晶片業者競逐TWS商機

作者 : 顧正書,EE Times China

TWS耳機的關鍵性能指標主要有五個方面,即藍牙連接、音質、降噪、續航和智慧化。

Apple於2016年12月正式發佈無線耳機AirPods,2017年出貨量約1,700萬對,2018年則翻倍至3,500萬對,2019年快速成長到約6,000萬對。AirPods平均售價200美元,這意味Apple在2019年從單一個無線耳機產品取得的營收就高達120億美元,比TI和Nvidia等晶片巨擘的全部營收都高。

據產業鏈分析,AirPods出廠價約為600元人民幣。這樣看來Apple的利潤不會低於50%,這意味著去年Apple從AirPods獲得的利潤就超過60億美元。Apple去年10月發佈AirPods Pro,售價高達250美元,有市調機構預測2020年AppleAirPods銷售量有可能達到0.8~1億,營收達到200億美元。

圖1:Apple AirPods Pro拆解圖。

(來源:ifixit)

Android陣營TWS市場即將爆發

經過3年的發展,TWS耳機即將進入爆發期。目前的市場趨勢判斷如下:

  • Apple開創AirPods新品類,中高端iPhone用戶開始使用;
  • 以深圳華強北為代表的白牌TWS 耳機低價傾銷市場,刺激普通消費者嘗試體驗 TWS 耳機,打開了TWS的大眾市場需求;
  • 非手機品牌耳機廠商憑藉產品品質與品牌優勢,培育起主流用戶需求,使得TWS 耳機向品牌廠商集中;
  • 手機品牌廠商憑藉 TWS 耳機與智慧型手機搭配形成的生態帶來更好的用戶體驗,使得 TWS耳機行業進一步向手機品牌廠商集中。

根據IDC最新資料,2019年全球耳機/可聽戴設備的出貨量為1.705億副,較2018年的4860萬副成長2.5倍。據估計,5G換機潮將會使手機市場重新恢復成長,預計 2022 年全球智慧型手機銷售量將達 16 億支,其中Android手機出貨量將達到 13.8 億支。預估到 2022 年Android市場 TWS 耳機總銷售量約1.5 億副,銷售額在 803億元人民幣左右。

若從ODM/OEM產業鏈的角度測算,預計2020~2022年,全球TWS耳機(包括AirPods)出貨量分別為1.67、2.57和4.10億副,市場規模合計分別為610、846和1254億元人民幣(按ODM/OEM出廠價核算:AirPods平均單價為600元人民幣;Android TWS耳機ASP為140元人民幣)。

預計非AirPods耳機銷量今年開始加速啟動,2023年市場規模相比2019年將成長8倍,而AirPods同期類比成長近兩倍。預計2023年整體TWS市場規模接近1,400億元人民幣,其中AirPods市佔率48.52%,非AirPods耳機市佔51.48%,近乎平分市場。

TWS耳機的關鍵性能指標

從2014年就開始開發真無線藍牙耳機的德國 Bragi一直被連接斷線、雙耳延遲和功耗等問題所困擾。 2017~2018 年藍牙技術傳輸方案還不成熟,各大廠商都在集中解決 TWS 耳機藍牙斷連、延遲等傳輸問題。Apple AirPods採用獨家的Snoop專利技術解決了雙耳連接延遲不同步問題,即便售價昂貴也得到了消費者的認可,銷售量逐年翻番。而其他廠商即便價格低廉,仍然銷量不佳。隨著藍牙5.0協議和新一代藍牙音訊技術標準LE Audio的發佈,以上問題可望得到改善和解決,TWS耳機市場將進入高速發展階段。

TWS 耳機的關鍵性能指標主要有五個方面,即藍牙連接、音質、降噪、續航和智慧化。

1.藍牙標準及雙耳同步傳輸技術方案

藍牙5.0相比4.2標準在傳送速率、範圍、資料輸送量和多設備支援方面都有很大提升,但轉發模式性能並沒有提升。然而其2M的頻寬使得藍牙設備可以流暢地傳輸指令,這就為智慧語音的人機交互提供了技術保障。

圖2:新發佈的藍牙低功耗音訊標準LE Audio可望解決TWS耳機雙耳傳輸問題。

(來源:Bluetooth SIG)

