TWS从黑马到“金马”，这五大核心技术功不可没！

来源：贸泽电子
作者：Doctor M

早在2014-2016年，一些音频公司就在市场上推出了第一代真正的无线耳机，但它们在蓝牙连接、麦克风、电池等方面都存在着一些问题。2016年，苹果公司正式取消了iPhone 7系列上的3.5毫米音频接口，推出的新产品Apple AirPods，在几秒钟内就能与iPhone、iPad和MacBooks顺利配对，而且蓝牙的无缝连接达到令人难以置信的程度。

Airpods一经推出，这种带有双通道传输技术和充电箱的解决方案迅速引领了市场。一时间，真无线立体声耳机（TWS）成为市场上最流行的耳机类型。安卓和音频制造商随之纷纷效仿，如索尼、Beats、Bose、Jabra、Sennheiser等都推出了各自的产品，市场上的TWS品牌日新月异。经过五年多的发展，目前TWS无线耳机已经成为增长最快的消费电子产品。


图1：主流手机厂商TWS耳机产品一览
(图源：国元证券研究中心)

TWS+与TWS有何关联？

在谈论TWS时，我们时常还会听到TWS+这个说法，那么，二者之间究竟有哪些关联和区别呢？

· TWS

TWS采用的是蓝牙5.0主副耳传输技术，在进行连线时，耳机需先与主耳 (通常是右耳) 连接，之后主耳再与副耳进行连线，所以连线需要的时间比较长。因此，TWS比较容易受到外界的干扰，功耗偏高。

· TWS+

TWS+ (True Wireless Stereo Plus) 是高通公司的专有技术，在Android手机上，高通公司于2017年推出的Snapdragon 845处理器中引入了这项技术。TWS+是TWS的一种演变，它的两个耳机都能直接连接到音频源，顾名思义，就是左右耳可以独立工作。这使得每个耳机都能以最小的损耗接收相应的音频信号，连线快且省电。虽然TWS+兼容耳机可提供更高的音质，但该功能还取决于音频源是否兼容。

2018年2月，高通推出的TWS+技术在使用高通QCC5100/QCC30XX蓝牙芯片的TWS耳机与基于骁龙845/7XX/855/865等移动平台的手机之间实现正常工作。通过使用该方案，会有两条独立的通信链路直接传输到左右两个声道，实现独立连接。当播放音乐时，即使摘掉一边耳机，音乐也不会中断。

虽然苹果的AirPods被称作TWS耳机，但自第一代产品问世，AirPods就具有与TWS+类似的功能：识别用户是否使用一个还是两个耳机，并相应地分配频道。如果用户仅使用两个耳机中的某一个，声音将以单声道模式发送。苹果几代AirPods之间的差异主要体现在使用的芯片上，最初的型号使用兼容蓝牙4.2的Apple W1，AirPods Pro之后的型号则使用了支持蓝牙5.0的Apple H1芯片。

目前的现状是，所有的真无线耳机都兼容TWS，但并不全部支持TWS+。

高歌猛进的TWS市场

尽管TWS技术越来越多地用于笔记本电脑、平板电脑和电视，但智能手机仍是TWS最受欢迎的配对设备，包括苹果和三星在内的主要智能手机制造商已经从最新发布的产品中卸下3.5毫米音频接口。

目前，TWS耳机市场已经从一匹黑马发展成为一匹金马，市场和销量逐年稳步增长。高通公司在其2020年全球消费者音频调研报告中提到，自2019年以来，全球TWS耳机的使用率几乎翻了一番，从23%增至42%。也就是说，约有42%的消费者使用无线耳机观看电视、电影和其他视频内容。随着电池寿命的进一步改善，这个数字有望继续上升。

根据grand view research的预测，全球TWS耳机市场规模在2020年约为253.2亿美元，预计从2021到2028年将以36.1%的年复合增长率增长。随着流媒体内容需求的不断扩大，加上社交媒体和短视频应用的迅速普及，预计未来几年TWS耳机市场的增长仍将加速。

根据Strategy Analytics的数据，2020年，全球蓝牙耳机总销量已超过3亿只，而TWS耳机的销量已超过这一数字的一半达到1.7亿只。具体来看，全球TWS耳机市场的发展趋势与10年前智能手机市场相类似，苹果领行业之先并主要占据高端市场，安卓则通过低价策略逐渐渗透到中低端市场，其渗透率走势也与此前的智能手机有相似之处。Strategy Analytics的调研数据表明，随着AirPods Pro的推出，苹果AirPods的销量从2016年的100万只迅速增长到2018年的1,500万只，2019年的销量更是达到了惊人的6,000万只。

