设计一款真无线耳机有哪些挑战？

shuszhao · 发表于 2018-12-19 10:26:40

为提升用户体验，真无线耳机诞生。但设计真无线耳机时会面临哪些挑战？
无线蓝牙耳机音讯市场发展迅速，大众开始习惯使用无线音讯设备，移动电话也正在将世界往无线互连方向推动。过往，大多数用户潜意识会认为蓝牙耳机既笨重且仅有一些简单的附加功能，然而现代音频系统的趋势是在物理机构微型化的同时将功能最大化，并提升用户体验，于是真无线(TWS)耳机诞生了。

TWS耳机乍看相当普通，但在细节上的处理却相当精妙。图1为深层次TWS系统架构描述，内部电子模块小型智能化，并且具有友好的用户接口。

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图1 系统概览。

思考TWS耳机日常应用的时候，会发现有很多方法可以用来增强用户接口整合度和用户体验满意度。比如，TWS系统设计者面临的一个主要问题是音乐播放时间，TWS耳机有限的电池空间导致60~150mA/h的电池只可以播放2~4小时，一旦电池耗尽，耳塞就需要在下次使用前重新充电。

另外，目前大多数高阶TWS耳机都会配备充电盒，而非单独对每个耳塞使用有线充电。小耳塞在实际使用中非常容易丢失，那么充电盒不仅可以充当可携式耳塞盒的角色，内部较大容量的电池还可以方便用户不用依赖充电插座就可以随时随地为耳塞充电。这种组合搭配可以保证电池随时处于满载状态，就不会出现健身的时候发现耳塞没电这种令人沮丧的状况。还有，用户希望蓝牙配对在耳塞佩戴好之前就已经自动完成，而不用再需要浪费功夫去操作一些按键。

为了协助TWS耳机具有智能且友好的功能接口，充电盒底座和耳塞之间实现数据交换是一项关键需求。

图2中，微控制器(MCU)一直处于工作状态并有静态消耗，因此需要不间断供电。那么如果充电盒知道耳塞的电量，就可以实现为耳塞自动充电；反之亦然，如果耳塞知道充电盒没电了，它会自动透过蓝牙告知使用者需要对充电盒充电。

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图2 具体功能架构图。

在自启动和配对功能方面，智能连接也非常有用。如果充电盒可以通知耳塞盒盖已经打开，耳塞就会从睡眠模式自动醒来并准备进行蓝牙配对，这样可以不需要再透过耳塞上的按钮去启动。

除了以上这些体验，目前市场上一些功能强大且与众不同的产品所展现的一些功能也可以实现，比如充电盒和耳塞之间的连接可以实现优化工业设计、软件版本更新、耳塞个性化设计(耳塞命名、声学EQ处理)、音乐档案的传输…等。

为了让相关的技术实现方法表达得更清晰直接，可以透过图2再做一个更深入细致的介绍。

充电盒端最重要的当然是锂电池和充电模块，USB插口标准的5V电压可以用来对充电盒进行充电。电源管理模块(如LDO和DC/DC)可以为MCU，以及充电盒内其他设备提供所需的电压，另外还需要特别为耳塞充电提供专用的5V电压。MCU始终处于工作状态并充当充电盒大脑的角色，它负责和其他传感器(盒盖检测、耳塞检测)连接并获得充电盒电池的最新状态。

如果有一些触发事件(例如打开盒盖、放回耳塞或者任何需求)，MCU会对耳塞发出命令和数据或者与耳塞之间进行信息交换。

耳塞端因为有蓝牙SoC的参与，所以功能拓扑基本相似。蓝牙MCU会直接和充电盒内的MCU进行通讯和信息交换。

此外，还可以在耳塞内植入其他传感器，比如用于检测耳塞插入的接近传感器、加速度传感器、健身器材用的心率传感器、温度传感器，以及触控传感器。
从图2还可以到看出这些智能化需要很多接触点来实现。TWS产品为了具有较高客户接受度就势必要比有线方案更小的尺寸，那么这些接触点就会为产品设计带来很多困难，设计者不得不在耳机表面空间设计和功能实现之间做出取舍。当然低功耗蓝牙(BLE)技术可以在某种程度上规避掉这些接触点的使用，但随之带来的硬件成本的提高和软件工作量的增加是设计者很难接受的。

一种更简洁的解决方式是将标准耳塞的充电接口(5V电压和接地)进行功能拓展到既可以充电又可以同时数据通讯，这样既能保证产品机构空间达到预期，又能实现产品智能化并具有友善的用户接口。

得益于耳塞具有和智能设备传输信息的能力，为了增强用户体验满意度，可以设计专门的App实现一些拓展功能，例如：

˙耳塞电池状态
˙充电盒电池状态
˙配对状态
˙耳塞命名及是否配对成功
˙温度
˙检查充电盒软件版本更新
˙充电盒电池耗尽通知(尤其是电池是否已经老化)

面对相关市场的激烈竞争和巨大的市场需求，TWS方案似乎刚刚面世便很快就发展到巅峰。除了微型化及设计的改善之外，相关模块功耗的降低使得在标准蓝牙耳机上植入更多功能(如主动降噪、无线充电、心率追踪或者语音唤醒)也变得可行。

另一方面，信息互连已经前所未有地融入生活，TWS耳机或许也有机会在未来占有一席之地。耳机可以做到全天候佩戴，那么如果将来可以接入因特网，势必会衍生很多新的应用及终端产品，例如语音增强类技术、免持式导航、实时外语智能翻译…等，而这仅仅是目前可以想象的一小部分应用场景。可以预见，一旦相关技术堡垒被攻克，TWS耳机就会悄无声息地融入到每个人的生活中。