作者：Steven Keeping
在音頻流出現的早期，無(wú)線(xiàn)數據速率是有限的，用戶(hù)接受了保真度損失，以換取能將成千上萬(wàn)數字音樂(lè )裝入口袋的便利。但隨著(zhù)支持更高無(wú)線(xiàn)吞吐量和增強壓縮算法的無(wú)線(xiàn)技術(shù)的推出，消費者變得更加挑剔。這意味著(zhù)設計人員現在需要提供真無(wú)線(xiàn)立體聲 (TWS) 耳塞來(lái)滿(mǎn)足消費者的期望。TWS 耳塞承諾更準確地再現整個(gè)音頻頻譜的聲音，特別對于較高的頻率，而在老式設計中通常會(huì )損失掉這些頻率。
但音質(zhì)只是現代無(wú)線(xiàn)音頻再現的一個(gè)方面。在競爭激烈的市場(chǎng)中，耳機開(kāi)發(fā)商必須密切關(guān)注消費者的需求，并利用發(fā)現到的需求點(diǎn)，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(jìn)行主動(dòng)降噪 (ANC) 和緩解閉塞效應，從而更好地享受聽(tīng)覺(jué)體驗。對于老年聽(tīng)眾來(lái)說(shuō)，對高頻率自然聽(tīng)力損失的自動(dòng)補償（聽(tīng)力個(gè)性化）的需求也越來(lái)越大。
要滿(mǎn)足這些要求，就必須修改設計，將低音單元和高音單元分開(kāi)設計。這超出了許多開(kāi)發(fā)團隊的技能范圍，導致上市時(shí)間延長(cháng)，并有可能造成自身被解聘或喪失職業(yè)發(fā)展機會(huì )。
本文總結了商業(yè)無(wú)線(xiàn)音頻技術(shù)的發(fā)展及其對耳塞硬件和軟件設計的影響。文章隨后介紹了 TWS 耳塞的參考設計，并展示了設計者如何利用它來(lái)迅速將耳機解決方案推向市場(chǎng)，從而實(shí)現差異化的功能，同時(shí)精確地再現現在由現代音頻壓縮軟件捕獲的強勁低音和超常高音。
數字聲音的進(jìn)展
在現實(shí)世界中，聲音是一種模擬信號，但我們的錄音和回放設備主要處理的是數字信號。聲音通過(guò)一個(gè)模數轉換器 (ADC) 進(jìn)行數字化，而轉換器由一個(gè)編碼/解碼（“編解碼器”）算法驅動(dòng)，這個(gè)算法則控制著(zhù)赫茲 (Hz) 采樣率和比特深度（比特數）。采樣以特定時(shí)間間隔捕捉聲音的模擬波形振幅。
采樣率需要取舍。較低的速率導致要處理的數據較少，分辨率下降。比特深度是指每個(gè)樣本中的信息比特數；同樣，在比特數和音質(zhì)之間需要一個(gè)折中。常見(jiàn)比特深度為 16、24 和 32 比特（圖 1）。
圖 1：通過(guò)以既定頻率和比特率采樣進(jìn)行數字化的模擬聲音。提高采樣率和比特深度可以確保數字化的信息更接近模擬信號，并提高再現質(zhì)量。（圖片來(lái)源：Knowles）
采樣率 × 比特深度 × 通道數決定了比特率，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(lài) 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，比特率為 1.411 兆比特/秒 (Mbps)。
傳統的編解碼器通常使用壓縮技術(shù)，在編碼過(guò)程中舍棄那些已經(jīng)確定不會(huì )過(guò)度影響聽(tīng)眾對解碼后音頻流感知的信息。其目的是在不過(guò)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(chēng)為“有損”，因為解碼器永遠無(wú)法再現原始信號，因為它沒(méi)有所有的原始信息。通常是較高的（高音）頻率會(huì )被有損編解碼器消除。
由于低功耗、短距離無(wú)線(xiàn)電的進(jìn)步，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)流媒體形式——低功耗藍牙音頻，現在既能提供比經(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(wú)損”編解碼器，結合較高吞吐量的無(wú)線(xiàn)連接，實(shí)現了更高的無(wú)線(xiàn)音頻（表 1）。Apple、Amazon 和 Spotify 等公司的音頻服務(wù)現在提供高質(zhì)量的無(wú)損音頻流。然而，設計者應該注意，無(wú)損編解碼器的編碼比特率往往高于無(wú)線(xiàn)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(jìn)行編碼，但無(wú)線(xiàn)鏈接的比特率被限制在 990 kbps。
表 1：“無(wú)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(wú)損編解碼器的最大比特率受限于藍牙無(wú)線(xiàn)鏈路的能力。（圖片來(lái)源：Knowles）
