Como implementar rapidamente um design de fone de ouvido TWS de alta qualidade com um tweeter e woofer dedicado

Nos primórdios da transmissão de áudio, as taxas de dados sem fio eram limitadas, e os usuários aceitavam a perda de fidelidade como preço pela conveniência de milhares de músicas digitais em seu bolso. Mas com a introdução da tecnologia sem fio que suporta maior taxa de transferência e algoritmos de compressão aprimorados, os consumidores se tornaram mais exigentes. Isso significa que os projetistas agora precisam oferecer fones de ouvido, ou earbuds, com verdadeiro som estéreo sem fio (TWS) para atender às expectativas dos consumidores. Os fones de ouvido TWS prometeram reproduzir o som com mais precisão em todo o espectro de áudio, especialmente nas frequências mais altas que eram normalmente perdidas em projetos mais antigos.

Mas a qualidade do som é apenas um aspecto da moderna reprodução de áudio sem fio. Em um mercado competitivo, os desenvolvedores de fones de ouvido devem olhar de perto o que os consumidores querem e usar essa percepção para oferecer diferenciação de produto final da forma mais eficiente e econômica possível. Por exemplo, os consumidores também querem o cancelamento efetivo do ruído ativo (ANC) e a atenuação dos efeitos de oclusão para que possam desfrutar melhor de sua experiência auditiva. Para os ouvintes mais velhos, a compensação automática (personalização da audição) por perda auditiva natural nas frequências mais altas também é cada vez mais requisitada.

O atendimento destas exigências exige uma abordagem revisada com projetos que separam os woofers para os graves e os tweeters para os agudos. Isto está além do conjunto de habilidades de muitas equipes de desenvolvimento, resultando em prazos mais longos de colocação no mercado e oportunidades potencialmente perdidas à medida que contratam ou desenvolvem a experiência.

Este artigo resume os desenvolvimentos que impulsionam o áudio comercial sem fio e seu impacto no projeto de hardware e software do fone de ouvido. O artigo então introduz um projeto de referência para os fones de ouvido TWS e mostra como os projetistas podem usá-lo para trazer rapidamente ao mercado soluções de fones de ouvido que permitem características diferenciadas, enquanto reproduzem com precisão os graves fortes e agudos estendidos agora capturados pelo moderno software de compressão de áudio.

Avanços no som digital

No mundo real, o som é um sinal analógico, mas nosso equipamento de gravação e reprodução lida em grande parte com sinais digitais. O som é digitalizado usando um conversor analógico-digital (ADC) alimentado por um algoritmo de codificação/decodificação ("codec") que rege a taxa de amostragem em Hertz (Hz) e a profundidade de bits (bits). A amostragem captura a amplitude da forma de onda analógica do som em intervalos específicos.

A taxa de amostragem é uma compensação. Taxas mais baixas resultam em menos dados para tratar, mas menor resolução. A profundidade de bits é o número de bits de informação em cada amostra; novamente, há um compromisso necessário entre o número de bits e a qualidade de áudio. As profundidades de bits comuns são 16, 24 e 32 bits (Figura 1).

Figura 1: O som analógico é digitalizado por amostragem a uma determinada frequência e taxa de bits. Aumentar a taxa de amostragem e a profundidade de bits garante que as informações digitalizadas espelhem mais de perto o sinal analógico e melhorem a qualidade da reprodução. (Fonte da imagem: Knowles)

A taxa de amostragem × profundidade de bits × número de canais determina a taxa de bits em bits por segundo (bps). Para uma qualidade musical aceitável, a taxa de bits é normalmente maior que 192 quilobits por segundo (kbps). A qualidade do CD, por exemplo, depende de uma taxa de amostragem de 44,1 quilohertz (kHz) e uma profundidade de bit de 16 bits. Para a reprodução estéreo, a taxa de bits é portanto de 1,411 megabits por segundo (Mbps).

