如何快速实现具有专用高音单元和低音单元的高质量TWS耳塞设计
发布日期:2022-11-10
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作者：Steven Keeping
在音频流出现的早期，无线数据速率是有限的，用户接受了保真度损失，以换取能将成千上万数字音乐装入口袋的便利。但随着支持更高无线吞吐量和增强压缩算法的无线技术的推出，消费者变得更加挑剔。这意味着设计人员现在需要提供真无线立体声 (TWS) 耳塞来满足消费者的期望。TWS 耳塞承诺更准确地再现整个音频频谱的声音，特别对于较高的频率，而在老式设计中通常会损失掉这些频率。
但音质只是现代无线音频再现的一个方面。在竞争激烈的市场中，耳机开发商必须密切关注消费者的需求，并利用发现到的需求点，尽可能以有效、经济的方式供差异化的终端产品。例如，消费者希望能有效地进行主动降噪 (ANC) 和缓解闭塞效应，从而更好地享受听觉体验。对于老年听众来说，对高频率自然听力损失的自动补偿（听力个性化）的需求也越来越大。
要满足这些要求，就必须修改设计，将低音单元和高音单元分开设计。这超出了许多开发团队的技能范围，导致上市时间延长，并有可能造成自身被解聘或丧失职业发展机会。
本文总结了商业无线音频技术的发展及其对耳塞硬件和软件设计的影响。文章随后介绍了 TWS 耳塞的参考设计，并展示了设计者如何利用它来迅速将耳机解决方案推向市场，从而实现差异化的功能，同时精确地再现现在由现代音频压缩软件捕获的强劲低音和超常高音。
数字声音的进展
在现实世界中，声音是一种模拟信号，但我们的录音和回放设备主要处理的是数字信号。声音通过一个模数转换器 (ADC) 进行数字化，而转换器由一个编码/解码（“编解码器”）算法驱动，这个算法则控制着赫兹 (Hz) 采样率和比特深度（比特数）。采样以特定时间间隔捕捉声音的模拟波形振幅。
采样率需要取舍。较低的速率导致要处理的数据较少，分辨率下降。比特深度是指每个样本中的信息比特数；同样，在比特数和音质之间需要一个折中。常见比特深度为 16、24 和 32 比特（图 1）。
图 1：通过以既定频率和比特率采样进行数字化的模拟声音。提高采样率和比特深度可以确保数字化的信息更接近模拟信号，并提高再现质量。（图片来源：Knowles）
采样率 × 比特深度 × 通道数决定了比特率，单位为每秒比特 (bps)。为了获得可接受的音质，比特率通常大于 192 千比特/秒 (kbps)。例如，CD 质量依赖 44.1 千赫兹 (kHz) 的采样率和 16 比特的比特深度。因此，这了获得立体声再现，比特率为 1.411 兆比特/秒 (Mbps)。
传统的编解码器通常使用压缩技术，在编码过程中舍弃那些已经确定不会过度影响听众对解码后音频流感知的信息。其目的是在不过度影响音质的情况下尽可能地降低比特率。这种编解码器被称为“有损”，因为解码器永远无法再现原始信号，因为它没有所有的原始信息。通常是较高的（高音）频率会被有损编解码器消除。
由于低功耗、短距离无线电的进步，无线链路可以支持更大的吞吐量而不影响电池寿命。例如，最近发布的基于低功耗蓝牙的无线流媒体形式——低功耗蓝牙音频，现在既能提供比经典蓝牙音频高得多的音质，又能降低功耗。
工程师们也增强了他们的编解码器的效率。这些较新的“无损”编解码器，结合较高吞吐量的无线连接，实现了更高的无线音频（表 1）。Apple、Amazon 和 Spotify 等公司的音频服务现在提供高质量的无损音频流。然而，设计者应该注意，无损编解码器的编码比特率往往高于无线链路能够可靠地支持的比特率。例如，Sony 的 LDAC 编解码器能以 6.1 Mbps 的比特率 (32 x 96 x 2) 进行编码，但无线链接的比特率被限制在 990 kbps。
