Construya un auricular verdaderamente inalámbrico para medir el estado físico. Parte 2: Procesamiento de audio

Nota del editor: A pesar de que tienen un gran potencial, los auriculares de estado físico presentan importantes desafíos de diseño en tres áreas clave: biometría, procesamiento de audio y carga inalámbrica. Esta serie de tres artículos explora estos desafíos uno por uno y muestra a los desarrolladores cómo pueden aprovechar los dispositivos de potencia ultrabaja a fin de crear auriculares para medir el estado físico de una manera más efectiva. En la parte 1 se abordó la biometría de la frecuencia cardíaca y de la saturación de oxígeno periférica (SpO₂). En esta parte, la 2, se explica el procesamiento de audio. En la parte 3 se analizarán soluciones para la carga inalámbrica y la gestión de energía para los diseños de auriculares a fin de medir el estado físico.

Como se mencionó en la parte 1, los auriculares internos inalámbricos inteligentes, también llamados auriculares verdaderamente inalámbricos, han surgido como dispositivos populares de reproducción de audio, especialmente durante las actividades físicas, cuando los cables pueden interferir con el movimiento o el equipo. Al agregar mediciones métricas del estado físico a estos productos, los desarrolladores pueden crear "auriculares de seguimiento del estado físico" que proporcionen tanto reproducción de audio como información sobre el estado físico.

Si bien desarrollar la adición de características de biometría es emocionante, los diseñadores no pueden perder de vista la función esencial de los auriculares: la reproducción de audio de alta calidad. El problema ahora es cómo mantener una alta calidad en la reproducción de audio y, al mismo tiempo, agregar nuevas funciones en un factor de forma tan pequeño y contar con una duración satisfactoria de la batería.

En este artículo se analizará el papel de los códecs y procesadores de audio y se describirán los elementos esenciales de la arquitectura de un sistema de audio para auriculares. Luego, se presentará un códec de audio sofisticado de Maxim Integrated y se mostrará cómo los diseñadores pueden usarlo para satisfacer las expectativas del usuario con respecto a un sonido de alta calidad en un factor de forma compacto, con una duración prolongada de la batería.

Códecs y procesadores de audio

Los códecs de audio y los procesadores de audio especializados han brindado diseños de audio de alto rendimiento durante años. Cada uno combina una cadena de señal completa para realizar muestreos, convertir y acondicionar una señal de audio. Mientras los códecs (derivados de los codificadores-decodificadores) convencionalmente han limitado sus capacidades a la codificación y decodificación de señales de audio usando firmware cableado, los procesadores de audio generalmente desarrollan esta funcionalidad en torno a un procesador de señal digital (DSP) programable. Las líneas entre estas clases de productos se vuelven cada vez más difusas con la aparición de códecs y procesadores de audio reprogramables con funciones cableadas. En cualquier caso, los desarrolladores pueden encontrar potentes dispositivos para el procesamiento de señales de audio capaces de satisfacer las demandas del audiófilo más exigente.

La gran popularidad de los pequeños audífonos internos, o auriculares, ha impulsado aún más la evolución de estos dispositivos de procesamiento de señales de audio para proporcionar un subsistema de audio completo en un chip. Combinados con las comunicaciones inalámbricas y las tecnologías de carga inalámbrica, estos dispositivos pueden sentar las bases para auriculares verdaderamente inalámbricos capaces de proporcionar a los usuarios un sonido notablemente rico sin el estorbo de los cables.

La evolución de los auriculares inteligentes

Sin embargo, a diferencia de los auriculares con cable más convencionales, los auriculares verdaderamente inalámbricos amplían significativamente los desafíos que enfrentan sus desarrolladores. Estos productos deben satisfacer la necesidad del oyente con respecto al rendimiento de audio al mismo tiempo que satisfacen las expectativas del usuario móvil en cuanto a una mayor comodidad y facilidad de uso. Como resultado, el diseño debe proporcionar una calidad de sonido excepcional y características generales al mismo tiempo que proporciona un factor de forma mínimo y la duración máxima de la batería. Afortunadamente, los desarrolladores pueden encontrar una amplia gama de códecs de audio y procesadores de audio capaces de cumplir con este amplio conjunto de requisitos.

