft besser zu überbrücken. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass die audioverstärkten AR-Brillen leicht sind und eine lange Laufzeit für den praktischen Einsatz bieten.

Der Markt für intelligente AR-Brillen scheint kurz vor einem beträchtlichen Wachstum zu stehen: Die Zahl der ausgelieferten Einheiten wird voraussichtlich von knapp über 676.000 im Jahr 2023 auf 13 Millionen im Jahr 2030 steigen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 53 % entspricht. Verbesserungen bei der Displayqualität, der Akkulaufzeit und der Gesamtleistung werden AR-Brillen in Unternehmen, in der Industrie und bei Verbrauchern immer praktischer machen.

AR-Brillen mit eingebauten Mikrofonen und Lautsprechern ermöglichen den schnellen Zugriff auf Sprachassistenten und Musikwiedergabe. Sie können ein entscheidender Faktor bei der Nutzung digitaler Zwillinge in der Fabrikhalle oder bei der Bereitstellung von Navigations- und Leistungshinweisen für Radfahrer sein.

Räumliches (Spatial) Audio in hoher Qualität kann das AR-Erlebnis des Nutzers erheblich beeinflussen, indem es die Textur, den Kontext und die Bedeutung visueller Interaktionen verbessert. Eine besondere Herausforderung für AR-Brillen ist jedoch der kleine Formfaktor, der erforderlich ist, um die Akzeptanz und Zufriedenheit der Nutzer zu erreichen. Darüber hinaus müssen diese Geräte leicht sein und eine lange Akkulaufzeit haben, was eine besondere Herausforderung darstellen kann, wenn Funktionen wie hochwertige Audio- und Videoaufnahmen oder visuelle Anzeigen in die Anwendung integriert werden.

Neben Fortschritten bei der Verarbeitungsleistung und der Bildschirmauflösung werden Audio- und Energiemanagement eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung erfolgreicher Anwendungen spielen, die die Nachfrage nach diesen Geräten maximieren werden. Zu den Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, gehören:

• Kleinere Lautsprecher neigen zu hohen Resonanzfrequenzen, die die Lautsprecher beschädigen können, wenn sie zu stark angesteuert werden, und die es schwieriger machen, tiefe Bässe zu erzeugen.
• Eine rauschfreie Gesprächsqualität, die die Stimme des Trägers aufnimmt und gleichzeitig Umgebungsgeräusche blockiert, ist unerlässlich, aber aufgrund der Abstände zwischen den Mikrofonen und dem Mund des Benutzers kompliziert.
• Die Integration von mehr Funktionen erfordert bessere Lösungen für das Batteriemanagement, um ein schnelleres Aufladen und eine längere Betriebsdauer zu gewährleisten. Der Kompromiss zwischen Gewicht, Funktion und Laufzeit ist der Schlüssel zu einer breiten Marktakzeptanz.
• In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, dass die Benutzer nicht in ihrer Fähigkeit behindert werden, zu hören, was in ihrer Umgebung vor sich geht, z. B. entgegenkommende Fahrzeuge oder Interaktionen mit Kollegen.

Open-Ear-Audio

Entwicklungsteams, die visuelle und auditive Informationen auf natürliche und realistische Weise kombinieren wollen, sollten die Open-Ear-Audiotechnologie in Betracht ziehen. Durch den Verzicht auf Kopfhörer oder Ohrhörer bietet Open-Ear-Audio den Nutzern die Möglichkeit, sowohl AR-Sound als auch Sound aus der realen Welt zu hören, was ein nahtloses und immersives Erlebnis ermöglicht, ohne die Interaktion mit anderen Nutzern und der Umgebung zu beeinträchtigen.

Mit eingebetteten Mikrofonen und Open-Ear-Lautsprechern ist die AR-Brille sowohl für AR- als auch für Virtual-Reality- (VR) und Mixed-Reality-Anwendungen bestens geeignet. Die Benutzer können ein komfortableres Hörerlebnis genießen, ohne Kompromisse bei der Klangqualität oder Klangtreue einzugehen. Mit diesen Geräten können die Benutzer hören, was in ihrer Umgebung vor sich geht, so dass sie ein Situationsbewusstsein aufrechterhalten können, um ihre Sicherheit zu gewährleisten und mit Kollegen zusammenzuarbeiten oder mit anderen zu interagieren, während sie gleichzeitig das Risiko - oder die Sorge - minimieren, dass andere Personen die Audioinhalte mitbekommen.

Ingenieure können Open-Ear-Audio nutzen, um elektronische Anwendungen zu entwickeln, die visuelle und auditive Informationen auf natürliche Art und Weise kombinieren. AR-Brillen mit dieser Technologie fügen eine weitere Ebene des Realismus hinzu, indem sie räumliches Audio bieten, das dem Benutzer Geräusche liefert, die aus einer bestimmten Richtung und Entfernung zu kommen scheinen.

