TWS耳机的开挂人生
继智能手机之后，下一个10亿级产品会是什么？
2016年，苹果推出的 AirPods 以主动降噪+真无线TWS耳机，引爆市场。TWS 耳机正式开启开挂人生。
▲ 2016年，第一代 Airpods Pro 发布
真无线怎么实现？
TWS是 True Wireless Stereo 的缩写，意为真正的无线立体声。
传统有线缆的蓝牙耳机，工作原理基于底层无线信号模块、协议层和应用层，通过左右扬声器之间的线缆将两个耳机单元连接到同一蓝牙模块上，手机上发出的信号传输到蓝牙模块并经过应用层直接输出音频信号，让左右两个扬声器发声，整个传输就只有手机蓝牙和蓝牙耳机之间的信号传输。
但TWS耳机摆脱了传统的物理线材，目前有两种主流连接方式：第一种是分主、副两个耳机，先打开手机中的蓝牙功能，手机蓝牙会先连接主耳机（一般是右耳），然后再从主耳机将信号传输至副耳机，组成立体声系统。典型代表就是苹果AirPods，采用监听模式，主耳机不需要向副耳机发送信号，而是把密钥分享给副耳机，让它自己“偷听”，通过这种规则来实现主、副耳机的信号获取，解决了主副耳功耗不均衡、信号转发的干扰、信号延迟等问题。
第二种方式在安卓阵营较为常见，比如以高通为代表的基于蓝牙5.0的双耳机直连方案，不区分主、副耳机，左右耳机单元完全独立运作，手机想连接哪个就连接哪个。但是这种方式需要系统软件把左右声道分别传输过去，需要加倍带宽、精确同步、自定义设备和耳机协议，兼容性和效果相对来说还有待加强。
TWS 开启开挂人生
TWS耳机为什么这么火？主要因为其出色的产品体验，以及适用于丰富的应用场景：
- 双耳立体声，提升音质效果，改善通话质量，增强用户体验，打造智能语音，打破了传统有线耳机感官体验的束缚，而且在外观上更加潮流前卫，吸引人们关注；
- 真正的无线结构，完全摒弃有线烦恼，更自由的移动，尤其是对于运动达人来说，可以享受边运动边听歌的快感；
- 体积小巧，佩戴舒适，使用便捷，携带方便，适用场景丰富，比如驾驶等环境下，既可以解放双手，也不用因为线缆的问题而烦恼。
近日，技术市场分析与咨询国际公司Canalys科纳仕发布了一篇市场预测，预计2021年全球智能配件市场规模将超过5亿台，其中可穿戴设备和TWS耳机的出货量将分别超过2亿台和3.5亿台。随着新冠疫情在全球范围内加剧，消费者将注意力转向了智能可穿戴设备和智能耳戴式设备这类配件。
▲ 可穿戴设备和TWS耳机的未来出货量
Canalys的预测报告显示，2020年至2024年，TWS耳机的年复合增长率约为19.8％，远超可穿戴设备6.7％的年复合增长率；2020年全球可穿戴设备和TWS耳机总出货量可达4.365亿台，其中TWS耳机约2.5亿台；2021年全球可穿戴设备和TWS耳机总出货量约5.583亿台，TWS耳机约3.5亿台；而2022年到2024年期间，可穿戴设备的出货量会稳定在2亿台左右，TWS耳机则继续稳步增长，出货量有望突破5亿。
Canalys认为短期内促使TWS耳机和可穿戴设备销量增长的原因有两方面，一是疫情的影响会延长消费者更换智能手机等价格较高的消费电子产品的周期，“口红效应”会驱动消费者购买价格较低的产品满足购物需求；二是除了运动和健康监测相关的可穿戴设备外，室内活动如远程办公、手机游戏等工作和娱乐需求的增加，促使了相关智能配件市场的高速增长，对于TWS耳机来说尤为明显。
Counterpoint高级分析师Liz Lee表示，移动设备取消耳机接口、包装不再附送耳机正成为真无线耳机市场增长的一大推动力，TWS真无线耳机正成为一种必要的配件。
TWS五大核心技术
从技术层面来说，新一代音频技术标准LE Audio和蓝牙5.2的发布，有助于改善不同品牌、不同设备之间的无线连接状况，给消费者更高音质、更无缝的无线音频体验。此外，TWS耳机的硬件，也就是声学器件也能相应得到升级，TWS耳机动铁化将成为趋势。
- 蓝牙连接技术
2017-2018 年 蓝牙技术传输方案还不成熟，各大厂商都在集中解决 TWS 耳机蓝牙断连、延迟等蓝牙技术传输问题。苹果AirPods采用独家的Snoop（监听）专利技术解决了双耳连接延迟不同步问题，即便售价昂贵也得到了消费者的认可，销售量逐年翻番。
苹果AirPods的Snoop技术，副耳信号不需要主耳转发，而是通过一定的规则监听手机所发出的信号，从接收信号中找出主耳或者副耳各自的信号，因此解决了转发所带来的干扰、系统延迟、主副耳功耗不均衡等问题，获得了很好的用户体验。
