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席捲全球的新冠病毒大流行正在讓全世界付出慘痛的代價，並將深刻改變人類生產和生活方式。甚至有分析認為，這場全球疫情將成為世界歷史發展的一個分水嶺，並改寫全球化的規則和內容。這場危機之後，人類社會將如何發展？讓我們對比一下102年前爆發的西班牙大流感，那場瘟疫持續兩年多時間，造成全球至少2500萬人死亡。儘管慘烈程度比今天的新冠肺炎嚴重上百倍，人類在那之後迄今100年內，依然加速並持續蓬勃發展。毫無疑問，當下的疫情對中國和全球經濟社會的影響只是暫時的，並非永久性的。觀察科技在抗疫中的應用，可以預見：疫後的數位化、無線化生存的深度和廣度將進一步提升。這場疫情危機將更快推動數位化升級，加速物聯網、人工智慧、虛擬實境的創新和應用。藍牙無疑是物聯網領域的重要組成，語音是人工智慧的重要分支。筆者的公司RealMega Micro Tech.(昱兆微電子科技(上海)有限公司)有一群在藍牙以及語音晶片領域默默耕耘近二十年的專家，不妨一起深入探討下藍牙音頻晶片的未來。
一、藍牙音頻的市場趨勢
自藍牙成為手機標配後，音頻一直是藍牙最大的應用市場，而2016年9月Airpods的推出，TWS（真無線）藍牙耳機成為藍牙音頻的最大應用焦點。從去年到現在，TWS耳機晶片的各種好消息層出不窮。其一，國產TWS藍牙耳機晶片大爆發，去年出貨的TWS藍牙晶片超過６億隻。其二，蘋果在去年底發布的Airpods Pro，提供最高將近30dB 的音頻主動降噪效果，受到市場強烈歡迎。其三，藍牙技術聯盟（SIG）在今年一月推出了最新版本的藍牙5.2，並發布了下一代藍牙音頻–LE音頻(低功耗音頻)。此事件標誌了經典藍牙音頻在過去20年壟斷地位的結束，拉開激動人心的下一個20年藍牙音頻的序幕。藍牙5.2核心規範引入了三個主要特性，分別是：同步通道(Isochronous Channels,ISOC）、LE功率控制(LEPC）、和增強屬性協議(EATT)。
同步通道(ISOC)是在BLE設備中實施 LE音頻的基礎。LEPC和EATT雖然與LE音頻沒有直接關係，但是可以幫助LE音頻設備減小功耗、縮小體積、減少延時。主要用於支持下一代藍牙音頻—LE音頻，它突破了原來一對一的限制，變成一對多和多對一的模式。同步通道(ISOC)允許將有時間限制的數據與一個或多個設備通信，以便進行時間同步處理。比如：左右耳塞同步播放音樂、個人音頻共享、或大型公共場所（如電影院）數量不限的設備同步播放。儘管TWS耳機已經很火，但從長遠來看，這個行業才剛剛開始，如同當年的功能手機向智慧型手機的轉變，未來會有極大的市場前景。除了這些新的應用，LE音頻將為助聽器提供新的標準，並支持不同地點的輔助聽力系統，如劇院、會議、演講廳和機場。由於ISOC和新的音頻配置文件，預計多語言藍牙音頻系統將成為現實。毫無疑問，LE Audio將會成為藍牙音頻未來的新賽道。
根據ABI Research今年最新發布的預測數據，藍牙音頻晶片在未來５年的複合增長率保持在7%，到2024年，藍牙音頻娛樂設備的年度出貨量將接近20億臺，包括各種藍牙耳機、音箱、藍牙助聽器、藍牙音頻共享設備。其中，經典藍牙音頻的佔比將低於5%，雙模音頻的佔比60%，LE單模音頻的佔比超過35%。根據該研究報告同時預測，到2024年，38%的出貨量由TWS藍牙耳機貢獻，即TWS藍牙晶片年度出貨量為7.6億片。
