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來源：貿澤電子 作者：Doctor M 早在2014-2016年，一些音頻公司就在市場上推出了第一代真正的無線耳機，但它們在藍牙連接、麥克風、電池等方面都存在著一些問題。2016年，蘋果公司正式取消了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，而且藍牙的無縫連接達到令人難以置信的程度。 Airpods一經推出，這種帶有雙通道傳輸技術和充電箱的解決方案迅速引領了市場。一時間，真無線立體聲耳機（TWS）成為市場上最流行的耳機類型。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品，市場上的TWS品牌日新月異。經過五年多的發展，目前TWS無線耳機已經成為增長最快的消費電子產品。 
圖1：主流手機廠商TWS耳機產品一覽 (圖源：國元證券研究中心) TWS+與TWS有何關聯？ 在談論TWS時，我們時常還會聽到TWS+這個說法，那么，二者之間究竟有哪些關聯和區別呢？ · TWS TWS采用的是藍牙5.0主副耳傳輸技術，在進行連線時，耳機需先與主耳 (通常是右耳) 連接，之后主耳再與副耳進行連線，所以連線需要的時間比較長。因此，TWS比較容易受到外界的干擾，功耗偏高。 · TWS+ TWS+ (True Wireless Stereo Plus) 是高通公司的專有技術，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。TWS+是TWS的一種演變，它的兩個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。這使得每個耳機都能以最小的損耗接收相應的音頻信號，連線快且省電。雖然TWS+兼容耳機可提供更高的音質，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等移動平臺的手機之間實現正常工作。通過使用該方案，會有兩條獨立的通信鏈路直接傳輸到左右兩個聲道，實現獨立連接。當播放音樂時，即使摘掉一邊耳機，音樂也不會中斷。 雖然蘋果的AirPods被稱作TWS耳機，但自第一代產品問世，AirPods就具有與TWS+類似的功能：識別用戶是否使用一個還是兩個耳機，并相應地分配頻道。如果用戶僅使用兩個耳機中的某一個，聲音將以單聲道模式發送。蘋果幾代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，所有的真無線耳機都兼容TWS，但并不全部支持TWS+。 高歌猛進的TWS市場 盡管TWS技術越來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，包括蘋果和三星在內的主要智能手機制造商已經從最新發布的產品中卸下3.5毫米音頻接口。 目前，TWS耳機市場已經從一匹黑馬發展成為一匹金馬，市場和銷量逐年穩步增長。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，全球TWS耳機的使用率幾乎翻了一番，從23%增至42%。也就是說，約有42%的消費者使用無線耳機觀看電視、電影和其他視頻內容。隨著電池壽命的進一步改善，這個數字有望繼續上升。 根據grand view research的預測，全球TWS耳機市場規模在2020年約為253.2億美元，預計從2021到2028年將以36.1%的年復合增長率增長。隨著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，預計未來幾年TWS耳機市場的增長仍將加速。 根據Strategy Analytics的數據，2020年，全球藍牙耳機總銷量已超過3億只，而TWS耳機的銷量已超過這一數字的一半達到1.7億只。具體來看，全球TWS耳機市場的發展趨勢與10年前智能手機市場相類似，蘋果領行業之先并主要占據高端市場，安卓則通過低價策略逐漸滲透到中低端市場，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AirPods Pro的推出，蘋果AirPods的銷量從2016年的100萬只迅速增長到2018年的1,500萬只，2019年的銷量更是達到了驚人的6,000萬只。 Juniper Research的分析師估計，蘋果在2020年售出了近8,500萬只AirPods，約占TWS類產品總收入的70%，占售出產品55%的市場份額。 從品牌分布來看，TWS耳機市場是由蘋果公司率先引爆，經過數年發展，其產品AirPods在中高端市場具有極高市占率。來自Counterpoint的分析數據，截至2020年第二季度，位居TWS市場前三的企業分別為蘋果（35%）、小米（10%）以及三星（6%），小米憑借價格優勢主要覆蓋中低端市場。
圖2：截至2020年2季度TWS耳機品牌市占率 (圖源：Counterpoint) 01 TWS核心技術之一：藍芽5.0 藍牙是一種無線傳輸技術，理論上可以在100米之內的設備之間進行短距離連接。實際上，當使用小型設備時，我們通常使用大約10米的有效距離。藍牙的最大特點是，它使移動通信設備和計算機能夠在不使用電纜的情況下聯網并傳輸數據和消息。可以說，藍牙技術是耳機發展過程中的一個重大轉折點，它是TWS中最重要的技術之一。 與上一代藍牙4.2相比，2016年6月問世的藍牙5.0具有更長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優化，使得許多需要更多信息和更快響應的無線設備的應用成為可能。在實際使用方面，藍牙5.0的高傳輸帶寬也使TWS的雙向通話成為可能，更高的比特率讓音頻播放更加自然。 藍牙5.2代表了藍牙技術的最新發展。2020年，Bluetooth SIG推出了新一代藍牙音頻技術標準LE audio。