Räumliches (Spatial) Audio wird eine Schlüsselkomponente bei der Entwicklung von Open-Ear-Audio sein. Es schafft eine realistische und eindringliche Klangumgebung, die zu den visuellen Inhalten und der Perspektive des Nutzers passt. Das „Vision Pro VR“-Gerät von Apple beispielsweise bietet Open-Ear-Audio, Spatial-Audio-Integration und 3D-Ear-Mapping, um das immersive Erlebnis zu verbessern und den Bedarf an externen Kopfhörern zu eliminieren.

Durch die Simulation der Interaktion von Schallwellen mit den Ohren, dem Kopf und dem Körper des Benutzers sowie mit Oberflächen und Objekten in der physischen Umgebung kann räumliches Audio auch Metadaten wie Position, Ausrichtung, Entfernung, Geschwindigkeit und Richtung verwenden, um die Klangparameter dynamisch anzupassen. Dazu gehören Lautstärke, Tonhöhe, Klangfarbe und Nachhall, basierend auf den Bewegungen und der Interaktion des Benutzers.

Die Entwicklung von Open-Ear-Audioanwendungen für AR-Brillen erfordert ein Verständnis der Vor- und Nachteile des Geräts, der Prinzipien und bewährten Methoden des räumlichen Audiodesigns sowie der Entwicklungswerkzeuge und Frameworks. Videodisplays und Videoaufzeichnungen sind sehr energiehungrig, daher ist die Effizienz entscheidend. Hochwertiger Klang und attraktives Design werden eine große Rolle für die Kundenakzeptanz spielen, und das Aufladen der Geräte muss bequem und so selten wie technisch möglich sein.

ADIs Plattform für AR-Brillenanwendungen mit Open-Ear-Audio

Analog Devices, Inc. (ADI) bietet eine AR-Brillenplattform an, die integrierte Komponenten für Audioerfassung, -wiedergabe, Batteriemanagement und Algorithmen umfasst. Diese Komponenten und Entwicklungstools ermöglichen die schnelle Entwicklung und das Testen von Open-Ear-AR-Brillenanwendungen.

Die Audioprozessor-Codecs von ADI nutzen die Pure-Voice-Verarbeitungsalgorithmen des Unternehmens zur Verbesserung der Sprachqualität in schwierigen akustischen Umgebungen sowie die DSM™-Algorithmen (Dynamic Speaker Management) zur Erzeugung eines lauteren und satteren Klangs bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.

• Der ADAU1860 (Abbildung 1) verfügt über einen HiFi-3z-Audio-DSP-Kern und einen FastDSP-Kern mit niedriger Latenz sowie acht digitale Mikrofon-Eingangskanäle (DMIC), drei analoge Eingänge, einen analogen Ausgang und zwei PDM-Ausgangskanäle (Pulsdichtemodulation). Die Optimierung des Pfads zwischen dem Analogeingang und dem DSP-Kern für eine geringe Latenzzeit ist ideal für die Rauschunterdrückung.

Abbildung 1: Der Codec ADAU1860 von ADI verfügt u. a. über zwei DSPs, acht digitale Mikrofoneingänge und drei analoge Eingänge. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

• Der ADAU1797 ist eine stromsparende, leistungsstärkere Codec-Option, die ebenfalls einen HiFi-3z-Audio-DSP-Kern und einen FastDSP-Kern mit niedriger Latenz sowie drei analoge Eingangskanäle, 10 DMIC-Eingangskanäle, zwei PDM-Ausgangskanäle und einen hocheffizienten Verstärkerausgangskanal der Klasse D integriert. Im Energiesparmodus sind die DSP-Kerne für Anwendungen mit kleinem Formfaktor optimiert, wie z. B. Open-Ear-AR-Brillen. Im Hochleistungsmodus wird der HiFi-3z-Kern von 50 MHz auf 200 MHz angehoben, und der FastDSP unterstützt die doppelte Anzahl von Befehlen (von 64 auf 128). Seine erhöhte Verarbeitungskapazität kann genutzt werden, um Zyklen von einem Host-Prozessor zu entlasten oder um die Verwendung eines kostengünstigeren Host-Prozessors zu ermöglichen, ohne dass ein zusätzlicher externer Audio-DSP oder eine MCU erforderlich ist.
• ADI bietet Evaluierungsboards für jeden dieser Codecs an. Das EVAL-ADAU1797Z (Abbildung 2) ist ein 8-Lagen-Design mit einer Masse- und einer Versorgungsebene auf den inneren Lagen und kann mit einer einzigen 3,8V- bis 5V-Versorgung betrieben werden. Das EVAL-ADAU1860EBZ ist ein 4-Lagen-Design, ebenfalls mit einer Masse- und einer Stromversorgungsebene auf den inneren Lagen, und kann über den USB-Bus oder eine einzelne 5V-Versorgung versorgt werden.

Abbildung 2: Das Evaluierungsboard EVAL-ADAU1797Z bietet vollen Zugriff auf alle analogen und digitalen Ein- und Ausgänge des ADAU1797. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die intelligenten Audioverstärker von ADI bieten integrierte Strom- und Spannungsmessungsrückkopplung (IV) und Lautsprechermanagementalgorithmen zur Maximierung der Leistung in platzkritischen Formfaktoren.

