TWS藍芽耳機市場和方案－－－（中無通訊第93期）

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　　　　　　　　　　　　本文轉載自「無線電技術」554期第52頁。

　　當蘋果從iPhone 7推進無孔化設計而取消3.5mm耳機孔後，TWS（TWS，True Wireless Stereo）技術自然而然的被應用到藍芽耳機領域。從2017年開始，AirPods引領了一波真無線身歷聲藍芽耳機發展高潮，早期的前端解決方案相對較弱，產品不成熟，但是這並沒有阻礙廠商跟風。一年多之後，藍芽5.0推出，該技術可實現身歷聲通話，使得TWS耳機迎來春天。（圖1）
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1：AirPods耳機

　　相比於普通藍芽耳機，TWS藍芽耳機能夠做到真正無線化，即左右耳掛之間無需有線連接。相比於有線耳機和傳統藍芽耳機，TWS耳機犧牲了一部分降噪效果和語音辨識能力，以獲得更高的便利性。
　　據IDC預測，耳機將會是增長最快的可穿戴設備，2018年到2022年複合增長率達56%。Futuresource的報告中指出，2018年Q3全球耳機市場規模相比2016年Q3增長26%，達到55億美元。其中AirPods佔據40%左右的市場份額。分析認為，藍芽技術、芯片方案等核心技術升級，手機結構變化和系統支援，伴隨AI和感測器技術的成熟，有望推動TWS耳機實現快速持續發展，預計未來三年TWS耳機銷量將有望實現翻倍以上增長，將成為耳機市場的主流。
　　中國TWS市場正在迎頭趕上，一方面受益於3.5mm耳機孔取消的趨勢，一線手機品牌跟隨iPhone7無孔化設計，加速了無線耳機在使用者中的滲透；另一方面，無線耳機技術進步與量產規模的提升下，功能強大的同時性價比也在提升，符合用戶追求。根據GFK對國內三十個城市TWS耳機銷售統計資料，可以看到2018年國內市場呈現高速增長，三季度線上+線下銷售共計135.4萬台，同比增長355.89%，單季度銷售規模7.59億元，同比增長517.07%。（圖2、圖3）　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2：中國市場TWS耳機銷售量（萬臺）。來源：GFK
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3：中國TWS耳機銷售規模（億元）。來源：GFK

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TWS耳機走向多元智能化
　　上世紀90年代，全球有約10億部設備通過互聯網連接。本世紀初智能手機時代的到來使得這一數字上升至20億部。根據ABI的預測，2021年聯網設備數量將達到480億台，表明IoT（物聯網）的時代即將到來，其中30%的設備將搭載藍芽連接技術。
　　因此，分析認為TWS耳機當前面臨的價格、續航、音質體驗等瓶頸將隨著技術發展而逐步解決。從而使得在人工智能時代，TWS耳機有望成為人類與萬物互聯的主要交互入口之一。利用語音與智能音箱、智能家居控制系統或其他電子設備的對話模式將使生活更加便捷。
　　因此，TWS耳機的未來發展趨勢可以類比為功能機向智能手機進化，即TWS耳機將從簡單的耳機到集成多種感測器和芯片以實現多元化的功能的智能終端機演進。未來用戶希望擁有一款集通話功能、健身追蹤、語音助理等額外功能的真正無線耳機產品。換言之，智能耳戴式設備將以無線耳機的形式走向成熟。（圖4）
　　無論是骨聲紋還是語音辨識，都將大幅提升TWS耳機使用場景的豐富性，使之真正被納入智能互聯網絡，成為具有強大使用者黏性和使用時長的中樞型產品。未來TWS耳機有望於智能手機、智能手錶、智能音箱一起成為新一代智能交互的核心。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　圖4：上世紀90年代至今中國音頻設備發展歷程。來源：GFK

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藍芽5.0為TWS耳機帶來哪些改進？

       TWS耳機的應用痛點包括：短距離，頻繁離線；容易發生配對失敗；只能單耳呼叫；玩遊戲時會發生聲音延遲；在相同距離處，轉身會出現信號異常；功耗高，待機時間短；無法實現許多功能，例如調節音量、上下調節和喚醒語音助手觸控等等。