新的藍牙音訊技術標準–低功耗音訊LE Audio,採用了新轉碼器 LC3、多流音訊(Multi-Stream Audio)、助聽(Hearing Aids)及廣播(Broadcast)技術。其中多流音訊可在智慧型手機等單一音訊源設備以及單個或多個音訊接收設備之間同步進行獨立的音訊流傳輸,使得TWS耳機具有雙耳傳輸體驗。這樣智慧手機就能夠同時向兩個耳朵傳輸相同的音訊號,而無需再通過轉發,從而提升藍牙耳機的連接穩定性及降低延遲。安卓手機陣營的TWS 耳機廠商可以借助新標準來不斷引進和研發新技術,以縮小與AirPods之間的差距。

AirPods採用監聽模式,由Apple獨家的Snoop專利技術所支援,其中副耳訊號不需要主耳轉發,而是透過一定的規則監聽手機所發出的訊號,從接收訊號中找出主耳或者副耳各自的訊號,因此解決了轉發所帶來的干擾、系統延遲、主副耳功耗不均衡等問題,獲得了很好的使用者體驗。

而傳統的Android系方案透過主耳轉發的方式實現雙耳身歷聲,但卻面臨如下問題:主耳轉發的藍牙訊號容易被其它藍牙和WiFi等訊號干擾;轉發本身會增加系統延遲;轉發訊號穿過人的身體問題。此外,由於轉發導致了主耳的功耗相比副耳要高,當碰上誤碼要求重傳資料封包時會導致主耳功耗負載過重。以上原因導致Apple之外的TWS耳機在連接穩定性、主副耳機的訊號同步以及待機的時長等方面面臨很多問題,這也是這幾年Android系TWS 耳機無法跟AirPods相提並論的主要原因。

為解決雙耳連接和轉發模式帶來的問題,高通(Qualcomm)、聯發科技旗下的絡達、恒玄科技和華為等晶片廠商紛紛開發各自的因應方案。

絡達的MCSync 技術。絡達於 2019年初推出搭載新一代MCSync (Multi-Cast Synchronization)技術的AB1532 晶片。MCSync 具有連線穩定、減少斷音跳音、支撐高解析音訊碼流、低延時、兩耳耗電平衡以及各種手機平台都適用等優點。此外,MCSync 也支援多個揚聲器連接。

高通的TWS+(True Wireless Stereo Plus)技術。TWS+是Q-to-Q的連接技術,意即只能在使用高通QCC5100/QCC30XX 藍牙晶片的TWS 耳機與基於驍龍 845、670、 710 移動平台的手機之間實現。在 TWS+連接技術下,會有兩路獨立的音訊流從手機直接傳輸到兩個不 同的耳機,即左右聲道獨立連接。如果耳機跟手機通訊過程中檢測到手機不支援TWS+技術,耳機會自動轉換到可以相容幾乎所有智慧手機的 TWS 通用模式。

恒玄科技的LBRT低頻轉發技術。這種專利技術可以解決目前真無線藍牙耳機主副耳機之間的無線訊號穿透力差的問題,它在雙耳通訊時利用磁傳感應模式進行藍牙耳機的訊號接收。不同於一般的2.4G訊號,該技術本身不受其他訊號干擾,本質上可以保證訊號穩定。基於該技術的BES2300藍牙晶片在支援藍牙5.0、主動降噪和更高音質的同時可大幅降低功耗,並且可以外接各種感測器和記憶體。

華為的雙通道同步傳輸技術。其FreeBuds3耳機採用了華為自研的麒麟 A1 芯 片,基於這種雙通道同步傳輸技術,可以實現左右耳機從手機端分別獲得左右聲道的訊號(與高通的TWS+技術類似),從而實現更高效率的傳輸和更低的功耗。在同樣的干擾強度下,麒麟 A1 與Apple H1基本 一致。在傳輸速率方面,麒麟 A1 晶片理論傳輸速率達到了6.5Mbps。在連接音訊時,無損音訊的傳輸速率達到了2.3Mbps。此外,FreeBuds 3 搭配獨立的 Audio DSP 處理 單元,時延被縮減到了 190ms,比 AirPods的 220ms還少 30ms。

