Comment implémenter rapidement une conception d'écouteurs TWS haute qualité avec tweeter et woofer dédiés

Au début du streaming audio, les débits de données sans fil étaient limités et les utilisateurs acceptaient une perte de fidélité en échange de l'avantage de disposer de milliers de morceaux de musique numériques dans leur poche. Mais avec l'introduction de la technologie sans fil qui prend en charge un meilleur débit sans fil et des algorithmes de compression améliorés, les consommateurs sont devenus plus exigeants. Cela signifie que les concepteurs doivent désormais proposer des écouteurs audio True Wireless Stereo (TWS) pour répondre aux attentes des consommateurs. Les écouteurs TWS promettaient de reproduire le son avec plus de précision sur l'ensemble du spectre audio, en particulier dans les plus hautes fréquences qui étaient généralement perdues sur les anciens modèles.

Mais la qualité du son n'est qu'un aspect de la reproduction audio sans fil moderne. Sur un marché concurrentiel, les concepteurs de casques doivent s'intéresser de près à ce que veulent les consommateurs et utiliser ces informations pour différencier le produit final de la manière la plus efficace et la plus rentable possible. Par exemple, les consommateurs veulent également une annulation active du bruit (ANC) efficace et une atténuation des effets d'occlusion afin de pouvoir mieux profiter de leur expérience d'écoute. Pour les auditeurs plus âgés, la compensation automatique (personnalisation de l'audition) de la perte auditive naturelle dans les fréquences supérieures est également de plus en plus demandée.

Pour répondre à ces exigences, il faut une nouvelle approche avec des conceptions qui séparent les woofers pour les basses et les tweeters pour les aigus. Cela dépasse les compétences de nombreuses équipes de développement, ce qui se traduit par des délais de commercialisation plus longs et des opportunités potentiellement manquées pendant le recrutement ou le développement d'expertise.

Cet article résume l'évolution de l'audio sans fil commercial et son impact sur la conception matérielle et logicielle des écouteurs. L'article présente ensuite une conception de référence pour écouteurs TWS et montre comment les concepteurs peuvent l'utiliser pour commercialiser rapidement des solutions de casque permettant des fonctionnalités différenciées, tout en reproduisant précisément les basses puissantes et les aigus étendus désormais capturés par les logiciels de compression audio modernes.

Les progrès du son numérique

Dans le monde réel, le son est un signal analogique, mais nos équipements d'enregistrement et de lecture traitent essentiellement des signaux numériques. Le son est numérisé à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) alimenté par un algorithme de codage/décodage (codec) qui régit la fréquence d'échantillonnage en Hertz (Hz) et la profondeur de bits (bits). L'échantillonnage capture l'amplitude de la forme d'onde analogique du son à des intervalles spécifiques.

La fréquence d'échantillonnage est un compromis. Des fréquences plus faibles se traduisent par moins de données à traiter mais une résolution moindre. La profondeur de bits est le nombre de bits d'information dans chaque échantillon ; là encore, un compromis est requis entre le nombre de bits et la qualité audio. Les profondeurs de bits courantes sont 16, 24 et 32 bits (Figure 1).

Figure 1 : Le son analogique est numérisé par échantillonnage à une fréquence et un débit binaire donnés. L'augmentation de la fréquence d'échantillonnage et de la profondeur de bits permet aux informations numérisées de refléter plus fidèlement le signal analogique et d'améliorer la qualité de la reproduction. (Source de l'image : Knowles)

La fréquence d'échantillonnage × la profondeur de bits × le nombre de canaux détermine le débit binaire en bits par seconde (bps). Pour une qualité musicale acceptable, le débit binaire est généralement supérieur à 192 kilobits par seconde (kbps). La qualité d'un CD, par exemple, repose sur une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kilohertz (kHz) et une profondeur de bits de 16 bits. Pour une reproduction stéréo, le débit binaire est donc de 1,411 mégabits par seconde (Mbps).

Les codecs conventionnels utilisent généralement des techniques de compression qui rejettent, pendant le codage, les informations dont on a déterminé qu'elles n'affectaient pas de manière excessive la perception par l'auditeur du flux audio décodé. L'objectif est de réduire le débit binaire autant que possible sans compromettre indûment la qualité audio. Ces codecs sont dits « avec perte » car le décodeur ne peut jamais reproduire le signal original puisqu'il ne dispose pas de toutes les informations originales. Ce sont généralement les fréquences les plus élevées (aigus) qui sont éliminées par les codecs avec perte.

