帶旺關鍵元件/促成晶片整合　真無線耳機主動降噪成顯學

蘋果(Apple)AirPods主打方便使用、配戴舒適及穩定的續航力，帶動TWS發展聲勢鵲起。看好此發展趨勢，手機廠與服務供應商如三星(Samsung)、索尼(Snoy)、亞馬遜(Amazon)、微軟(Microsoft)、Google相繼加入戰局，與此同時，專業耳機品牌廠商如Bose、鐵三角與Jabra也不遑多讓，積極搶攻TWS市場版圖，可看到主動降噪、防水、語音控制與生物感測功能已陸續整合至TWS耳機中，帶動相關零組件發展更上層樓。

根據產業研究機構Yole  Développement研究報告指出，麥克風、音訊IC和微型揚聲器的消費市場預計將從2018年的141億美元成長到2024年的208億美元，年複合成長率(CAGR)為6.6%。藉由MEMS麥克風元件的成長狀況，可以看出個別產品的趨勢，例如在無線耳機中，MEMS麥克風的年複合成長率將達到29%，2024年規模將達到13億個。

以現階段而言，樓氏(Knowles)和Goertek是MEMS麥克風的主要廠商，在2018年12億美元的市場中，各占39%和28%的市占率。近年來，樓氏的收入成長漸趨飽和。但是，它仍然在不斷擴大的市場中與提供低成本解決方案的中國客戶保持聯繫。同時，英飛凌(Infineon)通常向Goertek和AAC等播放器提供麥克風裸晶。

此外，在音訊編解碼器和放大器方面，Cirrus Logic、高通(Qualcomm)和德州儀器(TI)是主要供應商，其方案在2018年34億美元市場中，市占率分別為35%、18%和12%。將來，蘋果(Apple)、高通和海思等AP製造商可能進一步整合AI功能，Knowles和Goertek提出了將AI功能與編解碼器和數位訊號處理功能整合在一起的專用音訊晶片。另一方面，諸如CEVA和Xperi等IP供應商則致力於AI處理的晶片設計。

日前高通對全球消費類音訊設備用例和購買決策驅動進行了一項研究，報告指出在無線耳機、耳塞與智慧耳戴裝置領域，可看到2019年，開發功能豐富、高能效的TWS，很可能會成為許多音訊OEM廠商的首要任務。挑戰在於，廠商既要保證產品的性價比，也要完成複雜的設計工作。對於無線耳機消費者，諸如更長的電池續航、ANC和高解析度音訊等特性仍然是他們考慮的主要差異化因素。

以現階段而言，TWS分成兩大類型市場，一種是以品牌為主的市場，要求高品質、多功能與優異的使用者體驗，屬於高階市場；另一種則是水貨市場(Gray Market)，以成本為導向訴求低價策略，相對來說對TWS品質的要求也就較不重視。

掌握連線/耳機設計主動抗噪功能

艾邁斯半導體(ams)台灣區總經理李定翰(圖1)表示，對於TWS高階市場來看，必須維持幾項特點，包含連接穩定性、設計與功能等，相較於以往最大差異在於ANC技術的導入，過去大多以DSP為基礎進行背景噪音降噪，然而隨著抗噪技術慢慢地成熟，ANC技術將推波助瀾把TWS市場帶向高峰。

抗噪可分成三大類型，包含DSP、ANC與被動降噪。相較於DSP背景雜訊抑制的功能，ANC是藉由產生反向聲波將外部雜訊互相抵銷，因此ANC效果會比過去背景雜訊抑制功能更主動，且降低雜訊效果更好。另一方面，被動降噪意指TWS機構設計的強化，透過耳塞方式隔絕外部的噪音，其設計與耳塞、耳廓的密合程度有關。

事實上，ANC技術早在有線耳機時代就已存在，然而在無線耳機市場中，ANC技術尚不普及，主因在於聲波在空中傳遞速度問題，如何在無線的情形下減少延遲是一大挑戰；再者，當使用者戴上耳機時，耳機聲音如何維持耳壓平衡，避免ANC功能讓使用者產生不舒服感。

