如何使用專用的高音單元和低音單元快速實現高質量的TWS耳塞設計

在音訊流的早期，無線資料速率是有限的，使用者接受了失去保真度作為他們口袋裡成千上萬的數字音樂的便利的代價。但隨著支援更高無線吞吐量和增強壓縮演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正的無線立體聲 （TWS） 音訊耳塞來滿足消費者的期望。TWS 耳塞承諾在整個音訊頻譜中更準確地再現聲音，尤其是在舊設計中通常會丟失的較高頻率下。

但音質只是現代無線音訊再現的一個方面。在競爭激烈的市場中，頭戴式耳機開發商必須密切關注消費者的需求，並利用這種洞察力盡可能高效且經濟高效地提供最終產品差異化。例如，消費者還想要有效的主動降噪 （ANC） 和緩解遮擋效應，以便他們能夠更好地享受聆聽體驗。對於年長的聽眾，對高頻自然聽力損失的自動補償（聽力個性化）的需求也越來越大。

滿足這些需求需要一種改進的方法，將低音揚聲器和高音揚聲器分開的設計。這超出了許多開發團隊的技能範圍，導致上市時間延長，並在他們僱用或開發專業知識時可能失去機會。

本文總結了推動商業無線音訊的發展及其對耳塞硬體和軟體設計的影響。然後，本文介紹了 TWS 耳塞的參考設計，並展示了設計人員如何使用它來快速將耳機解決方案推向市場，從而實現差異化功能，同時精確再現現代音訊壓縮軟體現在捕獲的強勁低音和擴充套件高音。

數字聲音的進步

在現實世界中，聲音是一種模擬訊號，但我們的錄音和播放裝置主要處理數字訊號。使用由編碼/解碼（“編解碼器”）演算法驅動的模數轉換器（ADC）將聲音數字化，該演算法控制以赫茲（Hz）為單位的取樣率和位深度（位）。取樣以特定間隔捕獲聲音的模擬波形幅度。

取樣率是一種權衡。較低的速率會導致要處理的資料較少，但解析度會降低。位深度是每個樣本中資訊的位數；同樣，需要在位數和音訊質量之間進行折衷。常見的位深度為 16、24 和 32 位（圖 1）。

圖 1：模擬聲音透過以給定頻率和位元率取樣進行數字化。增加取樣率和位深度可確保數字化資訊更接近模擬訊號並提高再現質量。（圖片來源：諾爾斯）

取樣率 × 位深度 × 通道數決定了位元率，單位為每秒位元 （bps）。對於可接受的音樂質量，位元率通常大於 192 千位元每秒 （kbps）。例如，CD 質量依賴於 44。1 千赫 （kHz） 的取樣率和 16 位的位深度。因此，對於立體聲再現，位元率為 1。411 兆位元每秒 （Mbps）。

傳統的編解碼器通常使用壓縮技術，在編碼期間丟棄已確定不會過度影響收聽者如何感知解碼音訊流的資訊。目的是在不過度影響音訊質量的情況下儘可能降低位元率。這種編解碼器被稱為“有損”，因為解碼器永遠無法再現原始訊號，因為它沒有所有原始資訊。有損編解碼器通常會消除較高（高音）頻率。

由於低功率、短距離無線電的進步，無線鏈路可以在不影響電池壽命的情況下支援更大的吞吐量。例如，最近釋出的基於藍芽 LE 的無線流媒體形式的藍芽 LE 音訊現在提供比經典藍芽音訊更高的音訊質量和更低的功耗。

工程師還提高了編解碼器的效率。這些更新的“無損”編解碼器與更高吞吐量的無線連線相結合，實現了更高的無線音訊（表 1）。Apple、Amazon 和 Spotify 等公司的音訊服務現在提供高質量的音訊無損流媒體。但是，設計人員應注意，無損編解碼器的編碼位元率通常高於無線鏈路能夠可靠支援的位元率。例如，索尼的 LDAC 編解碼器以 6。1 Mbps （32 x 96 x 2） 的位元率進行編碼，但無線鏈路的位元率被限制為 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 和藍芽 SIG （SBC））的比較。請注意，無損編解碼器的最大位元率受藍芽無線鏈路的能力限制。（圖片來源：諾爾斯）

