無線藍牙耳機降噪設計撐腰 行動週邊商機強強滾

2019-10-08
Apple AirPods帶動TWS無線藍牙耳機商機,以主動降噪功能為核心的感測器、音效處理器技術,將持續提升消費者使用體驗,提供音質更好、使用續航力更高、充電更快速、設計更美觀的下世代無線耳機。
小米

Apple在2016年的iPhone 7將手機上慣常使用的耳機孔取消,並同時發表無線耳機AirPods,從此帶動新一波無線藍牙耳機風潮,產業研究機構調查指出,2019年真正無線立體聲(TWS)藍牙耳機出貨量將達7,800萬組,成長率高達52.9%,Samsung、Sony、華為、小米等其他手機領導品牌也爭相推出無線藍牙耳機,2020年以後年出貨量將突破「億」級大關。

廣受好評的第一代AirPods在2019年初推出了第二代產品,不僅在續航力、切換速度、通話連線速度等效能上有所改善,藍牙5.0讓無線連接更為順暢,語音助理與無線充電功能的導入也讓TWS藍牙耳機的使用體驗更上層樓,除了運算晶片、記憶體、MEMS麥克風、藍牙晶片等關鍵零組件業者將爭取手機品牌大廠的商機之外;系統廠商也蠢蠢欲動,希望能搶占非原廠TWS藍牙耳機市場。本活動深入探討藍牙耳機技術發展趨勢,並挖掘相關零組件關鍵技術與系統設計要點。

無線耳機成明星級行動週邊

無線耳機對大多數消費者都不是陌生的產品,自從AirPods推出並帶動風潮之後,入耳式(Earbud)的無線耳機出貨量大增,預計2021年以後就會取代耳罩式無線耳機成為主流。英飛凌大中華區電源管理及多元電子事業處經理魏有成(圖1)表示,入耳式無線耳機出貨量與產業規模不斷成長,2019年市場規模已經逼近100億美元(圖2),2020~2023年將持續成長。個別廠商表現還是以Apple最為突出,不過其他手機品牌廠、耳機廠、白牌廠從2018年以後積極投入,也持續擴大市占率,挑戰Apple的獨霸地位。

圖1 英飛凌大中華區電源管理及多元電子事業處經理魏有成表示,入耳式無線耳機2019年市場規模已經逼近100億美元。
圖2 2016~2023年入耳式無線耳機產業規模與平均單價趨勢
資料來源:SAR_Insight

而隨著TWS無線耳機越來越普及,更多功能被導入,魏有成認為,高訊噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)的麥克風就是關鍵零組件之一,未來一個耳機將用上二~三個麥克風晶片,並提供包括:主動式降噪(Active Noise Control, ANC)功能以提升聲音品質;而為了支援語音助理,也將導入語音助理指令(Directive Voice Assistant);另外雙路立體聲錄音(Binaural Recording)可以將現場的聲音,透過高傳真的方式傳送給朋友,享受沉浸式的「聲」歷其境體驗;而外部感知(Transparent Hearing)技術則是不完全隔絕外部聲音,以免使用者太過投入無法察覺外部訊息。

MEMS麥克風是未來聲音感測的主流技術之一,魏有成說,英飛凌將持續發展高訊噪比的麥克風技術,從架構上來看,單背板(Single Backplate)SNR可以達到65dB,優點是成本較低;雙背板(Dual Backplate)SNR可以提升到70dB;該公司最新的架構使用密封雙模(Sealed Dual Membrane)可以再將SNR提升到75dB,以提高聲學過載點(AOP)。

ANC為無線耳機技術發展重點

TWS無線耳機最重要的功能就是聲音的表現,主動式降噪成為最主要的技術重點,而從技術原理來觀察,戴樂格(Dialog)半導體FAE經理許家偉(圖3)提到,主動式降噪技術早在20世紀初期1934年就被提出,主要原理就是在噪音的波形上,同等加上一個反向波,就可以有效消除噪音。但難度除了精準偵測噪音波形外,還需要音效處理晶片、麥克風擺放、機構設計加以配合。

圖3 戴樂格半導體FAE經理許家偉提到,TWS無線耳機主動式降噪ANC成為最主要的技術發展重點。

此外,由於ANC在抑制低頻噪音上較有成效,所以通常還會搭配被動降噪(Passive Cancellation)技術,如全罩式設計或海綿等機構降低高頻噪音。許家偉進一步解釋,近年數位主動降噪技術成為發展的重點,分為前饋(Feed-Forward)降噪和反饋(Feedback)降噪,兩者結合則組成混合(Hybrid)降噪。前饋降噪麥克風設置在耳罩外,主要抑制頻率範圍在50Hz~2kHz的環境噪音,反饋降噪麥克風設置在耳罩內,主要抑制幅度與相位匹配產生的雜訊,頻率範圍在20~800Hz之間。

以Dialog的音效編解碼器(Codec)解決方案為例,許家偉說明,應用於TWS無線耳機的編解碼器主要有三款,一款為不搭載ANC的編解碼器與兩款搭載ANC功能的編解碼器,ANC編解碼器又差別在單聲道與雙聲道。效能部分最大噪音消除達35dB,反應時間最低5ms,提供聲音調教與量產支援,單聲道Codec功耗約5.8mW、雙聲道Codec功耗約8.5mW,訊噪比動態範圍達115dB,取樣率達384kHz。

骨振動感測器導入前瞻功能

除了麥克風之外,TWS無線耳機也內建了其他感測器,意法半導體(ST)類比微機電與感測元件應用經理陳建成(圖4)表示,以AirPods為例,還有揚聲器、接近感測器(Proximity)、加速度計與音訊加速度計(Audio Accelerometer)等。另外,新式的骨振動(Bone Vibration Detection)感測器也逐漸被導入,除了增加新的功能之外,還可以透過感測器感測低頻噪音,協助ANC功能的強化。

