面向云端的真无线智能耳机连接技术

郭世文

（深圳市冠旭电子股份有限公司 广东省深圳市 518117）

1 背景和国内技术发展现状

1.1 真无线智能耳机连接技术研究背景

伴随电子科学技术快速发展，消费电子产品在我们的生活工作当中扮演这举足轻重的作用，但是电子产品为我们提供便利的同时也带来了各种各样的问题，比如非常突出的就是电子产品的无线相互干扰，他可以让产品无线性能下降甚至失效，最为典型的例子就是乘坐飞机会要求关闭无线电子设备，目的就是为了防止无线电子设备干扰飞机通讯设备。

在众多无线电子产品里面，蓝牙耳机成为了继手机后最刺手可热的一款穿戴设备，在真无线耳机为消费者带来各种便利的同时，消费者遇到了很多问题，其中最严重的就是无线传输问题，这个问题已经成为真无线耳机体验不佳的最大问题，严重制约真无线耳机进一步发展。

1.2 国内外技术发展现状

当前国外知名品牌都重点推出了自己的真无线耳机，这其中包括传统音频品牌BOSE、SONY，也有手机品牌Apple、Samsung 等等，国内HUAWEI、Cleer、VIVO、OPPO、XIAOMI、ANKER 等也相继推出了自己的真无线耳机。

近4年来全球范围内，品牌真无线耳机在2018年的销量是4600 万台，2019年销量9000 万台，相较于2018年销量增长了96%。而在困难的2020年，品牌TWS 耳机销量增长趋势不减，达到了3 亿台，同比增长230%。

经过复杂环境（比如机场、火车站、地铁、商场、公园、）的压力测试，与目前市面上各大品牌相比，我们的Cleer 最新的真无线耳机在同等条件下表现更加优秀。

2 真无线智能耳机技术产业化实现方法

2.1 技术原理

蓝牙系统主要由天线单元、电路控制单元、电源管理单元和蓝牙音频软件单元四部分构成组成。其中，天线单元即天线，用于完成电信号的接收与发送；电路控制单元中包括多个电路控制器，有数据信号传输电路，音频信号传输电路，控制信号传输电路，复位电路;电源管理单元主要是充电和放电管理部分，以及NTC 温度检测和保护部分；蓝牙音频软件单元主要包括两部分，其中第一部分为核心部分，用于规定诸如射频、基带、连接管理、业务搜寻、传输层以及与不同通信协议之间的互用、互操作性等组件，第二部分为协议子集部分，用于规定不同蓝牙应用所需的协议和过程。我们的主要是在应用层进行软件的二次开发和算法设计，以达到真无线耳机有效连接的作用。

为了满足消费者对于真无线耳机连接性能的要求不断提高，真无线耳机经过这几年的快速发展，在算法和转发模式上有了很大改善。初代真无线耳机，移动终端将消息传送给主耳机，主耳机又把接收到的消息全部解码转发给副耳机，这种传送模式优点在于算法实现简单，但是缺点也明显就在占用双倍蓝牙带宽，导致左右传输会大概率会出现不稳定可能，为了解决左右耳机传输问题，在初代真无线传输模式的基础上加入了副耳机侦听模式，通过侦听，副耳机接收到大多数据包，但是还是会出现丢失数据，这时候主耳机会选择性把这部分数据包转发给副耳机，并且左右耳机还可以实现动态无感切换，大大增加左右耳机连接的稳健性。如图1 所示。

图1

TrueWireless ™ Mirroring 基于前代转发技术而打造，旨在提升连接稳定性、消除一些使用限制并提升使用的便捷性。该解决方案利用以下三种全新技术实现主、副耳塞的动态角色切换，包括侦听、同步和选择性数据中继转发，旨在提供无缝的用户体验。

2.2 关键技术

通过对真无线耳机的芯片算法，天线设计，电路设计，结构设计，BLE 连接方面，设计出了领先的无线产品性能。

2.2.1 算法改进

（1）侦听模式。侦听模式加入，可以让真无线耳机连接更加稳健，当主耳机和移动终端连接时，副耳机通过侦听模式感知该连接，对移动终端给主耳机发送的信息进行侦听，大部分时候副耳机通过侦听可以接收到大部分数据包，大大降低主耳机压力，如果仍然丢失一些数据包，当蓝牙链路良好通过侦听中继发送，当蓝牙链路变差时可以通过主耳机选择性中继发送。

（2）Mirroring 模式的关键技术点：①单地址管理：连接设备端只有一个蓝牙地址信息，两个耳机都共用一个地址，无论哪一个与设备连接；②eSCO Mirroring：通话镜像，包括无缝切换和选择性转播；③A2DP Mirroring：音频镜像，包括无缝切换和选择性转播。

Mirroring 模式的优势：无缝切换至与终端设备连接的耳机，而另外一只成为其镜像，无需用户干预，在射频连接较差的情况下无缝切换主副耳塞，以最大程度提高连接稳定性并降低由此导致的音频断续

（3）自适应码率切换。自适应码率切换用于当蓝牙链路质量非常差或者遇到干扰环境时候，这时候耳机会告知移动终端降低音频码率，减少带宽占用，降低音质优先保证连接顺畅从而保证不断音体验，当蓝牙链路变的良好时候，此时移动终端又会提高码率，增加带宽占用，提升音质保证绝佳的听音体验。

