作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

空間音頻與增強(qiáng)現(xiàn)實 (AR) 眼鏡的集成可創(chuàng)造身臨其境的交互式人類感官體驗，從而更好地彌合物理和數(shù)字鴻溝。但是，設(shè)計人員不僅需要確保音頻增強(qiáng) AR 眼鏡重量輕，而且還要在實際使用期間延長其續(xù)航時間。

智能 AR 眼鏡市場似乎正處于高速增長期，預(yù)計出貨量將從 2023 年的略多于 676,000 臺增至 2030 年的 1300 萬臺，復(fù)合年增長率為 53%。顯示質(zhì)量的提高、電池續(xù)航時間的延長以及整體性能的提升將使 AR 眼鏡在企業(yè)、工業(yè)和消費(fèi)者用例中更加實用。

帶有嵌入式麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的 AR 眼鏡可快速使用語音助手和音樂播放功能。這些功能可以成為在工廠車間利用數(shù)字孿生的關(guān)鍵因素，也可以為騎行者提供導(dǎo)航和表現(xiàn)提示。

高保真空間音頻可增強(qiáng)視覺交互的質(zhì)感、背景和意義，從而顯著提高用戶的 AR 體驗。但是，從 AR 眼鏡中獲得高性能的音頻極具挑戰(zhàn)性，因為要讓用戶認(rèn)可和滿意，就必須采用小巧的外形。此外，這些設(shè)備還需要重量輕并提供更長的電池續(xù)航時間，做到這一點(diǎn)頗具挑戰(zhàn)性，尤其是要在應(yīng)用中加入高質(zhì)量音頻、視頻錄制或視覺顯示等功能時。

除了處理能力和顯示分辨率方面的進(jìn)步，音頻和電源管理也將在創(chuàng)造成功應(yīng)用方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用，這些應(yīng)用將最大限度提高對這些設(shè)備的需求。需要克服的挑戰(zhàn)包括：

• 小揚(yáng)聲器往往具有較高的共振頻率，如果驅(qū)動力過大，可能會損壞揚(yáng)聲器，而且使其更難驅(qū)動低音。
• 在屏蔽環(huán)境噪音的同時拾取佩戴者聲音的無噪音通話質(zhì)量至關(guān)重要，但由于麥克風(fēng)與用戶嘴部之間的距離，這一問題變得非常復(fù)雜。
• 集成更多功能需要更優(yōu)的電池管理解決方案，以確保更快的充電速度和更長的運(yùn)行時間。重量、功能和運(yùn)行時間之間的權(quán)衡是市場能否廣泛接受的關(guān)鍵。
• 許多用例要求用戶聽清周圍環(huán)境聲音的能力不受妨礙，例如聽到迎面駛來的車輛或與同事的互動。

開放式音頻

設(shè)計人員如果希望以自然逼真的方式將視覺和聽覺信息結(jié)合起來，就應(yīng)該考慮采用開放式音頻技術(shù)。開放式音頻無需使用耳機(jī)或耳塞，用戶可以同時聽到 AR 聲音和現(xiàn)實世界的聲音，從而能夠獲得無縫的沉浸式體驗，而且還不會影響與其他用戶和環(huán)境的互動。

AR 眼鏡配有嵌入式麥克風(fēng)和開放式揚(yáng)聲器，非常適合 AR、虛擬現(xiàn)實 (VR) 和混合現(xiàn)實應(yīng)用。用戶可以在不影響音質(zhì)或保真度的情況下享受更舒適的聽覺體驗。這些設(shè)備可讓用戶聽清周圍環(huán)境的聲音，從而保持情景感知能力，確保安全，并與同事協(xié)作或與他人互動，同時還能最大限度降低其他人聽到音頻內(nèi)容的風(fēng)險或煩惱。

工程師可利用開放式音頻技術(shù)打造電子應(yīng)用，以自然的方式將視覺和聽覺信息結(jié)合在一起。采用這種技術(shù)的 AR 眼鏡通過提供空間音頻，為用戶提供似乎來自特定方向和距離的聲音，從而增加了另一層真實感。

空間音頻將是開放式音頻發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。空間音頻能創(chuàng)建逼真、身臨其境的聲音環(huán)境，與視覺內(nèi)容和用戶視角完美契合。例如，Apple 的 Vision Pro VR 設(shè)備就具有開放式音頻、空間音頻集成和 3D 耳朵映射功能，不僅能夠增強(qiáng)沉浸式體驗，而且無需外部耳機(jī)。

