蓝牙耳机需求度增加,未来研究方向在哪?

2019-08-20 12:44:31 来源: 华强微电子
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自iPhone 7发布以来,市面上开始逐渐盛行手机不设置耳机孔的惯例。加上AirPods的优秀表现,让消费者逐渐习惯了蓝牙耳机。如今大多数消费者已经对TWS蓝牙耳机接受程度越来越高,而这也造就了如今TWS蓝牙耳机市场的繁荣。对于TWS蓝牙耳机最重要的芯片而言,随着用户的需求的不断拓展,对其要求也在不断提升,这对厂商而言将是一个不小的挑战。


双发机制有效降低TWS耳机功耗  让性能与功耗背向而行
如今市场中,TWS蓝牙耳机的基本模式已经被确立,那便是以分体式耳机加充电盒的组合为主。虽然耳机充电盒不仅能能够充当耳机的收纳装置,同时可以有效的帮助耳机进行续航,但耳机本身的续航表现直接关乎用户的使用体验,而在功耗与性能上,各厂商又将如何进行权衡。


为此,记者采访到了紫光展锐泛连接事业部总经理王泷,他表示紫光展锐在不降低性能的前提下,对功耗进行调优。“我们在性能和功耗上,要在最好的性能上达到最低的功耗,而并不是选择以降低性能的情况下来降低功耗。以紫光展锐的芯片为例,它是超低功耗设计,带载功耗在9mA以内,此外对于TWS的小巧设计可以支持4小时以上连续播放。”

 


作为国内知名的TWS蓝牙耳机芯片供应商,中科蓝讯创始人&CEO刘助展对此认为:“降低功耗是一项系统级的多方面设计。我们采用了RISC-V这一优秀的CPU,有效地控制了内核的功耗。我们的模拟团队也是身经百战,拥有着丰富的低功耗设计经验,设计出低功耗的差分DAC、RF模块。同时,运用基于双发机制的TWS技术,从软件算法上也减少了蓝牙的无线通信,有效地降低了整机功耗。”


而作为国际大厂,Qualcomm在此方面有自己独到的见解:“如今,消费者越来越期待无线耳机可以实现媲美有线耳机的音频性能,如支持主动降噪、高分辨率音频等。然而,个人音频产品是最具挑战的产品,由于产品外观设计小巧,想要集成一些复杂的产品特性、进行音频处理都变得非常困难,小尺寸设计对电池容量提出了需求,因此超低功耗至关重要。”

 


Qualcomm产品市场总监刘俊勇表示:“我们面临的挑战是,在提升设备处理能力和性能的同时,还要大幅降低功耗,这也是Qualcomm最先进的低功耗蓝牙音频平台所希望解决的问题。在QCC5100系列中,我们集成了四核处理器,即双核Qualcomm Kalimba DSP音频子系统和双核32位处理器应用子系统,来应对上述的使用场景;同时,我们也集成了专用的硬件模块去支持低功耗混合ANC,以及一些优化的硬件模块来支持语音用户界面和低功耗关键词唤醒。我们针对整个平台进行了系统级的优化,与前代芯片相比,QCC5100在播放音乐时降低高达65%的功耗,这意味着可以在相同电池规格的条件下,可以延长两倍以上的续航时间。”

 


王泷也表示了紫光展锐在TWS耳机功耗上的研究方向:“功耗永远没有最低只有更低,紫光展锐也会在后续用更先进的制程去做耳机芯片,将带来更好的功耗表现。在增加声音质量,增加语音识别的前提下还能保持功耗不变甚至降低,将是我们未来的研究方向。”


TWS耳机不仅在功耗上有严格要求,对于耳机无线连接方式也有着相当高的要求。在许多TWS耳机上可以发现,两只耳机上有主副耳机的设置,这导致主耳机必须要与设备相连后,才能将信号转发给副耳机,这可能导致在信号连接不稳定的同时,还可能产生高延迟及两只耳机功耗不统一从而损坏耳机的情况出现。


针对这种情况,刘助展表示:“首先,我们采用的是双发模式,弱化了主辅机的差别。其次,我们有设计一套自动主动切换机制,可以根据环境的信号变化情况,以及当前电池的损耗情况,对耳机进行及时调整。”


而紫光展锐方面对此也有自己的解决方案,事实上我们不仅可以同时支持两只耳机,甚至可以支持多耳机共同作为主机使用,相当于做一个mesh群组。对用户而言,完全没有主副耳机的分别,在音频上也能做到无缝切换,在降低功耗的同时,还能拓展TWS耳机在更多的应用场景中使用。

