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來(lái)源：貿澤電子 作者：Doctor M 早在2014-2016年，一些音頻公司就在市場(chǎng)上推出了第一代真正的無(wú)線(xiàn)耳機，但它們在藍牙連接、麥克風(fēng)、電池等方面都存在著(zhù)一些問(wèn)題。2016年，蘋(píng)果公司正式取消了iPhone 7系列上的3.5毫米音頻接口，推出的新產(chǎn)品Apple AirPods，在幾秒鐘內就能與iPhone、iPad和MacBooks順利配對，而且藍牙的無(wú)縫連接達到令人難以置信的程度。 Airpods一經(jīng)推出，這種帶有雙通道傳輸技術(shù)和充電箱的解決方案迅速引領(lǐng)了市場(chǎng)。一時(shí)間，真無(wú)線(xiàn)立體聲耳機（TWS）成為市場(chǎng)上最流行的耳機類(lèi)型。安卓和音頻制造商隨之紛紛效仿，如索尼、Beats、Bose、Jabra、Sennheiser等都推出了各自的產(chǎn)品，市場(chǎng)上的TWS品牌日新月異。經(jīng)過(guò)五年多的發(fā)展，目前TWS無(wú)線(xiàn)耳機已經(jīng)成為增長(cháng)最快的消費電子產(chǎn)品。 
圖1：主流手機廠(chǎng)商TWS耳機產(chǎn)品一覽 (圖源：國元證券研究中心) TWS+與TWS有何關(guān)聯(lián)？ 在談?wù)揟WS時(shí)，我們時(shí)常還會(huì )聽(tīng)到TWS+這個(gè)說(shuō)法，那么，二者之間究竟有哪些關(guān)聯(lián)和區別呢？ · TWS TWS采用的是藍牙5.0主副耳傳輸技術(shù)，在進(jìn)行連線(xiàn)時(shí)，耳機需先與主耳 (通常是右耳) 連接，之后主耳再與副耳進(jìn)行連線(xiàn)，所以連線(xiàn)需要的時(shí)間比較長(cháng)。因此，TWS比較容易受到外界的干擾，功耗偏高。 · TWS+ TWS+ (True Wireless Stereo Plus) 是高通公司的專(zhuān)有技術(shù)，在Android手機上，高通公司于2017年推出的Snapdragon 845處理器中引入了這項技術(shù)。TWS+是TWS的一種演變，它的兩個(gè)耳機都能直接連接到音頻源，顧名思義，就是左右耳可以獨立工作。這使得每個(gè)耳機都能以最小的損耗接收相應的音頻信號，連線(xiàn)快且省電。雖然TWS+兼容耳機可提供更高的音質(zhì)，但該功能還取決于音頻源是否兼容。 2018年2月，高通推出的TWS+技術(shù)在使用高通QCC5100/QCC30XX藍牙芯片的TWS耳機與基于驍龍845/7XX/855/865等移動(dòng)平臺的手機之間實(shí)現正常工作。通過(guò)使用該方案，會(huì )有兩條獨立的通信鏈路直接傳輸到左右兩個(gè)聲道，實(shí)現獨立連接。當播放音樂(lè )時(shí)，即使摘掉一邊耳機，音樂(lè )也不會(huì )中斷。 雖然蘋(píng)果的AirPods被稱(chēng)作TWS耳機，但自第一代產(chǎn)品問(wèn)世，AirPods就具有與TWS+類(lèi)似的功能：識別用戶(hù)是否使用一個(gè)還是兩個(gè)耳機，并相應地分配頻道。如果用戶(hù)僅使用兩個(gè)耳機中的某一個(gè)，聲音將以單聲道模式發(fā)送。蘋(píng)果幾代AirPods之間的差異主要體現在使用的芯片上，最初的型號使用兼容藍牙4.2的Apple W1，AirPods Pro之后的型號則使用了支持藍牙5.0的Apple H1芯片。 目前的現狀是，所有的真無(wú)線(xiàn)耳機都兼容TWS，但并不全部支持TWS+。 高歌猛進(jìn)的TWS市場(chǎng) 盡管TWS技術(shù)越來(lái)越多地用于筆記本電腦、平板電腦和電視，但智能手機仍是TWS最受歡迎的配對設備，包括蘋(píng)果和三星在內的主要智能手機制造商已經(jīng)從最新發(fā)布的產(chǎn)品中卸下3.5毫米音頻接口。 目前，TWS耳機市場(chǎng)已經(jīng)從一匹黑馬發(fā)展成為一匹金馬，市場(chǎng)和銷(xiāo)量逐年穩步增長(cháng)。