2.音質

儘管藍牙技術在消費市場已經推進到了 5.0,但藍牙耳機傳輸音訊仍使用藍牙 2.1制定的 A2DP 1.2 (Advanced Audio Distribution Profile)標準。因此,用藍牙 5.0聽歌和用藍牙 2.1 聽歌在音質上不會有質的區別。除了揚聲器材質等物理硬體因素外,TWS 耳機的音質主要與藍牙編解碼技術、主控晶片性能及音訊訊號傳輸方式等因素有關。

雖然藍牙5.0技術為音訊提供了更大的通訊容量,但音質的改善仍在於音訊編碼方式。CD音質需要頻寬為1.41Mbit/s,而受限於A2DP的傳輸能力,音訊資料需要經過編碼壓縮後再透過A2DP傳輸,所以音訊透過藍牙傳輸是無法做到百分百還原的,而只能透過先進的壓縮技術來提升音質。目前的高清音訊編解碼技術,主要以索尼(Sony)LDAC、高通aptX HD,以及華為的HWA為代表。

索尼在2015年 CES 期間正式推出LDAC 高解析音訊技術,並於2017 年將該技術開放給 Android 8.0,該技術的音訊處理品質非常高,現已成為Android 8.0 的標配壓縮技術。但是,編碼器實現高清音訊廣播的前提是發送端和接收端的雙向支持,而支持 LDAC 的 Android 8.0 只解決了發射端的問題,而LDAC 在接收端設備(耳機、音箱等)的普及還需要一些時間。

相比索尼 LDAC,高通在 2016 推出的 aptX HD 高清藍牙音訊編解碼技術(支援 24 位/48khz 音訊 ,因為有 aptX 的鋪墊(目前大約有40億台設備支援,高通收購CSR公司而獲得aptX技術),以及高通自身在晶片、通訊等領域的優勢,有更廣泛的應用潛力。

華為在2018年聯合音訊鏈路上的關鍵零組件供應商、設備商,一同訂定了端對端的藍牙高清音訊解決方案HWA (Hi-Res Wireless Audio),其規格和 LDAC 相似,也屬於無損級別的藍牙音訊編碼。目前 HWA 高清音訊無線傳輸標準與產業聯盟也已經成立,成員包括漫步者、中國中科院聲學所、AKM、Sennheiser、HiFiMAN、1MORE萬魔、惠威等。

此外,新一代藍牙技術標準在音訊方面不斷改進,在音訊解碼器 LC3 方面,LE Audio 集成了全新的高音質、低功耗音訊解碼器 LC3,並且支援音訊分享。這不僅可以優化藍牙的傳輸效率,並且在一定程度上能夠進一步縮小TWS 耳機的體積,將為開發者提供更大的靈活性,使其在產品設計時能夠更好地在音質和功耗等關鍵產品屬性之間進行權衡。

3.主動降噪

主動降噪(ANC)功能就是透過硬體降噪系統產生與外界噪音相等的反向聲波,將噪音中和,從而實現降噪的效果。ANC降噪的工作原理是麥克風收集外部的環境噪音,然後系統變換為一個反相的聲波加到喇叭端,最終人耳聽到的聲音是環境噪音+反相的環境噪音,兩種噪音疊加從而實現感官上的噪音降低。ANC 主動降噪可分為前饋式主動降噪(頭戴式耳機應用較多) 、回饋式主動降噪(容易引起嘯叫),以及混合式主動降噪。

Apple的 AirPods Pro就是一款支持ANC的耳機,據稱很好解決了兩個難點,一是透過 SiP封裝解決了空間佔用問題,另一個是做了一個通氣系統解決了耳內外壓力差的問題,保證了佩戴舒適度。目前Android系藍牙技術平台都開始支援ANC,關鍵是看整機廠家能不能克服工程難題真正提升降噪體驗。此外,高通 CSR 晶片還採用了軟體降噪技術,也叫CVC降噪,即利用藍牙耳機內部的晶片,把通話麥克風接收到的訊號進行濾波處理,以降低外界的風噪,主要在打電話的時候起作用。