Juniper Research的分析师估计，苹果在2020年售出了近8,500万只AirPods，约占TWS类产品总收入的70%，占售出产品55%的市场份额。

从品牌分布来看，TWS耳机市场是由苹果公司率先引爆，经过数年发展，其产品AirPods在中高端市场具有极高市占率。来自Counterpoint的分析数据，截至2020年第二季度，位居TWS市场前三的企业分别为苹果（35%）、小米（10%）以及三星（6%），小米凭借价格优势主要覆盖中低端市场。


图2：截至2020年2季度TWS耳机品牌市占率
(图源：Counterpoint)

01 TWS核心技术之一：蓝芽5.0

蓝牙是一种无线传输技术，理论上可以在100米之内的设备之间进行短距离连接。实际上，当使用小型设备时，我们通常使用大约10米的有效距离。蓝牙的最大特点是，它使移动通信设备和计算机能够在不使用电缆的情况下联网并传输数据和消息。可以说，蓝牙技术是耳机发展过程中的一个重大转折点，它是TWS中最重要的技术之一。

与上一代蓝牙4.2相比，2016年6月问世的蓝牙5.0具有更长的传输距离和更快的传输速率，有效传输距离是BLE 4.2版本的4倍，传输速率提高2倍。蓝牙5.0在传输速率和延迟方面的显著优化，使得许多需要更多信息和更快响应的无线设备的应用成为可能。在实际使用方面，蓝牙5.0的高传输带宽也使TWS的双向通话成为可能，更高的比特率让音频播放更加自然。

蓝牙5.2代表了蓝牙技术的最新发展。2020年，Bluetooth SIG推出了新一代蓝牙音频技术标准LE audio。它基于蓝牙5.2标准，采用全新的“LC3”音频解码器，音质好，功耗低，可以在不牺牲音频质量的情况下更有效地压缩音频数据，在较低的带宽上传输更多的数据，这对于音频质量和电源效率来说都是利好。蓝牙5.2最令人期待的进步是引入了同步信道，该技术允许我们将多个蓝牙设备连接到单个信源。试想一下，假如我们在家里使用TWS时，无需手动更改它与手机、PC或电视之间的连接，就可以一次性连接到所有设备，并在它们之间自动切换，这是多么舒适的体验。

TWS的快速发展带动了相关供应链制造商的产业升级。主控芯片、电源管理芯片、无线充电接收芯片、充电盒电池、耳塞电池、触摸控制等技术的进步，提高了TWS耳机的性能和功能，带来了更好的用户体验。

02 TWS核心技术之二：蓝牙主控芯片

在TWS中，蓝牙主控芯片的重要性不言而喻。与体积相对较大的手机和其他耳机不同，TWS的便携性要求对主控制芯片的尺寸和集成度有更高的要求。随着降噪、功能传感器等新模块的加入，对腔体的空间利用率和芯片的高集成度提出了更高的要求。一个功能全面、集成度高的蓝牙主控SoC为TWS实现多种功能提供了有力保障。

目前，TWS主控芯片市场上有几十家制造商，市场逐渐成熟，厂商竞争激烈。高端市场以苹果、高通、恒玄、博通为代表，中低端市场包括洛达、瑞昱、中科蓝讯等。据不完全统计，截至2020年10月，中国TWS主控蓝牙芯片厂商就超过了22家。

高通QCC5124片上系统（SoC）旨在满足小型设备对强劲、高质量、无线蓝牙监听体验的需求，低功耗可实现更长时间的音频播放。QCC5124体系结构专为低功耗的高性能而设计。与其之前的技术相比，功耗可以降低高达65%，可以在几乎所有操作模式下支持更长时间的音频播放。


图3：QCC5124系统框图
(图源：Qualcomm)

03 TWS核心技术之三：主动降噪

近年来，TWS耳机的降噪功能愈发受到消费者重视，主动降噪 (ANC) 技术已经成为高端耳机产品的标配。高通公司的市场调研数据显示，71%的消费者对有源噪声消除作为一项功能感兴趣。

自苹果发布AirPods Pro后，TWS耳机开始加速向TWS + ANC方向转变。目前，市场上主流的主动降噪蓝牙耳机均采用蓝牙芯片与主动降噪芯片分立的方案。对于内部空间紧张的TWS耳机来说，单芯片方案不仅功耗更低，还可将更多的空间留给声学器件和电池模组，因此，这一架构亦将成为TWS耳机的发展趋势。当然，除了主动降噪芯片，TWS耳机的降噪效果还与耳机腔体的设计有关，芯片厂需要与OEM/ODM厂商进行紧密合作。