Los llamados auriculares inteligentes, o hearables, representan una evolución natural de los auriculares verdaderamente inalámbricos. Junto con otras capacidades funcionales avanzadas, los auriculares inteligentes agregan sensores para la biometría, la detección de movimiento y otras capacidades diseñadas para mejorar el bienestar del usuario y la conciencia ambiental.

Aunque son funcionalmente complejos, los diseños de auriculares para medir el estado físico se pueden desarrollar sobre una plataforma de hardware de dispositivos de sistema en chip (SoC) fácilmente disponibles que están diseñados específicamente para estas aplicaciones de baja potencia. Como se discutió en la Parte 1 de esta serie, el biosensor MAXM86161 de Maxim Integrated proporciona todas las capacidades de biometría requeridas en estos productos. Del mismo modo, el códec de audio MAX98090 de Maxim Integrated proporciona un subsistema de audio completo capaz de admitir la amplia gama de capacidades de audio que se están diseñando en los nuevos auriculares de estado físico. Al utilizar estos dispositivos, junto con un controlador de radiofrecuencia (RF) Bluetooth (BT) y circuitos integrados de gestión de energía (PMIC), los desarrolladores pueden implementar la base de hardware que subyace a los sofisticados diseños de los auriculares para medir el estado físico (Figura 1).

Figura 1: Un auricular de estado físico aumenta las capacidades de un audífono verdaderamente inalámbrico con capacidades de biodetección, pero enfrenta los mismos requisitos para obtener una reproducción de sonido de alta calidad y una mayor duración de la batería. (Fuente de la imagen: DigiKey, basado en material fuente de Maxim Integrated)

Subsistema de audio integral

Diseñado específicamente para aplicaciones móviles, el códec de audio MAX98090 combina un rendimiento de potencia ultrabaja con una capacidad de procesamiento de señales de audio altamente configurable. Se pueden usar diferentes combinaciones de entradas analógicas y digitales para alimentar el procesador de señal digital (DSP) FlexSound de Maxim Integrated en el núcleo del dispositivo. A su vez, el dispositivo puede ofrecer el audio transformado por FlexSound para separar las rutas de señal de salida optimizadas para diferentes tipos de altavoces de audio (Figura 2).

Figura 2: Diseñado específicamente para auriculares internos, el códec de audio MAX98090 de Maxim Integrated comprende un conjunto integral de capacidades de entrada, salida y procesamiento para proporcionar un subsistema de audio completo capaz de cumplir con las limitaciones de potencia y tamaño de los dispositivos portátiles. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

El subsistema de interfaz de audio digital (DAI) MAX98090 admite frecuencias de muestreo de audio de voz desde 8 kilohercios (kHz) hasta audios de alta resolución de 96 kHz en una variedad de formatos de modulación de código de pulso (PCM) estándar. En un diseño típico, la entrada de audio digital pasaría directamente de la fuente al subsistema de DAI. Para fuentes analógicas, el MAX98090 proporciona un front-end analógico multicanal que comprende multiplexores de entrada, mezcladores, preamplificadores y amplificadores de ganancia programable (PGA). Todas las entradas analógicas y digitales se conectan a mezcladores de canal izquierdo y derecho separados, cada uno de los cuales derivan en convertidores analógicos a digitales (ADC) dedicados. La salida del ADC para los canales izquierdo y derecho a su vez pasa al subsistema de DAI, que finalmente suministra el audio digital al núcleo del DSP FlexSound.

