Concevoir un véritable dispositif auditif de fitness sans fil – 2e partie : traitement audio

Note de l'éditeur : Bien qu'ils présentent un potentiel énorme, les dispositifs auditifs de fitness impliquent des défis de conception considérables dans trois domaines clés, à savoir les mesures biométriques, le traitement audio et la charge sans fil. Cette série de trois articles étudie chacun de ces défis un à un et explique aux développeurs comment tirer parti des dispositifs ultrabasse consommation pour créer des dispositifs auditifs de fitness de manière plus efficace. La 1re partie concernait les mesures biométriques de la fréquence cardiaque et SpO₂. Cette 2e partie couvre le traitement audio. La 3e partie présentera quant à elle des solutions pour la charge sans fil et la gestion de l'alimentation des dispositifs auditifs de fitness.

Comme indiqué dans la 1re partie, les écouteurs sans fil intelligents intra-auriculaires, également appelés « véritables dispositifs auditifs sans fil », sont désormais des dispositifs de lecture audio populaires, en particulier pour les activités de fitness où les fils peuvent entraver les mouvements ou interférer avec les équipements. En ajoutant à ces dispositifs des mesures de santé, les développeurs peuvent créer des « dispositifs auditifs de fitness » qui fournissent à la fois une lecture audio et des données de santé.

Même si l'ajout de fonctions de mesures biométriques est un développement passionnant, les concepteurs ne peuvent pas perdre de vue la fonction principale des dispositifs auditifs : la lecture audio haut de gamme. Le problème est alors de savoir comment conserver une lecture audio haut de gamme tout en ajoutant de nouvelles fonctionnalités dans un format aussi compact et avec une autonomie de batterie satisfaisante.

Cet article traite du rôle des processeurs et des codecs audio, et décrit les éléments fondamentaux d'une architecture de système audio pour les dispositifs auditifs. Il présente ensuite un codec audio sophistiqué de Maxim Integrated et montre comment les concepteurs peuvent l'utiliser pour répondre aux attentes des utilisateurs en matière de son haut de gamme dans un format compact et avec une autonomie de batterie étendue.

Processeurs et codecs audio

Depuis des années, les codecs audio et les processeurs audio spécialisés contribuent aux conceptions audio hautes performances. Chacun combine une chaîne de signaux complète pour l'échantillonnage, la conversion et la mise en forme d'un signal audio. Alors que les codecs (dérivés de codeurs/décodeurs) sont traditionnellement limités au codage et au décodage de signaux audio à l'aide de micrologiciels câblés, les processeurs audio mettent généralement en place cette fonctionnalité autour d'un processeur de signaux numériques (DSP) programmable. La frontière entre ces classes de produits s'est peu à peu estompée avec l'émergence des codecs et des processeurs audio reprogrammables dotés de fonctionnalités câblées. Dans les deux cas, les développeurs peuvent trouver des dispositifs de traitement des signaux audio puissants, capables de répondre aux exigences des audiophiles les plus avertis.

La grande popularité des petits écouteurs audio intra-auriculaires a favorisé l'évolution de ces dispositifs de traitement des signaux audio pour fournir un sous-système audio complet sur puce. Combinés à des technologies de charge et de communication sans fil, ces dispositifs peuvent servir de base pour créer de véritables écouteurs sans fil capables de fournir aux utilisateurs une richesse sonore remarquable sans câbles encombrants.

L'évolution des dispositifs auditifs

Contrairement aux écouteurs filaires traditionnels, toutefois, les véritables écouteurs sans fil augmentent sensiblement le nombre de défis auxquels les développeurs doivent faire face. Ces produits doivent répondre aux besoins des utilisateurs en matière de performances audio tout en répondant aux attentes des utilisateurs mobiles concernant le côté pratique et la facilité d'utilisation. Par conséquent, la conception doit offrir une qualité sonore et des fonctionnalités globales exceptionnelles tout en garantissant un format minimum et une autonomie batterie maximum. Heureusement, les développeurs ont à leur disposition une large gamme de codecs audio et de processeurs audio capables de répondre à toutes ces exigences.