Os codecs convencionais normalmente usam técnicas de compressão que descartam informações durante a codificação que foi determinada e que não afetarão excessivamente a forma como o ouvinte percebe o fluxo de áudio decodificado. O objetivo é diminuir ao máximo a taxa de bits sem comprometer indevidamente a qualidade do áudio. Tais codecs apresentam perdas porque o decodificador nunca pode reproduzir o sinal original, uma vez que não possui todas as informações originais. Normalmente são as frequências mais altas (agudos) que são eliminadas pelos codecs com perdas.

Graças aos avanços em rádio de baixa potência e curto alcance, as conexões sem fio podem suportar uma maior taxa de transferência sem comprometer a duração da bateria. Por exemplo, Bluetooth LE Audio, uma forma recentemente lançada de streaming sem fio baseado em Bluetooth LE, agora oferece tanto uma qualidade de áudio muito mais alta do que o Classic Bluetooth Audio quanto um menor consumo de energia.

Os engenheiros também melhoraram a eficiência de seus codecs. Estes novos codecs "sem perdas", combinados com uma conectividade sem fio de maior taxa de transferência, possibilitaram áudio sem fio muito mais alto (Tabela 1). Serviços de áudio de empresas como Apple, Amazon e Spotify oferecem agora streaming de áudio de alta qualidade sem perdas. Entretanto, o projetista deve observar que a taxa de bits codificada para os codecs sem perdas é muitas vezes mais alta do que a conexão sem fio pode suportar de forma confiável. Por exemplo, o codec LDAC da Sony codifica a uma taxa de bits de 6,1 Mbps (32 x 96 x 2), mas a taxa de bits da conexão sem fio é limitada a 990 kbps.

Tabela 1: Comparação dos codecs "sem perdas" (Sony, Savitech e Qualcomm) com a qualidade de CD e codecs com perdas (Qualcomm e Bluetooth SIG (SBC)). Observe que a taxa máxima de bits para os codecs sem perdas é limitada pela capacidade da conexão sem fio do Bluetooth. (Fonte da imagem: Knowles)

ANC e som personalizado

A expectativa do consumidor para os fones de ouvido TWS vai além do som superior. Os produtos de alta tecnologia também devem oferecer ANC e outros recursos. O ANC é popular porque oferece aos usuários uma experiência de audição de qualidade quando há um alto nível de ruído de fundo, como em uma cabine de aeronave. O ANC opera usando microfones embutidos nos fones de ouvido que captam o ruído de baixa frequência e o cancela antes que o usuário tenha conhecimento de sua existência. O cancelamento ocorre quando o fone de ouvido gera um som secundário que é invertido por 180˚, em relação ao ruído original.

Outro aprimoramento importante agora oferecido com os fones de ouvido sem fio é o som personalizado. Os usuários com deficiências auditivas com as quais nascem, ou que se desenvolvem com a idade, podem ter dificuldades especiais para ouvir frequências mais altas (Figura 2). Existem aplicativos de smartphone e outras ferramentas que permitem ao usuário reforçar frequências específicas para compensar a perda auditiva, mas eles tendem a ser rudimentares e oferecem maus resultados. Mas agora, produtos de alta qualidade levam isto adiante com algoritmos que definem os níveis auditivos em toda a faixa de frequências, sujeitando o usuário a um teste de audição detalhado. O resultado são fones de ouvido com saídas perfeitamente ajustadas para compensar as deficiências auditivas.

Figura 2: À medida que os usuários envelhecem, eles gradualmente perdem a capacidade de ouvir frequências mais altas. O som personalizado reforça as frequências selecionadas para compensar a perda de sensibilidade auditiva. (Fonte da imagem: Knowles)

Um desenvolvimento técnico final nos fones de ouvido modernos é a redução da oclusão. Os efeitos de oclusão ocorrem quando um fone de ouvido sela a porção externa do canal auditivo. Esta é uma questão comum com produtos que são projetados para caber relativamente apertados no ouvido. O fone de ouvido aumenta efetivamente a "impedância" acústica do canal auditivo, que por sua vez reforça a amplitude da pressão acústica, particularmente quando o ouvido está sujeito ao som de baixa frequência gerado pelo usuário (exemplos incluem falar, andar e engolir). O resultado é um "boom" no ouvido em forma de eco que é irritante e perturbador.