Dialog公司的DA7401是一款专为TWS耳机和智能耳戴式设备设计的高性能单声道主动降噪编解码器，它拥有115dB播放动态范围、103dB录音动态范围、混合主动降噪和灵活的时钟架构。

DA7402是一款高性能、超低功耗的立体声高保真编解码器，它采用了Dialog公司定制数字混合ANC技术，在更宽的频率范围内提供更强的环境噪声抑制，在任何环境中都能获得最佳用户体验。DA7402集成了音频处理器，可提供出色的音频性能，包括115dB的动态播放范围和384kHz的采样率。此外，它还提供40kHz音频带宽，以支持高分辨率音频。

DA7402是目前市场上最小的数字主动降噪编解码器之一，其功耗仅为当今领先芯片解决方案的一半，而音频性能则提高了一倍，使其成为运动耳机、智能耳戴式设备、TWS耳机以及更多耳机产品的理想选择。


图4：ANC编解码器DA740X系列
(图源：Mouser)

04 TWS核心技术之四：MEMS麦克风

TWS耳机的许多功能都需要相应的传感器来提供硬件支持。目前，TWS耳机的主要传感器单元包括用于播放音乐的扬声器、用于主动降噪和通信的MEMS麦克风、用于耳内检测的光学传感器、用于通信降噪的骨声纹传感器、用于360度环绕声的六轴传感器等。

在TWS耳机中，之前的麦克风主要用于语音通话功能。随着ANC降噪技术在TWS耳机中的应用，为了达到更好的降噪效果，多麦克风协作方案得到了广泛应用，对麦克风的性能要求也越来越高。MEMS硅芯片具有体积小、稳定性强等优点。由于降噪功能的加入对麦克风的性能提出了更高的要求，MEMS麦克风因此成为TWS耳机产品的首选。

TDK的高性能MEMS麦克风T5837/38 PDM具有133dB SPL的高声学过载点（AOP），68dBA的高信噪比和宽动态范围，非常适合于从非常安静到非常嘈杂的应用环境，例如：从远场智能扬声器到ANC TWS应用的语音拾音器。T5848 SmartSound I2S MEMS麦克风则可提供133dB SPL的高声学过载点，68dBA的高信噪比和宽动态范围，适合需要在动态嘈杂环境下提供高声学性能等应用。


图5：TDK高性能MEMS麦克风系列产品T5837
(图源：TDK)

05 TWS核心技术之五：电源管理芯片

电源管理芯片主要用于TWS耳机的充放电，以及在充放电过程中的实时电池过充、过放电、过流和过温监测以及短路保护等。虽然与传统设备相比，电源管理芯片的充放电功率相对较小，但对于便携性要求较高的TWS耳机来说，对安全性、低功耗、高耐压、高集成度和高效率的要求相对较高。

MAX77650/MAX77651为高度集成、超低功耗电源管理芯片 (PMIC) ，非常适用于TWS这一类对尺寸和效率有苛刻要求的低功耗、尺寸受限的可穿戴应用。两款芯片都包含一个SIMO降压升压稳压器，该稳压器可提供三个独立可编程的电源轨。

此外，150mA LDO为音频以及噪声敏感应用提供了纹波抑制。高度可配置的线性充电器支持各种锂电池容量，并包括电池温度监控以提高安全性 (JEITA) 。MAX77650/MAX77651中的模拟多路复用器能将多个内部电压和电流信号切换到外部节点，以便使用外部ADC进行监控。双向I2C接口可供配置和检查设备的工作状态。


图6：MAX77650系统框图
(图源：Maxim)

结语

TWS耳机是智能音频设备行业不可分割的一部分，同时也是一个刚起步的市场。Yole Développement预测，到2026年，TWS耳机、助听器、智能手表和智能扬声器产品的年度出货量将会超过13亿台，优质的音频将成为游戏、AR/VR体验和3D音效等许多应用的必备功能。智能手机与耳机拥有极高的生态契合度，目前全球安卓手机出货量约为苹果手机的6倍，预计未来在TWS耳机行业中，安卓的份额将会大幅上升。

在这一市场潜力的鼓舞下，蓝牙主控芯片、语音识别、ANC等领域的技术创新也将加快脚步，具有更高集成度、更低功耗、更小尺寸的芯片产品也将快速迭代，TWS耳机的性能也将得到大幅提升。