藍(lán)牙耳機(jī)的發(fā)展及研發(fā)測(cè)試

邱璐 邱宜忠 王平英

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙耳機(jī)；電子音響；TWS耳機(jī)；音頻產(chǎn)業(yè)

0引言

電子音響是使用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)放大和處理的音響系統(tǒng)。從早期的收音機(jī)、錄音機(jī)開(kāi)始，隨著科技的發(fā)展，產(chǎn)品種類不斷增多，如藍(lán)牙耳機(jī)、智能音箱、專業(yè)音響等。根據(jù)中國(guó)電子音響行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)電子音響行業(yè)產(chǎn)值從2017年的3104億元增長(zhǎng)到2021年的3819億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為5.3%。2021年耳機(jī)市場(chǎng)占比35%，音箱市場(chǎng)占比18%。預(yù)計(jì)2023年中國(guó)電子音響行業(yè)產(chǎn)值將達(dá)4451億元。目前，電子音響行業(yè)仍在擴(kuò)大，如與醫(yī)療器械行業(yè)結(jié)合的助聽(tīng)設(shè)備、與汽車行業(yè)結(jié)合的車載多媒體、與智能家居行業(yè)結(jié)合的語(yǔ)音控制等，已然形成了大音頻產(chǎn)業(yè)。

數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)耳機(jī)產(chǎn)值從2017年的364億元增至2021年的974億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為27.9%。預(yù)計(jì)2023年中國(guó)藍(lán)牙耳機(jī)市場(chǎng)（不包括白牌）出貨量將達(dá)到9486萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)2.7%；其中，真無(wú)線立體聲（true wireless stereo，TWS）耳機(jī)市場(chǎng)出貨量為7047萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)3.3%。作為中國(guó)電子音響最大的研發(fā)生產(chǎn)基地之一，深圳2023年上半年音頻行業(yè)產(chǎn)值約430億元，同比增長(zhǎng)6%。

不僅是中國(guó)市場(chǎng)，在世界范圍內(nèi)藍(lán)牙耳機(jī)也占據(jù)重要的市場(chǎng)份額。互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Intemet DataCenter，IDC）數(shù)據(jù)顯示，2021年全球TWS耳機(jī)銷量達(dá)3.1億臺(tái)，同比增速達(dá)33%。其中，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷量約8092萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)28%。消費(fèi)者使用耳機(jī)的場(chǎng)景越來(lái)越多。在具體用途中，從傳統(tǒng)的聽(tīng)音樂(lè)、語(yǔ)音通話和觀看視頻，到辦公場(chǎng)所、游戲和聽(tīng)覺(jué)增強(qiáng)等。可見(jiàn)，除娛樂(lè)需求外，耳機(jī)也逐漸被應(yīng)用在工作、鍛煉、通勤等活動(dòng)中。

1藍(lán)牙耳機(jī)發(fā)展

自蘋果公司在2016年9月秋季新品發(fā)布會(huì)上發(fā)布AirPods以來(lái)，TWS耳機(jī)由于沒(méi)有物理線材連接，通過(guò)藍(lán)牙組成左右兩個(gè)耳機(jī)的立體聲，無(wú)論是接打電話，還是聽(tīng)音樂(lè)等都給用戶帶來(lái)了很好的體驗(yàn)，迅速獲得了消費(fèi)者的認(rèn)可。藍(lán)牙作為一種小范圍無(wú)線連接技術(shù)，具有低功耗、低成本、方便快捷的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于無(wú)線耳機(jī)、智能手表、虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）眼鏡、混合現(xiàn)實(shí)（mixedreality，MR）頭顯等場(chǎng)景，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的主流技術(shù)之一。從藍(lán)牙5.0到藍(lán)牙5.4，在傳輸速率、穩(wěn)定性、安全性等方面都有明顯提升，功能更強(qiáng)，應(yīng)用更廣泛。華為公司正式推出的星閃技術(shù)和新發(fā)布的L2HC 3.0藍(lán)牙協(xié)議，最大傳輸速率是蘋果藍(lán)牙協(xié)議的4倍左右，時(shí)延降低至原來(lái)的1/30，功耗也僅為原來(lái)的40%。目前，L2HC主要支持的手機(jī)型號(hào)是華為和榮耀系列。