感測器廠商艾邁斯(ams)推出了適用於半入耳式耳機的主動降噪數字增強聽覺方案AS3460,會根據周邊環境而自動調整以增強用戶聽音體驗。這種數字增強聽覺方案有幾個顯著特點:高達40dB降噪效果;內置預設值,不同場景自動平滑切換降噪係數;聽感自然的助聽器模式可供選擇,低延遲低底噪;針對性的訊號增強,通話時突出人聲、馬路上突出汽車“特徵音”等;無縫淡入淡出,聽感順滑;支持半入耳式耳機主動降噪。

4.續航

AirPods Pro採用了可充電紐扣鋰電池,雖然容量增加了,但因為主動降噪(ANC)功耗大,續航能力並沒有提高。紐扣電池相比圓柱形電池具有以下優點:能量密度高、體積小且品質輕、迴圈壽命長,以及方便正負極焊接和尺寸一致性良好等。華為、三星、索尼、1MORE、BOSE 等品牌 的2019 年款 TWS 耳機也都採用了紐扣電池方案。

增加續航還可以透過先進制程來實現,但是這意味著高昂的成本。Apple的H1晶片用的是16nm製程,而Android系大多是28nm製程。製程先進功耗小,但是研發和製造成本很高,要求很大的出貨量來分攤成本開銷。按照當前品牌Android機的出貨量,很難支撐先進製程的投入。功耗和性能的平衡是很複雜的事,用戶體驗的提升不只在轉發技術一方面。Android系的功耗困境今年將會有很大的進展,頭部大廠的16nm 方案已經在研發中,體驗提升和出貨效應預期將帶來突破,驅動Android系競爭力上一個新的台階。

5.智慧化

像TWS耳機這類智慧電聲產品,除了具有播放、採集聲音資訊的功能,還將具備語音控制、語義識別、主動降噪、運動健康監測、虛擬實境聲學,以及與其他智慧設備互聯等功能,能夠滿足消費者工作和生活中的多種複雜應用需求。

TWS耳機智慧化功能主要體現在如下幾個方面:

  • 與智慧語音助手的軟硬整合,如AppleAirPods開始支援Siri、高通晶片與亞馬遜Alexa整合等。
  • 搭載生物感測器,支持生物識別運動追蹤,如Bragi的Dash Pro可讓用戶透過頭部運動來直接控制耳機。AirPods單只耳機大概有 8 顆感測器,集合了語音加速感應器和光學感測器等。
  • 多種語言的即時翻譯。

TWS產業鏈

TWS耳機主要包括兩個無線耳機和一個充電盒,從零組件構成來看,無線耳機主要包括主控藍牙晶片、記憶體晶片、音訊解碼器、各種感測器、柔性電路板FPC和電池等;充電盒部分主要包括微控制器、電源管理IC、過流保護IC和鋰電池等。其中支持藍牙5.0版本的主控藍牙晶片成為耳機性能提升最關鍵的因素,目前主流TWS 藍牙真無線音訊方案主要來自Apple、華為、絡達、恒玄、炬芯和高通等廠商。

記憶體廠商主要包括兆易創新、華邦電、Adesto、旺宏和賽普拉斯等。電池廠商主要包括德國Varta、億緯鋰能、紫建電子、鵬輝能源、國光電子、LG、欣旺達和贛鋒鋰業等。ODM廠商主要包括歌爾股份、立訊精密、共達電聲、佳禾智能、瀛通通訊等。

值得一提的是TWS耳機所使用的SiP封裝製程。Apple從最新發佈的AirPods Pro開始導入SiP封裝,雖然投入巨大,但是對耳機產品幫助很大,節省的空間可以做更多的增量特性,培養對消費者的更多黏性。隨著電子零元件持續微小化至16/14 nm 製程節點,晶片開始出現 RC延遲、電遷移、靜電放電和電磁干擾等物理效應,而 SiP 採用物理分離的方法有效地避免了這些干擾,可以增加晶片之間的連接體直徑、縮短訊號行進的距離、降低功耗和驅動這些訊號所需的功率。SiP 的製程優勢能有效降低10~50%的成本,這一價格優勢或將大規模推動產品應用。但SiP製程綜合運用了多種先進封裝技術,封測廠商必須具備扎實的封測技術才能支撐SiP業務。

