แพลตฟอร์ม ADI นำเสนอส่วนประกอบและเครื่องมือสำหรับการพัฒนาแว่น AR ระบบเสียงแบบ Open Ear

การผสานระบบเสียงรอบทิศทางเข้ากับแว่นตาเสมือนจริง (AR) สามารถสร้างประสบการณ์ทางประสาทสัมผัสของมนุษย์ที่สมจริงและโต้ตอบได้ เพื่อเชื่อมช่องว่างโลกจริงและโลกดิจิทัลได้ดีขึ้น แต่ผู้ออกแบบจำเป็นต้องแน่ใจว่าแว่น AR ที่เพิ่มเรื่องเสียงนั้นมีน้ำหนักเบาและสามารถใช้งานได้จริงอย่างยาวนาน

ตลาดแว่นตา AR อัจฉริยะดูเหมือนว่าจะเติบโตอย่างมาก โดยมีการคาดการณ์ว่ายอดการส่งมอบจะเพิ่มขึ้นจาก 676,000 อันในปี 2023 เป็น 13 ล้านอันในปี 2030 ซึ่งแสดงถึงอัตราการเติบโตต่อปีแบบทบต้น 53% ซึ่งการปรับปรุงคุณภาพการแสดงผล อายุการใช้งานแบตเตอรี่ และประสิทธิภาพโดยรวมจะทำให้แว่นตา AR ใช้งานได้จริงมากขึ้นสำหรับการใช้งานในองค์กร อุตสาหกรรม และการใช้งานทั่วไป

แว่นตา AR ที่มีไมโครโฟนและลำโพงฝังอยู่ช่วยให้เข้าถึงระบบสั่งการด้วยเสียงและการเล่นเพลงได้อย่างรวดเร็ว ปัจจัยเหล่านี้สามารถเป็นปัจจัยสำคัญในการใช้ประโยชน์จากตัวตนแฝดทางดิจิทัลในโรงงาน หรือในการให้คำแนะนำเกี่ยวกับการนำทางและประสิทธิภาพแก่ผู้ปั่นจักรยาน

ระบบเสียงรอบทิศทางที่มีความเที่ยงตรงสูงสามารถส่งผลต่อประสบการณ์ AR ของผู้ใช้ได้อย่างมากด้วยการปรับปรุงพื้นผิว บริบท และความหมายของการโต้ตอบด้วยภาพ อย่างไรก็ตาม การได้รับเสียงประสิทธิภาพสูงจากแว่น AR ถือเป็นเรื่องท้าทายเป็นอย่างยิ่ง เนื่องจากต้องมีรูปแบบขนาดเล็กจึงจะได้รับการยอมรับและพึงพอใจจากผู้ใช้ นอกจากนี้ อุปกรณ์เหล่านี้ยังต้องมีน้ำหนักเบาและต้องใช้แบตเตอรี่ที่ใช้งานได้ยาวนาน ซึ่งอาจเป็นเรื่องท้าทายอย่างยิ่งเมื่อต้องรวมฟีเจอร์ต่างๆ เช่น เสียงคุณภาพสูง การบันทึกวิดีโอ หรือการแสดงผลภาพเข้าไป

ควบคู่ไปกับความก้าวหน้าในด้านพลังการประมวลผลและความละเอียดของจอภาพ การจัดการเสียงและพลังงานยังมีบทบาทสำคัญในการสร้างอุปกรณ์ที่ประสบความสำเร็จซึ่งจะเพิ่มความต้องการให้สูงสุด โดยความท้าทายที่ต้องเอาชนะได้แก่:

• ลำโพงขนาดเล็กมีแนวโน้มที่จะมีความถี่เสียงสะท้อนสูง ซึ่งอาจทำให้ลำโพงเสียหายได้หากใช้งานแรงมากเกินไป และทำให้ใช้เสียงเบสหนัก ๆ ได้ยากยิ่งขึ้น
• คุณภาพการโทรที่ปราศจากเสียงรบกวน สามารถรับเสียงของผู้สวมใส่ได้และปิดกั้นเสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อมถือเป็นสิ่งสำคัญ แต่อาจมีความซับซ้อนเนื่องจากระยะห่างระหว่างไมโครโฟนและปากของผู้ใช้
• การรวมฟีเจอร์ต่างๆ มากขึ้นต้องใช้โซลูชันการจัดการแบตเตอรี่ที่ดีขึ้นเพื่อให้มั่นใจได้ว่าจะชาร์จได้เร็วขึ้นและใช้งานได้นานขึ้น โดยการแลกเปลี่ยนระหว่างน้ำหนัก ฟังก์ชัน และระยะเวลาการใช้งานถือเป็นกุญแจสำคัญในการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในตลาด
• การใช้งานจำนวนมากต้องการให้ผู้ใช้ไม่ถูกขัดขวางความสามารถในการได้ยินสิ่งที่เกิดขึ้นในบริเวณโดยรอบ เช่น รถที่กำลังวิ่งสวนมา หรือการโต้ตอบกับเพื่อนร่วมงาน

หูฟังแบบ Open Ear

นักออกแบบที่มุ่งมั่นที่จะผสมผสานข้อมูลภาพและเสียงในรูปแบบที่เป็นธรรมชาติและสมจริงควรพิจารณาใช้เทคโนโลยีเสียงแบบ Open Ear การไม่ต้องใช้หูฟังหรือเอียร์บัดทำให้ผู้ใช้ได้ยินเสียงแบบ Open Ear สามารถได้ยินทั้งเสียง AR และเสียงในโลกแห่งความเป็นจริง ช่วยให้ได้รับประสบการณ์ที่ราบรื่นและดื่มด่ำโดยไม่กระทบต่อการโต้ตอบกับผู้อื่นและสภาพแวดล้อม

ด้วยไมโครโฟนที่ฝังไว้และลำโพงแบบ Open Ear แว่นตา AR จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับ AR ตลอดจนการใช้งานความเป็นจริงเสมือน (VR) และความเป็นจริงแบบผสมผสาน ผู้ใช้สามารถเพลิดเพลินกับประสบการณ์การฟังที่สะดวกสบายยิ่งขึ้นโดยไม่กระทบคุณภาพหรือความเที่ยงตรงของเสียง อุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้ผู้ใช้สามารถได้ยินสิ่งที่เกิดขึ้นในบริเวณโดยรอบเพื่อให้สามารถรับรู้สถานการณ์ได้เพื่อความปลอดภัย และทำงานร่วมกับเพื่อนร่วมงานหรือโต้ตอบกับผู้อื่นได้ ขณะเดียวกันก็ลดความเสี่ยงหรือความรำคาญที่ผู้อื่นจะได้ยินเสียงให้เหลือน้อยที่สุด

วิศวกรสามารถใช้ประโยชน์จากเสียงแบบ Open Ear เพื่อสร้างการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์ที่รวมข้อมูลภาพและเสียงเข้าด้วยกันในลักษณะที่เป็นธรรมชาติ แว่นตา AR ที่ใช้เทคโนโลยีนี้จะเพิ่มความเป็นจริงอีกชั้นด้วยการให้เสียงรอบทิศทางที่ให้ผู้ใช้ได้ยินเสียงที่ดูเหมือนมาจากทิศทางและระยะทางที่เฉพาะเจาะจง

ระบบเสียงรอบทิศทางจะเป็นองค์ประกอบสำคัญของการพัฒนาเสียงแบบ Open Ear สร้างสภาพแวดล้อมเสียงที่สมจริงและดื่มด่ำที่ตรงกับภาพและมุมมองของผู้ใช้ ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ Vision Pro VR ของ Apple มีคุณสมบัติระบบเสียงแบบ Open Ear การรวมระบบเสียงรอบทิศทาง และการจำลองใบหู 3 มิติ เพื่อปรับปรุงประสบการณ์ที่ดื่มด่ำและขจัดความจำเป็นในการใช้หูฟังภายนอก

การจำลองวิธีที่คลื่นเสียงโต้ตอบกับหู ศีรษะ และร่างกายของผู้ใช้ และกับพื้นผิวและวัตถุในสภาพแวดล้อมทางกายภาพ ระบบเสียงรอบทิศทางยังสามารถใช้ข้อมูลเมตา เช่น ตำแหน่ง ทิศทาง ระยะทาง ความเร็ว และทิศทาง เพื่อปรับพารามิเตอร์เสียงแบบไดนามิกได้อีกด้วย ทั้งนี้รวมถึงระดับเสียง ระดับเสียง โทนสี และความก้องสะท้อน ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์ของผู้ใช้