 


王泷以紫光展锐最新发布的产品为例,做了更详细的解释:“以我们最新的芯片为例,该产品没有主副耳这个观念,两耳消耗的功耗是均衡的。我们的设计采用深度优化算法,不再需要区分主耳和副耳,左右耳可随时中断,互不干扰,也不需要因为同步额外耗电。所以我们在切换的时候可以做到无缝切换。”


对此,高通方面也有自己的解决方案,刘俊勇表示:“蓝牙音频在我们的生活中发挥着日益重要的作用。Qualcomm三大低功耗蓝牙音频平台系列产品中,每个平台有两种工作模式包括TrueWireless Stereo和TrueWirelessStereo Plus。其中TrueWireless StereoPlus采用Qualcomm-to-Qualcomm的模式,让两路独立的音频流从手机直接向每个耳塞单独提供信号。在TrueWireless Stereo Plus连接技术下,音频流传输不需要通过一个耳塞经由人脑中继到另一个耳塞,从而大大提高了射频传输的可靠性。另外,通过中继的方式传输,一个耳塞需要在接收手机发送音频流的同时进行转发,这意味着将产生较大功耗。而TrueWireless Stereo Plus技术采用‘Qualcomm-to-Qualcomm模式’,即搭载骁龙845、骁龙670,骁龙710,骁龙855及以后的骁龙移动平台的智能手机可以和基于ADK6.x的耳机平台的耳机工作在Qualcomm-to-Qualcomm的模式,不需要主耳机作为中继器,可极大节省功耗,延长用户使用时长。”


刘俊勇以骁龙855为例,阐述该技术实现过程,利用骁龙855移动平台和与其搭配使用的QCC芯片组,Qualcomm通过端到端的方式实现了体验的升级,特别是音质、时延和功耗这三方面的提升。骁龙855移动平台集成的QualcommTrueWireless Stereo Plus技术,让左右声道可以直接从手机分别传输到左右耳塞,这让两个耳塞可以保持均衡的功耗,不仅可以带来更长的播放时间,还有助于降低时延。此外,由于不再有主/副耳塞之分,两个耳塞都直接与手机连接并进行同步。
可以看到未来的TWS蓝牙耳机趋势便是在模糊主副耳机概念,使用任一耳机都可以行使主机功能。同时在这种模式下,还能有效的避免过去主耳机功耗过高,导致两只耳机功耗不一致,最后致使产品寿命缩短等问题。

 


低延时、高保真将成未来TWS耳机研究方向
TWS耳机最主要的功能便是接受设备所释放出来的音频信号,消费者自然希望这些音频能够在高保真的同时还能达到更低的延时性,这样在观看电影及玩游戏时将会有更加流畅的体验。因此可以认为哪家厂商率先实现了无延迟的TWS蓝牙耳机,哪家厂商便能在市场中占据极大份额。
关于延迟问题,刘助展认为可以在RF天线上进行改良,延迟的主要原因有两个,一个是TWS用转发机制,会增加数据的传输链路,使延时增加。而用双发机制则能够有效控制。另一个就是RF天线较差时,需要更大的缓存来保证音乐不中断。而改善RF天线,则可以有效减少这一方面的损失。


在紫光展锐方面,王泷表示:“目前紫光展锐的产品在延时性上基本与苹果AirPods一代相当,比二代稍微高一点。”紫光展锐主要通过音频设备组方案,解决了蓝牙音频的延时问题,相比其他同类产品,可以将双耳的延时降低了30%以上。


目前高通也注意到了消费者对低延时的诉求,刘俊勇表示:“移动终端上的消费内容类型正在快速变化,消费者不仅可以聆听音频、还能做更多事情。面向手机通话而优化的音频,与面向音乐、游戏等要求低时延的应用大不相同。移动游戏和移动视频消费的盛行,要求无线音频终端提供完全同步的音频和视频内容。”


