如何快速實現具有專用高音單元和低音單元的高質量 TWS 耳塞設計

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

在音頻流出現的早期，無線數據速率是有限的，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的推出，消費者變得更加挑剔。這意味著設計人員現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整個音頻頻譜的聲音，特別對于較高的頻率，而在老式設計中通常會損失掉這些頻率。

但音質只是現代無線音頻再現的一個方面。在競爭激烈的市場中，耳機開發商必須密切關注消費者的需求，并利用發現到的需求點，盡可能以有效、經濟的方式供差異化的終端產品。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，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，就必須修改設計，將低音單元和高音單元分開設計。這超出了許多開發團隊的技能范圍，導致上市時間延長，并有可能造成自身被解聘或喪失職業發展機會。

本文總結了商業無線音頻技術的發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迅速將耳機解決方案推向市場，從而實現差異化的功能，同時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。

數字聲音的進展

在現實世界中，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。聲音通過一個模數轉換器 (ADC) 進行數字化，而轉換器由一個編碼/解碼（“編解碼器”）算法驅動，這個算法則控制著赫茲 (Hz) 采樣率和比特深度（比特數）。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。較低的速率導致要處理的數據較少，分辨率下降。比特深度是指每個樣本中的信息比特數；同樣，在比特數和音質之間需要一個折中。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，并提高再現質量。（圖片來源：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，比特率通常大于 192 千比特/秒 (kbps)。例如，CD 質量依賴 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，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，在編碼過程中舍棄那些已經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，現在既能提供比經典藍牙音頻高得多的音質，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，結合較高吞吐量的無線連接，實現了更高的無線音頻（表 1）。Apple、Amazon 和 Spotify 等公司的音頻服務現在提供高質量的無損音頻流。然而，設計者應該注意，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 質量和有損編解碼器（Qualcomm 和藍牙技術聯盟 (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的范圍。高端產品還必須提供 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量的聽覺體驗，例如在飛機機艙內。ANC 使用內置在耳塞中的麥克風進行操作，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。

現在無線耳塞提供的另一個關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。但現在，高質量的產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設置聽力水平，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）

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

耳塞制造商已經努力通過機械設計來減少閉塞效應，例如在耳塞和耳道之間增加一個小開口以減少聲學阻抗，以及通過軟件設計，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點

直到最近，與設計連接到高端發燒級音頻系統的全尺寸揚聲器相比，設計無線耳機的挑戰性一直較小。用戶接受低質量的耳機作為方便的代價，這使得設計人員更容易以合理的成本開發小尺寸的產品。例如，使用一個全音域驅動器來代替單獨的低音單元和高音單元，以節省空間是很常見的。較高頻率的再現有可能被犧牲，但是當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的出現，無線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、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，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，能夠在經過適當設計的耳塞中更好地再現音樂播放時的高音。（圖片來源：Knowles）

這些要求中有許多都需要進行設計上的權衡。例如，為了在嘈雜的環境中（如飛機機艙）提供有效的 ANC，揚聲器驅動器需要產生高低音輸出和低失真。解決閉塞問題的半開放式設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，用一個動態揚聲器驅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，最初是為助聽器應用而開發的，現在越來越多地被用于提升高品質耳塞的高音響應。在 BA 高音單元中，電子信號會振動一個微小的簧片，平衡緊湊外殼內的兩個磁鐵?；善倪\動被轉移到一個非常堅硬的鋁制振膜上，從而產生聲音。

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

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

將揚聲器驅動單元分開還有一個好處：設計人員在驅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（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備的前面，這有助于限制閉塞效應。（圖片來源：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口附近的聲學特征，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選擇較高或較低的線圈阻抗來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支持數字信號處理 (DSP) 的微調來完成。

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動，在塑造頻率響應方面具有更大的靈活性。

高品質無線音頻參考設計

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

為了幫助設計者向這個方向發展，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計。該參考設計通過包括用戶需要的許多關鍵的先進功能，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，同時還有一個 10 毫米 (mm) 的動態低音單元，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 (MEMS) 麥克風。參考設計通過其內置電池提供 13 小時的播放時間或 8 小時的通話時長，并兼容藍牙 5.2。套件中內置的其他功能包括觸摸控制和集成語音助理技術（圖 6）。

圖 6：TC-35030-000 TWS 耳塞的參考設計具有一個 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。將 Knowles 產品的高音輸出與典型的 8 mm 動態揚聲器相比，BA 高音單元提供了高質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 高音單元與動態揚聲器的高頻響應比較。（圖片來源：Knowles）

結語

無線半導體和編解碼器的進步已經改變了耳塞的面貌。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態范圍。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。

為了更好地滿足 TWS 耳機的頻率響應要求，設計者需要轉而使用具有專用高音和低音單元的雙驅動設計。雖然這樣做在技術上具有挑戰性，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，為設計高質量的音頻耳塞提供了良好的基礎，從而實現明顯的產品差異化。