การออกแบบการใช้งานเสียงแบบ Open Ear สำหรับแว่น AR ต้องมีความเข้าใจถึงข้อดีและข้อเสียของอุปกรณ์ หลักการและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดของการออกแบบระบบเสียงรอบทิศทางและเครื่องมือและกรอบการทำงานในการพัฒนา การแสดงวิดีโอและการบันทึกวิดีโอนั้นใช้พลังงานมาก ดังนั้นประสิทธิภาพจึงเป็นสิ่งสำคัญ คุณภาพเสียงและการออกแบบที่น่าดึงดูดใจจะมีบทบาทสำคัญในการยอมรับของลูกค้า และการชาร์จอุปกรณ์จะต้องสะดวกและไม่บ่อยเท่าที่เทคโนโลยีจะเอื้ออำนวย

แพลตฟอร์มของ ADI สำหรับแว่นตา AR แบบ Open Ear

Analog Devices, Inc. (ADI) นำเสนอแพลตฟอร์มแว่นตา AR ที่รวมการบันทึกเสียง การเล่นเสียง ส่วนประกอบการจัดการแบตเตอรี่ และอัลกอริทึมเข้าด้วยกัน ส่วนประกอบและเครื่องมือพัฒนาเหล่านี้ช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถสร้างและทดสอบแว่น AR แบบใช้เสียงแบบ Open Ear ได้อย่างรวดเร็ว

โคเดกโปรเซสเซอร์เสียงของ ADI ใช้อัลกอริธึมการประมวลผล Pure Voice ของบริษัทเพื่อปรับปรุงคุณภาพการโทรด้วยเสียงในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย และอัลกอริธึมการจัดการลำโพงแบบไดนามิก (DSM™) เพื่อสร้างเสียงที่ดังและเต็มอิ่มมากขึ้นจากลำโพงที่มีพื้นที่จำกัด

• ADAU1860 (รูปที่ 1) มีแกน DSP เสียง HiFi 3z และแกน FastDSP ที่มีความหน่วงต่ำ พร้อมด้วยช่องอินพุตไมโครโฟนดิจิทัล (DMIC) แปดช่อง อินพุตแอนะล็อกสามช่อง เอาต์พุตแอนะล็อกหนึ่งช่อง และช่องเอาต์พุตมอดูเลตความหนาแน่นของพัลส์ (PDM) สองช่อง การปรับปรุงเส้นทางระหว่างอินพุตแอนะล็อกและคอร์ DSP เพื่อให้มีค่าความหน่วงต่ำเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตัดเสียงรบกวน

รูปที่ 1: ตัวแปลง ADAU1860 ของ ADI ประกอบด้วย DSP สองตัว อินพุตไมโครโฟนดิจิทัลแปดตัว และอินพุตแอนะล็อกสามตัว รวมถึงคุณลักษณะอื่นๆ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

• ADAU1797 เป็นตัวเลือกโคเดกที่ใช้พลังงานต่ำและประสิทธิภาพสูงซึ่งรวมแกน DSP เสียง HiFi 3z และแกน FastDSP ที่มีความหน่วงต่ำ พร้อมด้วยช่องอินพุตแอนะล็อก 3 ช่อง ช่องอินพุต DMIC 10 ช่อง ช่องเอาต์พุต PDM 2 ช่อง และช่องเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ Class-D ประสิทธิภาพสูง ในโหมดพลังงานต่ำ คอร์ DSP ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับฟอร์มแฟกเตอร์ขนาดเล็ก เช่น แว่น AR เสียงแบบ Open Ear ในโหมดประสิทธิภาพสูง คอร์ HiFi 3z จะได้รับการเพิ่มความถี่จาก 50 MHz เป็น 200 MHz และ FastDSP รองรับคำสั่งเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าจาก 64 เป็น 128 ความสามารถในการประมวลผลที่เพิ่มขึ้นสามารถใช้เพื่อออฟโหลดรอบการทำงานจากโปรเซสเซอร์โฮสต์ หรือเปิดใช้โปรเซสเซอร์โฮสต์ต้นทุนต่ำได้โดยไม่ต้องใช้ DSP หรือ MCU เสียงภายนอกเพิ่มเติม
• ADI เสนอบอร์ดประเมินผลสำหรับตัวแปลงสัญญาณแต่ละตัวเหล่านี้ โดย EVAL-ADAU1797Z (รูปที่ 2) เป็นการออกแบบ 8 ชั้น โดยมีแผ่นกราวด์และแผ่นไฟฟ้าอยู่ที่ชั้นใน และรับพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟ 3.8 V ถึง 5 V เพียงแหล่งเดียว EVAL-ADAU1860EBZ เป็นแบบ 4 ชั้น โดยมีแผ่นดินและแผ่นไฟฟ้าอยู่ที่ชั้นใน และรับพลังงานจากบัส USB หรือแหล่งจ่ายไฟ 5 V เดียว

