ADIプラットフォームがオープンイヤーオーディオARグラス開発のためのコンポーネントとツールを提供

空間オーディオと拡張現実（AR）グラスを統合することで、没入的で対話型の感覚体験を生み出し、物理とデジタルの隔たりをうまく埋めることができます。しかし、設計者は、オーディオ強化ARグラスが軽量で、実用的に使用できるよう長時間駆動することを保証する必要があります。

スマートARグラスの市場は大幅な成長の間近にあり、出荷個数は2023年の67万6000個強から2030年には1300万個に増加すると予測されていますが、これは年平均成長率53%に相当します。ディスプレイの品質、バッテリの寿命、全体的な性能の向上により、ARグラスは企業、産業、消費者のユースケースにおいてより実用的なものとなるでしょう。

マイクロフォンとスピーカが内蔵されたARグラスでは、音声アシスタントや音楽プレイバックに素早くアクセスできます。それらのARグラスは、工場現場でのデジタルツインの活用および、自転車利用者へのナビゲーションやパフォーマンスに関するプロンプトの提供において重要な要素となり得ます。

高忠実度の空間オーディオは、視覚的インタラクションの質感、コンテキスト、意味を強化することで、ユーザーのAR体験に大きな影響を与えます。しかし、ユーザーに受け入れられ、満足してもらうには小さなフォームファクタが必要となるため、ARグラスから高性能オーディオを得ることは簡単ではありません。さらに、このようなデバイスは軽量にしてバッテリ寿命を延ばす必要があるため、高音質オーディオ、ビデオ録画、ビジュアルディスプレイなどの機能をアプリケーションに組み込む場合は、特に困難となります。

処理能力とディスプレイ解像度が進歩するにつれ、オーディオと電源管理は、これらのデバイスの需要を最大化するアプリケーションを成功させる上で重要な役割を果たすでしょう。克服すべき課題としては、次のようなものがあります。

• 小型のスピーカは共振周波数が高くなりがちで、強く駆動しすぎるとスピーカを損傷するため、重低音を実現するのが難しくなります。
• 環境ノイズを遮断しながら装着者の声を拾うノイズフリーの通話品質は不可欠ですが、マイクロフォンとユーザーの口との距離が離れているため複雑な処理が必要になります。
• より多くの機能を統合するには、高速な充電と長い動作時間を保証する、優れたバッテリ管理ソリューションが必要となります。重量、機能、動作時間のトレードオフが、市場普及のカギを握ります。
• 多くのユースケースでは、接近中の自動車や同僚とのやりとりなど、周囲の状況を聞き取る能力を妨げないことが求められます。

オープンイヤーオーディオ

視覚情報と聴覚情報を自然でリアルな方法で組み合わせようとする設計者は、オープンイヤーオーディオ技術を検討すべきでしょう。ヘッドフォンやイヤホンが不要なオープンイヤーオーディオでは、ARサウンドと現実世界のサウンドの両方を聴くことができ、他のユーザーや環境とのインタラクションを損なうことなく、シームレスで没入感のある体験が可能になります。

マイクロフォンとオープンイヤースピーカを内蔵したARグラスは、ARだけでなく、バーチャルリアリティ（VR）や複合現実のアプリケーションにも非常に適しています。ユーザーは、音質や忠実度を損なうことなく、より快適なリスニング体験を楽しむことができます。これらのデバイスではユーザーが周囲の状況を聞き取ることができるため、状況認識を維持することで、安全を確保しながら同僚と協力したり、他の人と交流したりすることができます。また、他者にオーディオの内容を聞かれるというリスクや不快感も最小化できます。

エンジニアはオープンイヤーオーディオを活用し、視覚情報と聴覚情報を自然な形で組み合わせた電子アプリケーションを作成することができます。この技術を搭載したARグラスは、特定の方向や距離から音が聞こえてくるような空間オーディオを提供することで、リアリズムのレイヤをもう1つ増やします。

