蓝牙耳机的发展及研发测试

邱璐 邱宜忠 王平英

关键词：蓝牙耳机；电子音响；TWS耳机；音频产业

0引言

电子音响是使用电子技术实现音频信号放大和处理的音响系统。从早期的收音机、录音机开始，随着科技的发展，产品种类不断增多，如蓝牙耳机、智能音箱、专业音响等。根据中国电子音响行业协会统计数据，中国电子音响行业产值从2017年的3104亿元增长到2021年的3819亿元，年均复合增长率为5.3%。2021年耳机市场占比35%，音箱市场占比18%。预计2023年中国电子音响行业产值将达4451亿元。目前，电子音响行业仍在扩大，如与医疗器械行业结合的助听设备、与汽车行业结合的车载多媒体、与智能家居行业结合的语音控制等，已然形成了大音频产业。

数据显示，中国耳机产值从2017年的364亿元增至2021年的974亿元，年均复合增长率为27.9%。预计2023年中国蓝牙耳机市场（不包括白牌）出货量将达到9486万台，同比增长2.7%；其中，真无线立体声（true wireless stereo，TWS）耳机市场出货量为7047万台，同比增长3.3%。作为中国电子音响最大的研发生产基地之一，深圳2023年上半年音频行业产值约430亿元，同比增长6%。

不仅是中国市场，在世界范围内蓝牙耳机也占据重要的市场份额。互联网数据中心（Intemet DataCenter，IDC）数据显示，2021年全球TWS耳机销量达3.1亿台，同比增速达33%。其中，国内市场销量约8092万台，同比增长28%。消费者使用耳机的场景越来越多。在具体用途中，从传统的听音乐、语音通话和观看视频，到办公场所、游戏和听觉增强等。可见，除娱乐需求外，耳机也逐渐被应用在工作、锻炼、通勤等活动中。

1蓝牙耳机发展

自苹果公司在2016年9月秋季新品发布会上发布AirPods以来，TWS耳机由于没有物理线材连接，通过蓝牙组成左右两个耳机的立体声，无论是接打电话，还是听音乐等都给用户带来了很好的体验，迅速获得了消费者的认可。蓝牙作为一种小范围无线连接技术，具有低功耗、低成本、方便快捷的特点，被广泛应用于无线耳机、智能手表、虚拟现实（virtual reality，VR）眼镜、混合现实（mixedreality，MR）头显等场景，是实现无线通信的主流技术之一。从蓝牙5.0到蓝牙5.4，在传输速率、稳定性、安全性等方面都有明显提升，功能更强，应用更广泛。华为公司正式推出的星闪技术和新发布的L2HC 3.0蓝牙协议，最大传输速率是苹果蓝牙协议的4倍左右，时延降低至原来的1/30，功耗也仅为原来的40%。目前，L2HC主要支持的手机型号是华为和荣耀系列。

蓝牙耳机市场的发展呈现两种路径，一种是与智能手机绑定的，另一种是其他应用场景。从耳机的功能用途来说，降噪耳机和运动耳机呈现出逐渐上升的趋势，如应用主动降噪（active noisecancellation．ANC）技术的降噪耳机，以及应用环境降噪（environmental noise cancellation，ENC）技术推出的“灭噪耳机”。骨传导运动耳机的基本特点是舒适牢固、防水防汗，但“开放聆听”才是运动耳机的卖点。为了适应混合型工作环境或共享工作空间，“听到”和“被听到”则是影响办公耳机选择的关键因素，有的办公耳机甚至能录音并转换成文字等。蓝牙耳机发展趋势如下：耳机的降噪功能已是刚需，基于近场通信（near fieldcommunication，NFC）技术的蓝牙自动配对也将普及。由于消费者对音质的要求越来越高，左右声道独立传输、更具空间感，真无线立体声、空间音频将成为趋势。随着智能穿戴设备的发展，健康监测功能的应用也将是趋势之一。

2蓝牙耳机研发

蓝牙耳机作为一个产品，物理上分为左右耳机部分和充电盒部分。一般TWS耳机的研发生产流程如下：硬件软件设计、工业设计（industrial design，ID）、结构设计、开模、小批量试生产、量产。定位中高端市场的厂家往往是在选型耳机系统芯片（system on chip，SoC）后，创造性正向设计硬件软件，并进行整机测试。项目研发大概需要6～12个月。有些低端市场的厂家采用现有的公板、公模和既有软件，可能1～2个月就能实现量产。轻巧便携的特点使耳机和充电盒的空间狭小，故两个部分的电池容量也有所限制。耳机电池的容量基本小于100mA．h，充电盒电池的容量則在1000mA·h以内。由于耳机、充电盒结构设计的需要，需采用普通印刷电路板（printed circuit board，PCB）和柔性电路板（flexible printed circuit，FPC）。

