Jopa pienten mobiililaitteiden odotetaan nyt toistavan ääntä laadukkaasti pitkällä akkukestolla. Pienestä laitekoosta johtuen tämä on iso haaste suunnittelun näkökulmasta. Mitä pienempi laite, sitä pienempi akku ja sitä myötä kapasiteetti. Tässä artikkelissa tutkitaan tekniikoita, joiden avulla suunnittelijat voivat toteuttaa laadukkaan audion ja pitkän akkukeston kannettaviin laitteisiin kuten korvanappeihin ja Bluetooth-kuulokkeisiin.
| Artikkelin ovat kirjoittaneet Maxim Integrated Devicesin Bill Herman, Matthew Mowdy ja Brandon Xu, joka toimii Maximin mobiiliaudiotuotteista vastaavana liiketoimintajohtajana. |
Olipa musiikin kuuntelijan päässä sitten kuulokkeet tai korvanapit, hän haluaa kuulokkeista tulevan musiikin siirtävän hänet toiseen paikkaan. Avoin, rikas ja korkean tason kirkkauden omaava ääni voi tuottaa tämän kokemuksen. Lyhyesti sanottuna kuuntelija odottaa kestävää, laadukasta äänentoistoa liikkeellä ollessaan.
Suunnittelijan näkökulmasta on haastavaa vastata näihin molempiin kriteereihin pienessä kannettavassa laitteessa. Jotkut tuotteet tuottavat erittäin laadukkaan äänen, mutta äänenvoimakkuus ei riitä meluisissa ympäristöissä. Toiset tuottavat kovaa ääntä, mutta hiljaisessa tilassa äänen häiriöt muuttuvat huomattaviksi. Entä sitten tehonkulutus? Suunnittelijan ongelmat ovat todella moninaisia.
Tässä artikkelissa verrataan kahta audioratkaisua, jotka ovat kannettavan laitteen äänentoistoa suunnittelevan käytettävissä. Artikkelissa nostetaan esiin ratkaisu, joka saavuttaa tasapainon upean äänentoiston ja pienen tehonkulutuksen välillä mobiililaitteissa.
Yhden piirin vai koodekkipohjainen ratkaisu?
Yksi tarjolla oleva vaihtoehto on käyttää yhden sirun ratkaisua tai järjestelmäpiiriä (SoC) ja erilliskomponentteja Bluetooth-laitteelle. Tällä lähestymistavalla saadaan yleensä hyvä audiosuorituskyky signaali-kohina-suhteen ja tehonkulutuksen perusteella. Piiri, joka tukee 16-bittistä audiota, sisältää laitetason koodekin. Se myös ajaa ohjelmistopakkausalgoritmia Bluetooth-yhteyden yli, mikä lähteen käyttöjärjestelmän mukaan voi tuottaa paremman äänenlaadun kuin standardi audiosignaalin pakkaus. Tämä ratkaisu kuluttaa tyypillisesti 15 milliampeeria tai enemmän virtaa yhdestä litiumioniparistosta (muissa paristotyypeissä virrantarve skaalautuu suhteessa jännitteeseen, joka riippuu tarvittavasta tehosta).
Toinen tarjolla oleva ratkaisu koostuu erikoistuneesta audiokoodekista, SIMO-arkkitehtuuriin (single-input, multiple-output) perustuvasta tehonhallintapiiristä ja Bluetooth-piiristä. Ratkaisu on suunniteltu tuottamaan erinomainen teho/suorituskyky-suhde, joka kuluttaa jopa vain 8 milliampeeria akusta. Tämä tarkoittaa 40 prosentin säästöä tehonkulutukseen yhden sirun ratkaisuun verrattuna, mikä tekee siitä ihanteellisen keskiluokan sovelluksiin.
Audiokoodekissa jokainen lohko mikrofonitulosta kuulokelähtöön on suunniteltu parasta mahdollista äänenlaatua ja alhaisinta tehonkulutusta silmällä pitäen. Ääni tulee läpi voimakkaasti ja kirkkaasti, ilman häiriöitä. Koodekissa on valikoima suotimia ja kontrolleja, jotka parantavat äänen laatua:
- 7-kaistainen parametrinen ekvalisaattori eli taajuuskorjain, joka antaa mahdollisuuden virittää suunnittelun audiovastetta. Esimerkiksi voidaan korostaa bassoa tai säätää diskanttia.
- DC-estosuodin poistaa kaikki poikkeamat audiosignaalista.
- Alipäästösuodatin poistaa korkeataajuuksiset, kuulumattomat kohinan ja signaalit.
- Digitaalinen äänenvoimakkuuden säätö mahdollistaa audiosignaalin amplitudin säätämisen ylös- ja alaspäin. Tarjolla on myös analoginen volyymikontrolli. Yhdessä ne antavat mahdollisuuden säätää optimaalisen vahvistusrakenteen halutun äänen tason ja kuulokkeiden kaiuttimien (tai käämien tai ajureiden) herkkyyden perusteella.