空間オーディオは、オープンイヤーオーディオ開発の重要な要素になります。また、映像コンテンツとユーザーの視点にマッチした、リアルで没入感のあるサウンド環境を作り出します。たとえば、AppleのVRデバイス「Vision Pro」は、オープンイヤーオーディオ、空間オーディオ統合、3Dイヤーマッピングを特徴とし、没入感を向上させ、外付けヘッドフォンが不要です。

空間オーディオは、音波がユーザーの耳、頭、体、そして物理的環境の表面や物体と相互作用する方法をシミュレートすることで、位置、向き、距離、速度、方向などのメタデータを使用してサウンドパラメータを動的に調整することもできます。サウンドパラメータには、ユーザーの動きやインタラクションに応じた音量、ピッチ、音色、残響などが含まれます。

ARグラス用のオープンイヤーオーディオアプリケーションを設計するには、デバイスの利点と欠点、空間オーディオ設計の原則とベストプラクティス、開発ツールとフレームワークを理解する必要があります。ビデオディスプレイとビデオ録画は電力を大量に消費するため、効率は非常に重要です。高音質で魅力的な設計は、顧客に受け入れられる上で大きな役割を果たすでしょう。また、デバイスの充電は簡単で、技術的に可能な限り回数を少なくする必要があります。

ADIのオープンイヤーオーディオARグラスアプリケーション用プラットフォーム

Analog Devices, Inc.（ADI）は、オーディオキャプチャ、プレイバック、バッテリ管理コンポーネント、アルゴリズムを統合したARグラスプラットフォームを提供しています。これらのコンポーネントと開発ツールにより、設計者はオープンイヤーオーディオARグラスアプリケーションの構築とテストを迅速に行うことができます。

ADIのオーディオコーデックは、同社のPure Voice処理アルゴリズムを利用して厳しい音響環境での音声通話品質を改善し、Dynamic Speaker Management（DSM™）アルゴリズムによってスペースに制約のあるスピーカアプリケーションからより大きく豊かなサウンドを作り出します。

• ADAU1860（図1）は、HiFi 3zオーディオDSPコアと低レイテンシFastDSPコアを搭載し、8つのデジタルマイクロフォン（DMIC）入力チャンネル、3つのアナログ入力、1つのアナログ出力、2つのパルス密度変調（PDM）出力チャンネルを備えています。アナログ入力とDSPコアの間のパスを低レイテンシに最適化することは、ノイズキャンセリングに理想的です。

図1：ADIのADAU1860コーデックには、2つのDSP、8つのデジタルマイクロフォン入力、3つのアナログ入力などが搭載されています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

• ADAU1797は、低消費電力で高性能なコーデックオプションであり、HiFi 3zオーディオDSPコアと低レイテンシFastDSPコアおよび、3つのアナログ入力チャンネル、10個のDMIC入力チャンネル、2つのPDM出力チャンネル、高効率D級アンプ出力チャンネルも備えています。低消費電力モードでは、DSPコアがオープンイヤーオーディオARグラスのような小型フォームファクタアプリケーション向けに最適化されています。高性能モードでは、HiFi 3zコアが50MHzから200MHzにブーストされ、FastDSPは64から128という2倍の命令数をサポートします。また、処理能力の向上により、ホストプロセッサからサイクル負荷を軽減したり、外付けのオーディオDSPやMCUを追加することなく低コストのホストプロセッサを実現したりすることができます。
• ADIは、これらの各コーデックの評価ボードを提供しています。EVAL-ADAU1797Z（図2）は8層設計で、内層にグランドプレーンと電源プレーンを備え、3.8V～5Vの単一電源で動作します。EVAL-ADAU1860EBZは4層設計で、内層にグランドプレーンと電源プレーンを備え、USBバスまたは5Vの単一電源で動作します。

図2：EVAL-ADAU1797Z評価ボードは、ADAU1797のすべてのアナログおよびデジタル入力/出力にフルアクセスできます。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

ADIのスマートオーディオアンプは、電流および電圧（IV）フィードバックとスピーカ管理アルゴリズムを統合し、スペースに制約のあるフォームファクタで性能を最大化します。