但是，ABI的這份研究報告，似乎並沒有考慮白牌TWS耳機的出貨量。對比2019年的數據，很多市場研究機構給出的TWS耳機出貨量為1.2億副（其中，蘋果出貨6000萬副），即2.4億隻。這個數據比已知的國產TWS耳機晶片出貨量起碼少了3.6億隻。如果按照等比例推算，到2024年，TWS藍牙耳機晶片的出貨量將達到19億片。有些業內人士甚至預測，明年就能達到這個數量。另外，由於降噪(ANC)功能為TWS耳機帶來了質的飛躍，市場極度渴望降噪效果明顯、價格適中的TWS耳機。儘管現在降噪TWS耳機的出貨量不到整個市場的5%，一旦有適合批量生產的高直通率的降噪藍牙晶片，市場可能會改變這一狀況，甚至後期會倒過來：大部分TWS帶ANC，小部分TWS不帶ANC。
二、TWS耳機的技術趨勢
通過分析各種消費者的評測，對TWS耳機普遍希望在以下幾點得到改善：1、可靠連接：兩耳耗電更平衡；信號強、連線更穩定，減少斷音、跳音；低延時；適配多種手機。2、超低功耗，更長電池續航時間。3、高音質：高解析音頻碼流；通話清晰；更多音效處理，如震撼低音、３Ｄ音效、多頻段均衡等等。4、降噪：主動降噪(ANC)；通話環境噪音消除5、控制和感知語音控制／智能控制；語音生物識別；場景識別。接下來看看，哪些技術可以較好地解決上述問題？我們認為，那些性價比最高的技術方案將成為今後的發展趨勢。經典藍牙是單通道無線協議，無法同時提供多個聲道。為了規避這一難題，以蘋果公司為代表的廠家紛紛推出自己的私有方案。私有方案主要分為三大類：偵聽、轉發、私有雙聲道藍牙協議。不論哪一種私有方案，都無法完美解決上文提到的所有連接問題。TWS耳機的火熱和技術上的缺陷，讓業界對下一代藍牙音頻期待已久。藍牙技術聯盟不負眾望，在幾個月前發布了眾所矚目的LE音頻，受到業界的廣泛關注和跟進。從今年起，藍牙擁有了兩種音頻標準：經典音頻和LE音頻。
LE音頻除了依賴底層的藍牙5.2核心規範，還依賴於高層的配置文件、通用音頻框架（GAF），和全新的低複雜性編解碼器（LC3 CODEC）。不過，儘管SIG已經公布新的標準，但LE 音頻的通用音頻框架（GAF）和配置文件尚需核准，預計今年晚些時候可以獲批。
如前文所述，藍牙5.2的ISOC為LE音頻墊定了基礎，藍牙低功耗（BLE）和LEPC為LE音頻的低功耗提供了保障，EATT降低了端到端的延時。ISOC可用於所有速率模式：1M/2M/500k/125k。它既支持面向連接，又支持無連接的通信，分別對應BLE的連接和廣播。面向連接的每個流稱為連接同步流(CIS)。當 CIS 需要同步時（比如發送到左耳塞和右耳塞），它們就成為了同步組(CIG)的一部分。一個CIG最多包含31個CIS。屬於同一 CIG 的數據流共享同一個參考時序，這是讓多個接收器同時呈現數據的必要條件。CIG 允許雙向數據傳輸，例如：手機發送同步數據流給左右耳塞，耳塞也可以同步發送控制信號和麥克風信號給手機。與 ISOC 相關的重要參數是 ISO間隔。它定義CIS事件和CIG事件發生的時間間隔。屬於相同CIG的CIS具有相同的ISO間隔。ISO間隔範圍從 5 毫秒到 4 秒，且必須是1.25毫秒的整倍數。每個CIS事件又可以拆分為一個或者多個子事件。在面向連接的通信中，在每個子事件中，主設備向從設備發送一個數據包，從設備收到後將發送一個數據包予以響應。假設一個CIG包含兩個CIS(左右耳聲道)，一個CIS事件包含2個子事件，而且CIG內的CIS是按順序發送，那麼下圖反應了這種情況下CIG事件、CIS事件、CIS子事件、ISO間隔的相互關係：
