如何快速實現(xiàn)具有專用高音單元和低音單元的高質(zhì)量 TWS 耳塞設(shè)計

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

在音頻流出現(xiàn)的早期，無線數(shù)據(jù)速率是有限的，用戶接受了保真度損失，以換取能將成千上萬數(shù)字音樂裝入口袋的便利。但隨著支持更高無線吞吐量和增強壓縮算法的無線技術(shù)的推出，消費者變得更加挑剔。這意味著設(shè)計人員現(xiàn)在需要提供真無線立體聲 (TWS) 耳塞來滿足消費者的期望。TWS 耳塞承諾更準確地再現(xiàn)整個音頻頻譜的聲音，特別對于較高的頻率，而在老式設(shè)計中通常會損失掉這些頻率。

但音質(zhì)只是現(xiàn)代無線音頻再現(xiàn)的一個方面。在競爭激烈的市場中，耳機開發(fā)商必須密切關(guān)注消費者的需求，并利用發(fā)現(xiàn)到的需求點，盡可能以有效、經(jīng)濟的方式供差異化的終端產(chǎn)品。例如，消費者希望能有效地進行主動降噪 (ANC) 和緩解閉塞效應(yīng)，從而更好地享受聽覺體驗。對于老年聽眾來說，對高頻率自然聽力損失的自動補償（聽力個性化）的需求也越來越大。

要滿足這些要求，就必須修改設(shè)計，將低音單元和高音單元分開設(shè)計。這超出了許多開發(fā)團隊的技能范圍，導(dǎo)致上市時間延長，并有可能造成自身被解聘或喪失職業(yè)發(fā)展機會。

本文總結(jié)了商業(yè)無線音頻技術(shù)的發(fā)展及其對耳塞硬件和軟件設(shè)計的影響。文章隨后介紹了 TWS 耳塞的參考設(shè)計，并展示了設(shè)計者如何利用它來迅速將耳機解決方案推向市場，從而實現(xiàn)差異化的功能，同時精確地再現(xiàn)現(xiàn)在由現(xiàn)代音頻壓縮軟件捕獲的強勁低音和超常高音。

數(shù)字聲音的進展

在現(xiàn)實世界中，聲音是一種模擬信號，但我們的錄音和回放設(shè)備主要處理的是數(shù)字信號。聲音通過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進行數(shù)字化，而轉(zhuǎn)換器由一個編碼/解碼（“編解碼器”）算法驅(qū)動，這個算法則控制著赫茲 (Hz) 采樣率和比特深度（比特數(shù)）。采樣以特定時間間隔捕捉聲音的模擬波形振幅。

采樣率需要取舍。較低的速率導(dǎo)致要處理的數(shù)據(jù)較少，分辨率下降。比特深度是指每個樣本中的信息比特數(shù)；同樣，在比特數(shù)和音質(zhì)之間需要一個折中。常見比特深度為 16、24 和 32 比特（圖 1）。

圖 1：通過以既定頻率和比特率采樣進行數(shù)字化的模擬聲音。提高采樣率和比特深度可以確保數(shù)字化的信息更接近模擬信號，并提高再現(xiàn)質(zhì)量。（圖片來源：Knowles）

采樣率 × 比特深度 × 通道數(shù)決定了比特率，單位為每秒比特 (bps)。為了獲得可接受的音質(zhì)，比特率通常大于 192 千比特/秒 (kbps)。例如，CD 質(zhì)量依賴 44.1 千赫茲 (kHz) 的采樣率和 16 比特的比特深度。因此，這了獲得立體聲再現(xiàn)，比特率為 1.411 兆比特/秒 (Mbps)。

傳統(tǒng)的編解碼器通常使用壓縮技術(shù)，在編碼過程中舍棄那些已經(jīng)確定不會過度影響聽眾對解碼后音頻流感知的信息。其目的是在不過度影響音質(zhì)的情況下盡可能地降低比特率。這種編解碼器被稱為“有損”，因為解碼器永遠無法再現(xiàn)原始信號，因為它沒有所有的原始信息。通常是較高的（高音）頻率會被有損編解碼器消除。