藍(lán)牙耳機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)兩種路徑，一種是與智能手機(jī)綁定的，另一種是其他應(yīng)用場(chǎng)景。從耳機(jī)的功能用途來(lái)說(shuō)，降噪耳機(jī)和運(yùn)動(dòng)耳機(jī)呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，如應(yīng)用主動(dòng)降噪（active noisecancellation．ANC）技術(shù)的降噪耳機(jī)，以及應(yīng)用環(huán)境降噪（environmental noise cancellation，ENC）技術(shù)推出的“滅噪耳機(jī)”。骨傳導(dǎo)運(yùn)動(dòng)耳機(jī)的基本特點(diǎn)是舒適牢固、防水防汗，但“開(kāi)放聆聽(tīng)”才是運(yùn)動(dòng)耳機(jī)的賣點(diǎn)。為了適應(yīng)混合型工作環(huán)境或共享工作空間，“聽(tīng)到”和“被聽(tīng)到”則是影響辦公耳機(jī)選擇的關(guān)鍵因素，有的辦公耳機(jī)甚至能錄音并轉(zhuǎn)換成文字等。藍(lán)牙耳機(jī)發(fā)展趨勢(shì)如下：耳機(jī)的降噪功能已是剛需，基于近場(chǎng)通信（near fieldcommunication，NFC）技術(shù)的藍(lán)牙自動(dòng)配對(duì)也將普及。由于消費(fèi)者對(duì)音質(zhì)的要求越來(lái)越高，左右聲道獨(dú)立傳輸、更具空間感，真無(wú)線立體聲、空間音頻將成為趨勢(shì)。隨著智能穿戴設(shè)備的發(fā)展，健康監(jiān)測(cè)功能的應(yīng)用也將是趨勢(shì)之一。

2藍(lán)牙耳機(jī)研發(fā)

藍(lán)牙耳機(jī)作為一個(gè)產(chǎn)品，物理上分為左右耳機(jī)部分和充電盒部分。一般TWS耳機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)流程如下：硬件軟件設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)（industrial design，ID）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開(kāi)模、小批量試生產(chǎn)、量產(chǎn)。定位中高端市場(chǎng)的廠家往往是在選型耳機(jī)系統(tǒng)芯片（system on chip，SoC）后，創(chuàng)造性正向設(shè)計(jì)硬件軟件，并進(jìn)行整機(jī)測(cè)試。項(xiàng)目研發(fā)大概需要6～12個(gè)月。有些低端市場(chǎng)的廠家采用現(xiàn)有的公板、公模和既有軟件，可能1～2個(gè)月就能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。輕巧便攜的特點(diǎn)使耳機(jī)和充電盒的空間狹小，故兩個(gè)部分的電池容量也有所限制。耳機(jī)電池的容量基本小于100mA．h，充電盒電池的容量則在1000mA·h以內(nèi)。由于耳機(jī)、充電盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，需采用普通印刷電路板（printed circuit board，PCB）和柔性電路板（flexible printed circuit，F(xiàn)PC）。

2.1耳機(jī)硬件設(shè)計(jì)

耳機(jī)部分包括SoC[微控制單元（microcontrollerunit，MCU）和藍(lán)牙音頻]、射頻（radio frequency，RF）電路、麥克風(fēng)、喇叭、電池、FLASH存儲(chǔ)器（可選）等。選型集成MCU的耳機(jī)SoC，耳機(jī)原理如圖1所示。