El núcleo del DSP proporciona la funcionalidad de procesamiento de señal esencial que se requiere en los productos de reproducción de audio, pero que generalmente no es compatible con los códecs de audio tradicionales. Los usuarios esperan que sus auriculares internos brinden un volumen suficiente para superar un entorno ruidoso, como un gimnasio, al tiempo que proporcionan una señal de audio limpia en todos los niveles de volumen. El núcleo del DSP FlexSound del MAX98090 cumple estos requisitos con un subsistema de reproducción que comprende múltiples etapas, lo que incluye un ecualizador paramétrico de siete bandas, control de nivel automático (ALC) y múltiples filtros para los canales izquierdo y derecho (Figura 3).

Figura 3: En el corazón del códec de audio MAX98090 de Maxim Integrated, el núcleo del DSP FlexSound de la empresa proporciona rutas dedicadas de múltiples etapas para procesar canales de audio separados izquierdo y derecho. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Estas características proporcionan una capacidad de procesamiento de audio altamente flexible que puede cumplir con los variados requisitos de cada aplicación. Por ejemplo, además de su modo de siete bandas, el ecualizador también se puede habilitar para operaciones de tres o cinco bandas que podrían ser necesarias en productos con interfaces de usuario más simples. Del mismo modo, el ALC incluye una capacidad de control de rango dinámico programable (DRC) capaz de evitar tanto el recorte de la señal de audio en el extremo superior como la amplificación del ruido de fondo en el extremo inferior. Para limpiar datos de audio digital, el conjunto de filtros digitales del dispositivo incluye un filtro de respuesta finita al impulso (FIR) para música y audio de alta velocidad, así como un filtro de respuesta infinita al impulso (IIR) para aplicaciones de voz de 8 kHz o 16 kHz. Además, se puede incluir una etapa de filtro de paso alto de bloqueo de CC en los filtros de música FIR y de voz IIR para atenuar el sonido de baja frecuencia.

En la salida del núcleo del DSP, un convertidor digital a analógico (DAC) dedicado para los canales izquierdo y derecho pasa la señal analógica resultante a los mezcladores de salida del MAX98090. Al igual que su subsistema de entrada, el MAX98090 admite una amplia gama de configuraciones de salida de audio y tipos de altavoces con sus controladores integrados de salida de altavoces Clase D, controladores de salida de auriculares Clase H y controladores configurables Clase AB. Para cada tipo de salida, los desarrolladores simplemente establecen registros asociados para configurar el MAX98090 y así conducir la salida estéreo o mono desde los canales izquierdo o derecho al controlador de salida apropiado para su diseño individual.

Baja potencia mejorada en auriculares

Para los auriculares de estado físico, los desarrolladores generalmente configurarían el MAX98090 con el fin de usar su salida de auriculares Clase H para controlar microaltavoces o altavoces emergentes de sistemas microelectromecánicos (MEMS), como el UT-P 2017 de Usound, desarrollado específicamente para aplicaciones de oído. En los auriculares para medir el estado físico, el audio digital se transmitiría a través de la conexión Bluetooth directamente al subsistema de entrada de audio digital del MAX98090. Como resultado, los desarrolladores pueden ahorrar energía al configurar el MAX98090 para evitar el mezclador incorporado del subsistema de auriculares, ya que las opciones de entrada analógica y de línea no serían necesarias en una configuración básica (Figura 4).

Figura 4: Para dispositivos de reproducción como auriculares de audio, el códec de audio MAX98090 de Maxim Integrated puede funcionar en una configuración de menor potencia que transmite audio digital directamente al subsistema de salida de auriculares integrado del dispositivo. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

En esta configuración, el MAX98090 consume solo unos 6 milivatios (mW). Para reducir aún más el consumo de energía, el subsistema de salida de auriculares del MAX98090 se puede configurar para funcionar en un modo especial de baja potencia que reduce el consumo de energía a aproximadamente 3.85 mW.