Grâce aux progrès de la radio à courte portée basse consommation, les liaisons sans fil peuvent supporter un débit plus important sans compromettre l'autonomie de la batterie. Par exemple, Bluetooth LE Audio, une forme de streaming sans fil basée sur Bluetooth LE récemment lancée, offre désormais à la fois une qualité audio bien supérieure à celle du Bluetooth Audio classique et une consommation d'énergie inférieure.

Les ingénieurs ont également amélioré l'efficacité de leurs codecs. Ces nouveaux codecs « sans perte », associés à une connectivité sans fil à plus haut débit, ont permis d'obtenir une qualité audio sans fil bien supérieure (Tableau 1). Les services audio d'entreprises telles que Apple, Amazon et Spotify offrent désormais un streaming audio haute qualité sans perte. Toutefois, le concepteur doit noter que le débit binaire codé pour les codecs sans perte est souvent plus élevé que ce que la liaison sans fil peut supporter de manière fiable. Par exemple, le codec LDAC de Sony code à un débit binaire de 6,1 Mbps (32 x 96 x 2), mais le débit binaire de la liaison sans fil est limité à 990 kbps.

Tableau 1 : Comparaison des codecs sans perte (Sony, Savitech et Qualcomm) avec qualité CD et des codecs avec perte (Qualcomm et Bluetooth SIG (SBC)). Notez que le débit binaire maximum pour les codecs sans perte est limité par la capacité de la liaison sans fil Bluetooth. (Source de l'image : Knowles)

ANC et son personnalisé

Les attentes des consommateurs en matière d'écouteurs TWS vont au-delà d'une qualité de son supérieure. Les produits haut de gamme doivent également offrir l'annulation active du bruit et d'autres fonctionnalités. L'annulation active du bruit est populaire car elle offre aux utilisateurs une expérience d'écoute de qualité en présence d'un niveau élevé de bruit de fond, comme dans une cabine d'avion. L'annulation active du bruit fonctionne avec des microphones intégrés aux écouteurs qui captent les bruits basse fréquence et les annulent avant que l'utilisateur ne les perçoive. L'annulation se produit lorsque le casque génère un son secondaire qui est inversé de 180° par rapport au bruit original.

Une autre amélioration clé offerte par les écouteurs sans fil est le son personnalisé. Les utilisateurs souffrant d'un handicap auditif de naissance ou qui se développe avec l'âge peuvent avoir des difficultés particulières à entendre les fréquences élevées (Figure 2). Il existe des applications pour smartphone et d'autres outils qui permettent à un utilisateur d'amplifier des fréquences spécifiques pour compenser la perte d'audition, mais ils ont tendance à être rudimentaires et à offrir des résultats médiocres. Mais aujourd'hui, les produits de haute qualité vont plus loin avec des algorithmes qui ajustent les niveaux d'audition sur toute la gamme de fréquences en soumettant l'utilisateur à un test d'écoute détaillé. Il en résulte des écouteurs dont les sorties sont parfaitement ajustées pour compenser les déficiences auditives.

Figure 2 : En vieillissant, les utilisateurs perdent progressivement leur capacité à entendre les plus hautes fréquences. Le son personnalisé amplifie les fréquences sélectionnées pour compenser la perte de sensibilité auditive. (Source de l'image : Knowles)

Une dernière évolution technique des écouteurs modernes est la réduction de l'occlusion. Les effets d'occlusion se produisent lorsqu'un écouteur bouche la partie externe du conduit auditif. Il s'agit d'un problème fréquent avec les produits qui sont conçus pour s'adapter plutôt étroitement à l'oreille. L'écouteur augmente effectivement « l'impédance » acoustique du conduit auditif, ce qui a pour effet d'augmenter l'amplitude de la pression acoustique, en particulier lorsque l'oreille est exposée à des sons basse fréquence générés par l'utilisateur (par exemple, parler, marcher et avaler). Il en résulte un bourdonnement en écho dans l'oreille qui est gênant et perturbant.

Les fabricants d'écouteurs se sont efforcés de réduire les effets d'occlusion par une conception mécanique, par exemple en ajoutant une petite ouverture entre l'écouteur et le conduit auditif pour réduire l'impédance acoustique, ainsi que par une conception logicielle, par exemple en incluant la réduction de l'occlusion dans les routines ANC.