而传统的安卓系方案早期采用Relay（转发）模式，通过主耳转发的方式实现双耳立体声，音频从智能手机传到左耳机（主设备），再由左耳机转发到右耳机（从设备）。但却面临如下问题：主耳转发的蓝牙信号容易被其它蓝牙和WiFi等信号干扰；转发本身会增加系统延迟；转发信号穿过人的身体等问题。此外，由于转发导致了主耳的功耗相比副耳要高，当碰上误码要求重传数据包时会导致主耳功耗负载过重。以上原因导致苹果之外的TWS 耳机在连接稳定性、主副耳机的信号同步以及待机的时长等方面面临很多问题，这也是这几年安卓系TWS 耳机无法跟AirPods相提并论的主要原因。
▲ 不同TWS技术比较
但随着高通TWS+和络达科技MCSync的相继发布，安卓阵营TWS耳机可以实现左右声道独立连接，其蓝牙连接性能向苹果AirPods看齐。
- 音频编解码技术
除了扬声器材质等物理硬件因素外，TWS 耳机的音质主要与蓝牙编解码技术、主控芯片性能及音频信号传输方式等因素有关。
虽然蓝牙 5.0 技术为音频提供了更大的通信容量，但音质的改善仍在于音频编码方式。目前的高清音频编解码技术，主要以索尼 LDAC、高通 aptX HD，以及华为的 HWA 为代表。
索尼在 2015 年 CES 期间正式推出 LDAC 高解析音频技术，并于2017 年将该技术开放给 Android 8.0，该技术的音频处理质量非常高，现已成为安卓 8.0 的标配压缩技术。但是，编码器实现高清音频传输的前提是发送端和接收端的双向支持，而支持 LDAC 的 Android 8.0 只解决了发射端的问题，而LDAC 在接收端设备（耳机、音箱等）的普及还需要一些时间。
高通在 2016 推出的 aptX HD 高清蓝牙音频编解码技术（支持 24 位/48 kHz 音频），因为有 aptX 的铺垫（目前大约有 40 亿个设备支持，高通收购CSR公司而获得aptX技术），以及高通自身在芯片、通信等领域的优势，有更广泛的应用潜力。
华为在 2018 年联合音频链路上的关键元器件供应商、设备商，一同制定了端到端的蓝牙高清音频解决方案 HWA（Hi-Res Wireless Audio），其规格和 LDAC 相似，也属于无损级别的蓝牙音频编码。目前 HWA 高清音频无线传输标准与产业联盟也已经成立，成员包括漫步者、中科院声学所、AKM、Sennheiser、HiFiMAN、1MORE 万魔、惠威等。
此外，新一代蓝牙技术标准在音频方面不断改进，在音频解码器 LC3 方面，LE Audio 集成了全新的高音质、低功耗音频解码器 LC3，并且支持音频分享。这不仅可以优化蓝牙的传输效率，并且在一定程度上能够进一步缩小TWS 耳机的体积，将为开发者提供更大的灵活性，使其在产品设计时能够更好地在音质和功耗等关键产品属性之间进行权衡。
- 主动降噪技术
主动降噪（ANC）功能就是通过硬件降噪系统产生与外界噪音相等的反向声波，将噪音中和，从而实现降噪的效果。ANC 降噪的工作原理是麦克风收集外部的环境噪音，然后系统变换为一个反相的声波加到喇叭端，最终人耳听到的声音是环境噪音+反相的环境噪音，两种噪音叠加从而实现感官上的噪音降低。ANC 主动降噪可分为前馈式主动降噪（头戴式耳机应用较多）、反馈式主动降噪（容易引起啸叫），以及混合式主动降噪。
2019年10月28日，苹果推出支持“主动降噪”功能的AirPods Pro耳机。与前两代AirPods相比，AirPods Pro改为入耳式设计，提供良好的气密性以及佩戴的牢固性，并基于此带来了惊艳的主动降噪，解决了两个难点，一是通过 SiP 封装解决了空间占用问题，另一个是做了一个通气系统解决了耳内外压力差的问题，保证了佩戴舒适度。
▲ 有无主动降噪技术对比
目前安卓系蓝牙技术平台都开始支持 ANC，关键是看整机厂家能不能克服工程难题真正提升降噪体验。此外，高通 CSR 芯片还采用了软件降噪技术，也叫 CVC 降噪，即利用蓝牙耳机内部的芯片，把通话麦克风接收到的信号进行滤波处理，以降低外界的风噪，主要在打电话的时候起作用。
据高通发布的《2019年使用现状调研报告》显示，63%的音频用户关注无线耳机的主动降噪功能。除了支持更具沉浸感的聆听体验，主动降噪还有助于降低聆听者的疲劳感。展望未来，主动降噪将成为高端 TWS 耳机的标准配置，并逐步向中低端渗透。
