設計一款真無線耳機有哪些挑戰?

作者:電工吧 日期:2021-09-07 07:24:51 人氣: 欄目:電路圖

無線藍牙耳機音訊市場發展迅速,大眾開始習慣使用無線音訊設備,移動電話也正在將世界往無線互連方向推動。過往,大多數用戶潛意識會認為藍牙耳機既笨重且僅有一些簡單的附加功能,然而現代音頻系統的趨勢是在物理機構微型化的同時將功能最大化,并提升用戶體驗,于是真無線(TWS)耳機誕生了。

TWS耳機乍看相當普通,但在細節上的處理卻相當精妙。圖1為深層次TWS系統架構描述,內部電子模塊小型智能化,并且具有友好的用戶接口。

圖1 系統概覽。

思考TWS耳機日常應用的時候,會發現有很多方法可以用來增強用戶接口整合度和用戶體驗滿意度。比如,TWS系統設計者面臨的一個主要問題是音樂播放時間,TWS耳機有限的電池空間導致60~150mA/h的電池只可以播放2~4小時,一旦電池耗盡,耳塞就需要在下次使用前重新充電。

另外,目前大多數高階TWS耳機都會配備充電盒,而非單獨對每個耳塞使用有線充電。小耳塞在實際使用中非常容易丟失,那么充電盒不僅可以充當可攜式耳塞盒的角色,內部較大容量的電池還可以方便用戶不用依賴充電插座就可以隨時隨地為耳塞充電。這種組合搭配可以保證電池隨時處于滿載狀態,就不會出現健身的時候發現耳塞沒電這種令人沮喪的狀況。還有,用戶希望藍牙配對在耳塞佩戴好之前就已經自動完成,而不用再需要浪費功夫去操作一些按鍵。

為了協助TWS耳機具有智能且友好的功能接口,充電盒底座和耳塞之間實現數據交換是一項關鍵需求。

圖2中,微控制器(MCU)一直處于工作狀態并有靜態消耗,因此需要不間斷供電。那么如果充電盒知道耳塞的電量,就可以實現為耳塞自動充電;反之亦然,如果耳塞知道充電盒沒電了,它會自動透過藍牙告知使用者需要對充電盒充電。

圖2 具體功能架構圖。

在自啟動和配對功能方面,智能連接也非常有用。如果充電盒可以通知耳塞盒蓋已經打開,耳塞就會從睡眠模式自動醒來并準備進行藍牙配對,這樣可以不需要再透過耳塞上的按鈕去啟動。

除了以上這些體驗,目前市場上一些功能強大且與眾不同的產品所展現的一些功能也可以實現,比如充電盒和耳塞之間的連接可以實現優化工業設計、軟件版本更新、耳塞個性化設計(耳塞命名、聲學EQ處理)、音樂檔案的傳輸…等。

為了讓相關的技術實現方法表達得更清晰直接,可以透過圖2再做一個更深入細致的介紹。

充電盒端最重要的當然是鋰電池和充電模塊,USB插口標準的5V電壓可以用來對充電盒進行充電。電源管理模塊(如LDO和DC/DC)可以為MCU,以及充電盒內其他設備提供所需的電壓,另外還需要特別為耳塞充電提供專用的5V電壓。MCU始終處于工作狀態并充當充電盒大腦的角色,它負責和其他傳感器(盒蓋檢測、耳塞檢測)連接并獲得充電盒電池的最新狀態。

如果有一些觸發事件(例如打開盒蓋、放回耳塞或者任何需求),MCU會對耳塞發出命令和數據或者與耳塞之間進行信息交換。

耳塞端因為有藍牙SoC的參與,所以功能拓撲基本相似。藍牙MCU會直接和充電盒內的MCU進行通訊和信息交換。

此外,還可以在耳塞內植入其他傳感器,比如用于檢測耳塞插入的接近傳感器、加速度傳感器、健身器材用的心率傳感器、溫度傳感器,以及觸控傳感器。
從圖2還可以到看出這些智能化需要很多接觸點來實現。TWS產品為了具有較高客戶接受度就勢必要比有線方案更小的尺寸,那么這些接觸點就會為產品設計帶來很多困難,設計者不得不在耳機表面空間設計和功能實現之間做出取舍。當然低功耗藍牙(BLE)技術可以在某種程度上規避掉這些接觸點的使用,但隨之帶來的硬件成本的提高和軟件工作量的增加是設計者很難接受的。

一種更簡潔的解決方式是將標準耳塞的充電接口(5V電壓和接地)進行功能拓展到既可以充電又可以同時數據通訊,這樣既能保證產品機構空間達到預期,又能實現產品智能化并具有友善的用戶接口。

得益于耳塞具有和智能設備傳輸信息的能力,為了增強用戶體驗滿意度,可以設計專門的App實現一些拓展功能,例如:

˙耳塞電池狀態
˙充電盒電池狀態
˙配對狀態
˙耳塞命名及是否配對成功
˙溫度
˙檢查充電盒軟件版本更新
˙充電盒電池耗盡通知(尤其是電池是否已經老化)

面對相關市場的激烈競爭和巨大的市場需求,TWS方案似乎剛剛面世便很快就發展到巔峰。除了微型化及設計的改善之外,相關模塊功耗的降低使得在標準藍牙耳機上植入更多功能(如主動降噪、無線充電、心率追蹤或者語音喚醒)也變得可行。

另一方面,信息互連已經前所未有地融入生活,TWS耳機或許也有機會在未來占有一席之地。耳機可以做到全天候佩戴,那么如果將來可以接入因特網,勢必會衍生很多新的應用及終端產品,例如語音增強類技術、免持式導航、實時外語智能翻譯…等,而這僅僅是目前可以想象的一小部分應用場景。可以預見,一旦相關技術堡壘被攻克,TWS耳機就會悄無聲息地融入到每個人的生活中。

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