ANC 和個(gè)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(hù)提供了高質(zhì)量的聽(tīng)覺(jué)體驗，例如在飛機機艙內。ANC 使用內置在耳塞中的麥克風(fēng)進(jìn)行操作，在用戶(hù)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(gè)相對于原始噪音 180˚ 反相的次級聲音，從而消除噪音。
現在無(wú)線(xiàn)耳塞提供的另一個(gè)關(guān)鍵改進(jìn)是個(gè)性化的聲音。有先天性聽(tīng)力障礙或隨著(zhù)年齡增長(cháng)而產(chǎn)生的聽(tīng)力障礙的用戶(hù)，可能特別難以聽(tīng)到較高的頻率（圖 2）。有一些智能手機應用和其他工具可以讓用戶(hù)提高特定頻率以補償聽(tīng)力損失，但它們往往很簡(jiǎn)陋，而且效果不佳。但現在，高質(zhì)量的產(chǎn)品通過(guò)對用戶(hù)進(jìn)行詳細的聽(tīng)覺(jué)測試，用算法在整個(gè)頻率范圍內設置聽(tīng)力水平，從而進(jìn)一步提高了這一點(diǎn)。這樣造就了具有完美調整輸出的耳塞，補償了聽(tīng)力缺陷。
圖 2：隨著(zhù)用戶(hù)年齡的增長(cháng)，他們逐漸失去了聽(tīng)高頻率的能力。個(gè)性化的聲音提升了選定頻率音量，以補償聽(tīng)力敏感度的損失。（圖片來(lái)源：Knowles）
現代耳塞的最后一項技術(shù)發(fā)展是減少閉塞現象。當耳塞封住耳道的外側部分時(shí)，就會(huì )出現閉塞效應。這是設計成相對緊貼耳朵的產(chǎn)品的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。耳塞有效地增加了耳道的聲學(xué)“阻抗”，這反過(guò)來(lái)又提高了聲壓的振幅，特別是當耳朵受到使用者產(chǎn)生的低頻聲音時(shí)（例子包括說(shuō)話(huà)、走路和吞咽）。其結果是耳朵里出現類(lèi)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(guò)機械設計來(lái)減少閉塞效應，例如在耳塞和耳道之間增加一個(gè)小開(kāi)口以減少聲學(xué)阻抗，以及通過(guò)軟件設計，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(diǎn)
直到最近，與設計連接到高端發(fā)燒級音頻系統的全尺寸揚聲器相比，設計無(wú)線(xiàn)耳機的挑戰性一直較小。用戶(hù)接受低質(zhì)量的耳機作為方便的代價(jià)，這使得設計人員更容易以合理的成本開(kāi)發(fā)小尺寸的產(chǎn)品。例如，使用一個(gè)全音域驅動(dòng)器來(lái)代替單獨的低音單元和高音單元，以節省空間是很常見(jiàn)的。較高頻率的再現有可能被犧牲，但是當這些頻率不在無(wú)線(xiàn)音頻流中時(shí)，這幾乎不是一個(gè)問(wèn)題。
然而，隨著(zhù)無(wú)損編解碼器和低功耗藍牙音頻等高吞吐量技術(shù)的出現，無(wú)線(xiàn)音頻現在可以提供全方位的低音和高音頻率（圖 3）。重現這種音頻對耳塞的要求更高。此外，消費者期望 ANC、個(gè)性化的聲音、減少閉塞效應，以及適用廣泛的使用情況，包括音樂(lè )、電視、視頻會(huì )議和語(yǔ)音通話(huà)——所有這些都在一個(gè)高度緊湊的外殼中實(shí)現，而且要有合理的成本。
圖 3：無(wú)損編解碼器提供了更多的高頻信息，能夠在經(jīng)過(guò)適當設計的耳塞中更好地再現音樂(lè )播放時(shí)的高音。（圖片來(lái)源：Knowles）
這些要求中有許多都需要進(jìn)行設計上的權衡。例如，為了在嘈雜的環(huán)境中（如飛機機艙）提供有效的 ANC，揚聲器驅動(dòng)器需要產(chǎn)生高低音輸出和低失真。解決閉塞問(wèn)題的半開(kāi)放式設計對低音輸出有進(jìn)一步的要求。同時(shí)，無(wú)損音頻播放要求揚聲器驅動(dòng)器能夠處理最高 20 千赫茲 (kHz) 及以上的高音輸出。在一個(gè)很小的外形尺寸中，用一個(gè)動(dòng)態(tài)揚聲器驅動(dòng)器來(lái)滿(mǎn)足這兩個(gè)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(gè)動(dòng)態(tài)低音單元和一個(gè)獨立的平衡電樞 (BA) 高音單元。BA 高音單元是一種專(zhuān)用組件，最初是為助聽(tīng)器應用而開(kāi)發(fā)的，現在越來(lái)越多地被用于提升高品質(zhì)耳塞的高音響應。在 BA 高音單元中，電子信號會(huì )振動(dòng)一個(gè)微小的簧片，平衡緊湊外殼內的兩個(gè)磁鐵�；善倪\動(dòng)被轉移到一個(gè)非常堅硬的鋁制振膜上，從而產(chǎn)生聲音。
