原标题：如何使用专用的高音单元和低音单元快速实现高质量的TWS耳塞设计

　　在音频流的早期，无线数据速率是有限的，用户接受了失去保真度作为他们口袋里成千上万的数字音乐的便利的代价。但随着支持更高无线吞吐量和增强压缩算法的无线技术的推出，消费者变得更加挑剔。这意味着设计人员现在需要提供真正的无线立体声 (TWS) 音频耳塞来满足消费者的期望。TWS 耳塞承诺在整个音频频谱中更准确地再现声音，尤其是在旧设计中通常会丢失的较高频率下。

　　但音质只是现代无线音频再现的一个方面。在竞争激烈的市场中，头戴式耳机开发商必须密切关注消费者的需求，并利用这种洞察力尽可能高效且经济高效地提供最终产品差异化。例如，消费者还想要有效的主动降噪 (ANC) 和缓解遮挡效应，以便他们能够更好地享受聆听体验。对于年长的听众，对高频自然听力损失的自动补偿(听力个性化)的需求也越来越大。

　　满足这些需求需要一种改进的方法，将低音扬声器和高音扬声器分开的设计。这超出了许多开发团队的技能范围，导致上市时间延长，并在他们雇用或开发专业知识时可能失去机会。

　　本文总结了推动商业无线音频的发展及其对耳塞硬件和软件设计的影响。然后，本文介绍了 TWS 耳塞的参考设计，并展示了设计人员如何使用它来快速将耳机解决方案推向市场，从而实现差异化功能，同时精确再现现代音频压缩软件现在捕获的强劲低音和扩展高音。

　　数字声音的进步

　　在现实世界中，声音是一种模拟信号，但我们的录音和播放设备主要处理数字信号。使用由编码/解码(“编解码器”)算法驱动的模数转换器(ADC)将声音数字化，该算法控制以赫兹(Hz)为单位的采样率和位深度(位)。采样以特定间隔捕获声音的模拟波形幅度。

　　采样率是一种权衡。较低的速率会导致要处理的数据较少，但分辨率会降低。位深度是每个样本中信息的位数;同样，需要在位数和音频质量之间进行折衷。常见的位深度为 16、24 和 32 位(图 1)。

　　图 1：模拟声音通过以给定频率和比特率采样进行数字化。增加采样率和位深度可确保数字化信息更接近模拟信号并提高再现质量。(图片来源：诺尔斯)

　　采样率 × 位深度 × 通道数决定了比特率，单位为每秒比特 (bps)。对于可接受的音乐质量，比特率通常大于 192 千比特每秒 (kbps)。例如，CD 质量依赖于 44.1 千赫 (kHz) 的采样率和 16 位的位深度。因此，对于立体声再现，比特率为 1.411 兆比特每秒 (Mbps)。

　　传统的编解码器通常使用压缩技术，在编码期间丢弃已确定不会过度影响收听者如何感知解码音频流的信息。目的是在不过度影响音频质量的情况下尽可能降低比特率。这种编解码器被称为“有损”，因为解码器永远无法再现原始信号，因为它没有所有原始信息。有损编解码器通常会消除较高(高音)频率。

　　由于低功率、短距离无线电的进步，无线链路可以在不影响电池寿命的情况下支持更大的吞吐量。例如，最近发布的基于蓝牙 LE 的无线流媒体形式的蓝牙 LE 音频现在提供比经典蓝牙音频更高的音频质量和更低的功耗。

　　工程师还提高了编解码器的效率。这些更新的“无损”编解码器与更高吞吐量的无线连接相结合，实现了更高的无线音频(表 1)。Apple、Amazon 和 Spotify 等公司的音频服务现在提供高质量的音频无损流媒体。但是，设计人员应注意，无损编解码器的编码比特率通常高于无线链路能够可靠支持的比特率。例如，索尼的 LDAC 编解码器以 6.1 Mbps (32 x 96 x 2) 的比特率进行编码，但无线链路的比特率被限制为 990 kbps。

　　表 1：“无损”编解码器(Sony、Savitech 和 Qualcomm)与 CD 质量和有损编解码器(Qualcomm 和蓝牙 SIG (SBC))的比较。请注意，无损编解码器的最大比特率受蓝牙无线链路的能力限制。(图片来源：诺尔斯)