高通公司在其2020年全球消費者音頻調研報告中提到，自2019年以來(lái)，全球TWS耳機的使用率幾乎翻了一番，從23%增至42%。也就是說(shuō)，約有42%的消費者使用無(wú)線(xiàn)耳機觀(guān)看電視、電影和其他視頻內容。隨著(zhù)電池壽命的進(jìn)一步改善，這個(gè)數字有望繼續上升。 根據grand view research的預測，全球TWS耳機市場(chǎng)規模在2020年約為253.2億美元，預計從2021到2028年將以36.1%的年復合增長(cháng)率增長(cháng)。隨著(zhù)流媒體內容需求的不斷擴大，加上社交媒體和短視頻應用的迅速普及，預計未來(lái)幾年TWS耳機市場(chǎng)的增長(cháng)仍將加速。 根據Strategy Analytics的數據，2020年，全球藍牙耳機總銷(xiāo)量已超過(guò)3億只，而TWS耳機的銷(xiāo)量已超過(guò)這一數字的一半達到1.7億只。具體來(lái)看，全球TWS耳機市場(chǎng)的發(fā)展趨勢與10年前智能手機市場(chǎng)相類(lèi)似，蘋(píng)果領(lǐng)行業(yè)之先并主要占據高端市場(chǎng)，安卓則通過(guò)低價(jià)策略逐漸滲透到中低端市場(chǎng)，其滲透率走勢也與此前的智能手機有相似之處。Strategy Analytics的調研數據表明，隨著(zhù)AirPods Pro的推出，蘋(píng)果AirPods的銷(xiāo)量從2016年的100萬(wàn)只迅速增長(cháng)到2018年的1,500萬(wàn)只，2019年的銷(xiāo)量更是達到了驚人的6,000萬(wàn)只。 Juniper Research的分析師估計，蘋(píng)果在2020年售出了近8,500萬(wàn)只AirPods，約占TWS類(lèi)產(chǎn)品總收入的70%，占售出產(chǎn)品55%的市場(chǎng)份額。 從品牌分布來(lái)看，TWS耳機市場(chǎng)是由蘋(píng)果公司率先引爆，經(jīng)過(guò)數年發(fā)展，其產(chǎn)品AirPods在中高端市場(chǎng)具有極高市占率。來(lái)自Counterpoint的分析數據，截至2020年第二季度，位居TWS市場(chǎng)前三的企業(yè)分別為蘋(píng)果（35%）、小米（10%）以及三星（6%），小米憑借價(jià)格優(yōu)勢主要覆蓋中低端市場(chǎng)。
圖2：截至2020年2季度TWS耳機品牌市占率 (圖源：Counterpoint) 01 TWS核心技術(shù)之一：藍芽5.0 藍牙是一種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，理論上可以在100米之內的設備之間進(jìn)行短距離連接。實(shí)際上，當使用小型設備時(shí)，我們通常使用大約10米的有效距離。藍牙的最大特點(diǎn)是，它使移動(dòng)通信設備和計算機能夠在不使用電纜的情況下聯(lián)網(wǎng)并傳輸數據和消息�？梢哉f(shuō)，藍牙技術(shù)是耳機發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重大轉折點(diǎn)，它是TWS中最重要的技術(shù)之一。 與上一代藍牙4.2相比，2016年6月問(wèn)世的藍牙5.0具有更長(cháng)的傳輸距離和更快的傳輸速率，有效傳輸距離是BLE 4.2版本的4倍，傳輸速率提高2倍。藍牙5.0在傳輸速率和延遲方面的顯著(zhù)優(yōu)化，使得許多需要更多信息和更快響應的無(wú)線(xiàn)設備的應用成為可能。在實(shí)際使用方面，藍牙5.0的高傳輸帶寬也使TWS的雙向通話(huà)成為可能，更高的比特率讓音頻播放更加自然。 藍牙5.2代表了藍牙技術(shù)的最新發(fā)展。2020年，Bluetooth SIG推出了新一代藍牙音頻技術(shù)標準LE audio。它基于藍牙5.2標準，采用全新的“LC3”音頻解碼器，音質(zhì)好，功耗低，可以在不犧牲音頻質(zhì)量的情況下更有效地壓縮音頻數據，在較低的帶寬上傳輸更多的數據，這對于音頻質(zhì)量和電源效率來(lái)說(shuō)都是利好。