Cómo implementar rápidamente un diseño de auriculares TWS de alta calidad con un tweeter y un woofer dedicados

En los primeros tiempos de la transmisión de audio, las velocidades de datos inalámbricos eran limitadas, y los usuarios aceptaban una pérdida de fidelidad como precio por la comodidad de tener miles de melodías digitales en el bolsillo. Pero con la introducción de la tecnología inalámbrica que admite un mayor rendimiento inalámbrico y algoritmos de compresión mejorados, los consumidores se han vuelto más exigentes. Esto significa que los diseñadores deben ofrecer ahora auriculares de audio verdaderamente inalámbricos (TWS) para satisfacer las expectativas de los consumidores. Los auriculares TWS prometen reproducir el sonido con mayor precisión en todo el espectro de audio, especialmente en las frecuencias más altas que suelen perderse en los diseños más antiguos.

Sin embargo, la calidad del sonido es solo un aspecto de la reproducción de audio inalámbrica moderna. En un mercado competitivo, los desarrolladores de auriculares deben examinar detenidamente lo que quieren los consumidores y utilizar esa información para ofrecer una diferenciación del producto final lo más eficaz y rentable posible. Por ejemplo, los consumidores también quieren una cancelación activa del ruido (ANC) eficaz y la mitigación de los efectos de oclusión para poder disfrutar mejor de su experiencia auditiva. En el caso de los oyentes de mayor edad, la compensación automática (personalización de la audición) de la pérdida auditiva natural en las frecuencias más altas también es cada vez más demandada.

Satisfacer estas demandas requiere un enfoque revisado con diseños que separan los woofers para los graves y los tweeters para los agudos. Esto va más allá del conjunto de habilidades de muchos equipos de desarrollo, lo que resulta en plazos de comercialización prolongados y oportunidades potencialmente perdidas mientras contratan o desarrollan la experiencia.

Este artículo resume los desarrollos que impulsan el audio inalámbrico comercial y su impacto en el diseño de hardware y software de los auriculares. A continuación, el artículo presenta un diseño de referencia para los auriculares TWS y muestra cómo los diseñadores pueden utilizarlo para sacar rápidamente al mercado soluciones de auriculares que permitan unas características diferenciadas, al tiempo que reproducen con precisión los potentes graves y los amplios agudos que ahora capta el moderno software de compresión de audio.

Avances en el sonido digital

En el mundo real, el sonido es una señal analógica, pero nuestros equipos de grabación y reproducción trabajan principalmente con señales digitales. El sonido se digitaliza mediante un convertidor analógico-digital (ADC) alimentado por un algoritmo de codificación/decodificación ("códec") que gobierna la frecuencia de muestreo en Hertz (Hz) y la profundidad de bits (bits). El muestreo captura la amplitud de la forma de onda analógica del sonido en intervalos específicos.

La frecuencia de muestreo es un compromiso. Las tasas más bajas dan lugar a menos datos que manejar, pero a una menor resolución. La profundidad de bits es el número de bits de información en cada muestra; de nuevo, se requiere un compromiso entre el número de bits y la calidad de audio. Las profundidades de bits más comunes son 16, 24 y 32 bits (Figura 1).

Figura 1: El sonido analógico se digitaliza mediante el muestreo a una frecuencia y una tasa de bits determinadas. El aumento de la frecuencia de muestreo y la profundidad de bits garantiza que la información digitalizada refleje mejor la señal analógica y mejore la calidad de la reproducción. (Fuente de la imagen: Knowles)

La tasa de muestreo × la profundidad de bits × el número de canales determina la tasa de bits en bits por segundo (bps). Para que la calidad de la música sea aceptable, la tasa de bits suele ser superior a 192 kilobits por segundo (kbps). La calidad del CD, por ejemplo, se basa en una frecuencia de muestreo de 44,1 kilohercios (kHz) y una profundidad de bits de 16 bits. Para la reproducción en estéreo, la tasa de bits es, por tanto, de 1,411 megabits por segundo (Mbps).