　　ANC 和个性化声音

　　消费者对 TWS 耳塞的期望超出了卓越的音质。高端产品还必须提供 ANC 和其他功能。ANC 很受欢迎，因为它可以在存在高水平背景噪音(例如在飞机机舱内)时为用户提供优质的聆听体验。ANC 使用内置在耳塞中的麦克风进行操作，这些麦克风可以拾取低频噪音并在用户意识到其存在之前将其消除。当耳机产生相对于原始噪音反转 180° 的辅助声音时，就会发生消除。

　　无线耳塞现在提供的另一个关键增强功能是个性化声音。天生就有听力障碍或随着年龄增长而有听力障碍的用户可能很难听到更高的频率(图 2)。有智能手机应用程序和其他工具允许用户提高特定频率以补偿听力损失，但它们往往是初级的并且提供的结果很差。但是现在，高质量的产品通过让用户接受详细的听力测试来设置整个频率范围内的听力水平的算法，使这一点更进一步。结果是耳塞具有完美调整的输出以补偿听力缺陷。

　　图 2：随着用户年龄的增长，他们逐渐失去了听到更高频率的能力。个性化的声音会提升选定的频率，以补偿听力灵敏度的损失。(图片来源：诺尔斯)

　　现代耳塞的最后一项技术发展是减少阻塞。当耳塞密封耳道的外部时，会出现阻塞效应。这是设计为相对紧密地贴合耳朵的产品的常见问题。耳塞有效地增加了耳道的声学“阻抗”，进而提高了声压的幅度，特别是当耳朵受到用户产生的低频声音(例如说话、走路和吞咽)时。结果是在耳朵里发出类似回声的“轰隆声”，既烦人又让人分心。

　　耳塞制造商一直致力于通过机械设计来减少阻塞效应，例如在耳塞和耳道之间添加一个小开口以降低声阻抗，以及通过软件设计，例如在 ANC 例程中包括减少阻塞。

　　单独的低音扬声器和高音扬声器的优势

　　直到最近，与设计连接到高端发烧友音响系统的全尺寸扬声器相比，设计无线耳机的挑战还小。为了方便，用户接受了耳机质量较低的价格，这使设计师更容易以合理的成本开发出小尺寸的产品。例如，通常使用全频驱动器代替单独的低音扬声器和高音扬声器，从而节省空间。可能会牺牲更高频率的再现，但是当无线音频流中没有这些频率时，这几乎不是问题。

　　然而，随着无损编解码器和蓝牙 LE 音频等高吞吐量技术的出现，无线音频现在可以提供全方位的低音和高音频率(图 3)。再现这种音频对耳塞的要求更高。此外，消费者期望 ANC、个性化的声音、减少的遮挡效应以及适用于广泛的用例，包括音乐、电视、视频会议和语音通话——所有这些都具有高度紧凑的外形，并且价格合理。

　　图 3：无损编解码器提供更多高频信息，从而在适当设计的耳塞中播放音乐期间能够更好地再现高音。(图片来源：诺尔斯)

　　其中许多要求需要在设计上进行权衡。例如，为了在飞机机舱等嘈杂环境中提供有效的 ANC，扬声器驱动器需要产生低失真的高低音输出。解决闭塞问题的半开放式设计对低音输出提出了更高的要求。同时，无损音频播放需要扬声器驱动器处理高达 20 千赫 (kHz) 及以上的高音输出。用一个小巧的动态扬声器驱动器同时满足这两个要求几乎是不可能的。

　　解决方案是通过动态低音扬声器和单独的平衡电枢 (BA) 高音扬声器分离低音和高音频率。BA 高音扬声器是最初为助听器应用而开发的专用组件，现在越来越多地用于提高高品质耳塞的高音响应。在 BA 高音扬声器中，电子信号会振动一个微小的簧片，该簧片在紧凑型外壳内的两个磁铁之间保持平衡。簧片的运动被传递到一个非常坚硬的铝膜片上，从而产生声音。

