ADI 平台提供用于开发开放式声学 AR 眼镜的组件和工具

空间音频与增强现实 (AR) 眼镜的集成可创造身临其境的交互式人类感官体验，从而更好地弥合物理和数字鸿沟。但是，设计人员不仅需要确保音频增强 AR 眼镜重量轻，而且还要在实际使用期间延长其续航时间。

智能 AR 眼镜市场似乎正处于高速增长期，预计出货量将从 2023 年的略多于 676,000 台增至 2030 年的 1300 万台，复合年增长率为 53%。显示质量的提高、电池续航时间的延长以及整体性能的提升将使 AR 眼镜在企业、工业和消费者用例中更加实用。

带有嵌入式麦克风和扬声器的 AR 眼镜可快速使用语音助手和音乐播放功能。这些功能可以成为在工厂车间利用数字孪生的关键因素，也可以为骑行者提供导航和表现提示。

高保真空间音频可增强视觉交互的质感、背景和意义，从而显著提高用户的 AR 体验。但是，从 AR 眼镜中获得高性能的音频极具挑战性，因为要让用户认可和满意，就必须采用小巧的外形。此外，这些设备还需要重量轻并提供更长的电池续航时间，做到这一点颇具挑战性，尤其是要在应用中加入高质量音频、视频录制或视觉显示等功能时。

除了处理能力和显示分辨率方面的进步，音频和电源管理也将在创造成功应用方面发挥至关重要的作用，这些应用将最大限度提高对这些设备的需求。需要克服的挑战包括：

• 小扬声器往往具有较高的共振频率，如果驱动力过大，可能会损坏扬声器，而且使其更难驱动低音。
• 在屏蔽环境噪音的同时拾取佩戴者声音的无噪音通话质量至关重要，但由于麦克风与用户嘴部之间的距离，这一问题变得非常复杂。
• 集成更多功能需要更优的电池管理解决方案，以确保更快的充电速度和更长的运行时间。重量、功能和运行时间之间的权衡是市场能否广泛接受的关键。
• 许多用例要求用户听清周围环境声音的能力不受妨碍，例如听到迎面驶来的车辆或与同事的互动。

开放式音频

设计人员如果希望以自然逼真的方式将视觉和听觉信息结合起来，就应该考虑采用开放式音频技术。开放式音频无需使用耳机或耳塞，用户可以同时听到 AR 声音和现实世界的声音，从而能够获得无缝的沉浸式体验，而且还不会影响与其他用户和环境的互动。

AR 眼镜配有嵌入式麦克风和开放式扬声器，非常适合 AR、虚拟现实 (VR) 和混合现实应用。用户可以在不影响音质或保真度的情况下享受更舒适的听觉体验。这些设备可让用户听清周围环境的声音，从而保持情景感知能力，确保安全，并与同事协作或与他人互动，同时还能最大限度降低其他人听到音频内容的风险或烦恼。

工程师可利用开放式音频技术打造电子应用，以自然的方式将视觉和听觉信息结合在一起。采用这种技术的 AR 眼镜通过提供空间音频，为用户提供似乎来自特定方向和距离的声音，从而增加了另一层真实感。

空间音频将是开放式音频发展的关键一环。空间音频能创建逼真、身临其境的声音环境，与视觉内容和用户视角完美契合。例如，Apple 的 Vision Pro VR 设备就具有开放式音频、空间音频集成和 3D 耳朵映射功能，不仅能够增强沉浸式体验，而且无需外部耳机。

空间音频可模拟声波与用户耳朵、头部和身体的交互方式，以及与物理环境中的表面和物体的交互方式。除此之外，还可使用位置、方位、距离、速度和方向等元数据来动态调整声音参数。基于用户的动作和交互，这些参数包括音量、音调、音色和混响。

为 AR 眼镜设计开放式音频应用需要深入了解该设备的优缺点、空间音频设计的原则和最佳实践，以及开发工具和框架。视频显示和视频录制非常耗电，因此效率至关重要。高品质的声音和吸引人的设计将在很大程度上影响用户的接受程度，同时，设备充电还必须方便，并且在技术允许的情况下还要尽可能减少充电次数。

ADI 的开放式音频 AR 眼镜应用平台

Analog Devices, Inc. (ADI) 提供的 AR 眼镜平台包括集成音频采集、播放、电池管理组件以及算法。这些组件和开发工具为设计人员构建和测试开放式音频 AR 眼镜应用提供了快速通道。

ADI 的音频处理器编解码器采用了公司的纯语音 (Pure Voice) 处理算法，能够在具有挑战性的声学环境中提高语音通话质量，同时还有动态扬声器管理 (DSM™) 算法，可在空间受限的扬声器应用中产生更响亮、更丰富的声音。

• ADAU1860（图 1）配备一个 HiFi 3z 音频 DSP 内核和一个低延迟 FastDSP 内核，以及八个数字麦克风 (DMIC) 输入通道、三个模拟输入、一个模拟输出和两个脉冲密度调制 (PDM) 输出通道。优化模拟输入和 DSP 内核之间的路径以实现低延迟是消除噪声的理想选择。

