面向云端的真無線智能耳機連接技術

郭世文

（深圳市冠旭電子股份有限公司 廣東省深圳市 518117）

1 背景和國內技術發展現狀

1.1 真無線智能耳機連接技術研究背景

伴隨電子科學技術快速發展，消費電子產品在我們的生活工作當中扮演這舉足輕重的作用，但是電子產品為我們提供便利的同時也帶來了各種各樣的問題，比如非常突出的就是電子產品的無線相互干擾，他可以讓產品無線性能下降甚至失效，最為典型的例子就是乘坐飛機會要求關閉無線電子設備，目的就是為了防止無線電子設備干擾飛機通訊設備。

在眾多無線電子產品里面，藍牙耳機成為了繼手機后最刺手可熱的一款穿戴設備，在真無線耳機為消費者帶來各種便利的同時，消費者遇到了很多問題，其中最嚴重的就是無線傳輸問題，這個問題已經成為真無線耳機體驗不佳的最大問題，嚴重制約真無線耳機進一步發展。

1.2 國內外技術發展現狀

當前國外知名品牌都重點推出了自己的真無線耳機，這其中包括傳統音頻品牌BOSE、SONY，也有手機品牌Apple、Samsung 等等，國內HUAWEI、Cleer、VIVO、OPPO、XIAOMI、ANKER 等也相繼推出了自己的真無線耳機。

近4年來全球范圍內，品牌真無線耳機在2018年的銷量是4600 萬臺，2019年銷量9000 萬臺，相較于2018年銷量增長了96%。而在困難的2020年，品牌TWS 耳機銷量增長趨勢不減，達到了3 億臺，同比增長230%。

經過復雜環境（比如機場、火車站、地鐵、商場、公園、）的壓力測試，與目前市面上各大品牌相比，我們的Cleer 最新的真無線耳機在同等條件下表現更加優秀。

2 真無線智能耳機技術產業化實現方法

2.1 技術原理

藍牙系統主要由天線單元、電路控制單元、電源管理單元和藍牙音頻軟件單元四部分構成組成。其中，天線單元即天線，用于完成電信號的接收與發送；電路控制單元中包括多個電路控制器，有數據信號傳輸電路，音頻信號傳輸電路，控制信號傳輸電路，復位電路;電源管理單元主要是充電和放電管理部分，以及NTC 溫度檢測和保護部分；藍牙音頻軟件單元主要包括兩部分，其中第一部分為核心部分，用于規定諸如射頻、基帶、連接管理、業務搜尋、傳輸層以及與不同通信協議之間的互用、互操作性等組件，第二部分為協議子集部分，用于規定不同藍牙應用所需的協議和過程。我們的主要是在應用層進行軟件的二次開發和算法設計，以達到真無線耳機有效連接的作用。

為了滿足消費者對于真無線耳機連接性能的要求不斷提高，真無線耳機經過這幾年的快速發展，在算法和轉發模式上有了很大改善。初代真無線耳機，移動終端將消息傳送給主耳機，主耳機又把接收到的消息全部解碼轉發給副耳機，這種傳送模式優點在于算法實現簡單，但是缺點也明顯就在占用雙倍藍牙帶寬，導致左右傳輸會大概率會出現不穩定可能，為了解決左右耳機傳輸問題，在初代真無線傳輸模式的基礎上加入了副耳機偵聽模式，通過偵聽，副耳機接收到大多數據包，但是還是會出現丟失數據，這時候主耳機會選擇性把這部分數據包轉發給副耳機，并且左右耳機還可以實現動態無感切換，大大增加左右耳機連接的穩健性。如圖1 所示。

圖1

TrueWireless ? Mirroring 基于前代轉發技術而打造，旨在提升連接穩定性、消除一些使用限制并提升使用的便捷性。該解決方案利用以下三種全新技術實現主、副耳塞的動態角色切換，包括偵聽、同步和選擇性數據中繼轉發，旨在提供無縫的用戶體驗。

2.2 關鍵技術

通過對真無線耳機的芯片算法，天線設計，電路設計，結構設計，BLE 連接方面，設計出了領先的無線產品性能。

2.2.1 算法改進

（1）偵聽模式。偵聽模式加入，可以讓真無線耳機連接更加穩健，當主耳機和移動終端連接時，副耳機通過偵聽模式感知該連接，對移動終端給主耳機發送的信息進行偵聽，大部分時候副耳機通過偵聽可以接收到大部分數據包，大大降低主耳機壓力，如果仍然丟失一些數據包，當藍牙鏈路良好通過偵聽中繼發送，當藍牙鏈路變差時可以通過主耳機選擇性中繼發送。

（2）Mirroring 模式的關鍵技術點：①單地址管理：連接設備端只有一個藍牙地址信息，兩個耳機都共用一個地址，無論哪一個與設備連接；②eSCO Mirroring：通話鏡像，包括無縫切換和選擇性轉播；③A2DP Mirroring：音頻鏡像，包括無縫切換和選擇性轉播。

Mirroring 模式的優勢：無縫切換至與終端設備連接的耳機，而另外一只成為其鏡像，無需用戶干預，在射頻連接較差的情況下無縫切換主副耳塞，以最大程度提高連接穩定性并降低由此導致的音頻斷續

（3）自適應碼率切換。自適應碼率切換用于當藍牙鏈路質量非常差或者遇到干擾環境時候，這時候耳機會告知移動終端降低音頻碼率，減少帶寬占用，降低音質優先保證連接順暢從而保證不斷音體驗，當藍牙鏈路變的良好時候，此時移動終端又會提高碼率，增加帶寬占用，提升音質保證絕佳的聽音體驗。