       藍芽5.0很好的解決了上訴難題，具有高傳輸頻寬使得TWS耳機可以進行雙邊通話，支持更高位元速率的音訊播放，並可大大提高音質、配對體驗和操作精度。與之前的藍芽4.2相比，藍芽5.0具有更長的傳輸距離和更快的速度。理論有效距離為300米，覆蓋多數家庭或辦公室面積。移動設備可以穩定連接。在傳輸速率和延遲方面，還有很大的改進和優化，這使得無線設備應用能夠傳輸更多數據，更快地回應。

       伴隨藍芽技術升級，芯片公司近年來積極推出多元化的TWS耳機方案，據統計，至2018年6月共有六家公司推出了十個TWS耳機方案，而到11月，有八家芯片公司共計推出十八個TWS耳機方案，其中有十三個方案支持藍芽5.0傳輸。這些芯片集成度進一步提升，如高通CSR8675是首款集成ANC功能的旗艦級藍芽音訊系統級芯片，節省了耳機內部的空間。這些解決方案還支持低功耗、低延時、降噪、環境音監聽等耳機功能，降低延遲、提高音質，使TWS耳機功能更多、性能更好，產品體驗提升。預計未來芯片廠商會推出更多技術和性能不斷改進的方案。

主動降噪技術

       除了升級到藍芽5.0之外，許多TWS耳機內部集成語音助手、手勢控制、主動降噪（ANC）等等功能。常用的ANC技術將麥克風信號數位化，然後將其數位反轉，添加到原始信號（原始信號也是數位信號），兩個信號綜合之後，轉換回類比信號，驅動器耳機，這是回饋ANC，見圖5，其他兩種是前饋ANC、混合AN，三種ANC都要求將麥克風信號數位化，以便在麥克風的數位信號上執行基於DSP的演算法。
                                                                          
              圖5：回饋型ANC系統依賴於即時將雜訊相位反轉的演算法，同時還要補償其他系統、雜訊和聲音問題、延遲。

        前饋ANC在雜訊相位反轉之後，簡單地使用揚聲器重播消除雜訊。由於聲音沿著從麥克風到雜訊消除電路，到驅動器單元到空氣，最後到輸出的路徑，因此會出現相位反轉延遲，在相對高的頻率處發生振盪。為了防止這種被現象，必須使用濾波器電路來消除觸發振盪的高頻。在前饋ANC中，捕捉雜訊的麥克風放置在耳機外部，麥克風拾取的噪音可能與實際到達耳膜的噪音有所不同。

       回饋ANC的用於捕捉雜訊的麥克風位於耳機內部，檢測外部傳輸到耳朵的聲音。系統將使用者耳朵中的聲音與音訊源進行比較，回饋演算法識別雜訊並生成抗雜訊以將其取消。儘管這種方法具有吸引力，但很難設計出一種有效的回饋系統，其濾波器要求適應耳朵和雜訊的多種變化。此外，如果回饋不是“恰到好處”，系統會變得不穩。

       混合ANC解決方案結合了前饋和回饋方法的優點，見圖6，使用前饋系統的外部麥克風來檢測環境雜訊，加上內部麥克風檢測音訊以外的信號。通過正確的演算法和過濾，這種組合非常有效。
                                                            
           圖6：混合ANC使用兩個麥克風，一個在耳機內部，一個在耳機外部，將兩個信號傳輸到演算法，獲得更佳的性能。

                                    






      

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TWS耳機供應鏈成熟，國內企業舞臺廣闊

       任何一個智能終端機的高速發展離不開成熟的供應體系的支撐，TWS耳機的異軍突起正是有足夠強大的供應鏈作為支撐，才能不斷通過產品升級帶來更好的使用者體驗，以及製造工藝的改良以降低成本。梳理大量已上市TWS耳機產品的拆解報告，總體來看TWS耳機主要可以分為充電盒與耳機兩大部分。充電盒部分的功能核心是續航，因此電源管理IC與鋰電池是最重要的組成部分。電源管理芯片組包含充電芯片、同步整流升壓轉換器、低壓差穩壓器、負載開關、輸入過壓過流保護芯片等。（圖7、圖8）
                                                                     
