Pięć podstawowych technologii słuchawek TWS
Już w latach 2014-2016 niektóre firmy audio wprowadziły na rynek pierwszą generację prawdziwie bezprzewodowych słuchawek, ale miały pewne problemy z połączeniem Bluetooth, mikrofonem, baterią itp. W 2016 roku Apple oficjalnie anulował gniazdo audio 3,5 mm w iPhone'ach z serii 7 i wprowadził na rynek nowy produkt, Apple AirPods, który można płynnie sparować z iPhone'ami, iPodami i MacBookami w ciągu kilku sekund, a bezproblemowe połączenie Bluetooth jest niesamowite. Niesamowity stopień.
Zaraz po wprowadzeniu na rynek Airpods to rozwiązanie z dwukanałową technologią transferu i etui ładującym szybko przewodziło rynkowi. Przez pewien czas True Wireless Stereo Headphones (TWS) stał się najpopularniejszym typem słuchawek na rynku. Producenci Androida i audio poszli w ich ślady, tacy jak Sony, Beats, Bose, Jabra, Sennheiser itp., Wszyscy wprowadzili na rynek swoje produkty, a marki TWS na rynku zmieniają się z każdym dniem. Po ponad pięciu latach rozwoju bezprzewodowe słuchawki TWS stały się najszybciej rozwijającym się produktem elektroniki użytkowej.
W jaki sposób TWS+ jest powiązany z TWS?
Mówiąc o TWS, często słyszymy termin TWS+, więc jakie są korelacje i różnice między nimi?
TWS
TWS wykorzystuje technologię transmisji głównej i pomocniczej Bluetooth 5.0. Podczas podłączania zestaw słuchawkowy musi być najpierw podłączony do ucha głównego (zwykle prawego ucha), a następnie podłączone jest główny bieg i ucho pomocnicze, więc czas wymagany do połączenia jest porównywany. długi. Dlatego TWS jest bardziej podatny na zakłócenia zewnętrzne, a jego zużycie energii jest wysokie.
TWS+
TWS+ (True Wireless Stereo Plus) to zastrzeżona technologia Qualcomm, która została wprowadzona w procesorze Qualcomm Snapdragon 845 w 2017 roku na telefonach z Androidem. TWS+ jest ewolucją TWS. Obie słuchawki można bezpośrednio podłączyć do źródła dźwięku. Jak sama nazwa wskazuje, lewe i prawe ucho mogą pracować niezależnie. Dzięki temu każda słuchawka może odbierać odpowiedni sygnał audio przy minimalnych stratach, szybko łącząc się i oszczędzając energię. Podczas gdy słuchawki kompatybilne z TWS + oferują wyższą jakość dźwięku, funkcja zależy również od kompatybilnego źródła dźwięku.
W lutym 2018 roku Qualcomm uruchomił technologię TWS +, aby osiągnąć normalną pracę między zestawami słuchawkowymi TWS przy użyciu układów Bluetooth Qualcomm QCC5100 / QCC30XX a telefonami komórkowymi opartymi na platformach mobilnych, takich jak Snapdragon 845 / 7XX / 855 / 865. Korzystając z tego rozwiązania, powstaną dwa niezależne łącza komunikacyjne, które są bezpośrednio przesyłane do lewego i prawego kanału w celu uzyskania niezależnych połączeń. Podczas odtwarzania muzyki, nawet jeśli jedna słuchawka zostanie usunięta, muzyka nie zostanie przerwana.
Obecny status quo polega na tym, że wszystkie prawdziwe bezprzewodowe słuchawki są kompatybilne z TWS, ale nie wszystkie z nich obsługują TWS +.
Dynamicznie rozwijający się rynek TWS
Chociaż technologia TWS jest coraz częściej stosowana w laptopach, tabletach i telewizorach, smartfony są nadal najpopularniejszym urządzeniem do parowania TWS, a główni producenci smartfonów, w tym Apple i Samsung, wyciągnęli wtyczkę ze swoich najnowszych wersji. Wyjmij gniazdo audio 3,5 mm.