由于低功耗、短距離無線電的進步，無線鏈路可以支持更大的吞吐量而不影響電池壽命。例如，最近發(fā)布的基于低功耗藍牙的無線流媒體形式——低功耗藍牙音頻，現(xiàn)在既能提供比經(jīng)典藍牙音頻高得多的音質(zhì)，又能降低功耗。

工程師們也增強了他們的編解碼器的效率。這些較新的“無損”編解碼器，結(jié)合較高吞吐量的無線連接，實現(xiàn)了更高的無線音頻（表 1）。Apple、Amazon 和 Spotify 等公司的音頻服務(wù)現(xiàn)在提供高質(zhì)量的無損音頻流。然而，設(shè)計者應(yīng)該注意，無損編解碼器的編碼比特率往往高于無線鏈路能夠可靠地支持的比特率。例如，Sony 的 LDAC 編解碼器能以 6.1 Mbps 的比特率 (32 x 96 x 2) 進行編碼，但無線鏈接的比特率被限制在 990 kbps。

表 1：“無損”編解碼器（Sony、Savitech 和 Qualcomm）與 CD 質(zhì)量和有損編解碼器（Qualcomm 和藍牙技術(shù)聯(lián)盟 (SBC)）的比較。請注意，無損編解碼器的最大比特率受限于藍牙無線鏈路的能力。（圖片來源：[Knowles]）

ANC 和個性化聲音

消費者對 TWS 耳塞的期望超出了音質(zhì)的范圍。高端產(chǎn)品還必須提供 ANC 和其他功能。ANC 很受歡迎，因為它在背景噪音很高的情況下為用戶提供了高質(zhì)量的聽覺體驗，例如在飛機機艙內(nèi)。ANC 使用內(nèi)置在耳塞中的麥克風(fēng)進行操作，在用戶意識到低頻噪音存在之前，就能提取低頻噪音并將之消除。也就是在耳塞中產(chǎn)生一個相對于原始噪音 180? 反相的次級聲音，從而消除噪音。

現(xiàn)在無線耳塞提供的另一個關(guān)鍵改進是個性化的聲音。有先天性聽力障礙或隨著年齡增長而產(chǎn)生的聽力障礙的用戶，可能特別難以聽到較高的頻率（圖 2）。有一些智能手機應(yīng)用和其他工具可以讓用戶提高特定頻率以補償聽力損失，但它們往往很簡陋，而且效果不佳。但現(xiàn)在，高質(zhì)量的產(chǎn)品通過對用戶進行詳細的聽覺測試，用算法在整個頻率范圍內(nèi)設(shè)置聽力水平，從而進一步提高了這一點。這樣造就了具有完美調(diào)整輸出的耳塞，補償了聽力缺陷。

圖 2：隨著用戶年齡的增長，他們逐漸失去了聽高頻率的能力。個性化的聲音提升了選定頻率音量，以補償聽力敏感度的損失。（圖片來源：Knowles）

現(xiàn)代耳塞的最后一項技術(shù)發(fā)展是減少閉塞現(xiàn)象。當(dāng)耳塞封住耳道的外側(cè)部分時，就會出現(xiàn)閉塞效應(yīng)。這是設(shè)計成相對緊貼耳朵的產(chǎn)品的一個常見問題。耳塞有效地增加了耳道的聲學(xué)“阻抗”，這反過來又提高了聲壓的振幅，特別是當(dāng)耳朵受到使用者產(chǎn)生的低頻聲音時（例子包括說話、走路和吞咽）。其結(jié)果是耳朵里出現(xiàn)類似回聲的“轟鳴聲”，令人厭煩和分心。

耳塞制造商已經(jīng)努力通過機械設(shè)計來減少閉塞效應(yīng)，例如在耳塞和耳道之間增加一個小開口以減少聲學(xué)阻抗，以及通過軟件設(shè)計，例如在 ANC 程序中包括閉塞減少。