Os fabricantes de fones de ouvido têm trabalhado para reduzir os efeitos de oclusão através do projeto mecânico, como a adição de uma pequena abertura entre o fone e o canal auditivo para reduzir a impedância acústica, bem como através do projeto de software, como a inclusão da redução de oclusão nas rotinas de ANC.

As vantagens de woofers e tweeters separados

Até recentemente, projetar fones de ouvido sem fio era menos desafiador em comparação com projetar alto-falantes de tamanho normal conectados a sistemas de som de alta fidelidade e qualidade. Os usuários aceitaram a qualidade inferior em seus fones de ouvido como preço pela conveniência, e isso facilitou o desenvolvimento de produtos em um fator de forma pequeno a um custo razoável. Por exemplo, era comum usar um transdutor para toda a faixa no lugar de um woofer e tweeter separados, economizando espaço. A reprodução de frequência mais alta foi potencialmente sacrificada, mas isso não foi um problema quando essas frequências estavam ausentes do fluxo de áudio sem fio.

Entretanto, com o advento dos codecs sem perdas e tecnologias de alta taxa de transferência como o Bluetooth LE Audio, o áudio sem fio agora oferece uma faixa completa de frequências graves e agudas (Figura 3). Reproduzir este áudio exige muito mais dos fones de ouvido. Além disso, os consumidores esperam ANC, som personalizado, efeitos de oclusão reduzidos e adequação para uma ampla gama de casos de uso, incluindo música, TV, videoconferência e chamadas de voz — tudo em um fator de forma altamente compacto, e novamente a um custo razoável.

Figura 3: Os codecs sem perdas fornecem mais informações de alta frequência, permitindo uma melhor reprodução dos tons agudos durante a reprodução da música em fones de ouvido adequadamente projetados. (Fonte da imagem: Knowles)

Muitas dessas exigências exigem compensações de projeto. Por exemplo, para fornecer ANC eficaz em ambientes ruidosos, como uma cabine de aeronave, os alto-falantes precisam produzir na saída sons graves altos com baixa distorção. Os projetos semi-abertos que abordam a oclusão colocam mais exigências na saída de graves. Ao mesmo tempo, a reprodução de áudio sem perdas requer que o transdutor do alto-falante lide com saídas de agudos de até 20 quilohertz (kHz) ou mais. É praticamente impossível atender a ambos os requisitos com um único transdutor dinâmico de alto-falante em um minúsculo fator de forma.

A solução é dividir as frequências de graves e agudos através de um woofer dinâmico e um tweeter separador de armadura balanceada (BA). O tweeter BA é um componente especializado que foi originalmente desenvolvido para aplicações de aparelhos auditivos, que agora está sendo cada vez mais utilizado para reforçar a resposta de agudos em fones de ouvido de alta qualidade. Em um tweeter BA, um sinal eletrônico vibra uma minúscula palheta que é equilibrada entre dois ímãs dentro de um invólucro compacto. O movimento da palheta é transferido para um diafragma de alumínio muito rígido que produz o som.

Com um woofer dedicado e configuração de tweeter BA, o woofer pode ser projetado para se concentrar no fornecimento de graves fortes e suportar reprodução sem perdas, ANC, e redução dos efeitos de oclusão, enquanto a saída do tweeter BA é otimizada para agudos claros e distintos. Isto reduz a necessidade de equalização, o que, por sua vez, economiza energia e aumenta a reserva dinâmica (Figura 4).

Figura 4: A separação do sistema de alto-falantes em um woofer dinâmico (verde) e tweeter BA (azul) produz uma resposta "híbrida" de frequência plana (vermelho). (Fonte da imagem: Knowles)

Uma outra vantagem deriva da separação dos transdutores de alto-falantes: o projetista tem um maior grau de liberdade no arranjo do transdutor. Por exemplo, o woofer pode ser menos alinhado diretamente com a ponta da orelha, permitindo assim que o tweeter BA seja posicionado próximo à abertura da orelha para minimizar o volume de ar preso entre o tweeter e a ponta da orelha, limitando os efeitos de oclusão (Figura 5).