ISOC支持數據重傳，對於連接同步流（CIS），當從設備沒有應答時，主設備才發送重傳數據。重傳的數據包與原始數據包的通道不同，從而減少數據包丟失或損壞的風險。LE音頻還引入了一種新的高質量低功耗音頻編解碼器，稱為低複雜性通信編解碼(LC3)。採樣率支持8/16/24/32/44.1/48kHz，比特率支持16-320kbps。LC3具有在低數據速率條件下也能提供高音質的特性，比如，即使數據速率低於經典藍牙使用的SBC 編解碼器所要求的標準速率，LC3也能提供高質量的音頻。相比經典藍牙音頻採用的SBC，LC３的音質可以提升50%。該特性可以幫助產品更好地在音質和功耗之間進行權衡。總結起來，LE音頻為最終用戶帶來如下好處：1、魯棒性更好、連線更穩定2、超低功耗，更長電池時間，兩耳耗電完全平衡3、低延時4、適配所有藍牙5.2手機和電腦5、更高音質
由此可見，不論是雙模還是單模音頻，我們預測LE音頻將成為未來TWS耳機的標配。下面是SIG為藍牙5.2和LE Audio設立的時間表，以供參考：3~12個月推出開發工具、SDK。9~18個月推出方案和PCBA、Ear buds、助聽器、耳機。12~24個月推出手機、平板、電視、電腦。18~36個月推到公共場所進行廣播。關於控制和感知，可以通過加入超低功耗的邊沿計算和更豐富的傳感器來實現，限於篇幅，筆者將另行撰文探討。關於主動降噪(ANC)問題， 其重要性不言而喻。它可以保護聽力、在通話過程中增進理解、增加聆聽的舒適度，還可以緩解壓力。自從Airpods Pro樹立了降噪TWS耳機的標杆以來，幾乎所有的品牌耳機企業和白牌企業都在模仿和追趕。下面我們專門來探討ANC的技術方案。
三、主動降噪（ANC）的技術方案
1、ANC的工作原理在非常小巧的TWS耳機中加入降噪功能，是目前音頻廠商共同面對的難題，今天我們來就來針對性的聊聊TWS耳機降噪技術是如何實現的。主動降噪(ANC)技術是現代耳機行業的主要技術。雖然它仍然是一個高端的功能，但它不再為最昂貴的耳機所獨享。事實上，設計和實現 ANC 技術的方法有很多種。其中每一個都影響耳機消除噪音的質量。我們將解釋這些方法之間的差異。簡單來說，主動降噪(ANC)基於聲波相位抵消的原理。相位差為 180 度的波（如聲波）或相互反轉的波疊加在一起時，相互抵消。類似於-1 加到 1，結果為零。消除噪聲的思路是，記錄背景噪聲，再反轉噪聲信號以創建」反相噪聲」，然後將其添加到輸出信號中。在噪聲信號在到達耳朵時，反相噪聲也剛好到達，從而消除實際的背景噪音。
這個想法確實非常簡單，可以追溯到上個世紀30年代，但它實現起來卻非常困難。ANC最大問題是如何足夠準確地捕獲背景聲音，並同步提供最大衰減量。麥克風具有不完善的頻率響應、聲電轉換會引入自己的噪聲，而用於消噪的反相聲波使揚聲器在到達耳朵時可能無法完全與噪聲相位剛好相反。針對這些問題，系統需要仔細計算和調整，但即使如此，也不會看到100% 抵消。不過，-20dB到 -30dB之間的降噪在高端耳機還是較為常見，這將背景噪音減少到原來的從 1/10到1/32，還是很可觀的。要考慮的另一個關鍵點是，耳機內部和外部聽到的噪音非常不同。聲音捕獲的這種差異將影響主動降噪耳機的質量和功能。這就引出了這樣一個問題：最好將麥克風安裝在什麼位置以捕獲噪音？在耳機外面、裡面、或者二者兼顧？1.1、前饋 ANC（FF ANC）前饋 ANC 相對來說是更簡單的主動噪聲消除類型的技術。使用前饋技術時，用於捕獲噪聲的麥克風放在耳機外側。