• MAX98388は、AR/VRおよびスマートグラスアプリケーション向けに設計されたモノラルD級デジタル入力アンプです。スマートアンプ機能用のIVフィードバックを備え、DSM処理をオーディオコーデックにオフロードすることができます。また、最大5.5Vのアプリケーション（シングルセル）に最適化され、最大90%の効率を実現します。
• 最近発表されたMAX98390は、DSMを内蔵したブースト内蔵D級アンプで、効率を最大化しながら、マイクロスピーカからのオーディオ品質を向上させるためにラウドネス（SPL）と低音レスポンスを向上させることができます。内蔵ブーストコンバータとFETスケーリング、DSMにより、長時間のバッテリ動作が可能になります。ブーストコンバータの最大出力電圧は、最小2.65Vのバッテリ電圧から6.5V～10Vの範囲に0.125V刻みで設定可能です。MAX98390CEVSYS#（図3）には、MAX98390CEWX+Tを使用するアプリケーションの設計とDSM実装を簡素化する、ADIのDSM Sound Studio GUIが含まれています。

図3：MAX98390CEVSYS#評価システムには、MAX98390Cアンプの抽出、調整、評価を行うための強力なGUIを備えたDSM Sound Studioソフトウェアが含まれています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

電力はARグラスにとって重要な設計要素です。オープンイヤーオーディオスピーカは一般的なヘッドフォン管理よりも多くの電力を必要とするため、ADIは、設計者がアプリケーションに利用できる効率的な電源管理ICをいくつか提供しています。

• ADIのMAX77654シリーズの電源管理集積回路（PMIC）は、高度に統合されたバッテリ充電および電源ソリューションを提供します。単一インダクタ、マルチ出力（SIMO）レギュレータを特長とし、1つのインダクタから独立にプログラム可能な3つの電源レールを供給することで、ソリューションのサイズを最小限に抑えます。Smart Power Selector™ Li+/Li-Poly充電器は、7.5mAから300mAの充電電流と3.6Vから4.6Vの充電電圧をプログラム可能で、バッテリ温度を監視して安全に充電できます。100mAの低ドロップアウト型リニアレギュレータ（LDO）を2個内蔵しており、オーディオなどノイズに敏感なアプリケーションにリップル除去機能を提供します。
• MAX77659 PMICは、デュアル入力SIMOバックブーストレギュレータを特長とし、単一のインダクタから1本の充電レールおよび3本の独立したプログラマブル電力レール、およびリップル除去用のLDOを1つ備えています。
• ADIのMAX77972は、USB-C検出、3A降圧充電器、燃料ゲージを含むスリーインワンコンボチップです。USB On-The-Go（OTG）リバースブーストに対応し、Smart Power Selector™（SPS）を搭載しています。燃料ゲージは、セルの経年劣化、温度、放電率を自動的に補正するModelGauge™ m5アルゴリズムを使用しており、幅広い動作条件にわたって正確な充電状態（SOC）を実現します。USB Type-C構成チャンネル（CC）検出ピンは、USB Type-C電源の自動検出と入力電流制限設定を可能にします。
• MAX17301は、スタンドアロンのパックサイド燃料ゲージICです。1セルリチウムイオン/ポリマバッテリの保護、オプションのバッテリ内部自己放電検出、オプションのSHA-256認証を提供します。Maximの1線式または2線式I²Cインターフェースは、データおよび制御レジスタへのアクセスを提供します。
• ADIのMAX17332は、リニアチャージャ、燃料ゲージ、バッテリ保護、自己放電検出を含むシングルチップのバッテリ管理ソリューションです。並列バッテリを独立して充電し、クロス充電を防止する機能を備え、混合バッテリ容量のバランスをとり、急速充電を提供することができます。

まとめ

オーディオは、一般的に視覚に焦点を当ててきたARアプリケーションの可能性を実現する上で、大きな制約となってきました。オープンイヤーオーディオは、多数のユースケースに対応する軽量、ファッショナブル、快適なARグラスを実現することで、その可能性を満たす機会を提供します。ADIは、コンポーネント、ツール、ソフトウェアのプラットフォームを構築し、包括的なソリューションを提供しています。