Figura 5: A separação do woofer e do tweeter nos fones de ouvido permite que o tweeter seja posicionado à frente do dispositivo, o que ajuda a limitar os efeitos de oclusão. (Fonte da imagem: Knowles)

Além disso, a separação dos woofers e tweeters permite aos projetistas refinar a resposta de frequência. Por exemplo, eles podem moldar as características acústicas perto da abertura do tweeter para refinar a resposta de alta frequência. Então, os projetistas podem ajustar o crossover para uma mistura suave dos sinais do woofer e do tweeter. Os projetistas também podem ajustar a sensibilidade do tweeter para obter uma melhor combinação com o woofer selecionando uma impedância maior ou menor da bobina. O ajuste final da resposta de frequência geral do fone de ouvido pode ser realizado usando a sintonia com habilitação do processamento de sinal digital (DSP).

Além disso, como muitos CIs de Bluetooth têm saídas duplas, o woofer e o tweeter podem ser acionados por amplificadores individuais para uma flexibilidade ainda maior na modelagem da resposta de frequência.

Projeto de referência de áudio sem fio de alta qualidade

Engenheiros acostumados a um transdutor de um só falante em seus projetos sem fio serão desafiados pela complexidade adicional trazida pelo woofer e tweeters separados, necessários para reproduzir áudio de alta qualidade. No entanto, a tendência é claramente em direção a capacidades de áudio de maior qualidade, portanto, deve ser considerado um caminho para a um projeto com dois transdutores para reprodução de qualidade de streaming de áudio sem perdas.

Para ajudar os projetistas a seguirem nesta direção, Knowles, um fabricante de tweeter BA, introduziu o projeto de referência TC-35030-000 de fones de ouvido com verdadeiro som estéreo sem fio. O projeto de referência encurta o tempo de colocação no mercado dos fones de ouvido TWS ao incluir muitos dos recursos avançados principais que os usuários exigem, eliminando assim muitos dos desafios comuns de projeto.

O projeto de referência inclui o próprio projeto da Knowles de um tweeter BA para bom som de alta frequência, com um woofer dinâmico de 10 milímetros (mm) para sons graves. A unidade também inclui microfones de sistemas microeletromecânicos (MEMS) para ANC e chamadas de voz. O projeto de referência oferece 13 horas (h) de tempo de reprodução ou 8 h de tempo de conversa com sua bateria integrada, e é compatível com Bluetooth 5.2. Recursos adicionais incorporados ao kit incluem controles de toque e tecnologia integrada de assistente de voz (Figura 6).

Figura 6: O projeto de referência do fone de ouvido TWS TC-35030-000 apresenta um tweeter BA para um bom som de alta frequência e um woofer dinâmico de 10 mm para sons graves. (Fonte da imagem: Knowles)

O tweeter BA fornece uma resposta que se estende bem acima de 20 kHz. Ao comparar a saída de agudos do produto Knowles com um alto-falante dinâmico típico de 8 mm, o tweeter BA fornece a saída de agudos aumentada e a extensão necessária para áudio de alta qualidade, incluindo a capacidade de suportar personalização ou aprimoramento auditivo (Figura 7).

Figura 7: É mostrada a resposta de alta frequência do tweeter BA da Knowles em comparação com a de um alto-falante dinâmico. (Fonte da figura: Knowles)

Conclusão

Os avanços nos semicondutores e codecs sem fio mudaram o panorama para os fones de ouvido ou earbuds. Agora, os consumidores esperam graves profundos, agudos refinados e uma ampla gama dinâmica a partir de seus dispositivos TWS intra-auriculares. Além disso, os usuários esperam recursos avançados, como ANC e som personalizado, e menor aceitação dos efeitos de oclusão.

Para melhor atender às exigências da resposta de frequência dos fones de ouvido TWS, os projetistas precisam passar para projetos de dois transdutores com um tweeter e woofer dedicados. Embora fazer isso seja tecnicamente desafiador, o projeto de referência de fones de ouvido TWS TC-35030-000 da Knowles pode ajudar. Combinando um tweeter BA, um woofer e microfones MEMS, ele oferece uma boa base para o projeto de fones de ouvido com áudio de alta qualidade e recursos que permitem uma clara diferenciação do produto.