                                                 圖7：TWS藍芽耳機產品主要構成。來源：JieLi
                                                                     
                                                 圖8：Airpods充電盒部分主要結構。來源：52Audio、iFixit

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混合降噪aska A²NC模組

        針對市場高端和低端產品需求，東莞市逸音電子科技有限公司推出相應的模組以及可靈活搭配的方案，滿足客戶的不同需求，其混合ANC模組可説明廠商開發高音質TWS耳機。東莞逸音aska A²NC模組（Hybrid ANC Module）包含2pcs ADAU1777芯片及1pc MCU，ADI1777支援左、右聲道耳機降噪，音訊輸出和處理，其他特性如下：

    1、MCU控制ANC的所有功能：Hybrid ANC、環境聲音Monitor、Audio音量調整等，音訊輸入支援類比單端身歷聲或數位I2S，藍芽耳機、競技耳機、
         工業耳機、軍用耳機均可利用 東莞逸音aska ANC Module快速實現主動降噪功能；
    2、模組支援DC5V電源，ANC工作功耗小於6mHA。
    3、可客制化定制Hybrid ANC Module模組，模組具有操作提示音及拾音增強功能可選；
    4、可提供完整降噪電子設計輸出；
    5、支持Module MCU Firmware定制，包括UI等；
    6、Module內置MCU Firmware，支援UART界面自動生產測試及ANC filter parameter寫入可為使用A²NC技術的Module或技術的客戶提供有償的自動
         生產測試設備搭建及軟體支援服務。

ska A²NC高端藍芽降噪耳機技術方案推薦

        高端HIFI藍芽耳機或藍芽降噪耳機最核心關注點：音質、降噪深度及降噪對人聲的影響、音訊廣播延時、產品續航能力。基於以上要求，推薦以下最優技術解決方案：藍芽方案推薦高通全系列藍芽solution；high speed codec ADI ADAU1777；降噪演算法aska A²NC。

頭戴降噪藍芽耳機方案選擇
高端頭戴        csr8675/8670+ADI ADAU1777
                      支持CVC/APT-X LL/APT-X LD/SONY LDAC
                      降噪方式：前饋、前後饋
中端頭戴        QC300X/8635/8645+ADI ADAU1777
                      低功耗方案QCC3034+ADI ADAU1777
                      降噪方式：前饋、前後饋
入耳式降噪藍芽耳機方案選擇
        QC300X/8635/8645等+ADI ADAU1777
       低功耗方案QCC3034+ADI ADAU1777
       降噪方式：前饋、前後饋
TWS主動降噪耳機
       QC3020/3026/+ADI ADAU1777
       低功耗：ANC開+耳機工作不大於10mAH
       降噪方式：前饋

       ADAU1777是一種具有四個輸入和兩個輸出的轉碼器，其包含數文書處理引擎，用於執行濾波，電平控制，信號電平監視和混頻。從模擬輸入到DSP內核到類比輸出的路徑都針對低延遲進行了優化，是消除耳機雜訊的理想選擇。雖然只啟動幾個無源元件，晶振和EEPROM，ADAU1777卻提供了一個完整的耳機解決方案。

       ADAU1777主要特性：可程式設計音訊處理引擎；快速（高達768kHz）和慢速處理路徑；Biquad篩檢程式，限制器，音量控制和混音；低延遲，24位ADC和DAC；102dB SNR（通過帶有A加權濾波器的PGA和ADC）；108dB組合SNR（通過DAC和帶A加權濾波器的耳機）；串口取樣速率從8kHz-192kHz；5μs模擬到模擬延遲；四個單端類比輸入，可配置為麥克風或線路輸入；雙身歷聲數位麥克風輸入；身歷聲類比音訊輸出，單端或差分，可配置為線路輸出或耳機驅動器；PLL支持8MHz-27MHz的任何輸入時脈速率；全雙工，非同步取樣速率轉換器（ASRC）；電源；1.8V-3.3V類比和數位輸入/輸出；數位信號處理（DSP）核心1.1V-1.8V；低電量；I2C和SPI控制界面，可從I2C EEPROM自啟動；七個多用途（MPx）引腳，用於數位控制和輸出。（圖9）
                                                                                    
                                              圖9：ADAU1777功能框圖
        ADAU1777應用：降噪手持設備，耳機和耳脈；藍芽主動降噪（ANC）手持設備，耳機和耳脈；個人導航設備；數碼相機和攝像機。