Obecnie rynek słuchawek TWS rozwinął się z ciemnego konia w złotego konia, a rynek i wielkość sprzedaży stale rosną z roku na rok. W swoim badaniu Global Consumer Audio Survey 2020 Qualcomm wspomniał, że globalne przyjęcie zestawów słuchawkowych TWS prawie podwoiło się od 2019 r., Z 23% do 42%. To powiedziawszy, około 42% konsumentów używa słuchawek bezprzewodowych do oglądania telewizji, filmów i innych treści wideo. Oczekuje się, że liczba ta będzie nadal rosnąć wraz z dalszą poprawą żywotności baterii.
Zgodnie z prognozą badań Grand View, globalny rynek zestawów słuchawkowych TWS wyniesie około 25,32 mld USD w 2020 r. i oczekuje się, że wzrośnie o CAGR 36,1% w latach 2021-2028. Wraz ze stale rosnącym zapotrzebowaniem na treści przesyłane strumieniowo, w połączeniu z szybkim przyjęciem mediów społecznościowych i krótkich aplikacji wideo, oczekuje się, że wzrost rynku zestawów słuchawkowych TWS będzie nadal przyspieszał w ciągu najbliższych kilku lat.
Według Strategy Analytics, w 2020 roku całkowita globalna sprzedaż zestawów słuchawkowych Bluetooth przekroczyła 300 milionów, a sprzedaż zestawów słuchawkowych TWS przekroczyła połowę tej liczby do 170 milionów. W szczególności trend rozwojowy globalnego rynku słuchawek TWS jest podobny do trendu na rynku smartfonów 10 lat temu. Apple przewodzi branży i zajmuje głównie rynek high-end, podczas gdy Android stopniowo penetruje rynek low-end poprzez strategię niskiej ceny i trend wskaźnika penetracji Istnieją również podobieństwa z poprzednimi smartfonami. Dane badawcze z Strategy Analytics pokazują, że wraz z wprowadzeniem AirPods Pro sprzedaż AirPods firmy Apple gwałtownie wzrosła z 1 miliona w 2016 roku do 15 milionów w 2018 roku i oszałamiających 60 milionów w 2019 roku.
Analitycy Juniper Research szacują, że Apple sprzedał prawie 85 milionów AirPods w 2020 roku, co stanowi około 70% całkowitych przychodów z produktów TWS i 55% udziału w rynku sprzedawanych produktów.
Z perspektywy dystrybucji marki rynek zestawów słuchawkowych TWS został po raz pierwszy zdetonowany przez Apple. Po kilku latach rozwoju jego produkt AirPods ma bardzo duży udział w rynku średniej i wysokiej klasy. Według danych analitycznych Counterpoint, od drugiego kwartału 2020 r. trzy najlepsze firmy na rynku TWS to Apple (35%), Xiaomi (10%) i Samsung (6%). rynek.
01
Jedna z podstawowych technologii TWS: Bluetooth 5.0
Bluetooth to technologia transmisji bezprzewodowej, która teoretycznie umożliwia połączenia krótkiego zasięgu między urządzeniami w promieniu 100 metrów. W praktyce, przy korzystaniu z małych urządzeń, zwykle stosujemy efektywną odległość około 10 metrów. Największą cechą Bluetooth jest to, że umożliwia mobilnym urządzeniom komunikacyjnym i komputerom łączenie się w sieć oraz przesyłanie danych i wiadomości bez użycia. Można powiedzieć, że technologia Bluetooth jest głównym punktem zwrotnym w rozwoju słuchawek i jest jedną z najważniejszych technologii w TWS.
W porównaniu z poprzednią generacją Bluetooth 4.2, Bluetooth 5.0, który pojawił się w czerwcu 2016 r., Ma większą odległość transmisji i szybszą szybkość transmisji. Efektywna odległość transmisji jest 4 razy większa niż w wersji BLE 4.2, a szybkość transmisji jest 2 razy wyższa. Znaczące optymalizacje Bluetooth 5.0 w zakresie szybkości transferu i opóźnień umożliwiają wiele aplikacji dla urządzeń bezprzewodowych, które wymagają większej ilości informacji i szybszej reakcji. Jeśli chodzi o praktyczne zastosowanie, wysoka przepustowość transmisji Bluetooth 5.0 umożliwia również dwukierunkową rozmowę TWS, a wyższa przepływność sprawia, że odtwarzanie dźwięku jest bardziej naturalne.
