藍牙耳機的發(fā)展及研發(fā)測試

邱璐 邱宜忠 王平英

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

0引言

電子音響是使用電子技術(shù)實現(xiàn)音頻信號放大和處理的音響系統(tǒng)。從早期的收音機、錄音機開始，隨著科技的發(fā)展，產(chǎn)品種類不斷增多，如藍牙耳機、智能音箱、專業(yè)音響等。根據(jù)中國電子音響行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國電子音響行業(yè)產(chǎn)值從2017年的3104億元增長到2021年的3819億元，年均復合增長率為5.3%。2021年耳機市場占比35%，音箱市場占比18%。預計2023年中國電子音響行業(yè)產(chǎn)值將達4451億元。目前，電子音響行業(yè)仍在擴大，如與醫(yī)療器械行業(yè)結(jié)合的助聽設(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)合的語音控制等，已然形成了大音頻產(chǎn)業(yè)。

數(shù)據(jù)顯示，中國耳機產(chǎn)值從2017年的364億元增至2021年的974億元，年均復合增長率為27.9%。預計2023年中國藍牙耳機市場（不包括白牌）出貨量將達到9486萬臺，同比增長2.7%；其中，真無線立體聲（true wireless stereo，TWS）耳機市場出貨量為7047萬臺，同比增長3.3%。作為中國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6%。

不僅是中國市場，在世界范圍內(nèi)藍牙耳機也占據(jù)重要的市場份額。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耳機銷量達3.1億臺，同比增速達33%。其中，國內(nèi)市場銷量約8092萬臺，同比增長28%。消費者使用耳機的場景越來越多。在具體用途中，從傳統(tǒng)的聽音樂、語音通話和觀看視頻，到辦公場所、游戲和聽覺增強等?？梢?，除娛樂需求外，耳機也逐漸被應用在工作、鍛煉、通勤等活動中。

1藍牙耳機發(fā)展

自蘋果公司在2016年9月秋季新品發(fā)布會上發(fā)布AirPods以來，TWS耳機由于沒有物理線材連接，通過藍牙組成左右兩個耳機的立體聲，無論是接打電話，還是聽音樂等都給用戶帶來了很好的體驗，迅速獲得了消費者的認可。藍牙作為一種小范圍無線連接技術(shù)，具有低功耗、低成本、方便快捷的特點，被廣泛應用于無線耳機、智能手表、虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）眼鏡、混合現(xiàn)實（mixedreality，MR）頭顯等場景，是實現(xiàn)無線通信的主流技術(shù)之一。從藍牙5.0到藍牙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，應用更廣泛。華為公司正式推出的星閃技術(shù)和新發(fā)布的L2HC 3.0藍牙協(xié)議，最大傳輸速率是蘋果藍牙協(xié)議的4倍左右，時延降低至原來的1/30，功耗也僅為原來的40%。目前，L2HC主要支持的手機型號是華為和榮耀系列。

藍牙耳機市場的發(fā)展呈現(xiàn)兩種路徑，一種是與智能手機綁定的，另一種是其他應用場景。從耳機的功能用途來說，降噪耳機和運動耳機呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，如應用主動降噪（active noisecancellation．ANC）技術(shù)的降噪耳機，以及應用環(huán)境降噪（environmental noise cancellation，ENC）技術(shù)推出的“滅噪耳機”。骨傳導運動耳機的基本特點是舒適牢固、防水防汗，但“開放聆聽”才是運動耳機的賣點。為了適應混合型工作環(huán)境或共享工作空間，“聽到”和“被聽到”則是影響辦公耳機選擇的關(guān)鍵因素，有的辦公耳機甚至能錄音并轉(zhuǎn)換成文字等。藍牙耳機發(fā)展趨勢如下：耳機的降噪功能已是剛需，基于近場通信（near fieldcommunication，NFC）技術(shù)的藍牙自動配對也將普及。由于消費者對音質(zhì)的要求越來越高，左右聲道獨立傳輸、更具空間感，真無線立體聲、空間音頻將成為趨勢。隨著智能穿戴設(shè)備的發(fā)展，健康監(jiān)測功能的應用也將是趨勢之一。

2藍牙耳機研發(fā)

藍牙耳機作為一個產(chǎn)品，物理上分為左右耳機部分和充電盒部分。一般TWS耳機的研發(fā)生產(chǎn)流程如下：硬件軟件設(shè)計、工業(yè)設(shè)計（industrial design，ID）、結(jié)構(gòu)設(shè)計、開模、小批量試生產(chǎn)、量產(chǎn)。定位中高端市場的廠家往往是在選型耳機系統(tǒng)芯片（system on chip，SoC）后，創(chuàng)造性正向設(shè)計硬件軟件，并進行整機測試。項目研發(fā)大概需要6～12個月。有些低端市場的廠家采用現(xiàn)有的公板、公模和既有軟件，可能1～2個月就能實現(xiàn)量產(chǎn)。輕巧便攜的特點使耳機和充電盒的空間狹小，故兩個部分的電池容量也有所限制。耳機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、充電盒結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，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耳機硬件設(shè)計