表 1：“无损”编解码器（Sony、Savitech 和 Qualcomm）与 CD 质量和有损编解码器（Qualcomm 和蓝牙技术联盟 (SBC)）的比较。请注意，无损编解码器的最大比特率受限于蓝牙无线链路的能力。（图片来源：Knowles）
ANC 和个性化声音
消费者对 TWS 耳塞的期望超出了音质的范围。高端产品还必须提供 ANC 和其他功能。ANC 很受欢迎，因为它在背景噪音很高的情况下为用户提供了高质量的听觉体验，例如在飞机机舱内。ANC 使用内置在耳塞中的麦克风进行操作，在用户意识到低频噪音存在之前，就能提取低频噪音并将之消除。也就是在耳塞中产生一个相对于原始噪音 180˚ 反相的次级声音，从而消除噪音。
现在无线耳塞提供的另一个关键改进是个性化的声音。有先天性听力障碍或随着年龄增长而产生的听力障碍的用户，可能特别难以听到较高的频率（图 2）。有一些智能手机应用和其他工具可以让用户提高特定频率以补偿听力损失，但它们往往很简陋，而且效果不佳。但现在，高质量的产品通过对用户进行详细的听觉测试，用算法在整个频率范围内设置听力水平，从而进一步提高了这一点。这样造就了具有完美调整输出的耳塞，补偿了听力缺陷。
图 2：随着用户年龄的增长，他们逐渐失去了听高频率的能力。个性化的声音提升了选定频率音量，以补偿听力敏感度的损失。（图片来源：Knowles）
现代耳塞的最后一项技术发展是减少闭塞现象。当耳塞封住耳道的外侧部分时，就会出现闭塞效应。这是设计成相对紧贴耳朵的产品的一个常见问题。耳塞有效地增加了耳道的声学“阻抗”，这反过来又提高了声压的振幅，特别是当耳朵受到使用者产生的低频声音时（例子包括说话、走路和吞咽）。其结果是耳朵里出现类似回声的“轰鸣声”，令人厌烦和分心。
耳塞制造商已经努力通过机械设计来减少闭塞效应，例如在耳塞和耳道之间增加一个小开口以减少声学阻抗，以及通过软件设计，例如在 ANC 程序中包括闭塞减少。
独立低音单元和高音单元的优点
直到最近，与设计连接到高端发烧级音频系统的全尺寸扬声器相比，设计无线耳机的挑战性一直较小。用户接受低质量的耳机作为方便的代价，这使得设计人员更容易以合理的成本开发小尺寸的产品。例如，使用一个全音域驱动器来代替单独的低音单元和高音单元，以节省空间是很常见的。较高频率的再现有可能被牺牲，但是当这些频率不在无线音频流中时，这几乎不是一个问题。
然而，随着无损编解码器和低功耗蓝牙音频等高吞吐量技术的出现，无线音频现在可以提供全方位的低音和高音频率（图 3）。重现这种音频对耳塞的要求更高。此外，消费者期望 ANC、个性化的声音、减少闭塞效应，以及适用广泛的使用情况，包括音乐、电视、视频会议和语音通话——所有这些都在一个高度紧凑的外壳中实现，而且要有合理的成本。
图 3：无损编解码器提供了更多的高频信息，能够在经过适当设计的耳塞中更好地再现音乐播放时的高音。（图片来源：Knowles）
这些要求中有许多都需要进行设计上的权衡。例如，为了在嘈杂的环境中（如飞机机舱）提供有效的 ANC，扬声器驱动器需要产生高低音输出和低失真。解决闭塞问题的半开放式设计对低音输出有进一步的要求。同时，无损音频播放要求扬声器驱动器能够处理最高 20 千赫兹 (kHz) 及以上的高音输出。在一个很小的外形尺寸中，用一个动态扬声器驱动器来满足这两个要求几乎是不可能的。
解决办法是将低音和高音频率分给一个动态低音单元和一个独立的平衡电枢 (BA) 高音单元。BA 高音单元是一种专用组件，最初是为助听器应用而开发的，现在越来越多地被用于提升高品质耳塞的高音响应。在 BA 高音单元中，电子信号会振动一个微小的簧片，平衡紧凑外壳内的两个磁铁。簧片的运动被转移到一个非常坚硬的铝制振膜上，从而产生声音。