Avantages des woofers et des tweeters séparés

Jusqu'à récemment, la conception de casques sans fil était moins difficile que la conception de haut-parleurs pleine taille connectés à des systèmes audio haut de gamme. Les utilisateurs acceptaient une qualité moindre de leurs écouteurs en échange du côté pratique, ce qui permettait aux concepteurs de développer plus facilement des produits à petit facteur de forme à un coût raisonnable. Par exemple, il était courant d'utiliser un circuit d'attaque pleine gamme à la place d'un woofer et d'un tweeter séparés, permettant des gains d'espace. La reproduction des plus hautes fréquences était potentiellement sacrifiée, mais cela ne posait guère de problème si ces fréquences étaient absentes du flux audio sans fil.

Cependant, avec l'avènement des codecs sans perte et des technologies à haut débit telles que Bluetooth LE Audio, le son sans fil offre désormais une gamme complète de fréquences graves et aiguës (Figure 3). La reproduction de ce son exige beaucoup plus des écouteurs. De plus, les consommateurs attendent l'annulation active du bruit, un son personnalisé, une réduction des effets d'occlusion et la possibilité de s'adapter à un large éventail de cas d'utilisation, y compris la musique, la télévision, les vidéoconférences et les appels vocaux, et ce, dans un facteur de forme très compact, et encore une fois à un coût raisonnable.

Figure 3 : Les codecs sans perte fournissent davantage d'informations hautes fréquences, ce qui permet une meilleure reproduction des aigus pendant la lecture de la musique dans des écouteurs conçus correctement. (Source de l'image : Knowles)

Nombre de ces exigences requièrent des compromis de conception. Par exemple, pour fournir une annulation active du bruit efficace en environnements bruyants tels que la cabine d'un avion, les circuits d'attaque de haut-parleur doivent produire des basses élevées avec une faible distorsion. Les conceptions semi-ouvertes qui tiennent compte de l'occlusion imposent des exigences supplémentaires à la sortie des basses. En même temps, la lecture audio sans perte exige que le circuit d'attaque de haut-parleur gère des sorties d'aigus jusqu'à 20 kilohertz (kHz) et plus. Il est pratiquement impossible de répondre à ces deux exigences avec un seul circuit d'attaque de haut-parleur dynamique dans un facteur de forme miniature.

La solution consiste à répartir les fréquences graves et aiguës entre un woofer dynamique et un tweeter à armatures équilibrées (BA) séparé. Le tweeter BA est un composant spécialisé, développé à l'origine pour les applications de prothèses auditives, qui est maintenant de plus en plus utilisé pour renforcer la réponse des aigus dans les écouteurs de haute qualité. Dans un tweeter BA, un signal électronique fait vibrer une minuscule lame qui est équilibrée entre deux aimants à l'intérieur d'un boîtier compact. Le mouvement de la lame est transmis à un diaphragme en aluminium très rigide qui produit le son.

Avec une configuration de woofer et de tweeter BA dédiée, le woofer peut être conçu pour cibler la production de graves puissants afin de prendre en charge la reproduction sans perte, l'annulation active du bruit et la réduction des effets d'occlusion, tandis que la sortie du tweeter BA est optimisée pour des aigus clairs et distincts. Cela réduit le besoin d'égalisation, permettant d'économiser de l'énergie et d'augmenter la marge dynamique (Figure 4).

Figure 4 : La séparation du système de haut-parleurs en un woofer dynamique (vert) et un tweeter BA (bleu) produit une réponse hybride à fréquence plate (rouge). (Source de l'image : Knowles)

La séparation des circuits d'attaque de haut-parleur présente un autre avantage : le concepteur dispose d'un plus grand degré de liberté dans la disposition des circuits d'attaque. Par exemple, le woofer peut être moins directement aligné avec l'extrémité de l'oreille, ce qui permet de positionner le tweeter BA près de l'ouverture de l'oreille afin de minimiser le volume d'air emprisonné entre le tweeter et l'extrémité de l'oreille, limitant ainsi les effets d'occlusion (Figure 5).

