Nizkoenergijski prenos zvoka s protokolom Bluetooth (LE Audio – Low Energy Audio) utegne bistveno spremeniti našo zvočno izkušnjo, od »tihega diska« do boljših slušnih aparatov. Zaradi tega razvoja je mogoče pričakovati zelo raznolike nove načine uporabe in izdelke ter nove trge v svetu zvočnih naprav.
Rutronik GmbH
Avtor: Julian Clauß
Tehnologija Bluetooth se razvija od že 90. let prejšnjega stoletja in za prenos podatkov uporablja do 80 kanalov v frekvenčnem pasu 2,4 GHz za prosto uporabo. Klasični Bluetooth podpira za prenos zvoka le komunikacijo med dvema točkama.
Odločilna novost je Bluetooth Low Energy (LE), ki je pri večini načinov uporabe že nadomestil klasični Bluetooth. Brezžično pretakanje zvoka, npr. za brezžične slušalke, zvočnike ali sisteme za zabavo v vozilih, je zdaj zadnji branik klasičnih vmesnikov Bluetooth (slika 1).
Tudi Bluetooth LE uporablja frekvenčni pas 2,4 GHz, vendar pa je (kot pove že ime) zasnovan za zelo varčno delovanje. Poleg komunikacije med dvema točkama omogoča tudi topologiji za oddajanje in prenos po mreži, kar postavlja temelje za obsežna ter hitra omrežja naprav. Uporabljati ga je mogoče tudi za določanje položaja naprav, tako da dobro dopolnjuje tehnologijo GPS v zaprtih prostorih.
Poudarek na zvoku
Poudarek najnovejšega standarda je jasen: to je Bluetooth Audio. Prva različica temelji na klasičnem standardu Bluetooth. Ima pa omejen nabor funkcij in možnosti uporabe. Druga različica, Bluetooth LE Audio, omogoča bolj prilagodljivo obdelavo zvočnih signalov. To je nov korak v evoluciji obstoječih načinov uporabe, kot so slušalke in slušni aparati, ter poganja nove načine uporabe in trge.
Tehnologija LE Audio temelji na vmesniku Bluetooth LE in energetsko varčnem komunikacijskem kodeku nizke kompleksnosti (Low Complexity Communications Codec – LC3), ki ga je razvil Inštitut Fraunhofer, in združuje višjo kakovost zvoka kot klasični Bluetooth z majhnimi hitrostmi prenosa podatkov. To zagotavlja veliko prilagodljivost za razvijalce (slika 2). Poleg tega je mogoče bolje uskladiti različne lastnosti izdelka, saj lahko s prihranjeno energijo na primer podaljšate čas delovanja baterije ali pa uporabite manjšo baterijo.
LE Audio ponuja zanimive funkcije: »Multi-Stream Audio« omogoča sinhrono predvajanje več neodvisnih zvočnih tokov med napravo zvočnega vira in eno ali več napravami za sprejem zvoka (funkcija ponora zvoka). To bistveno izboljša njeno zmogljivost, na primer boljši stereozvok z brezžičnimi slušalkami. Uporabniki lahko zdaj tudi nemoteno preklapljajo med različnimi jezikovnimi pomočniki in viri zvoka.
Funkcija »Auracast« omogoča pošiljanje enega ali več zvočnih tokov iz enega ali več zvočnih virov v več ciljnih zvočnih naprav. Za razliko od funkcije »Multi Stream« je tukaj število ciljnih zvočnih naprav neomejeno. To odpira povsem nove načine uporabe za skupne zvočne izkušnje.
Če oddajnik Auracast, kot so televizor, pametni telefon, prenosnik ali podobno, začne oddajo, vsebuje ta enega ali več zvočnih tokov (npr. levi in desni stereo tok) in pa objavo z informacijami o oddaji, kot so ime, vsebina ter konfiguracija kodeka. Ustrezni pripomočki, na primer pametni telefoni in ure ali slušni aparati, ki podpirajo Auracast, poiščejo omenjeno objavo. Uporabniki lahko nato v svojem uporabniškem vmesniku izberejo prenos, kot bi se povezali z omrežjem WiFi. Ko je oddaja izbrana, pomočnik Auracast prejemniku (npr. naglavne ali ušesne slušalke) zagotovi informacije, ki jih potrebuje za pridružitev oddaji.