Les petits écouteurs ou dispositifs auditifs dits « intelligents » représentent une évolution naturelle des véritables écouteurs sans fil. Outre d'autres capacités fonctionnelles avancées, les dispositifs auditifs ajoutent des capteurs pour les mesures biométriques, la détection de mouvement et d'autres capacités conçues pour améliorer le bien-être de l'utilisateur et sa sensibilisation à l'environnement qui l'entoure.

Bien que complexes sur le plan fonctionnel, les conceptions de dispositifs auditifs de fitness peuvent tirer parti d'une plateforme matérielle de systèmes sur puce (SoC) disponibles et spécialement conçus pour ces applications basse consommation. Comme mentionné dans la 1re partie de cette série, le biocapteur MAXM86161 de Maxim Integrated fournit toutes les capacités de mesures biométriques requises pour ces produits. De même, le codec audio MAX98090 de Maxim Integrated offre un sous-système audio complet capable de prendre en charge les diverses capacités audio qui sont intégrées aux nouveaux dispositifs auditifs de fitness. En utilisant ces dispositifs, ainsi qu'un contrôleur de radiofréquences (RF) Bluetooth (BT) et des circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC), les développeurs peuvent implémenter la base matérielle des conceptions de dispositifs auditifs de fitness sophistiqués (Figure 1).

Figure 1 : Un dispositif auditif de fitness étend les capacités d'un véritable écouteur audio sans fil avec des capacités de biodétection, mais est confronté aux mêmes exigences en matière de lecture sonore haut de gamme et d'autonomie batterie étendue. (Source de l'image : DigiKey, d'après un document source de Maxim Integrated)

Sous-système audio complet

Spécialement conçu pour les applications mobiles, le codec audio MAX98090 combine des performances ultrabasse consommation avec une capacité de traitement des signaux audio hautement configurable. Différentes combinaisons d'entrées analogiques et numériques peuvent être utilisées pour alimenter le processeur de signaux numériques (DSP) FlexSound de Maxim Integrated au cœur du dispositif. À son tour, le dispositif peut fournir un contenu audio transformé par FlexSound afin de séparer les trajets des signaux de sortie optimisés pour différents types de haut-parleurs audio (Figure 2).

Figure 2 : Spécialement conçu pour les dispositifs corporels intra-auriculaires, le codec audio MAX98090 de Maxim Integrated intègre un ensemble complet de capacités d'entrée, de sortie et de traitement pour fournir un sous-système audio complet capable de répondre aux limites de puissance et de taille des dispositifs auditifs. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Le sous-système d'interface audio numérique (DAI) du MAX98090 prend en charge des taux d'échantillonnage de 8 kilohertz (kHz) pour la voix à 96 kHz pour l'audio haute résolution dans une variété de formats de modulation par impulsions et codage (PCM) standard. Dans une conception typique, l'entrée audio numérique passe directement de la source au sous-système DAI. Pour les sources analogiques, le MAX98090 fournit un circuit d'entrée analogique multicanal comprenant des multiplexeurs d'entrée, des mélangeurs, des préamplificateurs et des amplificateurs à gain programmable (PGA). Les entrées analogiques et numériques sont toutes connectées à des mélangeurs de canaux gauches et droits distincts, qui alimentent des convertisseurs analogique-numérique (CAN) dédiés. La sortie du CAN pour les canaux gauches et droits passe à son tour dans le sous-système DAI, qui transmet alors le contenu audio numérique au cœur DSP FlexSound.

Le cœur DSP fournit les fonctionnalités de traitement de signaux essentielles aux produits de lecture audio, mais qui ne sont généralement pas prises en charge par les codecs audio traditionnels. Les utilisateurs s'attendent à ce que leurs dispositifs corporels intra-auriculaires fournissent un volume suffisant pour faire face à un environnement bruyant (comme une salle de sport) tout en offrant un signal audio net, quel que soit le volume. Le cœur DSP FlexSound du MAX98090 répond à ces exigences grâce à un sous-système de lecture comprenant plusieurs étages, notamment un égalisateur paramétrique distinct à sept bandes, un contrôle de niveau automatique (ALC) et plusieurs filtres pour les canaux gauches et droits (Figure 3).