藍牙5.2最令人期待的進(jìn)步是引入了同步信道，該技術(shù)允許我們將多個(gè)藍牙設備連接到單個(gè)信源。試想一下，假如我們在家里使用TWS時(shí)，無(wú)需手動(dòng)更改它與手機、PC或電視之間的連接，就可以一次性連接到所有設備，并在它們之間自動(dòng)切換，這是多么舒適的體驗。 TWS的快速發(fā)展帶動(dòng)了相關(guān)供應鏈制造商的產(chǎn)業(yè)升級。主控芯片、電源管理芯片、無(wú)線(xiàn)充電接收芯片、充電盒電池、耳塞電池、觸摸控制等技術(shù)的進(jìn)步，提高了TWS耳機的性能和功能，帶來(lái)了更好的用戶(hù)體驗。 02 TWS核心技術(shù)之二：藍牙主控芯片 在TWS中，藍牙主控芯片的重要性不言而喻。與體積相對較大的手機和其他耳機不同，TWS的便攜性要求對主控制芯片的尺寸和集成度有更高的要求。隨著(zhù)降噪、功能傳感器等新模塊的加入，對腔體的空間利用率和芯片的高集成度提出了更高的要求。一個(gè)功能全面、集成度高的藍牙主控SoC為T(mén)WS實(shí)現多種功能提供了有力保障。 目前，TWS主控芯片市場(chǎng)上有幾十家制造商，市場(chǎng)逐漸成熟，廠(chǎng)商競爭激烈。高端市場(chǎng)以蘋(píng)果、高通、恒玄、博通為代表，中低端市場(chǎng)包括洛達、瑞昱、中科藍訊等。據不完全統計，截至2020年10月，中國TWS主控藍牙芯片廠(chǎng)商就超過(guò)了22家。 高通QCC5124片上系統（SoC）旨在滿(mǎn)足小型設備對強勁、高質(zhì)量、無(wú)線(xiàn)藍牙監聽(tīng)體驗的需求，低功耗可實(shí)現更長(cháng)時(shí)間的音頻播放。QCC5124體系結構專(zhuān)為低功耗的高性能而設計。與其之前的技術(shù)相比，功耗可以降低高達65%，可以在幾乎所有操作模式下支持更長(cháng)時(shí)間的音頻播放。
圖3：QCC5124系統框圖 (圖源：Qualcomm) 03 TWS核心技術(shù)之三：主動(dòng)降噪 近年來(lái)，TWS耳機的降噪功能愈發(fā)受到消費者重視，主動(dòng)降噪 (ANC) 技術(shù)已經(jīng)成為高端耳機產(chǎn)品的標配。高通公司的市場(chǎng)調研數據顯示，71%的消費者對有源噪聲消除作為一項功能感興趣。 自蘋(píng)果發(fā)布AirPods Pro后，TWS耳機開(kāi)始加速向TWS + ANC方向轉變。目前，市場(chǎng)上主流的主動(dòng)降噪藍牙耳機均采用藍牙芯片與主動(dòng)降噪芯片分立的方案。對于內部空間緊張的TWS耳機來(lái)說(shuō)，單芯片方案不僅功耗更低，還可將更多的空間留給聲學(xué)器件和電池模組，因此，這一架構亦將成為T(mén)WS耳機的發(fā)展趨勢。當然，除了主動(dòng)降噪芯片，TWS耳機的降噪效果還與耳機腔體的設計有關(guān)，芯片廠(chǎng)需要與OEM/ODM廠(chǎng)商進(jìn)行緊密合作。 Dialog公司的DA7401是一款專(zhuān)為T(mén)WS耳機和智能耳戴式設備設計的高性能單聲道主動(dòng)降噪編解碼器，它擁有115dB播放動(dòng)態(tài)范圍、103dB錄音動(dòng)態(tài)范圍、混合主動(dòng)降噪和靈活的時(shí)鐘架構。 DA7402是一款高性能、超低功耗的立體聲高保真編解碼器，它采用了Dialog公司定制數字混合ANC技術(shù)，在更寬的頻率范圍內提供更強的環(huán)境噪聲抑制，在任何環(huán)境中都能獲得最佳用戶(hù)體驗。DA7402集成了音頻處理器，可提供出色的音頻性能，包括115dB的動(dòng)態(tài)播放范圍和384kHz的采樣率。此外，它還提供40kHz音頻帶寬，以支持高分辨率音頻。 DA7402是目前市場(chǎng)上最小的數字主動(dòng)降噪編解碼器之一，其功耗僅為當今領(lǐng)先芯片解決方案的一半，而音頻性能則提高了一倍，使其成為運動(dòng)耳機、智能耳戴式設備、TWS耳機以及更多耳機產(chǎn)品的理想選擇。