为了解决这一问题,刘俊勇表示:“骁龙855的发布标志着移动终端开始支持Qualcomm aptX Adaptive。aptX系列的全新编解码器可以在高比特率模式(带来最佳音质的音乐)或低时延模式(玩游戏的场景下)之间智能切换。aptX Adaptive一大核心特性就是低时延,特别是针对游戏和视频场景。低时延是使用终端观看视频和玩游戏的硬性需求。在用户开始玩游戏时,aptX Adaptive编解码器可以检测到用户正在玩游戏,并面向降低时延而优化,比如用户进行射击或追逐时,不希望听到有时延的枪声。aptX是真正助力改善蓝牙聆听音乐体验的首批技术之一,下一代消费者期望通过无线产品完全替代有线的产品,我们一直致力于为他们打造可以变革聆听体验的技术。”

 


当然,在避免低延迟的同时,还需要进行高保真音频的传输,如果以低音质进行低延迟传输这也将降低用户的使用体验。针对这一点,刘助展表示:“在高保真方面,我们支持了音质更好的AAC格式,减少了声音在压缩算法的损失。”


同样,王泷也认为高保真无损音频将成为未来研发的方向,随着5G的到来,带宽问题被解决,无损音乐将变得更加流行,但如今几乎所有耳机传输音频都是有损的,不论如何进行压缩都不可避免对音频造成损害,高清无损的耳机是未来的研发的方向,也是目前的机遇。


Qualcomm《2018使用现状调研报告》对来自中国、英国和美国的6000位消费者进行问卷调查,发现现今更多消费者对音质有发烧友级别的追求:79%受访者表示他们希望无线耳机或音箱支持高分辨率(24bit)音频。因此,刘俊勇表示:“Qualcomm正借助全新音频技术,赋能先进的高保真音频体验。我们非常注重音频产品与智能手机的协同工作,因为智能手机正在成为人们消费内容、上传内容和收听流媒体的主要载体,与此同时,如何通过手机与这些内容进行交互也至关重要。所以,我们与Qualcomm的智能手机团队通过紧密的合作,并投入了大量的时间来研究如何优化手机与耳机的连接体验,包括自适应传输高保真的音频内容到耳机和提供低时延,来为消费者带来出众的聆听体验。”


同样以aptX音频编解码器为例,刘俊勇认为:“作为一个更智能的编解码器,能够根据所处环境动态地调节音质和性能。我们请独立的第三方机构基于严格的标准对aptX Adaptive的音乐传输品质进行了测试。目前aptXAdaptive的音乐传输品质在420kbit/s传输速率下时,专业人士基本上感受不到它与24bit/96kHz的线性音频有明显的差异。aptXAdaptive还有一个重要的特性就是高音质。aptXAdaptive在420kbps传输速率下,可以达到aptX HD在576kbps传输速率的品质。aptX Adaptive在保证HD音质的前提下降低速率极大地提高了射频的传输可靠性,降低了传输速率却不牺牲音频品质,这正是取代有线必须要达到的要求。”


无疑,低延时、高保真将成为未来TWS蓝牙耳机发展的方向。目前针对低延时,除了使用双发机制改进外,还可以对RF天线进行优化,从而达到更低延时的效果。而对于高保真方面,可以依靠支持更高清的格式来降低在传输过程中对音频的损耗,或者依靠智能编解码器来进行音频传输,但目前不论任何传输方式对音频文件都有一定损害,因此无损传输将成为未来的研发方向。

 


通过集成化解决信号干扰及环境杂音  让成本与性能回归平衡
作为TWS蓝牙耳机低延迟、高保真的前提,连接稳定性更是至关重要,尤其是当今所处的复杂电磁环境,都将对TWS耳机连接形成干扰。同时如今许多TWS蓝牙耳机还兼具着语音通话功能,未来或许还将提供语音助手等功能,这些功能的加入,对TWS蓝牙耳机芯片也提出了更严苛的要求。


对于如何在当今复杂电磁环境中拥有良好的抗干扰性,刘助展表示:“我们通过内部模拟滤波器、数字滤波器等,可以滤除很多杂乱信号。同时,我们通过解调门限扩展技术等,提高芯片的接收灵敏度。”


对此,王泷认为紫光展锐在这一方面具有一定的优势,由于紫光展锐此前在手机领域中拥有大量的技术积累,而手机内部的环境非常嘈杂,包括蓝牙、WiFi等各种信号源的干扰,所以在如何处理干扰上有很深的积累。因为2.4G是一个非常嘈杂的频段,各种设备都在其中进行通讯交流。在手机领域中,如何处理在2.4G频段中所带来的干扰是一件非常重要的事,我们把手机上的技术积累运用在耳机上,因此在嘈杂环境中的表现非常好。