ANC 和個性化聲音

消費者對 TWS 耳塞的期望超出了卓越的音質。高階產品還必須提供 ANC 和其他功能。ANC 很受歡迎，因為它可以在存在高水平背景噪音（例如在飛機機艙內）時為使用者提供優質的聆聽體驗。ANC 使用內建在耳塞中的麥克風進行操作，這些麥克風可以拾取低頻噪音並在使用者意識到其存在之前將其消除。當耳機產生相對於原始噪音反轉 180° 的輔助聲音時，就會發生消除。

無線耳塞現在提供的另一個關鍵增強功能是個性化聲音。天生就有聽力障礙或隨著年齡增長而有聽力障礙的使用者可能很難聽到更高的頻率（圖 2）。有智慧手機應用程式和其他工具允許使用者提高特定頻率以補償聽力損失，但它們往往是初級的並且提供的結果很差。但是現在，高質量的產品透過讓使用者接受詳細的聽力測試來設定整個頻率範圍內的聽力水平的演算法，使這一點更進一步。結果是耳塞具有完美調整的輸出以補償聽力缺陷。

圖 2：隨著使用者年齡的增長，他們逐漸失去了聽到更高頻率的能力。個性化的聲音會提升選定的頻率，以補償聽力靈敏度的損失。（圖片來源：諾爾斯）

現代耳塞的最後一項技術發展是減少阻塞。當耳塞密封耳道的外部時，會出現阻塞效應。這是設計為相對緊密地貼合耳朵的產品的常見問題。耳塞有效地增加了耳道的聲學“阻抗”，進而提高了聲壓的幅度，特別是當耳朵受到使用者產生的低頻聲音（例如說話、走路和吞嚥）時。結果是在耳朵裡發出類似回聲的“轟隆聲”，既煩人又讓人分心。

耳塞製造商一直致力於透過機械設計來減少阻塞效應，例如在耳塞和耳道之間新增一個小開口以降低聲阻抗，以及透過軟體設計，例如在 ANC 例程中包括減少阻塞。

單獨的低音揚聲器和高音揚聲器的優勢

直到最近，與設計連線到高階發燒友音響系統的全尺寸揚聲器相比，設計無線耳機的挑戰還小。為了方便，使用者接受了耳機質量較低的價格，這使設計師更容易以合理的成本開發出小尺寸的產品。例如，通常使用全頻驅動器代替單獨的低音揚聲器和高音揚聲器，從而節省空間。可能會犧牲更高頻率的再現，但是當無線音訊流中沒有這些頻率時，這幾乎不是問題。

然而，隨著無損編解碼器和藍芽 LE 音訊等高吞吐量技術的出現，無線音訊現在可以提供全方位的低音和高音訊率（圖 3）。再現這種音訊對耳塞的要求更高。此外，消費者期望 ANC、個性化的聲音、減少的遮擋效應以及適用於廣泛的用例，包括音樂、電視、影片會議和語音通話——所有這些都具有高度緊湊的外形，並且價格合理。

圖 3：無損編解碼器提供更多高頻資訊，從而在適當設計的耳塞中播放音樂期間能夠更好地再現高音。（圖片來源：諾爾斯）

其中許多要求需要在設計上進行權衡。例如，為了在飛機機艙等嘈雜環境中提供有效的 ANC，揚聲器驅動器需要產生低失真的高低音輸出。解決閉塞問題的半開放式設計對低音輸出提出了更高的要求。同時，無損音訊播放需要揚聲器驅動器處理高達 20 千赫 （kHz） 及以上的高音輸出。用一個小巧的動態揚聲器驅動器同時滿足這兩個要求幾乎是不可能的。

解決方案是透過動態低音揚聲器和單獨的平衡電樞 （BA） 高音揚聲器分離低音和高音訊率。BA 高音揚聲器是最初為助聽器應用而開發的專用元件，現在越來越多地用於提高高品質耳塞的高音響應。在 BA 高音揚聲器中，電子訊號會振動一個微小的簧片，該簧片在緊湊型外殼內的兩個磁鐵之間保持平衡。簧片的運動被傳遞到一個非常堅硬的鋁膜片上，從而產生聲音。