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評估板EVAL-ADAU1777Z

        該評估板可完全訪問ADAU1777上的所有類比和數位輸入/輸出。ADAU1777內核由ADI公司的SigmaStudio軟體控制，該軟體通過USB連接與電路板連接。EVAL-ADAU1777Z可以由單個AAA電池，USB匯流排或單個3.8V-5.5V電源供電； 任何這些電源都可調節到電路板上所需的電壓。印刷電路板（PCB）採用4層設計，在內層上具有單個接地平面和單個電源平面。該板包含用於外部麥克風和揚聲器的連接器。主時鐘可以從外部提供，也可以由板上12.288MHz無源晶體提供。（圖10、圖11）
                                                   
                                         圖10：評估板EVAL-ADAU1777Z框圖
                                                                              
                         圖11：評估板EVAL-ADAU1777Z電路圖:數位和類比輸入/輸出,主時鐘發生

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高通TWS方案

       Qualcomm TrueWireless™身歷聲技術可説明產品設計人員消除多媒體源和耳機之間的電線需求、左耳和右耳的耳機連線。讓用戶享受無線身歷聲音訊體驗，也讓音訊廠商設計出全新產品。旨在提供卓越的音訊品質和延長電池壽命基於QCC5100系列的真正無線身歷聲耳機旨在為消費者提供更好的用戶和聆聽體驗，無論智能手機平台如何，上一代器件相比，降低高達65%的功耗。支援向兩個耳塞傳送音訊。在撥打電話和收聽音樂時提高整體穩健性，提供更優質的整體用戶體驗。輕鬆配對體驗，無需配對個人耳塞。用戶可以配對一個耳機，另一個用於自動啟動配對。（圖12）
                    
                    圖12：Qualcomm TrueWireless™身歷聲技術
        QCC302x和QCC303x SoC系列是基於超低功耗架構的快閃記憶體可程式設計藍芽音訊片上系統（SoC）系列，經過優化，適用於緊湊、功能優化、價格合理的無線耳塞、可穿戴設備、耳機和揚聲器。這些SoC旨在幫助提供卓越的音訊品質，同時顯著縮短下一代設備的電池壽命，與上一代入門級設備相比，可將功耗降低多達50%。快閃記憶體可程式設計應用處理器和可配置音訊數位訊號處理器（DSP）提供的靈活性可幫助製造商輕鬆區分具有新功能的產品，而無需延長開發週期。QCC302x/QCC303x系列彙集了一系列Qualcomm Technologies的創新產品，旨在提供出色而實惠的用戶體驗，並擴展無線耳機、耳塞和揚聲器的可用性，包括入門級和中端產品。超低功耗藍芽音訊SoC針對緊湊，功能優化的無線耳塞，可程式設計和揚聲器進行了優化。

揚聲器與麥克風迎來新一輪發展機遇

       揚聲器與MEMS麥克風作為TWS耳機和智能音箱的核心元件，有望受益於新型智能音訊設備的快速發展，而此類核心元件的技術升級也成為終端設備進一步普及的驅動因素。揚聲器技術升級主要體現在方案升級、材料升級、防水和用量提升等方面，帶來單機價值量和市場空間的持續增長，預計2021年全球微型揚聲器銷量將達到152億件，電聲兩大巨頭歌爾與瑞聲具備領先的揚聲器技術創新研發實力，有望繼續引領技術發展方向。MEMS麥克風具備集成性、擴展性、穩定性等優勢，有望廣泛應用於手機、耳機、音箱等智能產品中，小型化、陣列化是技術發展方向，預計2022年MEMS麥克風出貨量達80億顆，複合增長率為11%，歌爾、樓氏、瑞聲憑藉MEMS麥克風技術儲備躋身為全球領先的MEMS廠商，歌爾更是成為全球二十大MEMS公司中唯一的中國企業，未來憑藉MEMS麥克風技術持續升級和市場規模的不斷增長，領先佈局的公司有望進一步鞏固全球龍頭的地位。

感測器和AI技術推動未來應用場景廣泛

        隨著技術的進一步發展，未來TWS耳機可能在工業、醫療、ToB等領域取得更大市場空間。蘋果專利顯示，未來耳機可能搭載心率檢測技術，集成更多的感測器實現監測心臟、血壓等功能。而另一份專利則描述了依靠感測器和麥克風實現使用者控制環境音的技術，這項技術甚至可以調節耳壓。未來TWS耳機技術升級方向還可能有電容感測器的集成——蘋果專利顯示集成了電容感測器的耳機可以檢測用戶手指的觸摸以執行操作。