Los códecs convencionales suelen utilizar técnicas de compresión que descartan información durante la codificación que se ha determinado que no afectará demasiado a la forma en que el oyente percibe el flujo de audio decodificado. El objetivo es reducir al máximo la tasa de bits sin comprometer la calidad del audio. Estos códecs se denominan "con pérdidas" porque el descodificador nunca puede reproducir la señal original, ya que no dispone de toda la información original. Normalmente son las frecuencias más altas (agudos) las que se eliminan con los códecs con pérdidas.

Gracias a los avances en radio de baja potencia y corto alcance, los enlaces inalámbricos pueden soportar un mayor rendimiento sin comprometer la duración de la batería. Por ejemplo, Bluetooth LE Audio, una forma de transmisión inalámbrica basada en Bluetooth LE recientemente lanzada, ofrece ahora una calidad de audio mucho mayor que la de Bluetooth Audio clásico y un menor consumo de energía.

Los ingenieros también han mejorado la eficacia de sus códecs. Estos nuevos códecs "sin pérdidas", combinados con una conectividad inalámbrica de mayor rendimiento, han permitido un audio inalámbrico mucho más alto (Tabla 1). Los servicios de audio de empresas como Apple, Amazon y Spotify ofrecen ahora una transmisión de audio de alta calidad sin pérdidas. Sin embargo, el diseñador debe tener en cuenta que la tasa de bits codificada para los códecs sin pérdidas suele ser superior a la que el enlace inalámbrico puede soportar de forma fiable. Por ejemplo, el códec LDAC de Sony codifica a una velocidad de bits de 6.1 Mbps (32 x 96 x 2), pero la velocidad de bits del enlace inalámbrico está limitada a 990 kbps.

Tabla 1: Comparación de códecs "sin pérdidas" (Sony, Savitech y Qualcomm) con calidad de CD y códecs con pérdidas (Qualcomm y Bluetooth SIG (SBC)). Ten en cuenta que la tasa de bits máxima de los códecs sin pérdidas está limitada por la capacidad del enlace inalámbrico Bluetooth. (Fuente de la imagen: Knowles)

ANC y sonido personalizado

Las expectativas de los consumidores respecto a los auriculares TWS van más allá de un sonido superior. Los productos de gama alta también deben ofrecer ANC y otras funciones. El ANC es popular porque ofrece a los usuarios una experiencia auditiva de calidad cuando hay un alto nivel de ruido de fondo, como en la cabina de un avión. El ANC funciona con micrófonos integrados en los auriculares que captan el ruido de baja frecuencia y lo cancelan antes de que el usuario sea consciente de su existencia. La cancelación se produce cuando el auricular genera un sonido secundario invertido en 180˚, respecto al ruido original.

Otra mejora clave que ofrecen ahora los auriculares inalámbricos es el sonido personalizado. Los usuarios con discapacidades auditivas de nacimiento, o que se desarrollan con la edad, pueden tener especial dificultad para oír las frecuencias más altas (Figura 2). Existen aplicaciones para teléfonos inteligentes y otras herramientas que permiten al usuario aumentar frecuencias específicas para compensar la pérdida de audición, pero suelen ser rudimentarias y ofrecer resultados pobres. Pero ahora, los productos de alta calidad van más allá con algoritmos que fijan los niveles de audición en toda la gama de frecuencias sometiendo al usuario a una prueba auditiva detallada. El resultado son unos auriculares con salidas perfectamente ajustadas para compensar las deficiencias auditivas.

Figura 2: A medida que los usuarios envejecen, pierden gradualmente la capacidad de oír las frecuencias más altas. El sonido personalizado aumenta las frecuencias seleccionadas para compensar la pérdida de sensibilidad auditiva. (Fuente de la imagen: Knowles)

Un último avance técnico en los auriculares modernos es la reducción de la oclusión. Los efectos de oclusión se producen cuando un auricular sella la parte exterior del canal auditivo. Este es un problema común con los productos que están diseñados para ajustarse relativamente a la oreja. El tapón aumenta efectivamente la "impedancia" acústica del canal auditivo, lo que a su vez aumenta la amplitud de la presión acústica, especialmente cuando el oído está sometido a sonidos de baja frecuencia generados por el usuario (ejemplos: hablar, caminar y tragar). El resultado es un "boom" de eco en el oído que es molesto y distrae.