通過(guò)專(zhuān)用的低音單元和 BA 高音單元配置，低音單元可以被設計成專(zhuān)注于提供強大的低音，以支持無(wú)損再現、ANC 和減少閉塞效應，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(guò)來(lái)又節省了功率，增加了動(dòng)態(tài)余量（圖 4）。
圖4：將揚聲器系統分成動(dòng)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（紅色）（圖片來(lái)源：Knowles）
將揚聲器驅動(dòng)單元分開(kāi)還有一個(gè)好處：設計人員在驅動(dòng)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（圖 5）。
圖 5：將耳塞中的低音單元和高音單元分開(kāi)，可以使高音單元朝向設備的前面，這有助于限制閉塞效應。（圖片來(lái)源：Knowles）
此外，低音單元和高音單元的分離能夠讓使設計者細化頻率響應。例如，他們可以塑造高音單元開(kāi)口附近的聲學(xué)特征，以細化高頻響應。然后，設計人員可以調整分頻器，使低音單元和高音單元的信號順利混合。設計人員還可以通過(guò)選擇較高或較低的線(xiàn)圈阻抗來(lái)調整高音單元的靈敏度，以獲得與低音單元的更好匹配。耳塞整體頻率響應的最終塑造可以通過(guò)支持數字信號處理 (DSP) 的微調來(lái)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動(dòng)，在塑造頻率響應方面具有更大的靈活性。
高品質(zhì)無(wú)線(xiàn)音頻參考設計
習慣于在其無(wú)線(xiàn)設計中使用單一揚聲器驅動(dòng)器的工程師們，將面臨再現高質(zhì)量音頻所需獨立低音單元和高音單元所帶來(lái)的額外復雜性的挑戰。然而，趨勢顯然是朝著(zhù)更高質(zhì)量音頻能力發(fā)展的，因此必須考慮采用雙驅動(dòng)設計來(lái)實(shí)現無(wú)損音頻流的高質(zhì)量再現。
為了幫助設計者向這個(gè)方向發(fā)展，BA 高音單元制造商 Knowles 推出了 TC-35030-000 真無(wú)線(xiàn)立體聲耳塞參考設計。該參考設計通過(guò)包括用戶(hù)需要的許多關(guān)鍵的先進(jìn)功能，縮短了 TWS 耳塞的上市時(shí)間，從而消除了許多常見(jiàn)的設計挑戰。
參考設計包括 Knowles 自己設計的 BA 高音單元，用于獲得良好的高頻聲音，同時(shí)還有一個(gè) 10 毫米 (mm) 的動(dòng)態(tài)低音單元，用于獲得堅實(shí)的低音。該裝置還包括用于 ANC 和語(yǔ)音通話(huà)的微機電系統 (MEMS) 麥克風(fēng)。參考設計通過(guò)其內置電池提供 13 小時(shí)的播放時(shí)間或 8 小時(shí)的通話(huà)時(shí)長(cháng)，并兼容藍牙 5.2。套件中內置的其他功能包括觸摸控制和集成語(yǔ)音助理技術(shù)（圖 6）。
圖 6：TC-35030-000 TWS 耳塞的參考設計具有一個(gè) BA 高音單元，用于獲得良好的高頻聲音，以及一個(gè) 10 mm 的動(dòng)態(tài)低音單元，用于獲得堅實(shí)的低音。（圖片來(lái)源：Knowles）
BA 高音單元提供了遠高于 20 kHz 的響應。將 Knowles 產(chǎn)品的高音輸出與典型的 8 mm 動(dòng)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(tīng)力個(gè)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(dòng)態(tài)揚聲器的高頻響應比較。（圖片來(lái)源：Knowles）
結語(yǔ)
無(wú)線(xiàn)半導體和編解碼器的進(jìn)步已經(jīng)改變了耳塞的面貌。消費者現在期望他們的入耳式 TWS 設備能有深沉的低音、精致的高音和寬廣的動(dòng)態(tài)范圍。此外，用戶(hù)期望擁有 ANC 和個(gè)性化聲音等高級功能，不再愿意忍受像閉塞這樣效應。
為了更好地滿(mǎn)足 TWS 耳機的頻率響應要求，設計者需要轉而使用具有專(zhuān)用高音和低音單元的雙驅動(dòng)設計。雖然這樣做在技術(shù)上具有挑戰性，但 Knowles 的 TC-35030-000 TWS 耳塞參考設計可以提供幫助。它結合了 BA 高音單元、低音單元和 MEMS 麥克風(fēng)，為設計高質(zhì)量的音頻耳塞提供了良好的基礎，從而實(shí)現明顯的產(chǎn)品差異化。 |