单从降噪芯片来看，当前业内的主动降噪解决方案主要有两种形式：一是在主控蓝牙芯片中集成主动降噪，如高通、华为、络达、瑞昱、恒玄、中科蓝讯等；其中，采用高通方案的品牌包括索尼、vivo、小鸟（Libratone）；采用恒玄方案的有华为、OPPO；采用瑞昱方案的有小米；采用络达方案的有索尼。
二是直接开发一款降噪芯片，厂商包括 ams、ADI、Dialog等。Bose、华为、亚马逊、小鸟等品牌已有部分产品采用ADI的解决方案；派美特、魅族、dyplay、FIIL、TOPPERS、Linner等品牌均采用ams的解决方案。
- 续航技术
跟其他可穿戴便携式设备一样，续航能力是一个避不开的坑。
AirPods Pro采用了可充电纽扣锂电池，虽然容量增加了，但因为主动降噪(ANC)功耗大，续航能力并没有提高。华为、三星、索尼、1MORE、BOSE 等品牌 的2019 年款 TWS 耳机也都采用了纽扣电池方案。
增加续航时间可以通过先进制程来实现，但是这意味着高昂的成本。苹果的 H1 芯片采用16nm工艺，而安卓系大多是28nm 工艺。工艺先进功耗小，但是研发和制造成本很高，按照当前品牌安卓机的出货量，很难支撑先进工艺的投入。
但安卓系的功耗困境今年将会有很大的进展，头部大厂的16nm 方案已经在研发中，体验提升和出货效应预期将带来突破，驱动安卓系竞争力上一个新的台阶。
- 智能技术
像TWS耳机这类智能电声产品，除了具有播放、采集声音信息的功能，还将具备语音控制、语义识别、主动降噪、运动健康监测、虚拟现实声学，以及与其他智能设备互联等功能，能够满足消费者工作和生活中的多种复杂应用需求。
国外巨头已开始将TWS与智能语音助手的软硬集成，并汇入其整个智能生态链。如苹果 AirPods 开始支持 Siri、高通芯片与亚马逊 Alexa 集成等；搭载生物传感器，支持生物识别运动跟踪，如 Bragi 的 Dash Pro 可让用户通过头部运动来直接控制耳机；还有多种语言的实时翻译。国内的硬件厂商，以手机厂商为代表都支持其语音助手，华为的TWS支持其手机内的小亿，小米TWS支持小爱同学。
TWS全新应用即将落地
主动降噪、智能语音、入耳检测、心率监测、骨传感技术是未来TWS主要采用的新技术，已有大量成品陆续上市，全新技术已具有落地实现的可能。
从功能性方面来看，主动降噪、通话降噪、包括听力增强、运动监测、睡眠监测等在内的健康辅助功能、翻译功能、更高级别的防尘防水功能，以及智慧语音功能等都是TWS耳机今后的发展方向。
- 主动降噪
主动降噪（ANC）功能无疑是当下TWS耳机品牌的核心竞争力之一，它的技术远比我们想象的要复杂，需要降噪芯片、麦克风与降噪算法等多方面的优化与调节。从 TWS 耳机的 ANC 功能相关发展现状上来看，主要存在以下几个趋势：
- 佩戴检测：可以实现入耳就自动连接手机蓝牙，摘下就自动休眠。这对电池容量只有几十毫安时（mAh）的TWS耳机来说，是减少功耗的有效手段。
- 通透模式：可以让佩戴者听到外界声音，与身边的人交谈时会更自然，也更安全。
- 自校准/自适应调节：能够半自动或者手动式触发TWS的不同工作模式，调节滤波器的降噪参数，以达到比较好的降噪效果。
- 智能语音
去手指化是未来科技产品发展的一大追求，只需动动嘴巴就能实现，一切似乎都将变得更加轻易方便。赋予 TWS 耳机更多智能化功能，如语音翻译、语音控制，让使用操作变得更简单；再有 TWS 耳机由于太小容易丢失且不易寻找，如何实现防盗防丢，这些都是 TWS 耳机未来需要攻克的痛点和痒点。
各大手机厂商基本都具备自己的语音助手，TWS耳机也越来越注重对语音助手唤醒功能的支持，目前这一功能还是通过按键或触摸的方式激活，智能翻译等功能很大程度上还是依赖手机端。以耳机芯片的算力还很难同时兼顾以上几点，但这终将是TWS耳机获得更大发展所要克服的困难和面临的趋势。
- 健康辅助
通过 TWS 耳机实现运动、听力辅助、心率检测、血压检查、辅助睡眠功能已初露端倪。
TWS 真无线耳机形态小巧、佩戴舒适、非常适合运动场景使用，众多品牌针对这一场景已经推出合适的运动耳机产品。
心率监测、睡眠记录等健康辅助功能，已经在智能手表上已经得到了广泛应用，技术也比较成熟。与智能手表相比，TWS 耳机也具有与人体亲密接触、使用频率高等特点，因此很多厂家都把它当做是健康监测功能的新入口。