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

U1 AC6936D（QFN32）支持藍牙5.0，具有低功耗、自動配對、恒流充電、立體聲雙耳通話、智能雙發(fā)主從無縫切換等特點。耳機采用貼片陶瓷天線來傳輸藍牙信號。時鐘電路是由內(nèi)部時鐘振蕩單元和外部晶振組成，Y1是24 MHz晶振，內(nèi)部負載電容12pF，頻率精度在+1.0x10-5 Hz以內(nèi)。藍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)計的目的是獲得最大功率傳輸藍牙射頻信號，因此需要射頻電路和天線進行50的阻抗匹配。為了抑制其他無線電信號的干擾，需設(shè)計濾波器，使其通過2.4GHz藍牙射頻信號。L3、L4是天線匹配電路預留參數(shù)，最終參數(shù)以實際樣機調(diào)試結(jié)果為準。C12是實現(xiàn)濾波作用。ANT1是陶瓷天線。耳機內(nèi)部集成了鋰電池充電電路，軟件設(shè)計預充電、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DC-DC（直流一直流），C7、C8是濾波電容。麥克風作為音頻輸入，將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，按制作工藝分為有硅麥克風（microelectro mechanical system，MEMS）、駐極體麥克風（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，C14、C10是濾波電容。喇叭作為音頻輸出，將電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號。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，在電池負極單點處連接。

2.2充電盒硬件設(shè)計

充電盒部分包括SoC（MCU和電池管理）、霍爾傳感器、電池、無線充電線圈（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)成一個輸出5V、負載能力300 mA的升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，PIN15 VOUT給耳機電池充電。通過控制內(nèi)部升壓電路的開關(guān)管，從VOUT引腳輸出一定脈寬的高低電平，可實現(xiàn)充電盒和耳機的通信，傳輸充電盒蓋子、睡眠和電池信息。其內(nèi)部還集成一個線性鋰電池充電器，PIN12 BAT給充電盒電池充電。當電池電壓小于3V時，采用25 mA預充充電；當電池電壓大于3V，進入恒流充電；當電池電壓接近4.20V/4.30V/4.35V/4.40V，進入恒壓充電。IP5516支持最大5V/500 mA充電電流，同時檢測輸入電壓和集成芯片溫度，從而自動調(diào)節(jié)充電電流。芯片內(nèi)置電源路徑管理，當電池電壓大于3.3V時，支持邊充邊放；當電池電壓小于3.1V時，不支持邊充邊放。開關(guān)蓋檢測電路是UI單N極霍爾開關(guān)CC6211E，由電池供電，PIN3 VOUT連接IP5516的EN引腳，當關(guān)蓋時，磁鐵N極在霍爾的正上方，磁通量增加并超過工作點Bop，霍爾開關(guān)輸出低電平；當開蓋時，磁通量減小且低于釋放點Brp，霍爾開關(guān)輸出高電平。PIN6 103實現(xiàn)電池負溫度系數(shù)（negative temperature coefficient，NTC）熱敏電阻功能，當設(shè)計R5=82k，溫度為250C時，熱敏電阻THR1=100k，B=3950時，可控制電池溫度為：充電時為0～50℃，放電時為-15～55℃。PIN5102R4需根據(jù)不同恒流充電電流，設(shè)計相應的電阻值：500mA設(shè)為150k，300mA設(shè)為82k。PINl/PIN16 PHl/PH2實現(xiàn)耳機自動檢測和睡眠控制，R2/R3的電阻值需根據(jù)不同藍牙耳機SoC調(diào)節(jié)，若AC6936D芯片調(diào)試待機喚醒功能即設(shè)置為56k。

2.3基于SoC的軟件設(shè)計

藍牙耳機軟件由底層固件、協(xié)議層軟件和應用層軟件3個部分組成，逐層封裝代碼。底層固件是嵌入存儲中的代碼，被固化在芯片上，可以初始化引導加載、驅(qū)動接口設(shè)備，但其不能也無法修改，從而保證系統(tǒng)基本功能正常運行。協(xié)議層軟件與底層固件之間設(shè)計接口進行通信，通常是比較常用、完整的功能程序模塊，稱為協(xié)議棧，協(xié)議層軟件一般不會進行修改，軟件開發(fā)時直接調(diào)用以減少開發(fā)周期。軟件設(shè)計多為應用層軟件，軟件開發(fā)工具包（software development kit，SDK）為用戶提供一種基于事件處理機制的APP開發(fā)框架，各個功能組件會通知用戶，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)，即可按照應用需求完成相應的開發(fā)，通過APP狀態(tài)機切換創(chuàng)建、運行、掛起、刪除。