U1 AC6936D（QFN32）支持藍(lán)牙5.0，具有低功耗、自動(dòng)配對(duì)、恒流充電、立體聲雙耳通話、智能雙發(fā)主從無(wú)縫切換等特點(diǎn)。耳機(jī)采用貼片陶瓷天線來(lái)傳輸藍(lán)牙信號(hào)。時(shí)鐘電路是由內(nèi)部時(shí)鐘振蕩單元和外部晶振組成，Y1是24 MHz晶振，內(nèi)部負(fù)載電容12pF，頻率精度在+1.0x10-5 Hz以內(nèi)。藍(lán)牙射頻的頻率和晶振的頻率有關(guān)，要求晶振的頻率精度小于+2.0x10-5 Hz。RF電路設(shè)計(jì)的目的是獲得最大功率傳輸藍(lán)牙射頻信號(hào)，因此需要射頻電路和天線進(jìn)行50的阻抗匹配。為了抑制其他無(wú)線電信號(hào)的干擾，需設(shè)計(jì)濾波器，使其通過(guò)2.4GHz藍(lán)牙射頻信號(hào)。L3、L4是天線匹配電路預(yù)留參數(shù)，最終參數(shù)以實(shí)際樣機(jī)調(diào)試結(jié)果為準(zhǔn)。C12是實(shí)現(xiàn)濾波作用。ANT1是陶瓷天線。耳機(jī)內(nèi)部集成了鋰電池充電電路，軟件設(shè)計(jì)預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電的電流值，支持200 mA快充。該電路和外部電感L1構(gòu)成一個(gè)DC-DC（直流一直流），C7、C8是濾波電容。麥克風(fēng)作為音頻輸入，將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，按制作工藝分為有硅麥克風(fēng)（microelectro mechanical system，MEMS）、駐極體麥克風(fēng)（electret capacitance microphone，

ECM）.M1是模擬硅麥，M2是駐極體麥，CI1是耦合電容通音頻信號(hào)，C14、C10是濾波電容。喇叭作為音頻輸出，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)。SoC的PIN28/29/30 DACR/DACL/VCOMO分別連接右聲道、左聲道的喇叭J1、J2。PCB注意模擬地、數(shù)字地分別鋪地，在電池負(fù)極單點(diǎn)處連接。

2.2充電盒硬件設(shè)計(jì)

充電盒部分包括SoC（MCU和電池管理）、霍爾傳感器、電池、無(wú)線充電線圈（可選）等。選型集成MCU的充電盒SoC，充電盒原理如圖2所示。

U2 IP5516內(nèi)部集成和外部電感L1構(gòu)成一個(gè)輸出5V、負(fù)載能力300 mA的升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，PIN15 VOUT給耳機(jī)電池充電。通過(guò)控制內(nèi)部升壓電路的開(kāi)關(guān)管，從VOUT引腳輸出一定脈寬的高低電平，可實(shí)現(xiàn)充電盒和耳機(jī)的通信，傳輸充電盒蓋子、睡眠和電池信息。其內(nèi)部還集成一個(gè)線性鋰電池充電器，PIN12 BAT給充電盒電池充電。當(dāng)電池電壓小于3V時(shí)，采用25 mA預(yù)充充電；當(dāng)電池電壓大于3V，進(jìn)入恒流充電；當(dāng)電池電壓接近4.20V/4.30V/4.35V/4.40V，進(jìn)入恒壓充電。IP5516支持最大5V/500 mA充電電流，同時(shí)檢測(cè)輸入電壓和集成芯片溫度，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流。芯片內(nèi)置電源路徑管理，當(dāng)電池電壓大于3.3V時(shí)，支持邊充邊放；當(dāng)電池電壓小于3.1V時(shí)，不支持邊充邊放。開(kāi)關(guān)蓋檢測(cè)電路是UI單N極霍爾開(kāi)關(guān)CC6211E，由電池供電，PIN3 VOUT連接IP5516的EN引腳，當(dāng)關(guān)蓋時(shí)，磁鐵N極在霍爾的正上方，磁通量增加并超過(guò)工作點(diǎn)Bop，霍爾開(kāi)關(guān)輸出低電平；當(dāng)開(kāi)蓋時(shí)，磁通量減小且低于釋放點(diǎn)Brp，霍爾開(kāi)關(guān)輸出高電平。PIN6 103實(shí)現(xiàn)電池負(fù)溫度系數(shù)（negative temperature coefficient，NTC）熱敏電阻功能，當(dāng)設(shè)計(jì)R5=82k，溫度為250C時(shí)，熱敏電阻THR1=100k，B=3950時(shí)，可控制電池溫度為：充電時(shí)為0～50℃，放電時(shí)為-15～55℃。PIN5102R4需根據(jù)不同恒流充電電流，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電阻值：500mA設(shè)為150k，300mA設(shè)為82k。PINl/PIN16 PHl/PH2實(shí)現(xiàn)耳機(jī)自動(dòng)檢測(cè)和睡眠控制，R2/R3的電阻值需根據(jù)不同藍(lán)牙耳機(jī)SoC調(diào)節(jié)，若AC6936D芯片調(diào)試待機(jī)喚醒功能即設(shè)置為56k。