        語音交互是螢幕和鍵盤的首選替代品，支援AI語音助手成為手機的延伸無疑是TWS耳機最大的賣點。目前各大手機廠商推出的TWS耳機大多支援各自手機的語音助手。此外，傳統耳機廠商推出了部分支援蘋果Siri、亞馬遜Alexa和谷歌Google Assistant等主流語音助手的TWS耳機。2018年亞馬遜面向所有設備製造商發佈了Alexa Mobile Accessory（AMA）開發套件，所有廠商都可以將Alexa語音助手整合到產品中，而高通將與亞馬遜合作推出一套Alexa智能耳機解決方案，讓用戶無需安裝App也可以使用Alexa。

        據Strategy Analytics預測，2019年語音助手在智能手機的滲透率會超過50%，在2023年將達到90%。因此未來語音控制市場前景良好，而TWS耳機將成為語音交互的重要入口。目前AirPods可以通過按兩下喚醒Siri，而市場上其他產品也大多採用長按、輕觸等手勢操作喚醒模式實現與語音助手的交互。語音喚醒語音助手的技術無疑會是下一代耳機技術升級的目標。

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MEMS麥克風性能優勢明顯

       電容式麥克風原理是振膜與固定背板間的距離隨聲壓波改變，進而改變電容，使聲信號轉化為電信號。傳統ECM麥克風採用駐極體材料，而MEMS麥克風由MEMS芯片和ASIC芯片組成，所有元件都在一個矽晶圓上製造。

       與傳統駐極體電容式麥克風（ECM）相比，MEMS麥克風集成性、擴展性更好，因此逐漸廣泛應用到智能手機、耳機等設備中。在不同溫度、濕度等環境因素的影響下，MEMS麥克風都表現出更穩定的性能，對射頻的抗干擾性能也更好。

       小型化是麥克風技術發展的主要方向之一，此前歌爾聲學已經提出了將微型麥克風與壓力感測器、微型揚聲器與天線模組整合的解決方案，可以有效節省空間、降低成本。蘋果申請了將MEMS麥克風與振動感測器集成新專利，該技術可有效降低噪音。未來更多模組整合的技術可能會不斷推出，以應對設備更小體積、更高性能、更多功能的發展趨勢。此外，低功耗高性能的產品也是不變的發展趨勢之一。

       目前應用的MEMS麥克風在使用中矽振膜可能因壓力過大而斷裂，而石墨烯的特性使其適用於麥克風應用，並展現出更高的靈敏度。目前，英飛淩與多家公司和大學合作開發石墨烯薄膜的MEMS麥克風，並已宣佈完成。未來石墨烯膜的MEMS麥克風可能進入市場。

       壓電式MEMS麥克風則可能是另一發展方向，它利用具有壓電特性的晶體在電場下的變形推動活塞。相比電容式MEMS麥克風，壓電式MEMS麥克風可以提供更好的遠場性能，同時不易受環境污染，長期性能更好。應用到智能設備上時，壓電式麥克風在被喚醒詞打開前幾乎不會消耗電能，這將提高設備的續航時間。（圖13）
                                                                     
                                                   圖13：壓電式麥克風與電容式麥克風原理區別。來源：Vesper

       相比單麥克風，麥克風陣列技術可以實現語音增強與聲源定位，是智能產品必不可少的技術之一。麥克風陣列技術使得智能音箱可以識別遠場語音，消費者不必通過按鍵召喚語音助手。而聲源定位可以讓智能設備實現定向語音信號的增強，從而抑制雜訊、獲得更清晰的語音信號，提供更好的智能服務。

       目前高端音箱應用的麥克風陣列有6-8個麥克風。麥克風陣列的應用無疑推動了市場對MEMS麥克風的需求，據樓氏電子，中國市場對MEMS麥克風的需求相比去年增長了一倍有餘，隨著語音助手在智能音箱等領域的應用，麥克風市場有望進一步增長。Yole預測，預計2022年MEMS麥克風出貨量達80億顆，複合增長率為11%，而MEMS麥克風滲透率也將持續提升。