图 1：ADI 的 ADAU1860 编解码器集成了两个 DSP、八个数字麦克风输入，以及三个模拟输入等功能。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

• ADAU1797 是一款低功耗、高性能的编解码器，还集成了 HiFi 3z 音频 DSP 内核和低延迟 FastDSP 内核，以及三个模拟输入通道、10 个 DMIC 输入通道、两个 PDM 输出通道和一个高效 D 类放大器输出通道。在低功耗模式下，DSP 内核针对开放式音频 AR 眼镜等小尺寸应用进行了优化。在高性能模式下，HiFi 3z 内核的频率从 50 MHz 提升至 200 MHz，FastDSP 支持的指令数翻了一番，从 64 增加至 128。其更强的处理能力可用于卸载主机处理器的处理周期，也使得使用成本更低的主机处理器成为可能，而且无需额外的外部音频 DSP 或 MCU。
• ADI 为所有这些编解码器提供了评估板。EVAL-ADAU1797Z（图 2）采用 8 层设计，内层为接地层和电源层，可由 3.8 V 至 5 V 的单电源供电。EVAL-ADAU1860EBZ 采用 4 层设计，内层也是接地层和电源层，可由 USB 总线或 5 V 单电源供电。

图 2：EVAL-ADAU1797Z 评估板可全面访问 ADAU1797 上的所有模拟和数字输入/输出。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

ADI 的智能音频放大器集成了电流和电压感测 (IV) 反馈以及扬声器管理算法，能够在空间受限的外形尺寸下最大限度提高性能。

• MAX98388 是一款 D 类单声道数字输入放大器，专为 AR/VR 和智能眼镜应用而设计。该放大器具有用于智能放大器功能的 IV 反馈，并能将 DSM 处理卸载至音频编解码器。针对 5.5 V 以下的应用（单电池）进行了优化，效率高达 90%。
• 最近推出的 MAX98390 是一款集成 DSM 的升压型 D 类放大器，能够提高响度 (SPL) 和低音响应，从而能够在最大限度提高效率的同时，提升微型扬声器的音频质量。集成的升压转换器和 FET 缩放以及 DSM 可延长电池的续航时间。最大升压转换器输出电压可以 0.125 V 的增量编程为 6.5 V 至 10 V，电池电压可低至 2.65 V。MAX98390CEVSYS#（图 3）包括 ADI 的 DSM Sound Studio GUI，可简化使用 MAX98390CEWX+T 的应用的设计和 DSM 实现。

图 3：MAX98390CEVSYS# 评估系统包括 DSM Sound Studio 软件，该软件具有功能强大的 GUI，用于提取、调谐和评估 MAX98390C 放大器。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

功率是 AR 眼镜的一个关键设计因素。与典型的耳机管理相比，开放式音频扬声器需要更高的功率，ADI 提供了几款高效的电源管理 IC，供设计人员在其应用中使用：

• ADI 的 MAX77654 系列电源管理集成电路 (PMIC) 提供高度集成的电池充电和供电解决方案。采用单电感器多路输出 (SIMO) 稳压器，可通过单电感器提供三个独立的可编程电源轨，从而能够最大限度缩小解决方案的尺寸。Smart Power Selector™ 锂离子/锂聚合物充电器可提供 7.5 mA 至 300 mA 的可编程充电电流，以及 3.6 V 至 4.6 V 的可编程充电电压，并具有电池温度监测功能，确保充电安全。该充电器集成了两个 100 mA 低压差线性稳压器 (LDO)，能够为音频和其他对噪声敏感的应用提供纹波抑制。
• MAX77659 PMIC 配备双输入 SIMO 降压-升压稳压器，可从单个电感器和一个用于纹波抑制的 LDO 提供一个充电轨和三个独立的可编程电源轨。
• ADI 的 MAX77972 是一款三合一组合芯片，包括 USB-C 检测装置、一个 3 A 降压充电器和一个电量计。支持 USB On-The-Go (OTG) 反向升压，并包括一个 Smart Power Selector™ (SPS)。电量计采用 ModelGauge™ m5 算法，该算法不仅能自动补偿电池老化、温度和放电率，而且还能在各种工作条件下提供准确的充电状态 (SOC)。USB Type-C 配置通道 (CC) 检测引脚使得自动 USB Type-C 电源检测和输入电流限制配置成为可能。
• MAX17301 是一款独立的电池侧电量计 IC。其可为单电芯锂离子/锂聚合物电池提供保护、可选配的电池内部自放电检测装置和可选配的 SHA-256 验证装置。Maxim 单线或双线 I²C 接口可用于访问数据和控制寄存器。
• ADI 的 MAX17332 是一款单芯片电池管理解决方案，包括线性充电器、电量计、电池保护装置和自放电检测装置。该方案不仅能平衡混合电池容量并提供快充功能，而且还能为并联电池独立充电，从而防止交叉充电。

结语

音频一直是实现 AR 应用潜力的一个主要限制因素，因为这些应用通常侧重于视觉。轻巧、时尚且穿戴舒适的 AR 眼镜能够支持多种用例，而开放式音频则为 AR 眼镜充分发挥潜力创造了机会。为了打造完整的解决方案，ADI 组建了一个由组件、工具和软件组成的平台。