Autor: Julian Clauß, Corporate Product Manager Wireless at Rutronik
Bluetooth LE Audio (low energy audio) tiene el potencial de cambiar, en esencia, nuestra experiencia con el sonido, ya sea a través de una “discoteca silenciosa” o una escucha mejorada con un sistema de asistencia auditiva. Gracias a los futuros desarrollos, se espera que surja una amplia variedad de casos de uso y productos novedosos, incluyendo nuevos mercados, en el mundo del audio.
La tecnología Bluetooth ha estado bajo desarrollo desde la década de los noventa y utiliza setenta y nueve canales en la banda no licenciada de 2,4 GHz a la hora de transmitir datos. Actualmente, la variante Bluetooth Classic sólo soporta la comunicación punto a punto para la transmisión de sonido.
Un avance clave es Bluetooth Low Energy (LE). Ya ha reemplazado a Bluetooth Classic en muchas aplicaciones. El streaming de audio inalámbrico para, por ejemplo, cascos inalámbricos, altavoces o sistemas de entretenimiento a bordo de vehículos ahora es el último bastión de Bluetooth Classic (Fig. 1).
Figura 1. Las imágenes y los gráficos muestran claramente las mayores opciones y las funciones mejoradas de Bluetooth LE con respecto a Bluetooth Classic.
Bluetooth LE también usa la banda de 2,4 GHz, pero – como su propio nombre sugiere – está diseñado para operar con poca energía. Además de la comunicación punto a punto, también permite topologías de emisión (broadcast) y mallada (mesh), sentando así las bases para redes de dispositivos de alta velocidad y gran escala. Además, se puede emplear en soluciones de seguimiento de dispositivos para ofrecer una alternativa ideal en sistemas GPS en interiores.
Foco puesto en el audio
El foco del último estándar es muy evidente: se llama Bluetooth Audio. La primera versión se basa en Bluetooth Classic. Sin embargo, su abanico de funciones es limitado al igual que la variedad de posibles aplicaciones. Por el contrario, la segunda versión, el nuevo Bluetooth LE Audio, respalda un procesamiento más flexible de las señales de audio. Esto supone un paso adelante para las aplicaciones existentes, como auriculares y audífonos, y contribuye a la creación de nuevos mercados y aplicaciones para streaming de audio.
LE Audio se fundamenta en Bluetooth LE y el Low-Complexity Communications Codec (LC3) de bajo consumo desarrollado por el Instituto Fraunhofer (Alemania). Ofrece mayor calidad de sonido que Classic Audio con velocidades de datos bajas y aporta a los desarrolladores una enorme cantidad de flexibilidad (Fig. 2). Además, resulta posible combinar mejor varias características del producto: por ejemplo, los ahorros de energía conseguidos se pueden usar para ampliar la vida de la batería o utilizar baterías de menores dimensiones.
Figura 2. El LC3 (Low-Complexity Communications Codec) garantiza una mejor calidad de audio con cualquier velocidad de datos en comparación con SBC (Low-Complexity Subband Codec), en el que se basa Classic Audio.
LE Audio posee un gran número de funciones más que interesantes: con Multi-Stream Audio, resulta posible reproducir múltiples flujos de audio independientes de forma sincronizada entre un dispositivo fuente de sonido y uno o varios dispositivos receptores de sonido (función de receptor de audio). Esto optimiza su rendimiento significativamente. Por ejemplo, se traduce en una mejor experiencia estéreo para cascos inalámbricos. Los usuarios pueden conmutar entre diferentes asistentes de voz con la misma fluidez que entre diferentes dispositivos fuentes de sonido.
La función Auracast también permite a los usuarios enviar uno o varios flujos de audio desde un dispositivo fuente de sonido a numerosos dispositivos receptores de audio. A diferencia de la función multi–stream, aquí el número de receptores de sonido no está limitada, posibilitado la llegada de un conjunto completamente nuevo de casos de uso para compartir experiencias de audio.