Z osebno skupno rabo zvoka lahko tako delimo glasbo ali podkaste iz svojega pametnega telefona z družino ali prijatelji v dosegu vmesnika Bluetooth. Na javnih površinah, na primer na letališčih ali železniških postajah in barih, fitnesih, kinih ali konferenčnih središčih, je mogoče zvok Bluetooth odpreti za vse in tako posredovati informacije ali glasbo svojim obiskovalcem. Ljudje lahko tako hkrati uživajo v isti glasbi – posebno zanimivi ideji sta na primer »tih« koncert ali diskoteka. Prav tako je mogoče uporabiti lastne ušesne slušalke ali slušne aparate za sprejemanje zvoka utišanega televizorja, na primer v fitnesu ali čakalnici, poslušanje predstavitve na konferenci, predavanja, maše, vodenja po muzeju ali poslušanje obvestil na letališču. Ker je mogoče vzporedno pošiljati več zvočnih tokov, so lahko oddaje npr. tudi večjezične. To je še posebej zanimivo za predavanja, konference ali obvestila na letališčih.
Primer uporabe za slušni aparat
LE Audio prinaša ljudem, ki uporabljajo slušni aparat (Assistive Listening System – ALS), bistvene izboljšave. To ni le občutno boljša kakovost zvoka kot pri klasičnih slušnih aparatih, ampak lahko svoje slušne aparate, ki podpirajo funkcijo Auracast, uporabljajo tudi kot brezžične slušalke, npr. za telefoniranje s pametnim telefonom. To pomeni, da ne prihaja do motenj med pogovorom, do katerih pogosto pride, ko telefon držimo ob ušesu poleg slušnega aparata. Za to zadostuje že preprosta topologija (slika 3, levo).
Povezava med telefonom in slušnim aparatom se vzpostavi z zvočnim tokom, ki omogoča tudi povratni prenos. Za povratni prenos lahko uporabnik uporabi mikrofon slušnega aparata ali telefona. Ker se smeri zvočnega toka konfigurirata in krmilita ločeno, je obe mogoče ločeno vklopiti ter izklopiti.
S topologijo na sliki 3 desno telefon pošlje svoj levi in desni zvočni tok v slušni aparat v desnem oziroma levem ušesu. V primerjavi s povezavo z ločenima zvočnima tokoma, ki z drugo brezžično povezavo zagotavlja zvok za drugo uho, se zakasnitev znatno skrajša. To najbolj vidimo pri uskladitvi slike in zvoka pri predvajanju filmov ali glasbenih videov.
Tudi povratne tokove je mogoče izvesti ločeno, kar ne poveča kompleksnosti. Ti vzporedni sinhronizirani tokovi v dve neodvisni zvočni napravi daleč presegajo zmožnosti klasičnih zvočnih profilov Bluetooth.
Strojna oprema za nove izkušnje poslušanja
Standard LE Audio sicer temelji na Bluetooth LE, vendar pa potrebuje lastno strojno opremo. Podjetje Nordic Semiconductor ponuja nRF5340, sistem na integriranem vezju (System-on-Chip – SoC) vse-v-enem, ki je s svojim dvojedrnim procesorjem (aplikacijski procesor ARM Cortex-M33 na 128/64 MHz z 1 MB Flash pomnilnika in 512 kB RAM pomnilnika in omrežni procesor ARM Cortex-M33 na 64 MHz z 256 kB Flash pomnilnika in 64 kB RAM pomnilnika) ter razširjenim temperaturnim območjem od –40 do 105 °C idealen za zvočne naprave z vmesnikom Bluetooth LE.