Los fabricantes de auriculares han trabajado para reducir los efectos de la oclusión mediante el diseño mecánico, como la adición de una pequeña abertura entre el auricular y el canal auditivo para reducir la impedancia acústica, así como mediante el diseño del software, como la inclusión de la reducción de la oclusión en las rutinas de ANC.

Las ventajas de los woofers y tweeters separados

Hasta hace poco, el diseño de auriculares inalámbricos suponía un reto menor en comparación con el diseño de altavoces de tamaño normal conectados a sistemas de sonido para audiófilos de alta gama. Los usuarios aceptaron una menor calidad en sus auriculares como precio por la comodidad, y eso facilitó a los diseñadores el desarrollo de productos en un factor de forma pequeño a un costo razonable. Por ejemplo, era habitual utilizar un controlador de rango completo en lugar de un woofer y un tweeter por separado, lo que ahorraba espacio. La reproducción de las frecuencias más altas se vio potencialmente sacrificada, pero esto apenas supuso un problema cuando esas frecuencias estaban ausentes del flujo de audio inalámbrico.

Sin embargo, con la llegada de códecs sin pérdidas y tecnologías de alto rendimiento como Bluetooth LE Audio, el audio inalámbrico ofrece ahora una gama completa de frecuencias graves y agudas (Figura 3). La reproducción de este audio exige mucho más de los auriculares. Además, los consumidores esperan ANC, sonido personalizado, reducción de los efectos de oclusión y adecuación a una amplia gama de casos de uso, como la música, la televisión, las videoconferencias y las llamadas de voz, todo ello en un factor de forma muy compacto y, de nuevo, a un costo razonable.

Figura 3: Los códecs sin pérdidas proporcionan más información de alta frecuencia, lo que permite reproducir mejor los tonos agudos durante la reproducción de música en unos auriculares adecuadamente diseñados. (Fuente de la imagen: Knowles)

Muchos de estos requisitos exigen compromisos de diseño. Por ejemplo, para ofrecer un ANC eficaz en entornos ruidosos, como la cabina de un avión, los controladores de los altavoces deben producir una alta salida de graves con una baja distorsión. Los diseños semiabiertos que abordan la oclusión exigen aún más la salida de los graves. Al mismo tiempo, la reproducción de audio sin pérdidas requiere que el controlador del altavoz maneje salidas de agudos de hasta 20 kilohercios (kHz) y más. Cumplir ambos requisitos con un único altavoz dinámico en un formato diminuto es prácticamente imposible.

La solución es dividir las frecuencias graves y agudas entre un woofer dinámico y un tweeter de armadura equilibrada (BA) independiente. El tweeter BA es un componente especializado que se desarrolló originalmente para aplicaciones de audífonos y que ahora se utiliza cada vez más para aumentar la respuesta de los agudos en los auriculares de alta calidad. En un tweeter BA, una señal electrónica hace vibrar una diminuta lengüeta que está equilibrada entre dos imanes dentro de una caja compacta. El movimiento de la lengüeta se transfiere a un diafragma de aluminio muy rígido que produce el sonido.

Con una configuración dedicada de woofer y tweeter BA, el woofer puede diseñarse para centrarse en proporcionar unos graves potentes que apoyen la reproducción sin pérdidas, el ANC y la reducción de los efectos de oclusión, mientras que la salida del tweeter BA se optimiza para obtener unos agudos claros y nítidos. Esto reduce la necesidad de ecualización, lo que a su vez ahorra energía y aumenta el margen dinámico (Figura 4).

Figura 4: La separación del sistema de altavoces en un woofer dinámico (verde) y un tweeter BA (azul) produce una respuesta "híbrida" de frecuencia plana (rojo). (Fuente de la imagen: Knowles)

La separación de los transductores de los altavoces ofrece otra ventaja: el diseñador tiene un mayor grado de libertad en la disposición de los transductores. Por ejemplo, el woofer puede estar menos alineado con la punta de la oreja, lo que permite colocar el tweeter BA cerca de la abertura de la oreja para minimizar el volumen de aire atrapado entre el tweeter y la punta de la oreja, limitando los efectos de oclusión (Figura 5).