• Der MAX98388 ist ein digitaler Mono-Eingangsverstärker der Klasse D, der für AR/VR-Anwendungen und intelligente Brillen entwickelt wurde. Er verfügt über IV-Feedback für intelligente Verstärkerfunktionen und kann die DSM-Verarbeitung an den Audiocodec abgeben. Er ist für Anwendungen mit bis zu 5,5 V (Einzelzelle) optimiert und bietet einen Wirkungsgrad von bis zu 90 %.
• Der erst kürzlich vorgestellte MAX98390 ist ein verbesserter Verstärker der Klasse D mit integriertem DSM, der die Lautstärke (SPL) und die Basswiedergabe erhöhen kann, um die Audioqualität von Mikrolautsprechern zu verbessern und gleichzeitig die Effizienz zu maximieren. Ein integrierter Aufwärtswandler und eine FET-Skalierung sorgen zusammen mit DSM für einen längeren Batteriebetrieb. Die maximale Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers ist ab einer Batteriespannung von nur 2,65 V in Schritten von 0,125 V zwischen 6,5 V und 10 V programmierbar. Der MAX98390CEVSYS# (Abbildung 3) enthält die DSM Sound Studio GUI von ADI zur Vereinfachung des Designs und der DSM-Implementierung für Anwendungen mit dem MAX98390CEWX+T.

Abbildung 3: Das Evaluierungssystem MAX98390CEVSYS# enthält die DSM-Sound-Studio-Software mit einer leistungsstarken GUI zum Extrahieren, Abstimmen und Evaluieren des MAX98390C-Verstärkers. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die Leistung ist ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung von AR-Brillen. Open-Ear-Audio-Lautsprecher benötigen mehr Energie als typische Kopfhörer, und ADI bietet mehrere effiziente Energiemanagement-ICs an, die für Anwendungen genutzt werden können:

• Die integrierten Energiemanagement-ICs (PMICs) der Serie MAX77654 von ADI bieten hochintegrierte Lösungen zum Laden von Batterien und zur Stromversorgung. Mit einem SIMO-Regler (Single-Inductor, Multiple-Output) bietet er drei unabhängig voneinander programmierbare Stromschienen aus einer einzigen Spule, um die Größe der Lösung zu minimieren. Das Li+/Li-Poly-Ladegerät Smart Power Selector™ bietet einen programmierbaren Ladestrom von 7,5 mA bis 300 mA und eine programmierbare Ladespannung von 3,6 V bis 4,6 V, mit Überwachung der Akkutemperatur für sicheres Laden. Es enthält zwei 100mA-Low-Dropout-Linearregler (LDOs) zur Unterdrückung der Restwelligkeit bei Audio- und anderen rauschempfindlichen Anwendungen.
• Die PMICs MAX77659 verfügen über einen SIMO-Abwärts-Aufwärts-Regler mit zwei Eingängen, der eine Ladeschiene und drei unabhängig voneinander programmierbare Stromschienen mit einer einzigen Induktivität und einem LDO zur Unterdrückung der Restwelligkeit bereitstellt.
• Der MAX77972 von ADI ist ein Drei-in-Eins-Kombichip mit USB-C-Erkennung, einer abwärtswandelnden 3A-Ladekomponente und einer Ladezustandserfassung. Es unterstützt USB On-The-Go (OTG) Reverse Boost und verfügt über einen Smart Power Selector™ (SPS). Die Ladezustandserfassung verwendet den ModelGauge™-m5-Algorithmus, der automatisch die Zellalterung, die Temperatur und die Entladungsrate kompensiert und einen genauen Ladezustand (SOC) über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen liefert. Erkennungspins für den USB-Typ-C-Konfigurationskanal (CC) ermöglichen die automatische Erkennung der USB-Typ-C-Stromquelle und die Konfiguration der Eingangsstrombegrenzung.
• Der MAX17301 ist ein eigenständiger Ladezustandserfassungs-IC. Er bietet Schutz, optionale Erkennung der internen Selbstentladung der Batterie und optionale SHA-256-Authentifizierung für 1-Zellen-Lithium-Ionen-/Polymer-Batterien. Eine 1-Draht- oder 2-Draht-I²C-Schnittstelle bietet Zugriff auf Daten- und Steuerregister.
• Der MAX17332 von ADI ist eine Einzelchip-Batteriemanagementlösung, die eine lineare Ladekomponente, eine Ladezustandserfassung, einen Batterieschutz und eine Selbstentladungserkennung umfasst. Sie kann gemischte Batteriekapazitäten ausgleichen und eine schnelle Ladung ermöglichen, wobei sie in der Lage ist, parallele Batterien unabhängig voneinander zu laden und eine Querladung zu verhindern.

Fazit

Audio war eine große Einschränkung bei der Nutzung des Potenzials von AR-Anwendungen, die sich in der Regel auf das Sehen konzentriert haben. Open-Ear-Audio bietet die Möglichkeit, dieses Potenzial mit leichteren, modischen und komfortablen AR-Brillen auszuschöpfen, die zahlreiche Anwendungsfälle unterstützen können. ADI hat eine Plattform aus Komponenten, Werkzeugen und Software zusammengestellt, um Komplettlösungen zu entwickeln.