Con un transmisor Auracast, como un televisor, un teléfono móvil, un ordenador portátil o un dispositivo similar, comienza una emisión con uno o más flujos de sonido (por ejemplo, transmisión estéreo izquierda y derecha) y un anuncio con información relativa a la emisión, como nombre, contenido, configuración de códec, etc. Los asistentes Auracast, también los teléfonos móviles, los relojes inteligentes o los sistemas de asistencia auditiva (ALS) compatibles con Auracast, escanean estos anuncios. Los usuarios pueden seleccionar una emisión a la que unirse mediante su interfaz (UI) – de manera similar a como se conectan una red WLAN en la actualidad. Una vez que se ha elegido una emisión, el asistente Auracast proporciona al receptor (por ejemplo, unos auriculares o unos audífonos) la información necesaria para unirse a dicha retransmisión.
Con la función de compartir audio, las personas podrán compartir música y pódcast con gente a su alrededor; por ejemplo, con su familia y amigos mediante el teléfono móvil (con el alcance de Bluetooth). En la esfera pública, como puede suceder en aeropuertos, estaciones de tren, restaurantes, gimnasios, cines y salas de conferencia, resulta posible suministrar información o música a los visitantes a través de Bluetooth Audio. Esto dota a las personas de la oportunidad de disfrutar de la misma música, incluso en un evento a mayor escala, llegando a discotecas o conciertos “silenciosos”. También permite a las personas utilizar sus propios audífonos o ALS al seleccionar el audio que se transmite en televisores silenciosos de, por ejemplo, un gimnasio o sala de espera, y escuchar una conferencia, una charla, un servicio religioso o una visita guiada a un museo, y garantizar así que no se pierdan ningún anuncio en un aeropuerto. Y dado que varios flujos de audio se pueden enviar en paralelo, es posible transmitir, por ejemplo, en diferentes idiomas, lo que es particularmente interesante en lecturas, conferencias, y anuncios en aeropuertos.
Aplicaciones con ALS
LE Audio garantizará grandes ventajas para las personas con sistemas de asistencia auditiva, que no sólo se beneficiarán de una mayor calidad de audio en comparación con los audífonos tradicionales, sino que también podrán usar sus ASL compatibles con Auracast como auriculares inalámbricos al utilizar, por ejemplo, sus teléfonos móviles. Esto contribuye a eliminar la interferencia durante una llamada, algo que suele ocurrir cuando se sostiene el teléfono cerca del ALS. Esto se puede lograr con una topología simple (Fig. 3, izquierda).
Figura 3: Con Auracast, un ALS se puede usar como un auricular, con un flujo de audio o con dos flujos separados para los ASL derecho e izquierdo.
La conexión entre el teléfono y el audífono se establece mediante un flujo de audio, que también permite un flujo de retorno. Entonces, el usuario puede utilizar el micrófono del audífono o del teléfono como el canal de retorno. Dado que ambas direcciones del flujo de sonido están configuradas y controladas por separado también se pueden conectar y desconectar individualmente.
En la topología (Fig. 3, derecha), el teléfono envía los flujos de audio derecho e izquierdo separados al ALS en el oído izquierdo y derecho, respectivamente. En comparación con la conexión con un flujo de audio que luego establece una segunda conexión inalámbrica con el otro oído, la latencia se reduce significativamente. Esto es muy evidente cuando se trata de sincronización labial de películas o vídeos musicales, etc.
Los flujos de retorno también se pueden implementar por separado, lo que aumenta todavía más la complejidad. Estas transmisiones paralelas y sincronizadas a dos dispositivos de sonido independientes van mucho más allá de lo que pueden gestionar los perfiles de audio Bluetooth convencionales.
Hardware para nuevas experiencias auditivas
A pesar de basarse en Bluetooth LE, LE Audio aún requiere su propio hardware. Nordic Semiconductor ofrece el modelo nRF5340, un SoC (system–on–chip) “todo en uno” que está especialmente indicado para aplicaciones Bluetooth LE Audio, gracias a su procesador de dos núcleos – compuesto por el procesador de aplicación Arm Cortex-M33 de 128/64 MHz con memoria flash de 1 MB y el procesador de red Arm Cortex-M33 de 64 MHz con memoria flash de 256 kB y RAM de 64 kB – y tiene un rango de temperatura extendido de -40 a +105 °C.