Bluetooth 5.2 reprezentuje najnowsze osiągnięcia w technologii Bluetooth. W 2020 roku Bluetooth SIG wprowadził na rynek LE audio, nową generację standardów technologii audio Bluetooth. Jest oparty na standardzie Bluetooth 5.2 i przyjmuje nowy dekoder audio "LC3" o dobrej jakości dźwięku i niskim zużyciu energii, który może wydajniej kompresować dane audio i przesyłać więcej danych na niższej przepustowości bez poświęcania jakości dźwięku, co jest dobre zarówno dla jakości dźwięku, jak i efektywności energetycznej. Najbardziej oczekiwanym postępem w Bluetooth 5.2 jest wprowadzenie Sync Channel, technologii, która pozwala nam podłączyć wiele urządzeń Bluetooth do jednego źródła. Wyobraź sobie, jak wygodne byłoby połączenie ze wszystkimi urządzeniami jednocześnie i automatyczne przełączanie się między nimi bez konieczności ręcznej zmiany połączenia między nim a telefonem, komputerem lub telewizorem podczas korzystania z TWS w domu.
Szybki rozwój TWS doprowadził do modernizacji przemysłowej powiązanych producentów łańcucha dostaw. Postęp technologiczny w głównym układzie sterującym, chipie zarządzania energią, chipie bezprzewodowego odbiornika ładowania, akumulatorze skrzynki ładującej, baterii słuchawek dousznych, sterowaniu dotykowym i innych technologiach poprawił wydajność i funkcje słuchawek TWS i zapewnił lepsze wrażenia użytkownika.
02
Druga podstawowa technologia TWS: główny układ sterujący Bluetooth
W TWS znaczenie master chipa Bluetooth jest oczywiste. W odróżnieniu od stosunkowo nieporęcznych telefonów komórkowych i innych słuchawek, wymagania dotyczące przenośności TWS mają wyższe wymagania dotyczące rozmiaru i integracji głównego układu sterującego. Wraz z dodaniem nowych modułów, takich jak redukcja szumów i czujniki funkcjonalne, stawiane są wyższe wymagania dotyczące wykorzystania przestrzeni wnęki i wysokiej integracji chipa. Główny SoC Bluetooth z kompleksowymi funkcjami i wysoką integracją zapewnia silną gwarancję dla TWS do realizacji różnych funkcji.
Obecnie na głównym rynku układów sterujących TWS są dziesiątki producentów, rynek stopniowo dojrzewa, a konkurencja między producentami jest ostra. Rynek high-end jest reprezentowany przez Apple, Qualcomm, Hengxuan i Broadcom, a rynek średniej i niskiej klasy obejmuje Luoda, Realtek i Lanxun. Według niekompletnych statystyk, w październiku 2020 r. w Chinach było ponad 22 producentów chipów Bluetooth TWS.
Qualcomm QCC5124 system-on-chip (SoC) został zaprojektowany, aby zaspokoić potrzeby małych urządzeń w zakresie solidnego, wysokiej jakości, bezprzewodowego słuchania Bluetooth przy niskim zużyciu energii dla dłuższego odtwarzania dźwięku. Architektura QCC5124 została zaprojektowana z myślą o wysokiej wydajności przy niskim zużyciu energii. W porównaniu z poprzednią technologią, zużycie energii można zmniejszyć nawet o 65%, umożliwiając dłuższe odtwarzanie dźwięku w prawie wszystkich trybach pracy.