รูปที่ 2: บอร์ดประเมินผล EVAL-ADAU1797Z ช่วยให้สามารถเข้าถึงอินพุต/เอาต์พุแอนะล็อกและดิจิทัลทั้งหมดบน ADAU1797 ได้ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

แอมพลิฟายเออร์อัจฉริยะจาก ADI นำเสนอการตอบสนองการตรวจจับกระแสและแรงดันไฟฟ้า (IV) แบบบูรณาการ และอัลกอริทึมการจัดการลำโพงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดในรูปแบบที่มีพื้นที่จำกัด

• MAX98388 เป็นแอมพลิฟายเออร์อินพุตดิจิทัลโมโน Class D ที่ได้รับการออกแบบมาสำหรับแว่นตา AR/VR และแว่นตาอัจฉริยะ มีระบบตอบรับ IV สำหรับฟีเจอร์แอมป์อัจฉริยะ และสามารถออฟโหลดการประมวลผล DSM ไปยังตัวแปลงสัญญาณเสียงได้ ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานสูงสุด 5.5 V (เซลล์เดี่ยว) และมอบประสิทธิภาพสูงถึง 90%
• MAX98390 ใหม่ล่าสุดเป็นแอมพลิฟายเออร์ Class D ที่ได้รับการปรับปรุงด้วย DSM ในตัว ซึ่งสามารถเพิ่มความดัง (SPL) และการตอบสนองเสียงเบส เพื่อปรับปรุงคุณภาพเสียงจากไมโครลำโพงพร้อมเพิ่มประสิทธิภาพให้สูงสุด ตัวแปลงบูสต์แบบบูรณาการและการปรับขนาด FET พร้อมกับ DSM ช่วยให้แบตเตอรี่ใช้งานได้นานขึ้น แรงดันเอาต์พุตของตัวแปลงบูสต์สูงสุดสามารถตั้งโปรแกรมได้ตั้งแต่ 6.5 V ถึง 10 V โดยเพิ่มครั้งละ 0.125 V จากแรงดันแบตเตอรี่ที่ต่ำถึง 2.65 V โดย MAX98390CEVSYS# (รูปที่ 3) ประกอบด้วย GUI DSM Sound Studio ของ ADI เพื่อลดความซับซ้อนในการออกแบบและการนำ DSM ไปใช้งานสำหรับการใช้งานที่ใช้ MAX98390CEWX+T

รูปที่ 3: ระบบประเมินผล MAX98390CEVSYS# ประกอบด้วยซอฟต์แวร์ DSM Sound Studio พร้อม GUI อันทรงพลังสำหรับแยก ปรับแต่ง และประเมินลำโพง MAX98390C (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

พลังงานเป็นปัจจัยที่สำคัญในการออกแบบแว่น AR ลำโพงเสียงแบบ Open Ear ต้องใช้พลังงานมากกว่าระบบจัดการหูฟังทั่วไป และ ADI นำเสนอ IC จัดการพลังงานที่มีประสิทธิภาพหลายตัวที่นักออกแบบสามารถนำไปใช้กับการใช้งานได้:

• วงจรรวมการจัดการพลังงาน (PMIC) ซีรีส์ MAX77654 ของ ADI มอบโซลูชันการชาร์จแบตเตอรี่และแหล่งจ่ายไฟที่มีการรวมสูง มีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบตัวเหนี่ยวนำตัวเดียวเอาต์พุตหลายตัว (SIMO) ซึ่งให้รางไฟฟ้าที่ตั้งโปรแกรมแยกกันสามรางจากตัวเหนี่ยวนำตัวเดียวเพื่อลดขนาดของโซลูชัน ที่ชาร์จ Smart Power Selector™ Li+/Li-Poly ให้กระแสการชาร์จที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ตั้งแต่ 7.5 mA ถึง 300 mA และแรงดันการชาร์จที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ตั้งแต่ 3.6 V ถึง 4.6 V พร้อมการตรวจสอบอุณหภูมิแบตเตอรี่เพื่อการชาร์จที่ปลอดภัย มีตัวควบคุมเชิงเส้นแบบแรงดันต่ำ (LDO) 100 mA สองตัว เพื่อป้องกันการเกิดแรงดันกระเพื่อมสำหรับเสียงและการใช้งานที่ไวต่อเสียงรบกวนอื่น ๆ
• PMIC รุ่น MAX77659 มีตัวควบคุมแรงดันแบบบัค-บูสต์ SIMO อินพุตคู่ที่ให้รางชาร์จหนึ่งรางและรางไฟฟ้าที่ตั้งโปรแกรมได้อิสระสามรางจากตัวเหนี่ยวนำหนึ่งตัวและ LDO หนึ่งตัวสำหรับการเกิดแรงดันกระเพื่อม
• MAX77972 ของ ADI เป็นชิปคอมโบ 3-in-1 ที่รวมการตรวจจับ USB-C, เครื่องชาร์จบัค 3 A และมาตรวัด รองรับ USB On-The-Go (OTG) Reverse Boost และมี Smart Power Selector™ (SPS) มาให้ด้วย มาตรวัดใช้อัลกอริธึม ModelGauge™ m5 ที่จะชดเชยการเสื่อมสภาพของเซลล์ อุณหภูมิ และอัตราการคายประจุโดยอัตโนมัติ และให้สถานะการชาร์จ (SOC) ที่แม่นยำในสภาวะการทำงานที่หลากหลาย พินการตรวจจับช่องการกำหนดค่า USB Type-C (CC) ช่วยให้ตรวจจับแหล่งจ่ายไฟ USB Type-C และกำหนดค่าขีดจำกัดกระแสไฟอินพุตได้อัตโนมัติ
• MAX17301 เป็นไอซีมาตรวัดแบบแยกส่วนด้านข้าง ให้การป้องกัน โดยสามารถเลือกตรวจจับการคายประจุแบตเตอรี่ภายในได้ และการตรวจสอบยืนยัน SHA-256 สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไออน/โพลิเมอร์ 1 เซลล์ได้ อินเทอร์เฟซ I²C Maxim 1 สายหรือ 2 สายให้การเข้าถึงข้อมูลและรีจิสเตอร์ควบคุม
• MAX17332 ของ ADI เป็นโซลูชันการจัดการแบตเตอรี่ชิปเดียวที่ประกอบด้วยเครื่องชาร์จเชิงเส้น มาตรวัด การป้องกันแบตเตอรี่ และการตรวจจับการคายประจุเอง สามารถปรับสมดุลความจุแบตเตอรี่แบบผสมและชาร์จเร็วได้ โดยสามารถชาร์จแบตเตอรี่แบบขนานแยกกันและป้องกันการชาร์จข้ามกัน

สรุป

เสียงถือเป็นข้อจำกัดสำคัญในการบรรลุศักยภาพของการใช้งาน AR ซึ่งโดยทั่วไปจะมุ่งเน้นไปที่การมองเห็น ระบบเสียงแบบ Open Ear ช่วยให้สามารถเติมเต็มศักยภาพดังกล่าวได้ด้วยแว่น AR ที่เบากว่า ทันสมัย และสวมใส่สบาย ซึ่งสามารถรองรับการใช้งานต่างๆ มากมาย ADI ได้รวบรวมแพลตฟอร์มของส่วนประกอบ เครื่องมือ และซอฟต์แวร์เพื่อสร้างโซลูชันที่สมบูรณ์แบบ