Para una entrada todavía más fácil, Nordic ha presentado el nRF5340 Audio Development Kit (DK), un kit de desarrollo que soporta todas las funciones Auracast y es configurable. Como un USB dongle, puede enviar o recibir datos de audio desde un PC y, además, se puede emplear como auriculares de trabajo o audífonos estéreo inalámbricos verdaderos (true wireless stereo – TWS). Básicamente, el Audio DK consta del SoC nRF5340, el circuito integrado de gestión de potencia (PMIC) nPM1100 y el procesador de señal digital (DSP) de audio CS47L63 de Cirrus Logic que, a su vez, está optimizado para lograr una conexión directa a una carga de casco externa y es ideal para auriculares mono y con salida directa de altavoz.
También basado en el nRF5340, Nordic ha desarrollado Thingy:53 con el soporte de Rutronik. Esta plataforma de prototipado multisensor con conectividad inalámbrica de corto alcance multiprotocolo contribuye a acortar el tempo de llegada al mercado en aplicaciones embebidas con aprendizaje automático (machine learning – ML). Thingy:53 está equipada con múltiples sensores ambientales y de movimiento, el PMIC nPM1100, el módulo front–end (FEM) nRF21540, un amplificador de potencia/bajo ruido y una batería de polímero de litio (Li-Poly) de 1.350 mAh. Esto permite ejecutar los modelos ML integrados directamente en el dispositivo para utilizar, por ejemplo, los sensores de reconocimiento de voz. Determinados movimientos o sonidos “despiertan” al nRF5340 del modo en espera (stand–by), dejando a la plataforma en modo de suspensión de ahorro de energía (power–saving sleep) durante mucho tiempo.
Además, el amplio catálogo de productos de Rutronik posee otros módulos basados en el chip nRF5340 de Nordic. Por ejemplo, el ISP2053 de Insight SiP integra semiconductores y componentes pasivos, incluyendo la estructura de antena, en un módulo miniaturizado de 8 × 8 × 1 mm, gracias a su método system–in–package (SiP). Por lo tanto, resulta ideal en aquellas aplicaciones que se enfrentan a restricciones de espacio. El módulo está certificado y soporta no sólo Bluetooth Audio, sino también el resto de perfiles de Bluetooth LE, Long Range y Mesh, así como NFC, Thread, ZigBee y radiogoniometría con AoA/AoD (ángulo de llegada y ángulo de salida). Comenzando con Bluetooth 5.0, todos los módulos compatibles en pines de Insight SiP facilitarán la migración a la última generación Bluetooth.
Los usuarios que no necesitan el diseño compacto del módulo de Insight SiP pueden encontrar una alternativa asequible en el modelo MS45SF1 de Minew. Como un socio de diseño licenciado oficialmente de Nordic, Minew también utiliza el nRF5340 para el MS45SF1. El módulo se presenta con una antena de PCB integrada y está totalmente certificado.
Resumen
Bluetooth LE Audio está allanando el camino hacia un nuevo mundo de audio completamente conectado en red con auriculares, audífonos o ALS, así como con teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles, televisores y otros dispositivos de sonido. La introducción de soporte de LE Audio nativo en Android 13 ayudará a aumentar el interés de los proveedores de dispositivos de audio en la nueva versión de Bluetooth, sin ningún tipo de duda. En su “Bluetooth Market Update 2022”, el Bluetooth SIG espera un fuerte crecimiento en el mercado de audífonos y cascos a través de LE Audio y estima la venta de más de 600 millones de dispositivos en 2026. Por último, pero no menos importante, Bluetooth LE Audio tendrá un impacto masivo en el actual mercado para ALS y acústica de audición. El desarrollo adicional garantiza un hardware asequible con la opción de ajuste de audiograma, como corrección de frecuencia (ecualización) y fase. Y todo se controla fácilmente a través de una aplicación (app) de teléfono.