晶片廠商的新商機

主控藍牙晶片

解決TWS耳機傳輸及音質問題的關鍵在於藍牙技術與音訊編解碼技術發展,這些通常整合在TWS耳機的主控藍牙晶片SoC內,因而SoC晶片對TWS 耳機訊號傳輸及音質表現至關重要。AirPods搭載的是Apple自研的H1晶片,其他TWS 耳機SoC晶片在2018年之前主要由高通、恒玄(BES)及絡達(Airoha)三家供 應。2018 年之後隨著 TWS 耳機放量,新增玩家進入,比如瑞昱(Realtek)、珠海炬芯(Action)、原相(Pixart)和匯頂科技等。依據產業調研,TWS SoC晶片通常成本占比在10%~20%,而一些中低端藍牙晶片價格已降至1.6元。晶片供應商增加的同時晶片價格也在下降,這將帶動整個 TWS 耳機產業快速發展,但主控晶片的競爭也將加劇。

匯頂科技在今年的CES上展示了基於藍牙音訊BLEA協議的TWS耳機方案,該方案結合匯頂科技在音訊、觸控及入耳檢測技術,搭配創新的軟體演算法,可實現一系列差異化功能,包括:無線多路同時連接,使左右耳塞可被快速識別與適配且音訊同步,確保了雙耳傳輸的穩定連接和功耗平衡;超低下行鏈路延遲,實現低延時音訊廣播;支援LC3標準編解碼演算法,帶來更佳的音質享受;此外,該方案還採用了超低功耗、超小尺寸的全電容式入耳檢測和觸控二合一晶片,可在耳機上實現精準佩戴檢測、單按兩下和上下滑動等智慧互動操作。

記憶體晶片

TWS耳機配置大容量NOR Flash 是大勢所趨。NOR Flash 是一種非易失快閃記憶體技術,傳輸效率很高,其優點是可在晶片內執行代碼(XIP,eXecute In Place),這樣就不必再把代碼讀到系統 RAM 中。TWS 耳機為記憶體更多韌體和代碼程式,必須外擴一顆串列Nor Flash記憶體。剛開始 Flash多為8Mbit或者16Mbit,但是後來廠商加入了OTA 等功能,因此 32Mbit、 64Mbit 和 128Mbit 的 Nor Flash 被越來越多 TWS 廠商採用。

目前AppleAirPods採用 2 顆 128M Nor Flash,而其它TWS耳機記憶體容量在 4M-128M 之間。TWS耳機的降噪、音質及智慧化會帶動功能複雜度提升,演算法代碼記憶體需求也會增大, 預計 Nor Flash 的容量將繼續擴大,未來有望進一步升級至256M。目前TWS耳機的記憶體晶片主要由兆易創新供應,旺宏、華邦、Adesto和Cypress也在加大參與和競爭力度。

充電和電源管理晶片

電源管理晶片雖然在耳機成本中比例較低,但是在耳機配套的充電盒成本中比例近50%,主要包含充電晶片、同步整流升壓轉換器、低壓差穩壓器、負載開關、輸入過壓過流保護晶片等。不論是續航還是充電,電源管理晶片都需要在保證TWS快充的同時又能減少對耳機電池的損害。

目前電源管理晶片供應商包括TI、ST、NPX、英集芯和鈺泰等,其中鈺泰是率先進入TWS耳機充電盒領域的中國IC企業,首次提出了PowerSOC設計理念,透過單顆電源控制晶片實現了充電、放電、電量顯示、保護、低功耗待機等多種功能,其客戶包括JBL、Philips、Anker 等知名品牌。2019 年底,聖邦股份宣佈擬透過發行股份及支付現金的方式收購鈺泰半導體。本次交易完成後,聖邦股份將直接持有鈺泰半導體 100%股權,進而在TWS耳機的電源管理晶片市場佔據更大的主導地位。

此外,在TWS耳機所需的微處理器、類比IC和MEMS麥克風和感測器等元器件供應上,像韋爾股份、聖邦微、瑞聲科技和歌爾聲學等中國晶片廠商都將有更多機會。

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