Para satisfacer el presupuesto de energía generalmente limitado de los auriculares internos, los desarrolladores también pueden desactivar selectivamente los bloques de entrada y salida individuales en el MAX98090. Durante los períodos de inactividad, el dispositivo puede colocarse mediante programación en modo de apagado, el cual consume solo unos pocos microamperios. En este modo, la interfaz serial I²C del dispositivo permanece activa, lo que permite a los desarrolladores cargar nuevas configuraciones antes de reiniciar el dispositivo al configurar un bit en su registro de apagado. En este punto, el dispositivo vuelve al modo activo completo en solo 10 milisegundos (ms), lo que brinda una experiencia de encendido casi instantánea para el usuario.

Para el diseño del sistema de los auriculares de estado físico, los desarrolladores conectarían el MAX98090 a través de su interfaz serial I²C a un microcontrolador habilitado con Bluetooth de muy baja potencia, como el RSL10 de ON Semiconductor (consulte “Implemente rápidamente un dispositivo de IoT a batería con varios sensores certificado con Bluetooth 5”). El conjunto completo de bloques de entrada, procesamiento y salida integrados en el MAX98090 significa que solo se requieren unos pocos componentes adicionales para completar esta integración del sistema (Figura 5).

Figura 5: Los desarrolladores pueden implementar el diseño de la interfaz de hardware del códec de audio MAX98090 de Maxim Integrated con solo unos pocos componentes adicionales. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Con un esfuerzo mínimo, el diseño de reproducción básico descrito anteriormente podría mejorarse para admitir características adicionales, como el uso de entrada de audio para interfaces de asistente de voz o conversaciones de teléfonos móviles conectadas por Bluetooth. Para capturar la voz de un usuario, este diseño podría utilizar micrófonos electret de baja potencia, tales como micrófonos de 50 microamperios (μA) de la serie FG de Knowles o micrófonos analógicos de tecnología MEMS como el ICS-40310 de 25 μA de TDK InvenSense o el VM1010 de 5 μA de Vesper Technologies.

Con algunas configuraciones de registro adicionales, los desarrolladores podrían configurar el MAX98090 para aceptar la entrada de sonido de estos micrófonos analógicos o de micrófonos digitales, según corresponda. Las etapas separadas de entrada de micrófono analógico y digital proporcionan las etapas de front end necesarias para el acondicionamiento de la señal analógica o el control digital (Figura 6).

Figura 6: El códec de audio MAX98090 de Maxim Integrated proporciona un front end analógico completo (A) y una interfaz digital (B) para conectar micrófonos analógicos y digitales, respectivamente. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Después de la etapa de entrada, el flujo de datos digitalizados ingresa al subsistema de grabación separado del núcleo del DSP FlexSound que precede al subsistema de reproducción del DSP descrito anteriormente. Al igual que su función de reproducción, la función de grabación proporciona múltiples etapas secuenciales de procesamiento. En este caso, el procesamiento comprende un conjunto de filtros digitales que incluyen un filtro de voz IIR, un filtro de música FIR y un filtro de bloqueo de CC (Figura 7).

Figura 7: Junto con su soporte de entrada analógica y digital, el códec de audio MAX98090 de Maxim Integrated incluye una ruta de grabación de múltiples etapas dentro del núcleo del DSP FlexSound de la empresa. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Posteriormente, el sistema de reproducción del DSP combina este tono lateral grabado con la transmisión de música de audio digital primaria para su posterior procesamiento y entrega al subsistema de salida del MAX98090.

Conclusión

Los auriculares de estado físico verdaderamente inalámbricos deben ser capaces de ofrecer la amplia funcionalidad que se requiere para satisfacer las expectativas de los usuarios con respecto a las características más recientes, al mismo tiempo que funcionan dentro de las estrictas limitaciones de potencia y tamaño. Con respecto a la reproducción de audio, el códec de audio MAX98090 de Maxim Integrated combina subsistemas de entrada y de salida analógicos y digitales con un sofisticado procesador de señal de audio digital para brindar la funcionalidad de audio integral necesaria en los diseños de auriculares para medir el estado físico. Como se muestra, al usar el MAX98090 junto con dispositivos de SoC optimizados de manera similar, los desarrolladores pueden construir una base de hardware flexible para sofisticados auriculares de estado físico.