Figure 3 : Au cœur du codec audio MAX98090 de Maxim Integrated, le cœur DSP FlexSound de la société fournit des trajets multi-étages dédiés pour traiter séparément les canaux audio gauches et droits. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Ces fonctionnalités fournissent une capacité de traitement audio hautement flexible, capable de répondre aux nombreuses exigences de chaque application. Par exemple, en plus du mode à sept bandes, l'égalisateur peut également être activé pour un fonctionnement à trois ou cinq bandes qui peut être requis pour les produits avec des interfaces utilisateur plus simples. De même, le contrôle de niveau automatique intègre une capacité de contrôle de plage dynamique (DRC) programmable capable d'empêcher l'écrêtage du signal audio en haut de la plage et l'amplification des bruits de fond en bas de la plage. Pour le nettoyage des données audio numériques, l'ensemble de filtres numériques du dispositif inclut un filtre à réponse impulsionnelle finie (RIF) pour la musique et le contenu audio à vitesse élevée, ainsi qu'un filtre à réponse impulsionnelle infinie (RII) pour les applications vocales de 8 kHz ou 16 kHz. De plus, un étage de filtre passe-haut avec blocage CC peut être inclus dans les filtres RIF (musique) et RII (applications vocales) pour réduire les sons à basse fréquence.

À la sortie du cœur DSP, un convertisseur numérique-analogique (CNA) dédié pour les canaux gauches et droits transmet le signal analogique obtenu aux mélangeurs de sortie du MAX98090. Comme pour son sous-système d'entrée, le MAX98090 prend en charge un large éventail de configurations de sortie audio et de types de haut-parleurs avec ses circuits d'attaque de sortie de haut-parleur de classe D, ses circuits d'attaque de sortie d'écouteurs de classe H et ses circuits d'attaque de classe AB configurables intégrés. Pour chaque type de sortie, les développeurs doivent simplement définir des registres associés afin de configurer le MAX98090 pour qu'il redirige la sortie stéréo ou mono des canaux gauches ou droits vers le circuit d'attaque de sortie approprié dans leur conception individuelle.

Dispositif auditif basse consommation amélioré

Pour un dispositif auditif de fitness, les développeurs configurent typiquement le MAX98090 pour utiliser sa sortie casque de classe H afin de commander des micro-haut-parleurs ou de nouveaux haut-parleurs MEMS (microsystèmes électromécaniques), comme l'UT-P 2017 de Usound spécialement conçu pour les applications intra-auriculaires. Dans un dispositif auditif de fitness, le contenu audio numérique est transmis via la connexion Bluetooth directement au sous-système d'entrée audio numérique du MAX98090. Par conséquent, les développeurs peuvent économiser de l'énergie en configurant le MAX98090 pour contourner le mélangeur intégré au sous-système des écouteurs, car les options d'entrée analogique et de ligne ne sont pas nécessaires dans une configuration de base (Figure 4).

Figure 4 : Pour les dispositifs de lecture comme les écouteurs audio, le codec audio MAX98090 de Maxim Integrated peut fonctionner dans une configuration basse consommation qui transmet le contenu audio numérique directement au sous-système de sortie casque intégré au dispositif. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Dans cette configuration, le MAX98090 ne consomme que 6 milliwatts (mW) environ. Pour réduire davantage la consommation d'énergie, le sous-système de sortie casque du MAX98090 peut être configuré pour fonctionner dans un mode basse consommation spécial, qui réduit la consommation d'énergie à environ 3,85 mW.

Pour s'en tenir au budget énergétique généralement limité des dispositifs corporels intra-auriculaires, les développeurs peuvent également choisir de désactiver certains blocs d'entrée et de sortie du MAX98090. Pendant les périodes d'inactivité, le dispositif peut être programmé pour passer en mode d'arrêt, qui ne consomme que quelques microampères. Dans ce mode, l'interface série I²C du dispositif reste active, ce qui permet aux développeurs de charger de nouvelles configurations avant de redémarrer le dispositif en définissant un bit dans son registre d'arrêt. À ce stade, le dispositif repasse en mode totalement actif en seulement 10 millisecondes (ms), offrant à l'utilisateur une expérience d'activation quasi instantanée.