空間音頻可模擬聲波與用戶耳朵、頭部和身體的交互方式，以及與物理環(huán)境中的表面和物體的交互方式。除此之外，還可使用位置、方位、距離、速度和方向等元數(shù)據(jù)來動態(tài)調(diào)整聲音參數(shù)。基于用戶的動作和交互，這些參數(shù)包括音量、音調(diào)、音色和混響。

為 AR 眼鏡設(shè)計開放式音頻應(yīng)用需要深入了解該設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)、空間音頻設(shè)計的原則和最佳實踐，以及開發(fā)工具和框架。視頻顯示和視頻錄制非常耗電，因此效率至關(guān)重要。高品質(zhì)的聲音和吸引人的設(shè)計將在很大程度上影響用戶的接受程度，同時，設(shè)備充電還必須方便，并且在技術(shù)允許的情況下還要盡可能減少充電次數(shù)。

ADI 的開放式音頻 AR 眼鏡應(yīng)用平臺

[Analog Devices, Inc. (ADI)] 提供的 AR 眼鏡平臺包括集成音頻采集、播放、電池管理組件以及算法。這些組件和開發(fā)工具為設(shè)計人員構(gòu)建和測試開放式音頻 AR 眼鏡應(yīng)用提供了快速通道。

ADI 的音頻處理器編解碼器采用了公司的純語音 (Pure Voice) 處理算法，能夠在具有挑戰(zhàn)性的聲學(xué)環(huán)境中提高語音通話質(zhì)量，同時還有動態(tài)揚(yáng)聲器管理 (DSM?) 算法，可在空間受限的揚(yáng)聲器應(yīng)用中產(chǎn)生更響亮、更豐富的聲音。

• [ADAU1860] （圖 1）配備一個 HiFi 3z 音頻 DSP 內(nèi)核和一個低延遲 FastDSP 內(nèi)核，以及八個數(shù)字麥克風(fēng) (DMIC) 輸入通道、三個模擬輸入、一個模擬輸出和兩個脈沖密度調(diào)制 (PDM) 輸出通道。優(yōu)化模擬輸入和 DSP 內(nèi)核之間的路徑以實現(xiàn)低延遲是消除噪聲的理想選擇。

圖 1：ADI 的 ADAU1860 編解碼器集成了兩個 DSP、八個數(shù)字麥克風(fēng)輸入，以及三個模擬輸入等功能。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

• [ADAU1797] 是一款低功耗、高性能的編解碼器，還集成了 HiFi 3z 音頻 DSP 內(nèi)核和低延遲 FastDSP 內(nèi)核，以及三個模擬輸入通道、10 個 DMIC 輸入通道、兩個 PDM 輸出通道和一個高效 D 類放大器輸出通道。在低功耗模式下，DSP 內(nèi)核針對開放式音頻 AR 眼鏡等小尺寸應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。在高性能模式下，HiFi 3z 內(nèi)核的頻率從 50 MHz 提升至 200 MHz，F(xiàn)astDSP 支持的指令數(shù)翻了一番，從 64 增加至 128。其更強(qiáng)的處理能力可用于卸載主機(jī)處理器的處理周期，也使得使用成本更低的主機(jī)處理器成為可能，而且無需額外的外部音頻 DSP 或 MCU。
• ADI 為所有這些編解碼器提供了評估板。[EVAL-ADAU1797Z] （圖 2）采用 8 層設(shè)計，內(nèi)層為接地層和電源層，可由 3.8 V 至 5 V 的單電源供電。[EVAL-ADAU1860EBZ] 采用 4 層設(shè)計，內(nèi)層也是接地層和電源層，可由 USB 總線或 5 V 單電源供電。

圖 2：EVAL-ADAU1797Z 評估板可全面訪問 ADAU1797 上的所有模擬和數(shù)字輸入/輸出。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