通过专用的低音单元和 BA 高音单元配置，低音单元可以被设计成专注于提供强大的低音，以支持无损再现、ANC 和减少闭塞效应，而 BA 高音单元的输出则被优化为清晰鲜明的高音。这减少了对均衡的需求，反过来又节省了功率，增加了动态余量（图 4）。
图4：将扬声器系统分成动态低音单元（绿色）和 BA 高音单元（蓝色）产生了平坦的频率“混合”响应（红色）（图片来源：Knowles）
将扬声器驱动单元分开还有一个好处：设计人员在驱动单元的安排上有更大的自由度。例如，低音单元可以不那么直接地与耳尖对齐，从而可以将 BA 高音单元安置在靠近耳口的地方，以尽量减少被困在高音单元和耳尖之间的空气体积，从而限制了闭塞效应（图 5）。
图 5：将耳塞中的低音单元和高音单元分开，可以使高音单元朝向设备的前面，这有助于限制闭塞效应。（图片来源：Knowles）
此外，低音单元和高音单元的分离能够让使设计者细化频率响应。例如，他们可以塑造高音单元开口附近的声学特征，以细化高频响应。然后，设计人员可以调整分频器，使低音单元和高音单元的信号顺利混合。设计人员还可以通过选择较高或较低的线圈阻抗来调整高音单元的灵敏度，以获得与低音单元的更好匹配。耳塞整体频率响应的最终塑造可以通过支持数字信号处理 (DSP) 的微调来完成。
此外，由于许多蓝牙 IC 具有双输出，低音单元和高音单元可以由单独的放大器驱动，在塑造频率响应方面具有更大的灵活性。
高品质无线音频参考设计
习惯于在其无线设计中使用单一扬声器驱动器的工程师们，将面临再现高质量音频所需独立低音单元和高音单元所带来的额外复杂性的挑战。然而，趋势显然是朝着更高质量音频能力发展的，因此必须考虑采用双驱动设计来实现无损音频流的高质量再现。
为了帮助设计者向这个方向发展，BA 高音单元制造商 Knowles 推出了 TC-35030-000 真无线立体声耳塞参考设计。该参考设计通过包括用户需要的许多关键的先进功能，缩短了 TWS 耳塞的上市时间，从而消除了许多常见的设计挑战。
参考设计包括 Knowles 自己设计的 BA 高音单元，用于获得良好的高频声音，同时还有一个 10 毫米 (mm) 的动态低音单元，用于获得坚实的低音。该装置还包括用于 ANC 和语音通话的微机电系统 (MEMS) 麦克风。参考设计通过其内置电池提供 13 小时的播放时间或 8 小时的通话时长，并兼容蓝牙 5.2。套件中内置的其他功能包括触摸控制和集成语音助理技术（图 6）。
图 6：TC-35030-000 TWS 耳塞的参考设计具有一个 BA 高音单元，用于获得良好的高频声音，以及一个 10 mm 的动态低音单元，用于获得坚实的低音。（图片来源：Knowles）
BA 高音单元提供了远高于 20 kHz 的响应。将 Knowles 产品的高音输出与典型的 8 mm 动态扬声器相比，BA 高音单元提供了高质量音频所需的更大高音输出和延伸，包括支持听力个性化或增强的能力（图 7）。
图 7：图中所示为 Knowles 的 BA 高音单元与动态扬声器的高频响应比较。（图片来源：Knowles）
结语
无线半导体和编解码器的进步已经改变了耳塞的面貌。消费者现在期望他们的入耳式 TWS 设备能有深沉的低音、精致的高音和宽广的动态范围。此外，用户期望拥有 ANC 和个性化声音等高级功能，不再愿意忍受像闭塞这样效应。
为了更好地满足 TWS 耳机的频率响应要求，设计者需要转而使用具有专用高音和低音单元的双驱动设计。虽然这样做在技术上具有挑战性，但 Knowles 的 TC-35030-000 TWS 耳塞参考设计可以提供帮助。它结合了 BA 高音单元、低音单元和 MEMS 麦克风，为设计高质量的音频耳塞提供了良好的基础，从而实现明显的产品差异化。
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