Modern teknik är ett sant mirakel. De senaste 100 åren har fört med sig en exponentiell explosion av teknisk innovation, som dragit igång av den industriella revolutionen.
Fler framsteg har gjorts under den här tidsperioden än i summan av resten av hela mänsklig existens, vilket är både ganska häpnadsväckande och också något oroande.
I den här artikeln kommer vi att bryta ner en ny teknisk innovation som gjorde det möjligt för oss att ta steget från trådbundna konsumenthörlurar till trådlösa hörlurar. Hur fungerar trådlösa hörlurar och vem uppfann den trådlösa tekniken som gör att de kan fungera? Låt oss ta en djupare titt.
Trådlös teknik
För att förstå hur trådlösa hörlurar fungerar, kommer vi att behöva veta lite om trådlös kommunikation och teknik.
Trådlös kommunikation är helt enkelt överföring av information mellan en sändare och en mottagare med hjälp av elektromagnetisk strålning. Den har historia som går tillbaka till 1880-talet. De flesta moderna trådlösa tekniker skickar information med hjälp av radio och mikrovågor.
Radiofrekvensvågor (RF) och mikrovågor är en del av det elektromagnetiska spektrumet, som omfattar alla frekvenser av elektromagnetisk strålning inklusive synligt ljus. RF- och mikrovågsstrålning sträcker sig från extremt lågfrekventa (ELF) radiovågor, som kan ha så låga frekvenser som 3 Hz, till extremt högfrekventa (EHF) mikrovågor, som kan ha frekvenser upp till några hundra GHz.
Radio- och mikrovågskommunikation överför information från punkt A (sändaren) till punkt B (mottagaren) med hjälp av två typer av vågor – modulatorn och bäraren – i en process som kallas modulering.
Modulation
För att trådlösa hörlurar ska fungera måste vi använda modulering. Modulering är en signalbehandlingsmetod som involverar två typer av vågformer:
Vi kallar den första typen för bärvågen. Bärvågen eller bärvågssignalen är vanligtvis en enkel sinusformad vågform.
Vi kallar den andra typen för modulatorvågen. Modulatorvågen är signalen som modifierar någon egenskap hos bärvågen, och är den våg som faktiskt innehåller informationen vi vill sända.
Vi kallar hela denna modifieringsprocessen modulering. Genom att modulera bärvågen med modulatorvågen kan vi ”koda” information i den och sedan överföra den genom rymden med ljusets hastighet.
Det finns många typer av modulering. Varje typ beskriver vilken parameter eller egenskap hos bärvågen som modifieras av modulatorvåg. Till exempel är frekvensmodulering, även känd som FM, en analog moduleringsmetod där frekvensen på bärvågen modifieras av modulatorvågen. Så här fungerar FM-radio. Radiofrekvensen som du ställer in i din bil är frekvensen för bärvågen i kHz.
Vi kan se de analoga moduleringsmetoderna FM och AM i animationen ovan. Lågfrekvensmodulatorsignalen modifierar amplituden för bärvågssignalen i AM (amplitudmodulering) och frekvensen för bärvågssignalen i FM (frekvensmodulering).
Bluetooth
Bluetooth är en trådlös teknik som utvecklades i slutet av 1980-talet som ett sätt att ansluta trådlösa headset till mobila enheter. Ingenjörer på Ericsson Mobile avslöjade sitt färdiga headset för första gången 1999 på en teknisk konferens.
Under det tidiga 2000-talet och 2010-talet växte Bluetooth i popularitet som en av de bästa trådlösa kommunikationsteknikerna för personliga enheter vid sidan av WiFi.
Trådlösa Bluetooth-hörlurar
Beväpnade med den grundläggande kunskapen om modulering och trådlös teknik som vi täckte tidigare, kan vi nu försöka förstå hur trådlösa hörlurar fungerar. Bluetooth är den ledande tekniken bakom många moderna trådlösa hörlurar och öronsnäckor.
Bluetooth använder ultrahögfrekventa radiovågor med kort våglängd (UHF) med bärfrekvenser mellan 2 400 GHz och 2 485 GHz.
Den delar upp detta frekvensområde i 79 separata frekvenskanaler och hackar upp signalen i paket som skickas längs kanalerna.
