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TWS蓝牙耳机关键技术点详解

一、认识TWS耳机的组成

1.TWS蓝牙耳机拆机
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2.组成 

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TWS耳机由充电仓和耳机组成:

充电仓:锂电池、锂电保护板、5V升压、充电管理芯片、MCU(非必须)。

耳机:蓝牙芯片、锂电池、喇叭、mic、天线。
 

二、充电仓功能及其组成

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1.
电源管理芯片厂商
英集芯、钰泰半导体、微源半导体、圣邦微‎电子等;

2.功能
主要功能类似我们平时使用的充电宝。
根据充电仓主控芯片和入仓的耳机是否可以通信,可以分为带通信的和不带通信的。
带通信的方案,充电仓可以轻易的获取和控制耳机的状态。
给充电仓和耳机中锂电池提供充电管理;指示电量、和耳机蓝牙芯片通信等。

3.3.7V锂电池
通常500mAh左右,越大续航时间越长。
锂电池厂商(紫建电子、亿等新能源、亿纬锂能、赣锋锂业

4.锂电池保护芯片
提供过放、过充、过压、过流、过温以保护锂电池的充电安全。

5.锂电池充电芯片
控制充电器给电池充电的芯片。
基本功能:可以设置充电电流大小、充电状态(是否充满)、 过压、过流保护。

6.5V升压芯片
把锂电池3.7V升压到5V,耳机入仓后,通过顶针连接,检测提供此5V电源给耳机充电。

7.MCU单片机芯片
充电仓电量检测、通过控制LED数码或LED指示灯显示电量;
通过顶针和耳机蓝牙芯片通信,交互信息实现充电仓显示耳机状态、控制耳机;
有些MCU集成了充电管理和升压功能,就不用加充电管理芯片;
有些充电仓,没有MCU单片机芯片,只有充电管理芯片。

8.按键、数码管显示:我们称之为UI,指示电量、操控耳机配对等操作。

三、蓝牙芯片

1.蓝牙芯片厂商
杰理、蓝讯、恒玄BES、物奇、高通、瑞昱、络达、慧联等其中杰理、蓝讯占有一半以上市场份额。
杰理蓝牙耳机芯片型号都有哪些?
AC69X系列:AC695N、AC696N、AD697N、AD698N
AC/JL70N系列:AC700N、JL701N、JL703N、AC704N、AC705N、AC706N、AC707N、JL708N、JL709N、JL710N。

2.功能
负责蓝牙连接、通话、音乐等。
负责数据的收发、数据的解码、编码转码解码等。

3.TWS工作原理

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杰理TWS(True Wireless Stereo)真无线立体声耳机的基本原理:
TWS耳机分左右耳机,和手机连接的耳机称为主耳机,另外一个称为副耳机。
手机连接主耳机,再由主耳机连接副耳组成立体声系统,实现真正的蓝牙左右声道无线分离使用。
手机把左右声道的音频发给主耳,主耳再把其中一个声道发给副耳。

四、发生单元

1.功能:发声。
原理:振动发声,怎么产生振动?
交变的音频信号流过线圈,形成交变的磁场(极性不断变化),和其他永磁材料相互作用(同性相斥,异性相吸),这种变化的磁性作用力,带动振膜等材料振动,从而发出声音。

2.分类
主要有3种:动圈、动铁、圈铁。

动圈

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动圈式扬声器主要通过内部的薄膜作为振动源,薄膜上附有导线圈,利用电流流过线圈产生磁场,磁场和永磁材料相互作用,推动薄膜振动产生声音。
优点:技术难度小,成本低,低频表现好,市场主流。
缺点:漏音、高频部分衰减十分明显。

动铁

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动铁式耳机是通过一个结构精密的连接棒传导到一个微型振膜的中心点,从而产生振动并发声。
优点:体积小、解决了漏音问题,可以用多个动铁单元提高各个频段的音质。
缺点:结构工艺复杂,贵,调音技术难度高。

③圈铁:

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发生单元包含动圈和动铁,两者优势互补。

五、咪头(歌尔、瑞声、瑞勤、敏芯等)
1.功能:采集声音,将空气中的变动压力波转化成变动的电信号。
2.常用麦分类:

①驻极体麦克风:

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驻极体麦克风使用了可保有永久电荷的驻极体物质,不需要再对电容供电。(若驻极体麦克风中内置放大电路,则需要供电)
优点:技术成熟、价格便宜。
缺点:体积大,不方便SMT、引线长,造成信号衰减、生产工序多,一致性差、灵敏度不稳定。

②MEMS麦克风:

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原理:通常由薄膜和电极组成的电容器和信号处理电路组成,集成在半导硅材料上,所以也称硅麦克风,硅麦一般都集成了前置放大器,甚至有些硅麦会集成模拟数字转换器,直接输出数字信号,成为数字麦克风。
优点:体积小,可SMT、产品稳定性好。
缺点:价格较高。

六、天线

1.功能:收发无线2.4G蓝牙信号。
2.常用4种天线分类:

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①PCB板载天线
直接画在PCB板子上, 由于产品体积限制,音箱板常用,TWS耳机板较少用。
优点:调试简单,便宜。
缺点:面积大,方向性比较单一。

②FPC天线
板天线画到黄色柔性塑料上。
优点:适用于绝大多数小型电子产品,能做的频段比较丰富,性能较好,成本较低。
缺点:每一款产品都需要进行单独调试、人工贴片。

③陶瓷天线
体积小,在TWS耳机应用广泛。
优点:体积小、便于应用、成本低、性能较好并且只占用很小的空间。
缺点:对净空区域要求较高,方向性比较单一,对摆放位置有要求。

④LDS天线
LDS天线则是采用激光直接成型技术,利用激光/镭射/电镀技术直接在耳机的塑胶外壳内层镀成金属天线图形,更进一步的利用了耳机内部空间。LDS天线需要产品塑胶外壳内部有平整的平面给予其依附。
优点:全方向性都可支持、接受能力强。
缺点:成本更加昂贵,并且对产品外表面工艺材料有特殊的要求。

七、对“杰理JL701N产品特点”的详细解释

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1.支持蓝牙5.3双模(BR/EDR/BLE),JL701N支持LE AUDIO及LC3编解码

双模蓝牙
就是芯片同时支持经典蓝牙EDR和低功耗蓝牙BLE。
基本速率(BR)/增强数据速率(EDR),也称为经典蓝牙,用于数据量大的音频传输。
应用吞吐量0.7-2.1 Mb/s。
低功耗蓝牙(BLE),用于小量数据传输, 例如和手机APP的交互。应用吞吐量0.2 Mb/s

②常见蓝牙音频编解码技术

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上图中的音频编解码协议是各大蓝牙芯片厂家常用的协议,SBC是必须要实现的协议,LDAC目前音质最好的。
杰理所有的蓝牙芯片都支持SBC、AAC, JL701N还支持LDAC和LC3。
蓝牙5.2版本后,诞生了LE Audio新的蓝牙音频技术标准和LC3(BLE音频强制编解码器)。
LE Audio拥有LC3、多重串流音频、广播音频三大功能,LC3主打高效的音频编码算法和较低的复杂度。
2.高集成度,外围精简。
3.内置触摸:高度成熟久经市场验证,支持滑动触摸,支持电容式入耳检测
4.加强抗干扰性能:复杂电磁环境下大幅缓解卡顿情况
5.ANC主动降噪:AC/JL700N系列支持FF/FB单馈,JL701N支持Hybrid混合馈

①ANC主动降噪的原理

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用麦克风准确地采样环境声音,记录背景噪音,反转噪音信号以创建“反噪音”,然后将其添加到包括音乐的输出信号中。当反噪音信号到达您的耳朵时,它就会抵消实际的背景噪音。如图所示,把音频信号叠加的环境噪声去掉。需要用降噪算法,芯片要有强大的运算能力,数字信号处理器(DSP)。
ANC主动降噪方式通常有: FF前馈主动降噪、FB反馈主动降噪、Hybrid 混合主动降噪、自适应ANC。