前饋ANC使用數位訊號處理器(DSP)其他專用ANC處理單元將噪聲信號映射到用戶在耳機內部實際聽到的頻率響應。通過理論分析和產品測試，確保正確應用此映射以滿足最大噪聲消除的要求。但是，這不如在耳機內放置麥克風那樣準確，而且外部麥克風對噪音源的方向比較敏感，不同方向的噪音可能會造成不一樣的降噪效果。此外，降噪性能在不同的佩戴者之間會有不同的效果。例如，鬆散的配合可能會導致用戶音頻洩露到外部麥克風，導致處理器誤把用戶音頻當成噪音處理。也可能把外部麥克風沒有捕獲的噪音洩露到耳機內部，從而無法消噪。1.2、反饋 ANC (FB ANC)反饋 ANC 與前饋相反，麥克風放置在耳機內。雖然在耳機內側選擇正確的位置會帶來一系列新的困難，但其主要優點是麥克風捕獲的噪音更準確地反映佩戴者聽到的噪音，而不管耳機的確切位置和貼合度如何。這也使耳機更容易消除風噪。
除了噪音，用戶音頻也會被內部麥克風捕獲，因此，在產生反相噪音之前，需要過濾掉用戶音頻，由此校準過的信號，才能用於產生反相噪音。與所有反饋系統一樣，存在失控放大的風險。這需要方案採取足夠的預防措施。反饋ANC的處理時間也更少，因為它正在處理已經非常接近耳膜的音頻。1.3、混合ANC混合ANC 結合了FF和FB二者的優點，它將獲得最佳的噪聲衰減頻率覆蓋率，並弱化了FF和FB ANC的缺點。
混合 ANC的缺點是系統更複雜、成本更高。不僅有兩個麥克風，而且這些麥克風需要很高的質量，以避免引入額外的噪音。耳機還需要更強大的專用處理硬體來處理額外的運算。但它們確實可以提供更優的ANC。2、降噪條件分析前文提到，要使降噪效果最好，必須使反相噪音和環境噪音的剛好同步疊加，因此，要求反相信號不能晚於噪音到達用戶的耳朵。如果反相信號提前到達用戶耳朵的話，則系統可以主動調節，以便使二者同步，達到消噪的目的。因此，系統處理聲音的速度就顯得很重要，速度越快，系統就越能從容處理噪音。下圖中Tsound是指聲音從外部麥克風到揚聲器之間的傳播時間。聲音處理時間包括聲音信號在各個環節消耗的時間之和。這些環節包括：麥克風把聲音轉為電信號的過程、ADC（模數轉換）［如果有的話］、聲學計算、DAC（數模轉換）［如果有的話］、PA(功率放大器)、揚聲器。已知聲音在空氣中的傳播速度為340m/s，如果外部麥克風到揚聲器的距離是3mm，那麼它的傳播時間為88us。此時，聲音消耗在所有環節消耗的時間之和必須小於88us。
由於聲音在塑料、金屬等固體中的傳播速度比在空氣中的速度快得多，實際上，外部噪音從麥克風傳播到揚聲器的時間比上面計算的結果要更少。可見，整個系統對聲音的處理時間要足夠小。3、ANC的挑戰和應對元器件的機械參數和電氣參數必然存在公差，組裝生產過程也會引入公差，儘管這些公差很小，但是很容易引起微秒級別的誤差。從前文的分析結果看到，微秒級的誤差就足以讓讓反相噪音和真實噪音失去同步，從而降低減噪效果。因此，如何保證產品的性能的一致和穩定可靠，成為降噪TWS耳機的一大挑戰。另外，如前文提到，麥克風、ADC、DAC（如果有的話）、揚聲器都會引入噪音和產生失真，在抑制環境噪音的同時，儘量減少系統自身引入的噪音和失真，也是挑戰。