2.3基于SoC的軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙耳機(jī)軟件由底層固件、協(xié)議層軟件和應(yīng)用層軟件3個(gè)部分組成，逐層封裝代碼。底層固件是嵌入存儲(chǔ)中的代碼，被固化在芯片上，可以初始化引導(dǎo)加載、驅(qū)動(dòng)接口設(shè)備，但其不能也無(wú)法修改，從而保證系統(tǒng)基本功能正常運(yùn)行。協(xié)議層軟件與底層固件之間設(shè)計(jì)接口進(jìn)行通信，通常是比較常用、完整的功能程序模塊，稱為協(xié)議棧，協(xié)議層軟件一般不會(huì)進(jìn)行修改，軟件開(kāi)發(fā)時(shí)直接調(diào)用以減少開(kāi)發(fā)周期。軟件設(shè)計(jì)多為應(yīng)用層軟件，軟件開(kāi)發(fā)工具包（software development kit，SDK）為用戶提供一種基于事件處理機(jī)制的APP開(kāi)發(fā)框架，各個(gè)功能組件會(huì)通知用戶，用戶只需基于該框架添加需要處理的事件及事件處理函數(shù)，即可按照應(yīng)用需求完成相應(yīng)的開(kāi)發(fā)，通過(guò)APP狀態(tài)機(jī)切換創(chuàng)建、運(yùn)行、掛起、刪除。

廠商會(huì)提供相應(yīng)的SDK下載編譯，包括開(kāi)發(fā)環(huán)境、工具軟件和開(kāi)源項(xiàng)目文檔。設(shè)計(jì)之前需要了解具體產(chǎn)品基于耳機(jī)SoC的可能軟件功能需求：接打電話時(shí)開(kāi)啟麥克風(fēng)，實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)音頻數(shù)據(jù)的處理和傳輸；接打電話或聽(tīng)音樂(lè)時(shí)能處理音頻數(shù)據(jù)輸出給喇叭；響應(yīng)中斷事件，并通過(guò)I2C總線通信；檢測(cè)電池電壓，實(shí)現(xiàn)不同充電階段的恒定電流控制，并在電池電壓低于欠壓保護(hù)點(diǎn)時(shí)關(guān)機(jī)；實(shí)現(xiàn)耳機(jī)和充電盒通信；實(shí)現(xiàn)左右耳機(jī)TWS配對(duì)，并與手機(jī)配對(duì)連接等。

主函數(shù)是整個(gè)軟件的核心。首先進(jìn)行初始化，對(duì)時(shí)間、按鍵、電池信息等執(zhí)行初始化函數(shù)。定義中斷檢測(cè)有無(wú)事件發(fā)生，如佩戴、播放、音量增減等。判斷有無(wú)充電事件，檢測(cè)電池電量，如有充電事件，則對(duì)耳機(jī)進(jìn)行充電；如已充滿電，則進(jìn)入睡眠狀態(tài)。檢測(cè)判斷電池溫度是否正常。檢測(cè)有無(wú)來(lái)自充電盒的通信請(qǐng)求，與充電盒進(jìn)行通信，響應(yīng)充電盒的開(kāi)關(guān)蓋等事件。耳機(jī)可以響應(yīng)手機(jī)的電話請(qǐng)求，方便進(jìn)行接聽(tīng)、拒接等操作，并應(yīng)用ANC/ENC軟件算法實(shí)現(xiàn)通話降噪。耳機(jī)連接手機(jī)播放音樂(lè)時(shí)，運(yùn)行協(xié)議軟件，力求更好音質(zhì)。

3藍(lán)牙耳機(jī)測(cè)試

藍(lán)牙耳機(jī)應(yīng)遵守《頭戴耳機(jī)通用規(guī)范》（GB/T14471-2013）和《聲系統(tǒng)設(shè)備第7部分：頭戴耳機(jī)和耳機(jī)測(cè)量方法》（GB/T12060.7-2013）等標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)中國(guó)國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)（StateRadio Regulation Committee，SRRC）等的認(rèn)證。