Varje paket tilldelas en slumpmässig kanal med en hastighet av 1600 gånger per sekund i en process som kallas frekvenshoppning. Frekvenskanalsrandomiseringen synkroniseras mellan de ihopparade enheterna för att möjliggöra överföring och mottagning av paketen i rätt ordning. Detta förhindrar också två oparade enheter från att kommunicera med varandra.
Vi använder Bluetooth för att överföra digitala signaler mellan enheter när vi streamar digitalt ljud. Trådlösa hörlurar fungerar genom att ta emot en digital ljudsignal som består av bitar – datorspråkets byggstenar som är antingen en 0 eller en 1. En MP3-fil är inget annat än en serie av 0:or och 1:or. Sändaren (din smartphone) skickar en modulerad vågform som innehåller denna serie av 0:or och 1:or till mottagaren (dina trådlösa hörlurar).
Fasförskjutningsnyckel
Bluetooth använder en typ av digital modulering som kallas phase-shift keying (PSK) för att koda digital information (0:or och 1:or) till en sinusformad elektromagnetisk bärvåg. I denna typ av modulering är parametern som moduleras bärvågens fas. Fas är helt enkelt läget för vågformen i dess cykel, från 0 till 360 grader.
Med PSK-modulering symboliserar varje bit eller uppsättning bitar i en seriell dataström en fasförskjutning i bärvågssignalen. Till exempel, i kvadraturfasskiftningsnyckel (QPSK), kodas varje par av bitar i den digitala seriella dataångan in i bärvågen som en fasändring. 0 0 är en 315º fasvinkel, 0 1 är en 45º fasvinkel, 1 0 är en 225º fasvinkel och 1 1 är en 135º fasvinkel.
Demodulering och digital-till-analog konvertering
För att gå från digital till analog måste signalen passera en DAC, även känd som en digital-till-analog-omvandlare. ADC och DAC finns i många digitala ljudenheter från ljudgränssnitt till CD- och DVD-spelare. När den väl har konverterats till analog driver signalen givarna i dina hörlurar och producerar de ljud som dina öron kan förstå, vilket är en annan fascinerande process i sig.
Parning
För att ett headset ska kunna kommunicera information till telefonen måste det paras ihop med luren. Parning är termen som används för att beskriva processen när en informationslänk skapas mellan ett Bluetooth-tillbehör och en överordnad enhet. För att parkoppling ska fungera måste båda enheterna ha Bluetooth-parning påslagen och vara inställda på ett upptäckbart läge.
Headset har ett Bluetooth-lösenords-PIN-nummer som du måste ange i telefonen för att aktivera ihopparningen. Detta talar om för telefonen att godkänna skapandet av anslutningen.
Kraft
Som med alla mobila enheter är batteritiden viktig för ett Bluetooth-headset. Om det krävdes mycket ström för att sända eller ta emot signaler från ett headset, skulle det behöva ett batteri för stort eller för tungt för att det skulle vara praktiskt att bära på örat. Frekvensen och den korta räckvidden hos Bluetooth-signalen kräver emellertid genom sin design mycket lite ström för att fungera. Signalens lågeffektsgrad begränsar också räckvidden mellan headsetet och modertelefonen.
Det absoluta maximala avståndet du kan lägga mellan ett headset och modertelefonen är cirka 164 fot. Ytterligare variationer av den ursprungliga Bluetooth-tekniken har möjliggjort ännu större minskningar av mängden ström som krävs av ett headset.
Headsetteknik
Ljudsignalkvalitet möjlig över Bluetooth-anslutningen är ganska bra. Men de begränsningar som finns i små mikrofoner och hörlurar skapar ofta försämrad ljudkvalitet. Headsetdesigners använder brusreducerande teknik för att försöka skapa en ljudsignal av bättre kvalitet med mindre störningar.
Tillverkare använder en mängd olika tekniker för att förbättra ljudkvaliteten. Dubbla mikrofoninställningar används av vissa tillverkare för att filtrera bort främmande brus som är längre bort från munstycket. Ett exempel på teknik som förbättrar signalen som tas emot vid headsetet är benledning, en metod som överför ljudvibrationer genom tinningen istället för att projicera dem i hörselgången.