刘俊勇认为:“目前市场上大多数的音频编解码器在本质上都是静态的、仅支持固定码率,因此在颇具挑战的射频环境中可能导致无线连接问题。Qualcomm aptX Adaptive可以根据所处环境动态调节码率和性能。通常情况下,该技术会支持到279Kbps到420Kbps的传输速率。当所处环境出现明显的射频干扰时,aptX Adaptive编解码器就可以进行动态调节,采用更稳定、低比特率的音频传输但仍然可以达到接近CD的音频品质。”


同时,由于TWS蓝牙耳机使用场景中经常会在户外,因此不可避免将遇到许多环境噪声,这对于使用TWS蓝牙耳机进行通话的用户带来了一定干扰。针对这种情况,刘助展表示:“目前我们有一套成熟的回声消除与降噪算法。同时,我们还自主研发出了一套人声加强算法,能够有效地提升人声的质量,提高人声的听感,更易于语音助手识别。”


紫光展锐则希望通过集成化来解决环境噪音等相关问题,王泷认为:“当前,我们有系统性方面去解决环境噪声及语音识别等问题,未来我们希望能够将语音识别芯片、环境噪声处理单元等器件集成在一颗芯片当中,而不单只依靠系统化来解决。”

 


针对环境声降噪方面,刘俊勇表示:“Qualcomm在蓝牙耳机方面已经投入很多年,已推出了第八代Qualcomm CVC降噪技术,CVC降噪算法和低功耗语音唤醒技术相结合,可以实现在嘈杂环境中准确拾取用户的语音。Qualcomm CVC降噪技术支持消除背景噪音和回声抑制,包括支持双麦降噪,当用户与对方通话时,CVC降噪技术可以让通话对方均获得清晰的语音通信。”


当前,市面上有众多的TWS蓝牙耳机芯片,对于采购商而言,除了性能以外,最重要的便是性价比。对此,王泷表示:“紫光展锐已经在持续投入进行三合一、四合一等芯片的研发,但集成度越高,复杂度也越大,成本也会上升。因此我们需要它性能优异,抗干扰性强,且具备非常有竞争力的价格,这样也能让我们的产品在性价比上具有一定优势。在未来,紫光展锐不会去单独追求打价格战,而是将性能、功耗、价格做到一个合理的平衡。”


中科蓝讯针对TWS蓝牙耳机芯片在成本上有自己的解决方案,刘助展认为:“常见的成本,分为芯片内部成本、外部成本与开发成本。在芯片内部,我们从IC层面优化各模块单元大小,从软件层面优化RAM与ROM的大小。同时,我们高集成化,不断减少IC围的电路元器件。应用层面,不断完善SDK功能,实现客户的可视化配置式开发,有效缩短研发时间,控制开发成本。”


而高通针对成本方面,也通过自己的解决方案来帮助客户节省产品研发成本,在2018年针对音频音响市场发布了三大系列产品——QCC302X、QCC303X和QCC5100。这三个系列产品都是单芯片设计,即一颗芯片集成了蓝牙的收发器、应用处理器、DSP、音频编解码器(codec)和充电模块等,这不仅缩短了制造商的开发时间,还有效降低了成本。


同时,刘俊勇还表示:“特别指出的是,在QCC5100平台中,它集成了专用的硬件模块来支持混合式主动降噪(ANC),可以降低在耳塞等音频设备中增加主动降噪芯片的复杂性和成本。这将帮助制造商减少在更小的设备形态设计中实现顶级音频体验的开发时间。此外,通过结合运行在蓝牙音频SoC上的本地语音识别算法和移动应用及云服务,针对语音助手产品的开发QCC5100系列可帮助客户减少产品的开发时间和成本。而在生态方面,对于价格较低的产品,如果能够支持Qualcomm aptX技术,声音的整体品质将得到提升。对于产品而言,这是新增的价值。如果同价格水平的产品支持aptX技术,声音品质将更优质,所以这是与用户购买时对产品的期望是紧密相关的。”


在TWS蓝牙耳机连接稳定性及抗干扰上,可以将语音识别芯片、降噪处理单元集成在单一芯片之中,或通过降噪算法及强大编码器来实现稳定连接及强大的抗干扰能力。同时在芯片内部,从IC层面上优化各模块大小,在软件上优化RAM、ROM的大小,在应用层面上完善SDK功能,缩短研发时间,这都可以有效降低芯片成本。做到在不降低芯片性能的情况下,在芯片功耗、性能、成本上做到最佳的平衡。

 
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