Rysunek 3: Schemat blokowy systemu QCC5124
(Źródło zdjęcia: Qualcomm)
03
Podstawowa technologia TWS trzy: aktywna redukcja szumów
W ostatnich latach funkcja redukcji szumów słuchawek TWS była coraz bardziej doceniana przez konsumentów, a technologia aktywnej redukcji szumów (ANC) stała się standardem wysokiej klasy produktów słuchawkowych. Dane z badań rynkowych Qualcomm pokazują, że 71% konsumentów jest zainteresowanych aktywną redukcją szumów jako funkcją.
Odkąd Apple wypuściło AirPods Pro, słuchawki TWS zaczęły przyspieszać przejście na TWS + ANC. Obecnie popularne na rynku zestawy słuchawkowe Bluetooth z aktywną redukcją szumów przyjmują rozwiązanie separacji układu Bluetooth i aktywnego układu redukcji szumów. W przypadku słuchawek TWS z ciasną przestrzenią wewnętrzną rozwiązanie jednoukładowe nie tylko zużywa mniej energii, ale także pozostawia więcej miejsca na urządzenia akustyczne i moduły akumulatorowe. Dlatego ta architektura stanie się również trendem rozwojowym słuchawek TWS. Oczywiście, oprócz aktywnego układu redukcji szumów, efekt redukcji szumów słuchawek TWS jest również związany z konstrukcją wnęki słuchawek, a fabryka chipów musi ściśle współpracować z producentami OEM / ODM.
DIALOG DA7401 to wysokowydajny monofoniczny kodek ANC przeznaczony do słuchawek TWS i inteligentnych urządzeń noszonych na uszach. Ma zakres dynamiki odtwarzania 115dB, zakres dynamiki nagrywania 103dB, hybrydowy ANC i elastyczną architekturę zegara.
DA7402 to wysokowydajny, ultra-energooszczędny kodek stereo high-fidelity, który wykorzystuje niestandardową cyfrową hybrydową technologię ANC dialog, aby zapewnić silniejsze tłumienie szumów otoczenia w szerszym zakresie częstotliwości, dzięki czemu dźwięk jest w każdym środowisku. dla najlepszego doświadczenia użytkownika. DA7402 integruje procesor dźwięku, który zapewnia doskonałą jakość dźwięku, w tym dynamiczny zakres odtwarzania 115dB i częstotliwość próbkowania 384kHz. Ponadto zapewnia przepustowość audio 40 kHz do obsługi dźwięku o wysokiej rozdzielczości.
DA7402 jest jednym z najmniejszych cyfrowych kodeków z aktywną redukcją szumów dostępnym obecnie na rynku, zużywającym połowę mocy dzisiejszych wiodących rozwiązań chipowych i podwajającym wydajność dźwięku, dzięki czemu idealnie nadaje się do słuchawek sportowych, inteligentnych urządzeń dousznych, słuchawek TWS i innych.
Rysunek 4: Kodek ANC z serii DA740X
(Źródło zdjęcia: Mouser)
04
Podstawowa technologia TWS czwarta: mikrofon MEMS
Wiele funkcji zestawów słuchawkowych TWS wymaga odpowiednich czujników w celu zapewnienia obsługi sprzętowej. Obecnie główne jednostki czujników zestawów słuchawkowych TWS obejmują głośniki do odtwarzania muzyki, mikrofony MEMS do aktywnej redukcji szumów i komunikacji, czujniki optyczne do wykrywania dousznego, czujniki głosu kostnego do redukcji szumów komunikacyjnych i 360 sześcioosiowe czujniki dźwięku przestrzennego itp.
W zestawie słuchawkowym TWS poprzedni mikrofon był używany głównie do funkcji połączeń głosowych. Dzięki zastosowaniu technologii redukcji szumów ANC w słuchawkach TWS, aby osiągnąć lepszy efekt redukcji szumów, szeroko stosowane są rozwiązania współpracy wielomikromowej, a wymagania dotyczące wydajności mikrofonów są również coraz wyższe. Chipy krzemowe MEMS mają zalety małych rozmiarów i silnej stabilności. Ponieważ dodanie funkcji redukcji szumów stawia wyższe wymagania dotyczące wydajności mikrofonu, mikrofony MEMS stały się pierwszym wyborem dla zestawów słuchawkowych TWS.