ADI 的智能音頻放大器集成了電流和電壓感測 (IV) 反饋以及揚(yáng)聲器管理算法，能夠在空間受限的外形尺寸下最大限度提高性能。

• [MAX98388] 是一款 D 類單聲道數(shù)字輸入放大器，專為 AR/VR 和智能眼鏡應(yīng)用而設(shè)計。該放大器具有用于智能放大器功能的 IV 反饋，并能將 DSM 處理卸載至音頻編解碼器。針對 5.5 V 以下的應(yīng)用（單電池）進(jìn)行了優(yōu)化，效率高達(dá) 90%。
• 最近推出的 [MAX98390] 是一款集成 DSM 的升壓型 D 類放大器，能夠提高響度 (SPL) 和低音響應(yīng)，從而能夠在最大限度提高效率的同時，提升微型揚(yáng)聲器的音頻質(zhì)量。集成的升壓轉(zhuǎn)換器和 FET 縮放以及 DSM 可延長電池的續(xù)航時間。最大升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓可以 0.125 V 的增量編程為 6.5 V 至 10 V，電池電壓可低至 2.65 V。[MAX98390CEVSYS#] （圖 3）包括 ADI 的 DSM Sound Studio GUI，可簡化使用 [MAX98390CEWX+T] 的應(yīng)用的設(shè)計和 DSM 實現(xiàn)。

圖 3：MAX98390CEVSYS# 評估系統(tǒng)包括 DSM Sound Studio 軟件，該軟件具有功能強(qiáng)大的 GUI，用于提取、調(diào)諧和評估 MAX98390C 放大器。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

功率是 AR 眼鏡的一個關(guān)鍵設(shè)計因素。與典型的耳機(jī)管理相比，開放式音頻揚(yáng)聲器需要更高的功率，ADI 提供了幾款高效的電源管理 IC，供設(shè)計人員在其應(yīng)用中使用：

• ADI 的 [MAX77654] 系列電源管理集成電路 (PMIC) 提供高度集成的電池充電和供電解決方案。采用單電感器多路輸出 (SIMO) 穩(wěn)壓器，可通過單電感器提供三個獨(dú)立的可編程電源軌，從而能夠最大限度縮小解決方案的尺寸。Smart Power Selector? 鋰離子/鋰聚合物充電器可提供 7.5 mA 至 300 mA 的可編程充電電流，以及 3.6 V 至 4.6 V 的可編程充電電壓，并具有電池溫度監(jiān)測功能，確保充電安全。該充電器集成了兩個 100 mA 低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO)，能夠為音頻和其他對噪聲敏感的應(yīng)用提供紋波抑制。
• [MAX77659] PMIC 配備雙輸入 SIMO 降壓-升壓穩(wěn)壓器，可從單個電感器和一個用于紋波抑制的 LDO 提供一個充電軌和三個獨(dú)立的可編程電源軌。
• ADI 的 [MAX77972] 是一款三合一組合芯片，包括 USB-C 檢測裝置、一個 3 A 降壓充電器和一個電量計。支持 USB On-The-Go (OTG) 反向升壓，并包括一個 Smart Power Selector? (SPS)。電量計采用 ModelGauge? m5 算法，該算法不僅能自動補(bǔ)償電池老化、溫度和放電率，而且還能在各種工作條件下提供準(zhǔn)確的充電狀態(tài) (SOC)。USB Type-C 配置通道 (CC) 檢測引腳使得自動 USB Type-C 電源檢測和輸入電流限制配置成為可能。
• [MAX17301] 是一款獨(dú)立的電池側(cè)電量計 IC。其可為單電芯鋰離子/鋰聚合物電池提供保護(hù)、可選配的電池內(nèi)部自放電檢測裝置和可選配的 SHA-256 驗證裝置。Maxim 單線或雙線 I^2^C 接口可用于訪問數(shù)據(jù)和控制寄存器。
• ADI 的 [MAX17332]是一款單芯片電池管理解決方案，包括線性充電器、電量計、電池保護(hù)裝置和自放電檢測裝置。該方案不僅能平衡混合電池容量并提供快充功能，而且還能為并聯(lián)電池獨(dú)立充電，從而防止交叉充電。

結(jié)語

音頻一直是實現(xiàn) AR 應(yīng)用潛力的一個主要限制因素，因為這些應(yīng)用通常側(cè)重于視覺。輕巧、時尚且穿戴舒適的 AR 眼鏡能夠支持多種用例，而開放式音頻則為 AR 眼鏡充分發(fā)揮潛力創(chuàng)造了機(jī)會。為了打造完整的解決方案，ADI 組建了一個由組件、工具和軟件組成的平臺。

審核編輯 黃宇