Figura 5: La separación del woofer y el tweeter en los auriculares permite colocar el tweeter hacia la parte delantera del dispositivo, lo que ayuda a limitar los efectos de oclusión. (Fuente de la imagen: Knowles)

Además, la separación de woofers y tweeters permite a los diseñadores afinar la respuesta en frecuencia. Por ejemplo, pueden dar forma a las características acústicas cerca de la abertura del tweeter para refinar la respuesta de alta frecuencia. A continuación, los diseñadores pueden ajustar el crossover para que las señales del woofer y del tweeter se mezclen sin problemas. Los diseñadores también pueden ajustar la sensibilidad del tweeter para conseguir una mejor adaptación al woofer seleccionando una impedancia de bobina mayor o menor. El ajuste final de la respuesta de frecuencia global de los auriculares puede realizarse mediante el procesamiento digital de la señal (DSP).

Además, como muchos circuitos integrados Bluetooth tienen dos salidas, el woofer y el tweeter pueden ser accionados por amplificadores individuales para tener aún más flexibilidad en la configuración de la respuesta en frecuencia.

Diseño de referencia de audio inalámbrico de alta calidad

Los ingenieros acostumbrados a un único controlador de altavoz en sus diseños inalámbricos se verán desafiados por la complejidad adicional que supone el woofer y los tweeters separados necesarios para reproducir audio de alta calidad. Sin embargo, la tendencia es claramente hacia capacidades de audio de mayor calidad, por lo que debe considerarse un camino hacia un diseño de doble conductor para la reproducción de calidad de la transmisión de audio sin pérdidas.

Para ayudar a los diseñadores a avanzar en esta dirección, Knowles, fabricante de tweeter de BA, ha presentado el diseño de referencia de los auriculares True Wireless Stereo TC-35030-000. El diseño de referencia acorta el tiempo de comercialización de los auriculares TWS al incluir muchas de las características avanzadas clave que demandan los usuarios, eliminando así muchos de los retos de diseño habituales.

El diseño de referencia incluye el diseño propio de Knowles de un tweeter BA para un buen sonido de alta frecuencia, junto con un woofer dinámico de 10 milímetros (mm) para unos graves sólidos. La unidad también incluye micrófonos de sistemas microelectromecánicos (MEMS) para ANC y llamadas de voz. El diseño de referencia ofrece 13 horas (h) de tiempo de reproducción u 8 h. de tiempo de conversación con su batería integrada, y es compatible con Bluetooth 5.2. Entre las características adicionales incorporadas al kit se encuentran los controles táctiles y la tecnología de asistente de voz integrada (Figura 6).

Figura 6: El diseño de referencia de los auriculares TC-35030-000 TWS cuenta con un tweeter BA para un buen sonido de alta frecuencia y un woofer dinámico de 10 mm para unos graves sólidos. (Fuente de la imagen: Knowles)

El tweeter BA proporciona una respuesta que se extiende por encima de los 20 kHz. Si se compara la salida de agudos del producto Knowles con la de un típico altavoz dinámico de 8 mm, el tweeter BA proporciona la mayor salida de agudos y la extensión necesaria para un audio de alta calidad, incluyendo la capacidad de soportar la personalización o mejora de la audición (Figura 7).

Figura 7: Se muestra la respuesta de alta frecuencia del tweeter BA de Knowles comparada con la de un altavoz dinámico. (Fuente de la figura: Knowles)

Conclusión:

Los avances en semiconductores y códecs inalámbricos han cambiado el panorama de los auriculares. Los consumidores esperan ahora unos graves profundos, unos agudos refinados y un amplio rango dinámico de sus dispositivos TWS de oído. Además, los usuarios esperan funciones avanzadas como el ANC y el sonido personalizado y aceptan menos los efectos como la oclusión.

Para satisfacer mejor los requisitos de respuesta en frecuencia de los auriculares TWS, los diseñadores deben pasar a diseños de doble conductor con un tweeter y un woofer dedicados. Aunque hacerlo es un reto técnico, el diseño de referencia de los auriculares TWS TC-35030-000 de Knowles puede ayudar. Al combinar un tweeter BA, un woofer y micrófonos MEMS, ofrece una buena base para el diseño de auriculares de audio de alta calidad con características que permiten una clara diferenciación del producto.