Wysokowydajny mikrofon MEMS TDK T5837/38 PDM charakteryzuje się wysokim akustycznym punktem przeciążenia (AOP) wynoszącym 133 dB SPL, wysokim stosunkiem sygnału do szumu wynoszącym 68 dBA oraz szerokim zakresem dynamiki, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań od bardzo cichych do bardzo hałaśliwych, takich jak inteligentne głośniki polowe do odbiorów głosu do aplikacji ANC TWS. Mikrofon T5848 SmartSound I2S MEMS może zapewnić wysoki akustyczny punkt przeciążenia wynoszący 133 dB SPL, wysoki stosunek sygnału do szumu wynoszący 68 dBA oraz szeroki zakres dynamiki, odpowiedni do zastosowań wymagających wysokiej wydajności akustycznej w dynamicznym i hałaśliwym otoczeniu.
Rysunek 5: Wysokowydajne mikrofony MEMS TDK serii T5837
(Źródło zdjęcia: TDK)
05
Podstawowa technologia TWS piąta: układ zarządzania energią
Układ zarządzania energią służy głównie do ładowania i rozładowywania słuchawek TWS, a także do przeładowania akumulatora w czasie rzeczywistym, nadmiernego rozładowania, przetężenia i przegrzania oraz ochrony przed zwarciem podczas procesu ładowania i rozładowywania. Chociaż moc ładowania i rozładowywania układu zarządzania energią jest stosunkowo niewielka w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami, w przypadku słuchawek TWS o wysokich wymaganiach dotyczących przenośności jest to konieczne dla bezpieczeństwa, niskiego zużycia energii, wysokiego napięcia wytrzymującego, wysokiej integracji i wysokiej wydajności. Wymagania są stosunkowo wysokie.
MAX77650/MAX77651 to wysoce zintegrowane układy zarządzania energią o bardzo niskim poborze mocy (PMIC), idealne do zastosowań ubieralnych o niskim poborze mocy i ograniczonych rozmiarami, takich jak TWS, gdzie rozmiar i wydajność mają kluczowe znaczenie. Oba układy zawierają regulator SIMO buck-boost, który zapewnia trzy niezależnie programowalne szyny zasilające.
Dodatkowo LDO 150mA zapewnia odrzucanie tętnień zarówno w przypadku dźwięku, jak i aplikacji wrażliwych na szumy. Wysoce konfigurowalna ładowarka liniowa obsługuje różne pojemności akumulatorów litowo-jonowych i obejmuje monitorowanie temperatury akumulatora w celu zwiększenia bezpieczeństwa (JEITA). Multipleksery analogowe w MAX77650/MAX77651 mogą przełączać wiele wewnętrznych napięć i sygnałów prądowych na zewnętrzne węzły w celu monitorowania za pomocą zewnętrznego przetwornika ADC. Dwukierunkowy interfejs I2C jest dostępny do konfiguracji i sprawdzania stanu pracy urządzenia.
Rysunek 6: Schemat blokowy systemu MAX77650
(Źródło zdjęcia: Maxim)
Epilog
Słuchawki TWS są integralną częścią branży inteligentnych urządzeń audio i rodzącego się rynku. Yole Développement przewiduje, że roczne dostawy zestawów słuchawkowych TWS, aparatów słuchowych, smartwatchy i inteligentnych głośników przekroczą 1,3 miliarda sztuk do 2026 roku, a wysokiej jakości dźwięk stanie się koniecznością dla wielu zastosowań, takich jak gry, doświadczenia AR / VR i efekty dźwiękowe 3D. funkcja tworzenia kopii zapasowych. Smartfony i słuchawki mają bardzo wysoki stopień ekologicznego dopasowania. Obecnie globalna wysyłka telefonów komórkowych z Androidem jest około 6 razy większa niż telefonów komórkowych Apple. Oczekuje się, że w przyszłości udział Androida w branży słuchawek TWS znacznie wzrośnie.