圖4 ST類比微機電與感測元件應用經理陳建成表示,新款高階無線耳機將陸續導入骨振動感測器,強化收音與降噪功能。

對於感測器本身,陳建成則不諱言,感測準確性(Accuracy)則是最基本也最重要的指標,感測器準確性高可以降低後端演算法的負擔,同時也提升品質並降低耗電量,讓整體系統效能更好。要提升感測器的準確性,必須從最前端的電路設計開始著手,搭配生產後段的測試與校正(Calibration)。

ST的骨振動感測器是加速度計的一種,陳建成預期,2020年以後推出的新款高階TWS無線耳機將陸續導入該類感測器,強化耳機的收音與降噪功能,振動感測器只採集聲帶的振動訊息,並將其轉換成聲音訊號。好處是耳機接收到的兩路使用者聲音訊息(一路經過空氣傳播,一路經過骨振動傳播),通過骨振動傳來的聲音沒有空氣中傳播的環境噪音,通過比對後分析出環境噪聲,可以達到比較好的語音通話效果。

耳機收納盒扮演最佳配角

AirPods受歡迎原因來自使用便利性,除了無線與聲音品質之外,盛群半導體產品二處經理廖智民(圖5)指出,耳機收納盒除了收納無線耳機之外,還負責充電盒內部電池充電,並將充電盒內部電池升壓,以較小電流(200mA以內)輸出為耳機充電,部分充電盒提供USB給外部設備供電,也肩負安全防護,防止內置鋰電池過充、過放、短路、過流等保護功能。

圖5 盛群半導體產品二處經理廖智民指出,未來TWS無線耳機應該都會採用耳機收納盒的設計架構。

未來TWS耳機應該都會採用耳機收納盒的設計,廖智民說,基本上,收納盒的功能包括:內建3.7V鋰聚合物電池、可偵測充電器(5V)是否接上、具降壓充電管理功能、偵測耳機是否收納、升壓為耳機充電、偵測耳機是否拿出收納盒(開蓋偵測與藍牙連接)、過電壓/過電流保護、電量指示等。盛群針對不同功能/成本需求,也發展三種收納盒架構參考設計,針對耳機不同的價格區間,提供功能豐富或成本較低的設計。

展望未來,廖智民總結,耳機充電盒應該會內建容量約500~700mAh的電池,而線性充電本身存在發熱問題,在電池盒內的實際應用電流無法超過1A,另外,若使用Buck架構須外掛電感,會大幅提高成本,恐怕多數廠商不會採用。而在電流輸出端,升壓IC工作耗電已達10uA以下,並設計耳機移除5V電池盒之後,就自動開啟藍牙IC連接手機,反之,偵測到耳機放進電池盒,連接5V電源之後,就關閉藍牙功能並為耳機充電。

無線耳機安規驗證輕忽不得

TWS無線耳機在使用時,由於長期與人體接觸,加上內建電池,所以安全性規範也越受重視,專精於電氣安全的UL電子科技產業部工程部專案經理施柏屹(圖6)說,國外已出現使用無線耳機時,因不明原因燃燒起火,導致消費者臉部灼傷的案例。目前已經出現的幾起案例,大部分都是電池過熱燃燒,原因與電池的過充或過放脫不了關係。

圖6 UL電子科技產業部工程部專案經理施柏屹說,使用溫度、防火性能、元件失效/異常測試、聲壓、電氣操作等都是測試重點。

目前TWS無線耳機在安規測試上有幾個重點,施柏屹表示,溫度部分如耳機配戴時間在1分鐘~8小時之內,最高溫度不能超過48℃;超過8小時,溫度則建議在43℃以內,以免出現低溫燙傷的風險。而無線耳機外殼需要具備防火阻燃能力,塑膠阻燃等級分為HB、V-2、V-1、V-0、5VB、5VA等,TWS無線耳機的阻燃等級建議為V-1或V-0,也就是對樣品進行兩次10秒的燃燒測試後,餘焰與餘燃可在60或30秒內熄滅。

而在TWS藍牙耳機的元件或系統失效/異常測試部分,包括測試單一元件是否失效?是否有過充電、短路、過溫的狀況。聲壓測試的部分則是要符合EN 50332規範之最大音壓測試,以避免消費者聽力受損,規範包括必須使用仿真人工頭進行量測(Head and Torso Simulator, HATS)。在播放標準音源下,其輸出之最大音壓必須低於100dBA;另外,必須使用標準模擬線路經由標準耳機來量測。對播放器而言,其最大輸出電壓必須低於150mV。對於頭戴式/耳戴式耳機而言,其WBC(Wideband Characteristic)電壓必須大於75mV。

另外,TWS藍牙耳機的電氣規格、鋰電池操作範圍、危險品運輸需符合UN38.3規範、防水/防塵等級驗證、禁用有毒物質RoHS與材料零組件的可回收率,都是業者需要注意的項目。

TWS無線藍牙耳機既不是新興產品也不具備高技術門檻,是一個典型「小兵立大功」的產品,AirPods提供的優秀使用者體驗不啻是帶動風潮最重要的原因,未來更多廠商將投入,預計很快就會進入紅海競爭,然而勝出的關鍵還是掌握使用者體驗,以此深入觀察,除了音效/音質表現之外,未來藉由語音助理的協助,將導入更多智慧化與控制功能,讓使用者與TWS無線耳機的黏著度更高,但更多的運算也將對系統耗電帶來負擔,因此延長續航力的電源管理與充電便利性也是不能忽略的發展重點。

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