Figure 5 : La séparation du woofer et du tweeter dans les écouteurs permet de positionner le tweeter vers l'avant du dispositif, ce qui contribue à limiter les effets d'occlusion. (Source de l'image : Knowles)

De plus, la séparation des woofers et des tweeters permet aux concepteurs d'affiner la réponse en fréquence. Par exemple, ils peuvent façonner les fonctionnalités acoustiques près de l'ouverture du tweeter pour affiner la réponse haute fréquence. Les concepteurs peuvent ensuite ajuster le répartiteur pour que les signaux du woofer et du tweeter se mélangent harmonieusement. Les concepteurs peuvent également ajuster la sensibilité du tweeter pour obtenir une meilleure correspondance avec le woofer en sélectionnant une impédance de bobine plus ou moins élevée. La mise en forme finale de la réponse en fréquence globale de l'écouteur peut être réalisée à l'aide d'un réglage activé par traitement des signaux numériques (DSP).

De plus, étant donné que de nombreux circuits intégrés Bluetooth ont deux sorties, le woofer et le tweeter peuvent être commandés par des amplificateurs individuels, pour davantage de flexibilité dans la mise en forme de la réponse en fréquence.

Conception de référence pour audio sans fil haute qualité

Les ingénieurs habitués à utiliser un seul circuit d'attaque de haut-parleur dans leurs conceptions sans fil seront confrontés à la complexité supplémentaire engendrée par les woofers et tweeters séparés nécessaires pour reproduire un son de haute qualité. Cependant, la tendance est clairement à l'amélioration de la qualité des capacités audio. Il faut donc envisager une conception à deux circuits d'attaque pour une reproduction de qualité du streaming audio sans perte.

Pour aider les concepteurs à s'engager dans cette voie, Knowles, un fabricant de tweeters BA, propose la conception de référence d'écouteurs True Wireless Stereo TC-35030-000. La conception de référence réduit les délais de mise sur le marché des écouteurs TWS en incluant un grand nombre des fonctionnalités clés avancées exigées par les utilisateurs, ce qui élimine de nombreux problèmes de conception fréquents.

La conception de référence inclut un tweeter BA conçu par Knowles pour un son haute fréquence de bonne qualité, ainsi qu'un woofer dynamique de 10 millimètres (mm) pour des basses solides. L'unité comprend également des microphones MEMS (microsystèmes électromécaniques) pour l'annulation active du bruit et les appels vocaux. La conception de référence offre 13 heures de temps de lecture ou 8 heures d'autonomie en conversation grâce à sa batterie intégrée, et elle est compatible Bluetooth 5.2. Les fonctionnalités supplémentaires intégrées au kit incluent des commandes tactiles et une technologie d'assistant vocal intégrée (Figure 6).

Figure 6 : La conception de référence d'écouteurs TWS TC-35030-000 offre un tweeter BA pour un son haute fréquence de bonne qualité et un woofer dynamique de 10 mm pour des basses solides. (Source de l'image : Knowles)

Le tweeter BA fournit une réponse s'étendant bien au-delà de 20 kHz. Si l'on compare la sortie des aigus du produit Knowles à celle d'un haut-parleur dynamique de 8 mm typique, le tweeter BA fournit la sortie et l'extension des aigus nécessaires à un son de haute qualité, y compris la capacité de prendre en charge la personnalisation ou l'amélioration de l'audition (Figure 7).

Figure 7 : La réponse haute fréquence du tweeter BA de Knowles est comparée à celle d'un haut-parleur dynamique. (Source de l'image : Knowles)

Conclusion

Les avancées réalisées dans le domaine des codecs et des semi-conducteurs sans fil ont modifié le paysage des écouteurs. Les consommateurs attendent désormais de leurs dispositifs TWS intra-auriculaires des basses profondes, des aigus épurés et une large gamme dynamique. De plus, les utilisateurs veulent des fonctionnalités avancées telles que l'annulation active du bruit et le son personnalisé, et ils acceptent moins les effets tels que l'occlusion.

Pour mieux répondre aux exigences de réponse en fréquence des casques TWS, les concepteurs doivent passer à des conceptions à deux circuits d'attaque avec un tweeter et un woofer dédiés. Il s'agit certes d'un défi technique, mais la conception de référence d'écouteurs TWS TC-35030-000 de Knowles peut aider. Combinant un tweeter BA, un woofer et des microphones MEMS, elle offre une bonne base pour la conception d'écouteurs audio de haute qualité avec des fonctionnalités permettant de différencier clairement les produits.