主动降噪与音质加强,TWS耳机的未来走向

Leland 发表于 2020-04-04 07:48:00 收藏 已收藏
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主动降噪与音质加强,TWS耳机的未来走向

Leland 发表于 2020-04-04 07:48:00
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在苹果推出Airpods之后,真无线蓝牙(TWS)耳机产品的数量井喷式增长。那么这些年来,TWS技术有何改进,未来的走向又会如何呢?
 
在TWS技术发展的同时,另一个被再度炒热的技术就是降噪。入耳式耳机和耳罩式耳机已经有了诸多被动降噪方案,而主动降噪(ANC)的市场却常年被索尼和Bose占据,而且大部分为耳罩式产品。被动降噪在滤除高频噪声上有优势,而主动降噪则更适合滤除低频噪声。在TWS真无线蓝牙耳机推出后,耳机厂商也开始把自家的降噪技术搬到TWS耳机上去。
 
但主动降噪耳机的原理却并非尽数相同,主动降噪一般分为数字主动降噪和模拟主动降噪,主要取决于产品所用的噪声处理电路。这两种降噪方式各有优劣。模拟主动降噪的电路需要运放、电阻和电容等大量元器件,所以PCB占用空间比较大,而数字主动降噪电路用到数字IC,所以占用空间小。但模拟主动降噪基本无延迟,数字电路在DSP上会产生一定延迟。我们再来看看降噪效果的可调性,模拟ANC的调节非常有限,只能通过调节增益/音量来改变降噪效果;而数字ANC的灵活性比较大,不仅可以调节增益,还可以调节EQ,降噪算法等,哪怕是已经出厂的耳机未来也可以通过更新固件来优化降噪效果。这也是为什么今年多数降噪耳机都是采用数字主动降噪的原因。
 
说完了主动降噪的电路组成,我们再来了解一下主动降噪的3种主要实现方式。根据麦克风的朝向,主动降噪可以分为前馈降噪,反馈降噪和混合降噪。前馈降噪的麦克风位于耳机外部,而反馈降噪的麦克风位于耳机内部。混合降噪的话则兼具两个位置的麦克风,降噪表现也最好。


不少大厂也对ANC做出了自己的SOC方案。
 
ADAU1787



上图是ADI ADAU1787的主动降噪SOC方案,该芯片有着高达768kHz的采样速率,双二阶滤波器,限制器,音量控制及混频。支持I2C或SPI控制,也可以直接用EEPROM实现自启动。而之所以适用于TWS方案的真无线蓝牙耳机,全靠它的小封装和低功耗,42球0.35 mm的WLCSP封装,其规格为2.695 mm × 2.320 mm,标准立体声ANC下的功耗只有11.079 mW。
 
AS3412



上图是艾迈斯半导体(AMS)的AS3460数字主动降噪芯片,这款芯片有着高于40dB的主动降噪性能,而且支持前馈,反馈和混合三种拓扑结构。而这款芯片的亮点在于自动泄露补偿(ALC)算法。出于舒适度的考量,半入耳式耳机式最合适的方案,但这样就为被动降噪和主动降噪带来了双重挑战。而AMS的ALC算法很好地解决了这个问题,通过内外的两个MEMS麦克风,该算法会自动分析泄露,并进行降噪补偿。
 
讲完了降噪,我们再从延迟和音质的角度来分析一下TWS真无线蓝牙耳机。
 
延迟和音质也是TWS耳机的重要指标。考虑到蓝牙传输和DSP处理,市面上的TWS耳机在延迟上的表现不佳,也是常用语音通话、游戏的用户经常诟病的一点。而谈到延迟和音质,就不得不谈到蓝牙音频编解码方案。
 
市面上蓝牙耳机支持的音频编解码方案都参差不齐。SBC是蓝牙耳机的传统方案,至于苹果则采取的全系AAC方案,这两种方案是最常见的蓝牙耳机方案之一,大多数智能手机也都支持这两种编解码方案。
 
为了改善蓝牙耳机的延迟和音质,尤其是TWS,高通推出了aptX方案。如今aptX已经有了aptX HD,aptX LL,和aptX Adaptive三种方案,分别应对高音质,低延迟和自适应三种应用场景。其中aptX LL的延迟为40 ms,比特率,aptX Adaptive的延迟约为80 ms,而aptX HD的延迟在150ms左右。而为高音质场景打造的aptX HD比特率高至576 kbps,比传统SBC(328 kbps)要高出不少,市面上多数高音质的蓝牙耳机都支持该协议。



而LDAC则是索尼推出的蓝牙音频编解码方案,该方案声称能够达到CD级别的音质,其比特率高达990 kbps,是SBC的三倍。但该协议仍未用在索尼的任何TWS产品上。


 
而HWA联盟和台湾盛微先进公司开发推广的LHDC也是高音质的蓝牙传输方案之一,华为、中国电科和森海塞尔等都是该联盟的董事成员。LHDC协议支持900 kbps的比特率。LHDC也有低延迟的方案LLAC,但只支持400 kbps/600 kbps的比特率。



从安卓10开始,每个手机厂商都可以在设备中加入对LDAC和LLAC的支持。但苹果目前所有媒体内容还是在用AAC音频编码,因此苹果的TWS耳机应该短期内都不会舍弃这个协议。而高通则推出了aptX TWS+,支持同时将音频传输到两个耳机上,而不再区分主副耳机。近期高通还宣布了下一代的TWS的控制SOC,支持TWS镜像传输技术,让用户在佩戴双耳塞时使用立体声,在佩戴单耳塞时切换到单声道。三星则在自家的Galaxy Buds TWS耳机上推出了Scalable编解码协议,最高支持512kbps的比特率,同时会根据蓝牙连接强度来变换比特率从而避免音频丢失。
 
而最新的蓝牙5.2标准则为蓝牙音频带来的新的可能。蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)在CES 2020上公布了下一代蓝牙音频标准LE Audio,以及全新的LC3蓝牙编解码协议。我们在上面提到的几大协议还是基于传统的蓝牙标准来传输数据。但LC3不仅比特率能做到160 kbps到345kbps的比特率,还能在低比特率下保证良好的声音质量。LC3也有着和aptX TWS+一样的传输特性,而且还支持同时连接多个设备。
 
从降噪上来看,TWS的ANC技术未来应该都会在降噪芯片和降噪算法上做出改进。但加入降噪后,TWS耳机的电池使用时间已经大幅缩减了,至于要减少延迟和加强音质,还要考虑到小体积和低功耗,TWS真无线耳机可能还有一段路要走。
 
本文由电子发烧友网综合编译报道,内容参考自ADI,AMS,高通,Soundguys等,转载请注明以上来源和出处。

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