獨立低音單元和高音單元的優(yōu)點

直到最近，與設(shè)計連接到高端發(fā)燒級音頻系統(tǒng)的全尺寸揚聲器相比，設(shè)計無線耳機的挑戰(zhàn)性一直較小。用戶接受低質(zhì)量的耳機作為方便的代價，這使得設(shè)計人員更容易以合理的成本開發(fā)小尺寸的產(chǎn)品。例如，使用一個全音域驅(qū)動器來代替單獨的低音單元和高音單元，以節(jié)省空間是很常見的。較高頻率的再現(xiàn)有可能被犧牲，但是當(dāng)這些頻率不在無線音頻流中時，這幾乎不是一個問題。

然而，隨著無損編解碼器和低功耗藍牙音頻等高吞吐量技術(shù)的出現(xiàn)，無線音頻現(xiàn)在可以提供全方位的低音和高音頻率（圖 3）。重現(xiàn)這種音頻對耳塞的要求更高。此外，消費者期望 ANC、個性化的聲音、減少閉塞效應(yīng)，以及適用廣泛的使用情況，包括音樂、電視、視頻會議和語音通話——所有這些都在一個高度緊湊的外殼中實現(xiàn)，而且要有合理的成本。

圖 3：無損編解碼器提供了更多的高頻信息，能夠在經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計的耳塞中更好地再現(xiàn)音樂播放時的高音。（圖片來源：Knowles）

這些要求中有許多都需要進行設(shè)計上的權(quán)衡。例如，為了在嘈雜的環(huán)境中（如飛機機艙）提供有效的 ANC，揚聲器驅(qū)動器需要產(chǎn)生高低音輸出和低失真。解決閉塞問題的半開放式設(shè)計對低音輸出有進一步的要求。同時，無損音頻播放要求揚聲器驅(qū)動器能夠處理最高 20 千赫茲 (kHz) 及以上的高音輸出。在一個很小的外形尺寸中，用一個動態(tài)揚聲器驅(qū)動器來滿足這兩個要求幾乎是不可能的。

解決辦法是將低音和高音頻率分給一個動態(tài)低音單元和一個獨立的平衡電樞 (BA) 高音單元。BA 高音單元是一種專用組件，最初是為助聽器應(yīng)用而開發(fā)的，現(xiàn)在越來越多地被用于提升高品質(zhì)耳塞的高音響應(yīng)。在 BA 高音單元中，電子信號會振動一個微小的簧片，平衡緊湊外殼內(nèi)的兩個磁鐵。簧片的運動被轉(zhuǎn)移到一個非常堅硬的鋁制振膜上，從而產(chǎn)生聲音。

通過專用的低音單元和 BA 高音單元配置，低音單元可以被設(shè)計成專注于提供強大的低音，以支持無損再現(xiàn)、ANC 和減少閉塞效應(yīng)，而 BA 高音單元的輸出則被優(yōu)化為清晰鮮明的高音。這減少了對均衡的需求，反過來又節(jié)省了功率，增加了動態(tài)余量（圖 4）。

圖4：將揚聲器系統(tǒng)分成動態(tài)低音單元（綠色）和 BA 高音單元（藍色）產(chǎn)生了平坦的頻率“混合”響應(yīng)（紅色）（圖片來源：Knowles）

將揚聲器驅(qū)動單元分開還有一個好處：設(shè)計人員在驅(qū)動單元的安排上有更大的自由度。例如，低音單元可以不那么直接地與耳尖對齊，從而可以將 BA 高音單元安置在靠近耳口的地方，以盡量減少被困在高音單元和耳尖之間的空氣體積，從而限制了閉塞效應(yīng)（圖 5）。