常見(jiàn)測(cè)試項(xiàng)目包括：音頻測(cè)試，RF測(cè)試（RF阻抗測(cè)試、RF性能測(cè)試、距離測(cè)試），需要實(shí)現(xiàn)的功臺(tái)旨測(cè)試，ANC/ENC降噪，功耗測(cè)試，充電／續(xù)航時(shí)間測(cè)試，用戶體驗(yàn)測(cè)試（耳朵舒適性觸摸感）。測(cè)試軟件是否符合需求（設(shè)計(jì)測(cè)試用例、報(bào)告存在的錯(cuò)誤和缺陷），程序燒錄測(cè)試。具體測(cè)試內(nèi)容如下。

（1）關(guān)鍵信號(hào)測(cè)試：耳機(jī)時(shí)鐘信號(hào)測(cè)試、耳機(jī)UART信號(hào)測(cè)試、耳機(jī)I2C信號(hào)測(cè)試。

（2）電源紋波測(cè)試：耳機(jī)VBAT電源紋波測(cè)試，藍(lán)牙芯片內(nèi)部產(chǎn)生的1.8V電源紋波測(cè)試，藍(lán)牙芯片內(nèi)部產(chǎn)生的1.1V電源紋波測(cè)試，麥克風(fēng)的MIC_ BIAS電源紋波測(cè)試。

（3）藍(lán)牙測(cè)試：藍(lán)牙版本是否符合要求，是否支持規(guī)定的配對(duì)流程和加密方式，連接過(guò)程中的傳輸速率和穩(wěn)定性，設(shè)備地址是否唯一。藍(lán)牙兼容性，安卓手機(jī)不同型號(hào)，蘋果手機(jī)不同型號(hào)。藍(lán)牙接打電話、三方通話、聽(tīng)音樂(lè)和界面顯示是否工作正常。

（4）環(huán)境測(cè)試：跌落測(cè)試，高度為1.0m，6個(gè)面各跌落2次，水泥地面，要求不能有元器件損壞、脫落和功能異常。高低溫測(cè)試（無(wú)包裝），鹽霧測(cè)試，人工汗液和化學(xué)品（護(hù)手霜、防曬霜、花露水等）測(cè)試，檢查外觀和功能應(yīng)無(wú)異常。

（5）電磁兼容（electro magnetic compatibility，EMC）測(cè)試：發(fā)射／傳導(dǎo)干擾，發(fā)射／輻射干擾，測(cè)試藍(lán)牙耳機(jī)在使用過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生多大的電磁干擾。傳導(dǎo)抗擾度，輻射抗擾度，靜電放電抗擾度，測(cè)試藍(lán)牙耳機(jī)在受到外部電磁干擾時(shí)的抗干擾能力。

（6）安全測(cè)試：電池充放電保護(hù)，過(guò)溫保護(hù)，漏電是否符合要求。

4結(jié)語(yǔ)與展望

藍(lán)牙耳機(jī)的技術(shù)痛點(diǎn)主要包括：如何讓戴耳機(jī)的耳朵舒適度比擬戴眼鏡之眼睛舒適度且耳機(jī)不易脫落，如何保證噪聲環(huán)境中仍具有清晰通話和無(wú)損音質(zhì)，如何實(shí)現(xiàn)一款耳機(jī)滿足任何場(chǎng)景所有活動(dòng)用途。

藍(lán)牙耳機(jī)的市場(chǎng)痛點(diǎn)是同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)“卷價(jià)格”。產(chǎn)業(yè)鏈上游以元器件為主，包括SoC芯片、PCB/FPC板、電池、麥克風(fēng)、喇叭等；中游是原始設(shè)備制造商（original equipment manufacture，OEM）和原始設(shè)計(jì)制造商（original design manufacture，ODM），是一種生產(chǎn)模式，俗稱代工廠商；下游是眾多品牌廠商。藍(lán)牙耳機(jī)體積小巧，對(duì)元器件和模組工藝水平要求極高，定制化較多。其看似是一個(gè)“小”耳機(jī)，涉及技術(shù)卻是復(fù)雜的，未來(lái)應(yīng)該通過(guò)差異化競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)而保持合理利潤(rùn)，促進(jìn)耳機(jī)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。