②Feedforward ANC (FF):前馈主动降噪

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前馈是最简单的一种主动降噪类型,噪音捕捉的麦克风被放置在耳机的外部(外置麦克风),称之FF前馈。
优点:噪声灵敏度最好,可以很好地消除中频噪声,如语音或交通工具类的背景噪音。
缺点:噪音消除能力和佩戴姿势相关,松散的姿势,可能会让额外的高频噪音通过缝隙进入耳朵。
前馈ANC对风啸和其他形式的附带噪音更敏感,这些不可预测的噪音可能会被放大,降噪类型受到极大限制。

③Feedback ANC(FB):反馈主动降噪

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麦克风位于耳罩内部(内置麦克风),或者位于佩戴者的耳朵内部(耳塞式耳机)。
优点:内置的麦克风捕捉到的噪音更准确地反映了佩戴者听到的噪音,不管耳机佩戴的好不好,更能抵御风啸。
缺点:可能会失去高频噪音抵消的灵敏度,在阻断1-2 kHz范围内的噪声方面,它落后于前馈ANC。
反馈型降噪必须应对用户的需要音频(如音乐)也可能被内置麦克风捕捉到,处理后,可能丧失音乐细节。

④Hybrid ANC:混合主动降噪

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使用两个麦克风,一个在外面,一个在里面。结合前馈和反馈麦克风来处理覆盖所有的背景噪音。
优点:此ANC算法可以更快、更准确地做出反应。使用混合技术,用户将获得最佳的噪声衰减频率覆盖范围和最低的错误反馈降噪几率。混合ANC仍然可以用于环境噪声和隔音功能,同时保留准确,量身定制的ANC的优点。
缺点:混合ANC更昂贵。不仅有两个麦克风,而且这些麦克风需要高质量的(如数字麦克风),性能更高的DSP。
开发人员还加倍进行所有频率和性能测试,以最大限度地消除噪声。

⑤自适应ANC:用算法弥补工作原理
由于混合ANC成本太高,因此厂商开始通过DSP算法来弥补前馈或反馈ANC的缺点,同时增加的成本又在可以接受范围内。

6.ENC通话降噪:基于AI智能降噪算法,支持单麦/双麦降噪,支持风噪抑制,降噪效果卓越
①原理:主动降噪引擎将在检测到环境噪音时,将双麦克风拾音的音频信号传回主控芯片,并经过复杂的算法处理,从音频信号中剥离出环境噪音信号。
②分类:单麦降噪和双麦降噪
单麦降噪是通过单个麦克风仅从语音信号和环境噪声的个别特征进行降噪处理。双麦降噪是通过在不同位置安装两个麦克风获取环境噪音的时域特征,进而进行时域滤波,通过判断麦克风信号的差异来确定噪声信号,然后直接与语音信号相减,从而实现噪声消除的效果。相对于单麦,双麦降噪技术的效果更加优秀。

7.低功耗:50%音量音乐播放功耗仅为5.5mA左右

8.低DAC底噪:噪底低至4.5μVrms

9.多路ADC输入:助力打造纯模拟麦高性价比产品

10.双差分立体声输出:双声道隔离度高,互不串扰

 

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相对于AC697N只有1对DAC音频输出脚(DACL DACR),701N芯片有2对DAC音频输出脚(DACL- DACL+, DACR- DACR+)可以组成双差分立体声输出。差分音频输出具有更好的抗干扰。

11.支持一拖二,谷歌快连(GFPS)等功能
蓝牙耳机一拖二:一个蓝牙耳机能够同时与两台蓝牙设备建立连接。这意味着用户可以通过同一部蓝牙耳机分别接听或拨打电话给两台不同的智能手机。
谷歌快连(GFPS): Android方便快速的连接耳机。利用耳机的BLE功能来发现附近支持蓝牙的配件,屏幕上会出现一条弹出消息,询问您是否要连接,点击连接按钮,连接更方便。

八.典型降噪蓝牙耳机参数解答

1.圈铁架构HIF音质

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发声单元采用动圈+动铁,兼顾两者之优点,分频调校音质,高频/低频都很好。
支持音质高的音频传输协议LDAC。

2.QuietMax智能降噪深度达42db

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每个耳机采用FF/FB前馈和后馈的混合馈,双麦主动降噪。
自适应降噪算法,针对环境声,能识别车站/地铁/街道/办公室等各种环境,自动调整软件ANC主动降噪算法。


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