它基于藍牙5.2標準，采用全新的“LC3”音頻解碼器，音質好，功耗低，可以在不犧牲音頻質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，這對于音頻質量和電源效率來說都是利好。藍牙5.2最令人期待的進步是引入了同步信道，該技術允許我們將多個藍牙設備連接到單個信源。試想一下，假如我們在家里使用TWS時，無需手動更改它與手機、PC或電視之間的連接，就可以一次性連接到所有設備，并在它們之間自動切換，這是多么舒適的體驗。 TWS的快速發展帶動了相關供應鏈制造商的產業升級。主控芯片、電源管理芯片、無線充電接收芯片、充電盒電池、耳塞電池、觸摸控制等技術的進步，提高了TWS耳機的性能和功能，帶來了更好的用戶體驗。 02 TWS核心技術之二：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。一個功能全面、集成度高的藍牙主控SoC為TWS實現多種功能提供了有力保障。 目前，TWS主控芯片市場上有幾十家制造商，市場逐漸成熟，廠商競爭激烈。高端市場以蘋果、高通、恒玄、博通為代表，中低端市場包括洛達、瑞昱、中科藍訊等。據不完全統計，截至2020年10月，中國TWS主控藍牙芯片廠商就超過了22家。 高通QCC5124片上系統（SoC）旨在滿足小型設備對強勁、高質量、無線藍牙監聽體驗的需求，低功耗可實現更長時間的音頻播放。QCC5124體系結構專為低功耗的高性能而設計。與其之前的技術相比，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時間的音頻播放。
圖3：QCC5124系統框圖 (圖源：Qualcomm) 03 TWS核心技術之三：主動降噪 近年來，TWS耳機的降噪功能愈發受到消費者重視，主動降噪 (ANC) 技術已經成為高端耳機產品的標配。高通公司的市場調研數據顯示，71%的消費者對有源噪聲消除作為一項功能感興趣。 自蘋果發布AirPods Pro后，TWS耳機開始加速向TWS + ANC方向轉變。目前，市場上主流的主動降噪藍牙耳機均采用藍牙芯片與主動降噪芯片分立的方案。對于內部空間緊張的TWS耳機來說，單芯片方案不僅功耗更低，還可將更多的空間留給聲學器件和電池模組，因此，這一架構亦將成為TWS耳機的發展趨勢。當然，除了主動降噪芯片，TWS耳機的降噪效果還與耳機腔體的設計有關，芯片廠需要與OEM/ODM廠商進行緊密合作。 Dialog公司的DA7401是一款專為TWS耳機和智能耳戴式設備設計的高性能單聲道主動降噪編解碼器，它擁有115dB播放動態范圍、103dB錄音動態范圍、混合主動降噪和靈活的時鐘架構。 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，在更寬的頻率范圍內提供更強的環境噪聲抑制，在任何環境中都能獲得最佳用戶體驗。DA7402集成了音頻處理器，可提供出色的音頻性能，包括115dB的動態播放范圍和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是目前市場上最小的數字主動降噪編解碼器之一，其功耗僅為當今領先芯片解決方案的一半，而音頻性能則提高了一倍，使其成為運動耳機、智能耳戴式設備、TWS耳機以及更多耳機產品的理想選擇。
圖4：ANC編解碼器DA740X系列 (圖源：Mouser) 04 TWS核心技術之四：MEMS麥克風 TWS耳機的許多功能都需要相應的傳感器來提供硬件支持。目前，TWS耳機的主要傳感器單元包括用于播放音樂的揚聲器、用于主動降噪和通信的MEMS麥克風、用于耳內檢測的光學傳感器、用于通信降噪的骨聲紋傳感器、用于360度環繞聲的六軸傳感器等。 在TWS耳機中，之前的麥克風主要用于語音通話功能。隨著ANC降噪技術在TWS耳機中的應用，為了達到更好的降噪效果，多麥克風協作方案得到了廣泛應用，對麥克風的性能要求也越來越高。MEMS硅芯片具有體積小、穩定性強等優點。由于降噪功能的加入對麥克風的性能提出了更高的要求，MEMS麥克風因此成為TWS耳機產品的首選。 TDK的高性能MEMS麥克風T5837/38 PDM具有133dB SPL的高聲學過載點（AOP），68dBA的高信噪比和寬動態范圍，非常適合于從非常安靜到非常嘈雜的應用環境，例如：從遠場智能揚聲器到ANC TWS應用的語音拾音器。T5848 SmartSound I2S MEMS麥克風則可提供133dB SPL的高聲學過載點，68dBA的高信噪比和寬動態范圍，適合需要在動態嘈雜環境下提供高聲學性能等應用。
圖5：TDK高性能MEMS麥克風系列產品T5837 (圖源：TDK) 05 TWS核心技術之五：電源管理芯片 電源管理芯片主要用于TWS耳機的充放電，以及在充放電過程中的實時電池過充、過放電、過流和過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耳機來說，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SIMO降壓升壓穩壓器，該穩壓器可提供三個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內部電壓和電流信號切換到外部節點，以便使用外部ADC進行監控。雙向I2C接口可供配置和檢查設備的工作狀態。
圖6：MAX77650系統框圖 (圖源：Maxim) 結語 TWS耳機是智能音頻設備行業不可分割的一部分，同時也是一個剛起步的市場。Yole Développement預測，到2026年，TWS耳機、助聽器、智能手表和智能揚聲器產品的年度出貨量將會超過13億臺，優質的音頻將成為游戲、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契合度，目前全球安卓手機出貨量約為蘋果手機的6倍，預計未來在TWS耳機行業中，安卓的份額將會大幅上升。 在這一市場潛力的鼓舞下，藍牙主控芯片、語音識別、ANC等領域的技術創新也將加快腳步，具有更高集成度、更低功耗、更小尺寸的芯片產品也將快速迭代，TWS耳機的性能也將得到大幅提升。 |