Za lažji začetek razvoja so v podjetju Nordic pripravili razvojni komplet nRF5340 Audio Development Kit (DK), ki podpira vse funkcije Auracast in ga je mogoče konfigurirati. Kot ključ USB lahko pošilja ali sprejema zvočne podatke iz osebnega računalnika, lahko pa ga uporabljate tudi kot poslovno slušalko ali prave brezžične stereo slušalke (True Wireless Stereo – TWS). Komplet Audio DK je v glavnem sestavljen iz SoC nRF5340 SoC, integriranega vezja za upravljanje napajanja nPM1100 in zvočnega DSP (digitalni signalni procesor) CS47L63 podjetja Cirrus Logic, ki je optimiziran za neposredno priključitev na zunanje slušalke ter je kot nalašč za slušalke s samo mono izhodom in neposrednim izhodom za zvočnike.
Prav tako na podlagi SoC nRF5340 so v podjetju Nordic s podporo podjetja Rutronik razvili Thingy:53. Platforma za izdelavo prototipov z več tipali in funkcijami za povezave kratkega dosega z različnimi protokoli skrajša čas razvoja vgrajenih aplikacij s strojnim učenjem (Machine Learning – ML). Sistem Thingy:53 je opremljen z več tipali premikanja in vrednosti v okolju, integriranim vezjem za upravljanje napajanja nPM1100, sprejemno-oddajno enoto (Front End Module) nRF21540, močnostnim ter nizkošumnim ojačevalnikom in litij-polimerno baterijo s kapaciteto 1350 mAh. To omogoča izvajanje vgrajenih modelov ML neposredno v napravi, npr. za prepoznavanje govora. nRF5340 je mogoče prebuditi iz pripravljenosti z določenimi premiki ali zvoki, tako da lahko platforma dolgo ostane v načinu mirovanja in tako varčuje z energijo.
Ponudba izdelkov Rutronik vključuje tudi enote, ki temeljijo na integriranem vezju Nordic nRF5340. ISP2053 podjetja Insight SiP na primer uporablja pristop integriranega sistema (SiP), ki združuje polprevodniške in pasivne komponente, vključno z anteno, v miniaturizirano enoto, ki meri samo 8 × 8 × 1 mm. Zaradi tega je idealna za načine uporabe, kjer je na voljo le malo prostora. Enota ima vse potrebne certifikate in poleg zvoka Bluetooth podpira tudi vse ostale profile Bluetooth: LE, Long Range, Mesh, NFC, poleg tega pa še Thread, ZigBee ter določanje smeri na podlagi kotov sprejema in oddaje (Angle of Arrival – AoA in Angle of Departure – AoD). Od različice Bluetooth 5.0 naprej imajo vse enote SiP podjetja Insight združljive priključke, kar olajša prehod na najnovejšo generacijo vmesnika Bluetooth.
Če ne potrebujete kompaktne zasnove enote SiP podjetja Insight, je cenovno zelo privlačna alternativa MS45SF1 podjetja Minew. Kot uradni licenčni partner podjetja Nordic tudi podjetje Minew v sistemu MS45SF1 uporablja SoC nRF5340. Enota ima v tiskanem vezju izvedeno anteno in ima prav tako vse potrebne certifikate.
Zaključek
Standard Bluetooth LE Audio kaže pot v nov, popolnoma povezan, svet zvočnih naprav, kot so naglavne in ušesne slušalke ter slušni aparati, ki jih bo mogoče povezati s pametnimi telefoni, prenosniki, televizorji itd. Uvedba privzete podpore za standard LE Audio v sistemu Android 13 bo zagotovo okrepila zanimanje proizvajalcev zvočnih naprav za novo različico standarda Bluetooth. Združenje Bluetooth SIG v svoji objavi »Bluetooth Market Update 2022« pričakuje bistveno pospešitev prodaje naglavnih in ušesnih slušalk zaradi tehnologije LE Audio ter napoveduje, da bo do leta 2026 prodanih več kot 600 milijonov naprav. Ne nazadnje bo standard Bluetooth LE Audio močno spremenil tudi dosedanji trg slušnih aparatov in sorodnih naprav. Novosti zagotavljajo dostop do cenovno ugodne strojne opreme z možnostjo prilagajanja frekvenčne karakteristike (izenačevanje) in popravke faze. Upravljanje je povsem preprosto in izvedljivo z mobilno aplikacijo.
Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
https://www.rutronik.com