　　借助专用的低音扬声器和 BA 高音扬声器配置，低音扬声器可以设计为专注于提供强劲的低音，以支持无损再现、ANC 和减少遮挡效应，而 BA 高音扬声器输出经过优化，可实现清晰独特的高音。这减少了对均衡的需求，从而节省了功率并增加了动态余量(图 4)。

　　图 4：将扬声器系统分成动态低音扬声器(绿色)和 BA 高音扬声器(蓝色)，可产生平坦频率的“混合”响应(红色)。(图片来源：诺尔斯)

　　另一个优势来自分离扬声器驱动器：设计者在驱动器布置上有更大的自由度。例如，低音扬声器可以不直接与耳塞对齐，从而允许将 BA 高音扬声器放置在耳朵开口附近，以最大限度地减少高音扬声器和耳塞之间滞留的空气量，从而限制闭塞效应(图 5)。

　　图 5：将耳塞中的低音扬声器和高音扬声器分开，可以将高音扬声器定位在设备的前部，这有助于限制遮挡效应。(图片来源：诺尔斯)

　　此外，低音扬声器和高音扬声器的分离使设计人员能够细化频率响应。例如，他们可以塑造高音扬声器开口附近的声学特征，以优化高频响应。然后设计人员可以调整分频器以平滑混合低音扬声器和高音扬声器信号。设计人员还可以通过选择更高或更低的线圈阻抗来调整高音扬声器的灵敏度，以更好地匹配低音扬声器。可以使用支持数字信号处理 (DSP) 的调谐来完成耳塞整体频率响应的最终整形。

　　此外，由于许多蓝牙 IC 具有双输出，低音扬声器和高音扬声器可以由单独的放大器驱动，从而在塑造频率响应方面更加灵活。

　　高品质无线音频参考设计

　　习惯于在其无线设计中使用单扬声器驱动器的工程师将面临重现高质量音频所需的独立低音扬声器和高音扬声器带来的额外复杂性的挑战。然而，趋势显然是朝着更高质量的音频功能发展，因此必须考虑采用双驱动器设计来高质量再现无损音频流。

　　为了帮助设计人员朝这个方向发展，BA 高音扬声器制造商 Knowles 推出了TC-35030-000真无线立体声耳塞参考设计。该参考设计包含用户需要的许多关键高级功能，从而缩短了 TWS 耳塞的上市时间，从而消除了许多常见的设计挑战。

　　参考设计包括 Knowles 自己设计的 BA 高音扬声器，可提供良好的高频声音，以及 10 毫米 (mm) 动态低音扬声器，可提供坚实的低音。该单元还包括用于 ANC 和语音呼叫的微机电系统 (MEMS) 麦克风。该参考设计提供 13 小时 (hrs.) 或 8 小时的播放时间。其内置电池的通话时间，并且兼容蓝牙 5.2。该套件内置的其他功能包括触摸控制和集成语音助手技术(图 6)。

　　图 6：TC-35030-000 TWS 耳塞参考设计具有一个 BA 高音扬声器，可提供良好的高频声音，以及一个 10 毫米动态低音扬声器，可提供坚实的低音。(图片来源：诺尔斯)

　　BA 高音扬声器可提供远高于 20 kHz 的响应。将 Knowles 产品的高音输出与典型的 8 毫米动圈扬声器进行比较时，BA 高音扬声器提供了高质量音频所需的更高的高音输出和扩展，包括支持听觉个性化或增强的能力(图 7)。

　　图 7：显示的是 Knowles BA 高音扬声器与动态扬声器的高频响应比较。(图源：Knowles)

　　结论

　　无线半导体和编解码器的进步改变了耳塞的格局。消费者现在期望其入耳式 TWS 设备具有深沉的低音、精致的高音和宽广的动态范围。此外，用户期望 ANC 和个性化声音等高级功能，而对遮挡等效果的接受程度较低。

　　为了更好地满足 TWS 耳机的频率响应要求，设计人员需要转向使用专用高音扬声器和低音扬声器的双驱动器设计。虽然这样做在技术上具有挑战性，但 Knowles 的 TC-35030-000 TWS 耳塞参考设计可以提供帮助。它结合了一个 BA 高音扬声器、一个低音扬声器和 MEMS 麦克风，为设计高质量音频耳塞提供了良好的基础，其功能可实现产品的明显差异化。