（4）角色动态切换。动态角色却换，可以让真无线耳机主副耳机进行自由灵活切换，当主耳机和移动连接链路出现恶化时候，副耳机侦听到链路好于主耳机，这时候副耳机和主耳机角色将却换，保证用户无断音体验。

2.2.2 射频改进

（1）多天线设计。真无线耳机是入耳式的耳机，不同人的耳道构造不一样，导致同一个耳机佩戴后的方向不一样，单一天线设计可能会出现一些使用者把天线完全盖住的情况，导致天线性能恶化，从而导致连接欠佳，而出现断音的糟糕体验，为了解决这个问题，我们加入多天线设计，当一支天线出现问题，芯片会切换到另一支良好的天线继续工作，这样保证了蓝牙链路状况良好，保证了不断音良好体验。

（2）增加放大电路。在芯片射频输出端增加放大电路，可以突破芯片自身性能上限，弥补芯片性能以及天线性能难以提升的痛点，通过放大电路，即使发射端的信号变的微弱，也可以通过放大器放大以达到芯片能够承受的范围，从而保证耳机传输稳定。

（3）高性能天线设计。我们发现一种全新设计思路，既然人体对天线影响很大，我们可以利用人体作为天线的参考地（天线地），这样人体将不会是不利因素，它将变成了天线一部分，弥补了主板地偏小的问题，由于地变大，此时天线性能将会大大增加。

一端连接在天线上面，另外一端连接在主板芯片射频端口，2是天线正极，3 是天线负极，整体呈现一个T 字型偶极子天线，本天线的优势在于充分利用耳机产品结构的特点，我们把天线的负极部分附着在耳机喇叭通道里面，天线正极放置在远离人头的耳机外壳朝外边缘一圈，当我们把耳机带上的时候，天线负极部分接近人体耳蜗，天线负极和人头耦合，从而形成一个巨大的参考地平面，理论来讲此时天线已经从最初的Dipole（偶极子）变为Monopole（单极子），借助巨大参考地平面，天线正极辐射性能大大增加，自然蓝牙耳机传输距离也会更远，体验感更好。

2.2.3 电路设计

电路电源管理设计，电路滤波设计，电路传感器，复位设计，音频信号设计，天线净空区的设计，以及PCB 的走线优化，使得天线的性能达到最佳。在RF 设计方面，提前做好评估和模拟仿真，滤波器尽量采用SAW filter，对带外信号抑制效果较好；天线设计要保证预留足够天线设计空间，面积和高度至关重要，天线远离人体，不要被耳廓所包裹。通过蓝牙芯片端和射频天线端，电路设计的优化，从而提升耳机蓝牙性能，保证蓝牙连接的稳定性。

2.2.4 结构设计

TWS 耳机为了舒适体积越来越小，因此对天线的要求变的极其严苛，因此设计时候我们要小心谨慎，天线设计要作为第一要素来评估。

（1）杆状类耳机。这是一种典型杆状TWS 设计。在上半部分，而杆状部分仅作为充电触点、Mic 以及天线，这种设计好处是，下面部分基本上全部都能给天线使用，不受其他影响，天线效率高，设计需要保证有20mm 长度，最少3mm 高度，性能很好。

（2）豆状类耳机。图2 是典型豆状TWS 的两种堆叠，整个呈“三明治”状堆叠，上面的两种堆叠基本上包含了所有的豆状TWS 的ID 设计，天线需要和主板有一个最少3mm 的高度净空。因为有了touch，居中的空间将被touch 占据，天线只能设计在耳机边缘，因此很容易受到耳朵影响，即使有高度也做不到多好的效果，而如果天线居中就不会出现这样现象，相比堆叠一，我们更加推荐堆叠二，因为堆叠二更容易实现天线需要的净空高度。通常能够远远做到远远大于3mm 的净空要求。保证地完整性，从而得到很好的效果。

图2

2.3 技术的先进性

（1）软件算法的优化，可以通过耳机的倾听技术，自适应切换模式，主从自动切换模式，使得天线的连接更顺畅。

（2）多传感器的设计，可以通过入耳检测，霍尔检测，加速度传感器检测，使得真无线耳机连接和使用体现性能更佳。

（3）电路优化设计，增加射频的放大电路，增强接收灵敏度，增强耳机的抗干扰能力。

（4）天线的仿真和定制化设计，可使得天线的发射功率和效率达到最佳，增加耳机连接的距离和Cross Body 干扰能力。

（5）BLE 和耳机之间的传输协议优化，自动连接，使得连接更佳便捷高效。

（6）结构腔体的仿真，设计出最优射频所需的空间腔体，保证射频和耳机的连接所需的最佳腔体。

3 结束语

良好的真无线智能耳机的稳定连接，对于蓝牙5.2 或者以上，与云端的互联会打下一个坚实的硬件基础和软件基础。在此基础上，实现耳机与云端的技术交互，即实现耳机，手机端，云端技术无缝交互。使得真无线智能蓝牙耳机可以更受欢迎，伴随着技术的实现和成熟，也更广泛的进行产品推广和实现产品产业化。