- Dynaamisen alan säätö tasoittaa audiovolyymiä johdonmukaisen kuuntelukokemuksen tuottamiseksi.
Kuva 1. Mobiiliaudiosuunnittelun referenssimallin lohkokaavio.
Mobiililaitteiden pieni koko tarkoittaa tyypillisesti, että laitteet saavat virtansa litiumioniakusta. SIMO-arkkitehtuurin ja alhaisen lepovirran ansiosta buck-boost -tyyppinen tehonhallintapiiri auttaa pidentämään akkutoiminta-aikaa samalla, kun tehohäviöt pienenevät.
SIMO-tehonhallintapiiri tuo käytännössä perinteisten tehonhallintaratkaisujen toiminnallisuuden yli puolta pienemmässä tilassa. Perinteiset monikytkentätopologiat vaativat erillisen induktorin jokaista regulaattoria kohti. Induktorit ovat suuria ja kalliita komponentteja, eivätkä siksi kovin käytännöllisiä pienikokoiseen elektroniikkaan. SIMO-arkkitehtuuriin perustuva buck-boost -muunnin voi reguloida jopa kolmea lähtöjännitettä yhden induktorin kautta.
SIMO-arkkitehtuuria käytettäessä täytyy suunnittelua lähestyä ajatuksella, koska arkkitehtuurilla on puutteensa. Esimerkiksi koska yksi induktori tuottaa energian eri lähdöille, lähtöjännitteen värinä on usein suurempi. Raskaassa kuormassa SIMO-tehopiiri on aikarajoitettu, jolloin eri kanavien syötössä voi olla viiveitä, mikä osaltaan kasvattaa lähtöjännitteen värinää. Suuremmat lähtökondensaattorit voivat tasoittaa näitä lähtöjännitteen värinän lähteitä ja silti säilyttää koko- ja komponenttikustannusedun (BOM).
Nopean prototypoinnin referenssisuunnittelu
Maximilla on uusi referenssisuunnittelu, jolta löytyvät MAX98090-audiokoodekki, SIMO-tyyppinen MAX77650 buck-boost -muunnin ja Cypressin vähävirtainen CYW20721-järjestelmäpiiri, joka tukee BR/EDR/BLE Bluetooth 5.0 -standardeja. Referenssisuunnittelun lohkokaaviota (kuva 1) voidaan käyttää prototypoimaan mobiiliaudiosuunnitteluja. Tarjolla on myös evaluointialustoja jokaiselle näistä komponenteista.
Audiokoodekin ja SIMO-tehonhallintapiirin yhdistelmä tukee korvanappien, puettavien laitteiden ja Bluetooth-kuulokkeiden alhaisen virrankulutuksen ja pienen koon vaatimuksia. Yhden sirun ratkaisuun verrattuna tämä integroitu ratkaisu tuottaa 102 dB:n dynaamisen alan stereoäänen DA-muuntimen kuulokkeisiin 96 dB:n sijaan. Tehonkulutusnäkökulmasta MAX98090- ja CYW20721-järjestelmäpiiriin perustuva suunnittelu kuluttaa jopa vain 8 milliampeeria virtaa, mikä on jopa 40 prosenttia vähemmän kuin yksisiruinen ratkaisu. Koodekin toisto- ja tallennuspoluilla FlexSound-dsp-tekniikka sisältää digitaalisen vahvistuksen ja suodattamisen, tallennussuotimen, dynaamisen alan ohjauksen (toistossa) ja 7-kaistaisen parametrisen ekvalisaattorin.
Kuva 2. Mobiiliaudiolaitteen referenssisuunnittelun järjestely.
Yhteenveto
Mobiiliaudiolaitteen suunnittelun erottaminen kilpailijoista edellyttää, että tuote tuottaa korkealaatuista ääntä pitkällä akkutoiminta-ajalla. Tässä paperissa on tutkittu kahta eri lähestymistapaa tavoitteen saavuttamiseksi. Samalla korostetaan, miten integroitu ratkaisu, jossa on vähävirtainen audiokoodekin ja SIMO-arkkitehtuuriin perstuva tehonhallintapiiri voivat saavuttaa halutun tasapainon suunnittelussa.
Lue lisää Maximin mobiiliratkaisuista.
Lääkintälaitteiden internet (IoMT) yhdistää diagnostiikan, puettavat anturit ja sairaalalaitteet pilvipohjaisiin järjestelmiin. Etävalvonta, reaaliaikainen data ja koneoppiminen lupaavat parempaa hoidon laatua ja kustannussäästöjä, mutta samalla ratkaistavaksi jäävät yhteentoimivuus, sääntely ja tietoturva.