圖4：ANC編解碼器DA740X系列 (圖源：Mouser) 04 TWS核心技術(shù)之四：MEMS麥克風(fēng) TWS耳機的許多功能都需要相應的傳感器來(lái)提供硬件支持。目前，TWS耳機的主要傳感器單元包括用于播放音樂(lè )的揚聲器、用于主動(dòng)降噪和通信的MEMS麥克風(fēng)、用于耳內檢測的光學(xué)傳感器、用于通信降噪的骨聲紋傳感器、用于360度環(huán)繞聲的六軸傳感器等。 在TWS耳機中，之前的麥克風(fēng)主要用于語(yǔ)音通話(huà)功能。隨著(zhù)ANC降噪技術(shù)在TWS耳機中的應用，為了達到更好的降噪效果，多麥克風(fēng)協(xié)作方案得到了廣泛應用，對麥克風(fēng)的性能要求也越來(lái)越高。MEMS硅芯片具有體積小、穩定性強等優(yōu)點(diǎn)。由于降噪功能的加入對麥克風(fēng)的性能提出了更高的要求，MEMS麥克風(fēng)因此成為T(mén)WS耳機產(chǎn)品的首選。 TDK的高性能MEMS麥克風(fēng)T5837/38 PDM具有133dB SPL的高聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)（AOP），68dBA的高信噪比和寬動(dòng)態(tài)范圍，非常適合于從非常安靜到非常嘈雜的應用環(huán)境，例如：從遠場(chǎng)智能揚聲器到ANC TWS應用的語(yǔ)音拾音器。T5848 SmartSound I2S MEMS麥克風(fēng)則可提供133dB SPL的高聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)，68dBA的高信噪比和寬動(dòng)態(tài)范圍，適合需要在動(dòng)態(tài)嘈雜環(huán)境下提供高聲學(xué)性能等應用。
圖5：TDK高性能MEMS麥克風(fēng)系列產(chǎn)品T5837 (圖源：TDK) 05 TWS核心技術(shù)之五：電源管理芯片 電源管理芯片主要用于TWS耳機的充放電，以及在充放電過(guò)程中的實(shí)時(shí)電池過(guò)充、過(guò)放電、過(guò)流和過(guò)溫監測以及短路保護等。雖然與傳統設備相比，電源管理芯片的充放電功率相對較小，但對于便攜性要求較高的TWS耳機來(lái)說(shuō)，對安全性、低功耗、高耐壓、高集成度和高效率的要求相對較高。 MAX77650/MAX77651為高度集成、超低功耗電源管理芯片 (PMIC) ，非常適用于TWS這一類(lèi)對尺寸和效率有苛刻要求的低功耗、尺寸受限的可穿戴應用。兩款芯片都包含一個(gè)SIMO降壓升壓穩壓器，該穩壓器可提供三個(gè)獨立可編程的電源軌。 此外，150mA LDO為音頻以及噪聲敏感應用提供了紋波抑制。高度可配置的線(xiàn)性充電器支持各種鋰電池容量，并包括電池溫度監控以提高安全性 (JEITA) 。MAX77650/MAX77651中的模擬多路復用器能將多個(gè)內部電壓和電流信號切換到外部節點(diǎn)，以便使用外部ADC進(jìn)行監控。雙向I2C接口可供配置和檢查設備的工作狀態(tài)。
圖6：MAX77650系統框圖 (圖源：Maxim) 結語(yǔ) TWS耳機是智能音頻設備行業(yè)不可分割的一部分，同時(shí)也是一個(gè)剛起步的市場(chǎng)。Yole Développement預測，到2026年，TWS耳機、助聽(tīng)器、智能手表和智能揚聲器產(chǎn)品的年度出貨量將會(huì )超過(guò)13億臺，優(yōu)質(zhì)的音頻將成為游戲、AR/VR體驗和3D音效等許多應用的必備功能。智能手機與耳機擁有極高的生態(tài)契合度，目前全球安卓手機出貨量約為蘋(píng)果手機的6倍，預計未來(lái)在TWS耳機行業(yè)中，安卓的份額將會(huì )大幅上升。 在這一市場(chǎng)潛力的鼓舞下，藍牙主控芯片、語(yǔ)音識別、ANC等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng )新也將加快腳步，具有更高集成度、更低功耗、更小尺寸的芯片產(chǎn)品也將快速迭代，TWS耳機的性能也將得到大幅提升。 |