圖 5：將耳塞中的低音單元和高音單元分開，可以使高音單元朝向設(shè)備的前面，這有助于限制閉塞效應(yīng)。（圖片來源：Knowles）

此外，低音單元和高音單元的分離能夠讓使設(shè)計者細化頻率響應(yīng)。例如，他們可以塑造高音單元開口附近的聲學(xué)特征，以細化高頻響應(yīng)。然后，設(shè)計人員可以調(diào)整分頻器，使低音單元和高音單元的信號順利混合。設(shè)計人員還可以通過選擇較高或較低的線圈阻抗來調(diào)整高音單元的靈敏度，以獲得與低音單元的更好匹配。耳塞整體頻率響應(yīng)的最終塑造可以通過支持數(shù)字信號處理 (DSP) 的微調(diào)來完成。

此外，由于許多藍牙 IC 具有雙輸出，低音單元和高音單元可以由單獨的放大器驅(qū)動，在塑造頻率響應(yīng)方面具有更大的靈活性。

高品質(zhì)無線音頻參考設(shè)計

習(xí)慣于在其無線設(shè)計中使用單一揚聲器驅(qū)動器的工程師們，將面臨再現(xiàn)高質(zhì)量音頻所需獨立低音單元和高音單元所帶來的額外復(fù)雜性的挑戰(zhàn)。然而，趨勢顯然是朝著更高質(zhì)量音頻能力發(fā)展的，因此必須考慮采用雙驅(qū)動設(shè)計來實現(xiàn)無損音頻流的高質(zhì)量再現(xiàn)。

為了幫助設(shè)計者向這個方向發(fā)展，BA 高音單元制造商 Knowles 推出了 [TC-35030-000] 真無線立體聲耳塞參考設(shè)計。該參考設(shè)計通過包括用戶需要的許多關(guān)鍵的先進功能，縮短了 TWS 耳塞的上市時間，從而消除了許多常見的設(shè)計挑戰(zhàn)。

參考設(shè)計包括 Knowles 自己設(shè)計的 BA 高音單元，用于獲得良好的高頻聲音，同時還有一個 10 毫米 (mm) 的動態(tài)低音單元，用于獲得堅實的低音。該裝置還包括用于 ANC 和語音通話的微機電系統(tǒng) (MEMS) 麥克風(fēng)。參考設(shè)計通過其內(nèi)置電池提供 13 小時的播放時間或 8 小時的通話時長，并兼容藍牙 5.2。套件中內(nèi)置的其他功能包括觸摸控制和集成語音助理技術(shù)（圖 6）。

圖 6：TC-35030-000 TWS 耳塞的參考設(shè)計具有一個 BA 高音單元，用于獲得良好的高頻聲音，以及一個 10 mm 的動態(tài)低音單元，用于獲得堅實的低音。（圖片來源：Knowles）

BA 高音單元提供了遠高于 20 kHz 的響應(yīng)。將 Knowles 產(chǎn)品的高音輸出與典型的 8 mm 動態(tài)揚聲器相比，BA 高音單元提供了高質(zhì)量音頻所需的更大高音輸出和延伸，包括支持聽力個性化或增強的能力（圖 7）。

圖 7：圖中所示為 Knowles 的 BA 高音單元與動態(tài)揚聲器的高頻響應(yīng)比較。（圖片來源：Knowles）

結(jié)語

無線半導(dǎo)體和編解碼器的進步已經(jīng)改變了耳塞的面貌。消費者現(xiàn)在期望他們的入耳式 TWS 設(shè)備能有深沉的低音、精致的高音和寬廣的動態(tài)范圍。此外，用戶期望擁有 ANC 和個性化聲音等高級功能，不再愿意忍受像閉塞這樣效應(yīng)。

為了更好地滿足 TWS 耳機的頻率響應(yīng)要求，設(shè)計者需要轉(zhuǎn)而使用具有專用高音和低音單元的雙驅(qū)動設(shè)計。雖然這樣做在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，但 Knowles 的 TC-35030-000 TWS 耳塞參考設(shè)計可以提供幫助。它結(jié)合了 BA 高音單元、低音單元和 MEMS 麥克風(fēng)，為設(shè)計高質(zhì)量的音頻耳塞提供了良好的基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)明顯的產(chǎn)品差異化。