那麼，針對這些挑戰，如何應對呢？從耳機產品的角度來看，需要在以下幾個方面加以考慮：首先，選擇專業的、最新的ANC晶片，或者選擇集成了專業ANC功能的SoC（或SiP）。這些晶片的THD+N（總諧波失真+噪聲）與DNR（動態範圍）足夠高，在保證音質的前提下，還能讓最終的成品達到40dB的降噪目效果。另外，這些專業ANC處理器的處理時間足夠快。從模擬信號輸入到模擬信號輸出（A2A）的時間可以控制在5us左右，可以留出更多的時間作為麥克風和揚聲器的響應時間。其次，麥克風和揚聲器除了頻率響應範圍寬以及失真小，它們的聲電轉換時間的公差也要足夠小，從而允許系統可以針對不同的噪音傳播時間進行適應性調節。第三，主控晶片必須能提供自適應的校準算法。耳機零部件和組裝生產一定會存在一定的誤差，只要這些誤差能夠控制在校準算法控制的公差範圍內，就能夠實現自動校準，從而提高生產直通率。最後，音腔設計、模具加工、時鐘設計、電路設計、PCBA、組裝生產都需要針對性地進行優化。
四、下一代藍牙音頻晶片展望
TWS耳機將是LE音頻的最大細分市場之一，那麼，什麼樣的藍牙音頻晶片可以滿足未來TWS耳機市場的需要呢？回顧前面的市場趨勢、技術趨勢、以及ANC的技術分析，我們認為下一代藍牙音頻晶片應該具有如下功能特性。首先，不僅要支持經典藍牙的TWS傳輸模式，還要支持藍牙5.2核心規範和LE Audio。充分利用這些標準，不僅需要和目前的手機實現兼容，還可以實現更低功耗，延長電池續航時間，減少時延，並且充分平衡雙耳的耗電。LC3可以提供比經典藍牙語音更好的音樂品質。當然，晶片廠商也可以額外提供更多的音頻編解碼器，為消費者提供更多更好的聽覺體驗選擇。隨著越來越多的平臺設備（手機、平板、電腦）支持LE Audio，支持LE Audio的耳機可以讓消費者在廣泛的平臺設備上自由使用。其次，超低功耗下穩定可靠的無線連接，是消費者享受音樂和清晰通話的基本保障。RealMega核心團隊在射頻晶片領域有20年的豐富產品經驗，在射頻性能、各種工作模式下的功耗控制，以及在先進位程工藝下縮小晶片面積等領域，具有強大的優勢。團隊設計開發過的射頻晶片產品，曾經或正在數十億顆晶片上默默傳遞數據，這是對我們潛心鑽研的工匠精神的最大肯定，也激勵我們開發出更好的下一代藍牙射頻。第三，無縫支持專業的ANC技術。不論是入耳式，還是半入耳式，專業的ANC技術或晶片可以保證20~40dB的降噪效果，並且提供高保真音質。此外，還能針對不同噪聲場景適配最合適的降噪效果。無縫支持這些專業晶片，可以給消費者提供多種價位的靈活選擇：低配ANC、高配ANC等等。一旦消費者選擇帶ANC的產品，他們可以得到性價比最高的、世界級的降噪效果。第四、支持低功耗、靈活且強大的處理器架構。配合適當的軟體，可以讓晶片提供強大邊沿計算能力，以支持語音離線識別、語音在線識別、語音喚醒等各種AI應用，滿足不同智能語音生態系統的需求，並且可以隨時升級。假如配合適當的傳感器，則可以提供更人性、更自然的交互體驗，為消費者提供不同應用場景下的最佳產品。第五、提供自適應降噪功能和自動化的校準算法。回望藍牙20年的歷史，無數事實證明，順應潮流的技術變革總是伴隨著巨大的新機會。經典藍牙獨自壟斷音頻20年的歷史結束了，LE音頻即將開啟藍牙音頻的下一個新時代。