2.1耳机硬件设计

耳机部分包括SoC[微控制单元（microcontrollerunit，MCU）和蓝牙音频]、射频（radio frequency，RF）电路、麦克风、喇叭、电池、FLASH存储器（可选）等。选型集成MCU的耳机SoC，耳机原理如图1所示。

U1 AC6936D（QFN32）支持蓝牙5.0，具有低功耗、自动配对、恒流充电、立体声双耳通话、智能双发主从无缝切换等特点。耳机采用贴片陶瓷天线来传输蓝牙信号。时钟电路是由内部时钟振荡单元和外部晶振组成，Y1是24 MHz晶振，内部负载电容12pF，频率精度在+1.0x10-5 Hz以内。蓝牙射频的频率和晶振的频率有关，要求晶振的频率精度小于+2.0x10-5 Hz。RF电路设计的目的是获得最大功率传输蓝牙射频信号，因此需要射频电路和天线进行50的阻抗匹配。为了抑制其他无线电信号的干扰，需设计滤波器，使其通过2.4GHz蓝牙射频信号。L3、L4是天线匹配电路预留参数，最终参数以实际样机调试结果为准。C12是实现滤波作用。ANT1是陶瓷天线。耳机内部集成了锂电池充电电路，软件设计预充电、恒流充电和恒压充电的电流值，支持200 mA快充。该电路和外部电感L1构成一个DC-DC（直流一直流），C7、C8是滤波电容。麦克风作为音频输入，将声音信号转换为电信号，按制作工艺分为有硅麦克风（microelectro mechanical system，MEMS）、驻极体麦克风（electret capacitance microphone，

ECM）.M1是模拟硅麦，M2是驻极体麦，CI1是耦合电容通音频信号，C14、C10是滤波电容。喇叭作为音频输出，将电信号转换为声音信号。SoC的PIN28/29/30 DACR/DACL/VCOMO分别连接右声道、左声道的喇叭J1、J2。PCB注意模拟地、数字地分别铺地，在电池负极单点处连接。

2.2充电盒硬件设计

充电盒部分包括SoC（MCU和电池管理）、霍尔传感器、电池、无线充电线圈（可选）等。选型集成MCU的充电盒SoC，充电盒原理如图2所示。

U2 IP5516内部集成和外部电感L1构成一个输出5V、负载能力300 mA的升压DC-DC转换器，PIN15 VOUT给耳机电池充电。通过控制内部升压电路的开关管，从VOUT引脚输出一定脉宽的高低电平，可实现充电盒和耳机的通信，传输充电盒盖子、睡眠和电池信息。其内部还集成一个线性锂电池充电器，PIN12 BAT给充电盒电池充电。当电池电压小于3V时，采用25 mA预充充电；当电池电压大于3V，进入恒流充电；当电池电压接近4.20V/4.30V/4.35V/4.40V，进入恒压充电。IP5516支持最大5V/500 mA充电电流，同时检测输入电压和集成芯片温度，从而自动调节充电电流。芯片内置电源路径管理，当电池电压大于3.3V时，支持边充边放；当电池电压小于3.1V时，不支持边充边放。开关盖检测电路是UI单N极霍尔开关CC6211E，由电池供电，PIN3 VOUT连接IP5516的EN引脚，当关盖时，磁铁N极在霍尔的正上方，磁通量增加并超过工作点Bop，霍尔开关输出低电平；当开盖时，磁通量减小且低于释放点Brp，霍尔开关输出高电平。PIN6 103实现电池负温度系数（negative temperature coefficient，NTC）热敏电阻功能，当设计R5=82k，温度为250C时，热敏电阻THR1=100k，B=3950时，可控制电池温度为：充电时为0～50℃，放电时为-15～55℃。PIN5102R4需根据不同恒流充电电流，设计相应的电阻值：500mA设为150k，300mA设为82k。PINl/PIN16 PHl/PH2实现耳机自动检测和睡眠控制，R2/R3的电阻值需根据不同蓝牙耳机SoC调节，若AC6936D芯片调试待机唤醒功能即设置为56k。