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藉助專用的低音揚聲器和 BA 高音揚聲器配置，低音揚聲器可以設計為專注於提供強勁的低音，以支援無損再現、ANC 和減少遮擋效應，而 BA 高音揚聲器輸出經過最佳化，可實現清晰獨特的高音。這減少了對均衡的需求，從而節省了功率並增加了動態餘量（圖 4）。

圖 4：將揚聲器系統分成動態低音揚聲器（綠色）和 BA 高音揚聲器（藍色），可產生平坦頻率的“混合”響應（紅色）。（圖片來源：諾爾斯）

另一個優勢來自分離揚聲器驅動器：設計者在驅動器佈置上有更大的自由度。例如，低音揚聲器可以不直接與耳塞對齊，從而允許將 BA 高音揚聲器放置在耳朵開口附近，以最大限度地減少高音揚聲器和耳塞之間滯留的空氣量，從而限制閉塞效應（圖 5）。

圖 5：將耳塞中的低音揚聲器和高音揚聲器分開，可以將高音揚聲器定位在裝置的前部，這有助於限制遮擋效應。（圖片來源：諾爾斯）

此外，低音揚聲器和高音揚聲器的分離使設計人員能夠細化頻率響應。例如，他們可以塑造高音揚聲器開口附近的聲學特徵，以最佳化高頻響應。然後設計人員可以調整分頻器以平滑混合低音揚聲器和高音揚聲器訊號。設計人員還可以透過選擇更高或更低的線圈阻抗來調整高音揚聲器的靈敏度，以更好地匹配低音揚聲器。可以使用支援數字訊號處理 （DSP） 的調諧來完成耳塞整體頻率響應的最終整形。

此外，由於許多藍芽 IC 具有雙輸出，低音揚聲器和高音揚聲器可以由單獨的放大器驅動，從而在塑造頻率響應方面更加靈活。

高品質無線音訊參考設計

習慣於在其無線設計中使用單揚聲器驅動器的工程師將面臨重現高質量音訊所需的獨立低音揚聲器和高音揚聲器帶來的額外複雜性的挑戰。然而，趨勢顯然是朝著更高質量的音訊功能發展，因此必須考慮採用雙驅動器設計來高質量再現無損音訊流。

為了幫助設計人員朝這個方向發展，BA 高音揚聲器製造商 Knowles 推出了TC-35030-000真無線立體聲耳塞參考設計。該參考設計包含使用者需要的許多關鍵高階功能，從而縮短了 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 高音揚聲器，可提供良好的高頻聲音，以及 10 毫米 （mm） 動態低音揚聲器，可提供堅實的低音。該單元還包括用於 ANC 和語音呼叫的微機電系統 （MEMS） 麥克風。該參考設計提供 13 小時 （hrs。） 或 8 小時的播放時間。其內建電池的通話時間，並且相容藍芽 5。2。該套件內建的其他功能包括觸控控制和整合語音助手技術（圖 6）。

圖 6：TC-35030-000 TWS 耳塞參考設計具有一個 BA 高音揚聲器，可提供良好的高頻聲音，以及一個 10 毫米動態低音揚聲器，可提供堅實的低音。（圖片來源：諾爾斯）

BA 高音揚聲器可提供遠高於 20 kHz 的響應。將 Knowles 產品的高音輸出與典型的 8 毫米動圈揚聲器進行比較時，BA 高音揚聲器提供了高質量音訊所需的更高的高音輸出和擴充套件，包括支援聽覺個性化或增強的能力（圖 7）。

圖 7：顯示的是 Knowles BA 高音揚聲器與動態揚聲器的高頻響應比較。（圖源：Knowles）

結論

無線

半導體

和編解碼器的進步改變了耳塞的格局。消費者現在期望其入耳式 TWS 裝置具有深沉的低音、精緻的高音和寬廣的動態範圍。此外，使用者期望 ANC 和個性化聲音等高階功能，而對遮擋等效果的接受程度較低。

為了更好地滿足 TWS 耳機的頻率響應要求，設計人員需要轉向使用專用高音揚聲器和低音揚聲器的雙驅動器設計。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。它結合了一個 BA 高音揚聲器、一個低音揚聲器和 MEMS 麥克風，為設計高質量音訊耳塞提供了良好的基礎，其功能可實現產品的明顯差異化。