（4）角色動態切換。動態角色卻換，可以讓真無線耳機主副耳機進行自由靈活切換，當主耳機和移動連接鏈路出現惡化時候，副耳機偵聽到鏈路好于主耳機，這時候副耳機和主耳機角色將卻換，保證用戶無斷音體驗。

2.2.2 射頻改進

（1）多天線設計。真無線耳機是入耳式的耳機，不同人的耳道構造不一樣，導致同一個耳機佩戴后的方向不一樣，單一天線設計可能會出現一些使用者把天線完全蓋住的情況，導致天線性能惡化，從而導致連接欠佳，而出現斷音的糟糕體驗，為了解決這個問題，我們加入多天線設計，當一支天線出現問題，芯片會切換到另一支良好的天線繼續工作，這樣保證了藍牙鏈路狀況良好，保證了不斷音良好體驗。

（2）增加放大電路。在芯片射頻輸出端增加放大電路，可以突破芯片自身性能上限，彌補芯片性能以及天線性能難以提升的痛點，通過放大電路，即使發射端的信號變的微弱，也可以通過放大器放大以達到芯片能夠承受的范圍，從而保證耳機傳輸穩定。

（3）高性能天線設計。我們發現一種全新設計思路，既然人體對天線影響很大，我們可以利用人體作為天線的參考地（天線地），這樣人體將不會是不利因素，它將變成了天線一部分，彌補了主板地偏小的問題，由于地變大，此時天線性能將會大大增加。

一端連接在天線上面，另外一端連接在主板芯片射頻端口，2是天線正極，3 是天線負極，整體呈現一個T 字型偶極子天線，本天線的優勢在于充分利用耳機產品結構的特點，我們把天線的負極部分附著在耳機喇叭通道里面，天線正極放置在遠離人頭的耳機外殼朝外邊緣一圈，當我們把耳機帶上的時候，天線負極部分接近人體耳蝸，天線負極和人頭耦合，從而形成一個巨大的參考地平面，理論來講此時天線已經從最初的Dipole（偶極子）變為Monopole（單極子），借助巨大參考地平面，天線正極輻射性能大大增加，自然藍牙耳機傳輸距離也會更遠，體驗感更好。

2.2.3 電路設計

電路電源管理設計，電路濾波設計，電路傳感器，復位設計，音頻信號設計，天線凈空區的設計，以及PCB 的走線優化，使得天線的性能達到最佳。在RF 設計方面，提前做好評估和模擬仿真，濾波器盡量采用SAW filter，對帶外信號抑制效果較好；天線設計要保證預留足夠天線設計空間，面積和高度至關重要，天線遠離人體，不要被耳廓所包裹。通過藍牙芯片端和射頻天線端，電路設計的優化，從而提升耳機藍牙性能，保證藍牙連接的穩定性。

2.2.4 結構設計

TWS 耳機為了舒適體積越來越小，因此對天線的要求變的極其嚴苛，因此設計時候我們要小心謹慎，天線設計要作為第一要素來評估。

（1）桿狀類耳機。這是一種典型桿狀TWS 設計。在上半部分，而桿狀部分僅作為充電觸點、Mic 以及天線，這種設計好處是，下面部分基本上全部都能給天線使用，不受其他影響，天線效率高，設計需要保證有20mm 長度，最少3mm 高度，性能很好。

（2）豆狀類耳機。圖2 是典型豆狀TWS 的兩種堆疊，整個呈“三明治”狀堆疊，上面的兩種堆疊基本上包含了所有的豆狀TWS 的ID 設計，天線需要和主板有一個最少3mm 的高度凈空。因為有了touch，居中的空間將被touch 占據，天線只能設計在耳機邊緣，因此很容易受到耳朵影響，即使有高度也做不到多好的效果，而如果天線居中就不會出現這樣現象，相比堆疊一，我們更加推薦堆疊二，因為堆疊二更容易實現天線需要的凈空高度。通常能夠遠遠做到遠遠大于3mm 的凈空要求。保證地完整性，從而得到很好的效果。

圖2

2.3 技術的先進性

（1）軟件算法的優化，可以通過耳機的傾聽技術，自適應切換模式，主從自動切換模式，使得天線的連接更順暢。

（2）多傳感器的設計，可以通過入耳檢測，霍爾檢測，加速度傳感器檢測，使得真無線耳機連接和使用體現性能更佳。

（3）電路優化設計，增加射頻的放大電路，增強接收靈敏度，增強耳機的抗干擾能力。

（4）天線的仿真和定制化設計，可使得天線的發射功率和效率達到最佳，增加耳機連接的距離和Cross Body 干擾能力。

（5）BLE 和耳機之間的傳輸協議優化，自動連接，使得連接更佳便捷高效。

（6）結構腔體的仿真，設計出最優射頻所需的空間腔體，保證射頻和耳機的連接所需的最佳腔體。

3 結束語

良好的真無線智能耳機的穩定連接，對于藍牙5.2 或者以上，與云端的互聯會打下一個堅實的硬件基礎和軟件基礎。在此基礎上，實現耳機與云端的技術交互，即實現耳機，手機端，云端技術無縫交互。使得真無線智能藍牙耳機可以更受歡迎，伴隨著技術的實現和成熟，也更廣泛的進行產品推廣和實現產品產業化。