2.3基于SoC的软件设计

蓝牙耳机软件由底层固件、协议层软件和应用层软件3个部分组成，逐层封装代码。底层固件是嵌入存储中的代码，被固化在芯片上，可以初始化引导加载、驱动接口设备，但其不能也无法修改，从而保证系统基本功能正常运行。协议层软件与底层固件之间设计接口进行通信，通常是比较常用、完整的功能程序模块，称为协议栈，协议层软件一般不会进行修改，软件开发时直接调用以减少开发周期。软件设计多为应用层软件，软件开发工具包（software development kit，SDK）为用户提供一种基于事件处理机制的APP开发框架，各个功能组件会通知用户，用户只需基于该框架添加需要处理的事件及事件处理函数，即可按照应用需求完成相应的开发，通过APP状态机切换创建、运行、挂起、删除。

厂商会提供相应的SDK下载编译，包括开发环境、工具软件和开源项目文档。设计之前需要了解具体产品基于耳机SoC的可能软件功能需求：接打电话时开启麦克风，实现麦克风音频数据的处理和传输；接打电话或听音乐时能处理音频数据输出给喇叭；响应中断事件，并通过I2C总线通信；检测电池电压，实现不同充电阶段的恒定电流控制，并在电池电压低于欠压保护点时关机；实现耳机和充电盒通信；实现左右耳机TWS配对，并与手机配对连接等。

主函数是整个软件的核心。首先进行初始化，对时间、按键、电池信息等执行初始化函数。定义中断检测有无事件发生，如佩戴、播放、音量增减等。判断有无充电事件，检测电池电量，如有充电事件，则对耳机进行充电；如已充满电，则进入睡眠状态。检测判断电池温度是否正常。检测有无来自充电盒的通信请求，与充电盒进行通信，响应充电盒的开关盖等事件。耳机可以响应手机的电话请求，方便进行接听、拒接等操作，并应用ANC/ENC软件算法实现通话降噪。耳机连接手机播放音乐时，运行协议软件，力求更好音质。

3蓝牙耳机测试

蓝牙耳机应遵守《头戴耳机通用规范》（GB/T14471-2013）和《声系统设备第7部分：头戴耳机和耳机测量方法》（GB/T12060.7-2013）等标准，并通过中国国家无线电管理委员会（StateRadio Regulation Committee，SRRC）等的认证。

常见测试项目包括：音频测试，RF测试（RF阻抗测试、RF性能测试、距离测试），需要实现的功台旨测试，ANC/ENC降噪，功耗测试，充电／续航时间测试，用户体验测试（耳朵舒适性触摸感）。测试软件是否符合需求（设计测试用例、报告存在的错误和缺陷），程序烧录测试。具体测试内容如下。

（1）关键信号测试：耳机时钟信号测试、耳机UART信號测试、耳机I2C信号测试。

（2）电源纹波测试：耳机VBAT电源纹波测试，蓝牙芯片内部产生的1.8V电源纹波测试，蓝牙芯片内部产生的1.1V电源纹波测试，麦克风的MIC_ BIAS电源纹波测试。

（3）蓝牙测试：蓝牙版本是否符合要求，是否支持规定的配对流程和加密方式，连接过程中的传输速率和稳定性，设备地址是否唯一。蓝牙兼容性，安卓手机不同型号，苹果手机不同型号。蓝牙接打电话、三方通话、听音乐和界面显示是否工作正常。

（4）环境测试：跌落测试，高度为1.0m，6个面各跌落2次，水泥地面，要求不能有元器件损坏、脱落和功能异常。高低温测试（无包装），盐雾测试，人工汗液和化学品（护手霜、防晒霜、花露水等）测试，检查外观和功能应无异常。

（5）电磁兼容（electro magnetic compatibility，EMC）测试：发射／传导干扰，发射／辐射干扰，测试蓝牙耳机在使用过程中对周围环境产生多大的电磁干扰。传导抗扰度，辐射抗扰度，静电放电抗扰度，测试蓝牙耳机在受到外部电磁干扰时的抗干扰能力。

（6）安全测试：电池充放电保护，过温保护，漏电是否符合要求。

4结语与展望

蓝牙耳机的技术痛点主要包括：如何让戴耳机的耳朵舒适度比拟戴眼镜之眼睛舒适度且耳机不易脱落，如何保证噪声环境中仍具有清晰通话和无损音质，如何实现一款耳机满足任何场景所有活动用途。

蓝牙耳机的市场痛点是同质化竞争“卷价格”。产业链上游以元器件为主，包括SoC芯片、PCB/FPC板、电池、麦克风、喇叭等；中游是原始设备制造商（original equipment manufacture，OEM）和原始设计制造商（original design manufacture，ODM），是一种生产模式，俗称代工厂商；下游是众多品牌厂商。蓝牙耳机体积小巧，对元器件和模组工艺水平要求极高，定制化较多。其看似是一个“小”耳机，涉及技术却是复杂的，未来应该通过差异化竞争进而保持合理利润，促进耳机产业的健康发展。