廠商會提供相應的SDK下載編譯，包括開發(fā)環(huán)境、工具軟件和開源項目文檔。設(shè)計之前需要了解具體產(chǎn)品基于耳機SoC的可能軟件功能需求：接打電話時開啟麥克風，實現(xiàn)麥克風音頻數(shù)據(jù)的處理和傳輸；接打電話或聽音樂時能處理音頻數(shù)據(jù)輸出給喇叭；響應中斷事件，并通過I2C總線通信；檢測電池電壓，實現(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點時關(guān)機；實現(xiàn)耳機和充電盒通信；實現(xiàn)左右耳機TWS配對，并與手機配對連接等。

主函數(shù)是整個軟件的核心。首先進行初始化，對時間、按鍵、電池信息等執(zhí)行初始化函數(shù)。定義中斷檢測有無事件發(fā)生，如佩戴、播放、音量增減等。判斷有無充電事件，檢測電池電量，如有充電事件，則對耳機進行充電；如已充滿電，則進入睡眠狀態(tài)。檢測判斷電池溫度是否正常。檢測有無來自充電盒的通信請求，與充電盒進行通信，響應充電盒的開關(guān)蓋等事件。耳機可以響應手機的電話請求，方便進行接聽、拒接等操作，并應用ANC/ENC軟件算法實現(xiàn)通話降噪。耳機連接手機播放音樂時，運行協(xié)議軟件，力求更好音質(zhì)。

3藍牙耳機測試

藍牙耳機應遵守《頭戴耳機通用規(guī)范》（GB/T14471-2013）和《聲系統(tǒng)設(shè)備第7部分：頭戴耳機和耳機測量方法》（GB/T12060.7-2013）等標準，并通過中國國家無線電管理委員會（StateRadio Regulation Committee，SRRC）等的認證。

常見測試項目包括：音頻測試，RF測試（RF阻抗測試、RF性能測試、距離測試），需要實現(xiàn)的功臺旨測試，ANC/ENC降噪，功耗測試，充電／續(xù)航時間測試，用戶體驗測試（耳朵舒適性觸摸感）。測試軟件是否符合需求（設(shè)計測試用例、報告存在的錯誤和缺陷），程序燒錄測試。具體測試內(nèi)容如下。

（1）關(guān)鍵信號測試：耳機時鐘信號測試、耳機UART信號測試、耳機I2C信號測試。

（2）電源紋波測試：耳機VBAT電源紋波測試，藍牙芯片內(nèi)部產(chǎn)生的1.8V電源紋波測試，藍牙芯片內(nèi)部產(chǎn)生的1.1V電源紋波測試，麥克風的MIC_ BIAS電源紋波測試。

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

（4）環(huán)境測試：跌落測試，高度為1.0m，6個面各跌落2次，水泥地面，要求不能有元器件損壞、脫落和功能異常。高低溫測試（無包裝），鹽霧測試，人工汗液和化學品（護手霜、防曬霜、花露水等）測試，檢查外觀和功能應無異常。

（5）電磁兼容（electro magnetic compatibility，EMC）測試：發(fā)射／傳導干擾，發(fā)射／輻射干擾，測試藍牙耳機在使用過程中對周圍環(huán)境產(chǎn)生多大的電磁干擾。傳導抗擾度，輻射抗擾度，靜電放電抗擾度，測試藍牙耳機在受到外部電磁干擾時的抗干擾能力。

（6）安全測試：電池充放電保護，過溫保護，漏電是否符合要求。

4結(jié)語與展望

藍牙耳機的技術(shù)痛點主要包括：如何讓戴耳機的耳朵舒適度比擬戴眼鏡之眼睛舒適度且耳機不易脫落，如何保證噪聲環(huán)境中仍具有清晰通話和無損音質(zhì)，如何實現(xiàn)一款耳機滿足任何場景所有活動用途。

藍牙耳機的市場痛點是同質(zhì)化競爭“卷價格”。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、喇叭等；中游是原始設(shè)備制造商（original equipment manufacture，OEM）和原始設(shè)計制造商（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。藍牙耳機體積小巧，對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“小”耳機，涉及技術(shù)卻是復雜的，未來應該通過差異化競爭進而保持合理利潤，促進耳機產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。