Pour la conception d'un système de dispositif auditif de fitness, les développeurs doivent connecter le MAX98090 via son interface série I²C à un microcontrôleur Bluetooth ultrabasse consommation, comme le RSL10 d'ON Semiconductor (voir l'article « Déployer rapidement un dispositif IoT multicapteur certifié Bluetooth 5 et alimenté par batterie »). Grâce à l'ensemble complet de blocs d'entrée, de traitement et de sortie intégrés au MAX98090, il ne faut que quelques composants supplémentaires pour compléter l'intégration de ce système (Figure 5).

Figure 5 : Les développeurs peuvent implémenter la conception d'interface matérielle du codec audio MAX98090 de Maxim Integrated avec seulement quelques composants supplémentaires. (Source de l'image : Maxim Integrated)

La conception de lecture de base décrite ci-dessus peut très facilement être améliorée afin de prendre en charge des fonctionnalités supplémentaires, comme l'utilisation d'une entrée audio pour les interfaces d'assistance vocale connectées via Bluetooth ou les conversations par téléphone portable. Pour capturer la voix d'un utilisateur, une telle conception peut utiliser des microphones à électret basse consommation comme les microphones 50 microampères (μA) série FG de Knowles, ou des microphones analogiques MEMS comme l'ICS-40310 25 μA de TDK InvenSense ou le VM1010 5 μA de Vesper Technologies.

Avec quelques paramètres de registre supplémentaires, les développeurs peuvent configurer le MAX98090 afin qu'il accepte l'entrée sonore de ces microphones analogiques ou de microphones numériques, selon le cas. Des étages d'entrée de microphones analogiques et numériques distincts fournissent les étages d'entrée nécessaires pour la mise en forme des signaux analogiques ou le contrôle numérique (Figure 6).

Figure 6 : Le codec audio MAX98090 de Maxim Integrated fournit un circuit d'entrée analogique complet (A) et une interface numérique (B) pour connecter respectivement des microphones analogiques et numériques. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Après l'étage d'entrée, le flux de données numérisées entre dans le sous-système d'enregistrement séparé du cœur DSP FlexSound qui précède le sous-système de lecture DSP décrit précédemment. Tout comme sa fonctionnalité de lecture, la fonctionnalité d'enregistrement fournit plusieurs étages séquentiels de traitement. Dans ce cas, le traitement comprend un ensemble de filtres numériques, notamment un filtre vocal RII, un filtre musical RIF et un filtre de blocage CC (Figure 7).

Figure 7 : En plus de prendre en charge des entrées analogiques et numériques, le codec audio MAX98090 de Maxim Integrated inclut un trajet d'enregistrement à plusieurs étages dans le cœur DSP FlexSound de la société. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Le système de lecture DSP combine ensuite la bande latérale du son enregistré avec le flux musical numérique principal pour un traitement supplémentaire et une transmission au sous-système de sortie du MAX98090.

Conclusion

Les véritables dispositifs auditifs de fitness sans fil doivent pouvoir offrir les fonctionnalités étendues nécessaires pour répondre aux attentes des utilisateurs en matière de nouvelles fonctionnalités, tout en respectant des contraintes de taille et de consommation strictes. En ce qui concerne la lecture audio, le codec audio MAX98090 de Maxim Integrated combine des sous-systèmes d'entrée et de sortie analogiques et numériques avec un processeur de signaux numériques audio sophistiqué afin de fournir les fonctionnalités audio complètes requises dans les conceptions de dispositifs auditifs de fitness. Comme illustré ici, en utilisant le MAX98090 avec des dispositifs SoC optimisés de manière similaire, les développeurs peuvent créer une base matérielle flexible pour des dispositifs auditifs de fitness sophistiqués.