李定翰認為，ANC技術之所以可發展開來，源自於聲學引擎的優化，及無線發展技術穩定。過去市面上的TWS耳機，受限於藍牙協定的限制，通常從手機端僅能發射出一個音訊串流(Audio Stream)到其中一耳的耳機，而後再由接收的耳機傳送訊號到另一邊耳機，過程會產生一些延遲問題。再者，耳機間訊號傳送、耳機和手機之間傳輸過程中，訊號路徑必定會經過身體很多次，如何有效控制無線連結的傳輸效率，且不能有任何傳輸中斷問題也是一大挑戰。

藍牙技術聯盟全球市場副總裁Ken Kolderup提到，現階段所有藍牙音訊解決方案(包括TWS)，都使用藍牙Class Radio。就藍牙核心規範的版本而言，大多數供應商都將其產品與最新版本之一(通常為5.0或5.1)相互使用。不過近期藍牙音訊市場的需求急起直追，該聯盟正戮力訂立全新標準，接下來將規畫推出下一代藍牙音訊標準，其中將針對TWS產品應用增加許多功能。

雖說在藍牙聯盟全新Class標準尚未出來前，基礎於藍牙規範的TWS裝置，原則上一次只能傳遞一個音訊串流。不過，目前已經有廠商率先推出專有的(Proprietary)協定，如高通、聯發科等廠商，讓TWS耳機可以同時發出兩個音訊串流，降低音訊傳遞的延遲問題，確保聯網傳輸的穩定性。

從耳機降噪設計來看，有鑒於耳朵是一個特殊器官，每個人的外耳、耳道，甚至耳朵可以承受聲音大小、形狀都完全不同，以往的處理方式是在耳機中放入多個麥克風，採交叉比對方式感測噪音與環境音，而後經由演算法降低噪音。不過，ANC耳機除了保有上述功能外，還須額外產生反向聲波將噪音消除，因此ANC須完整掌握聲音傳遞時間、速度，並清楚了解低頻與雜訊。

李定翰表示，ams在ANC技術設計上已有數十年的研發基礎，可提供不同濾波器設計，在演算法設計上可說是目前業界最複雜，但卻可完全克服延遲問題的方案。此外，基礎於該公司的ANC聲學引擎平台，ams添加了自動洩漏補償(ALC)功能，可即時調整耳塞式耳機與用戶耳朵之間的漏氣量，強化半入耳式耳機的擴增聽覺和降噪體驗。

另一方面，ams聲學引擎內建自動預設選擇(APS)功能平台。借助APS音訊技術，耳塞式耳機製造商可以開發差異化功能，針對不同類型的環境雜訊配置和優化所需的降噪設置。還可以開發新型耳塞式耳機，根據檢測到的雜訊類型自動切換模式，進而在任何環境下都能提供最佳降噪性能。

樓氏資深產品應用經理任柏凱(圖2)談到，聲音會隨著時間而改變，當ANC在打出反向聲波與外部聲音互相抵銷過程中，對於低延遲的要求極高，此考驗麥克風、演算法與整體系統端的組合，而降噪效果好壞的關鍵因素就在這裡。

反饋/前饋麥克風撐腰　ANC低延遲設計有保障

以麥克風角度來說，ANC分成反饋(Feed Back)與前饋(Feed Forward)兩種模式，可補足被動式降噪在低頻容易受震動或其他方式，將噪音傳到耳膜的問題。

前饋式ANC麥克風需要低頻頻響平坦與高相位響應一致性，反饋式ANC麥克風需求高訊噪比(SNR)與高聲學過載點(AOP)，而這兩種麥克風設計的最終目的，就是不讓噪音穿透到耳膜之中。不過受限於成本因素，這兩者技術同時存在機率不高。

任柏凱談到，樓氏在麥克風降噪設計上，著重於靈敏度匹配(Sensitivity Matching)、相位配置(Phase Matching)、低延遲、低耗電、穩固性(Robustness)與超小尺寸。通常樓氏出產的麥克風在包裝前都會進行校準作業，確保麥克風本身的性能；再者，由於TWS耳機尺寸本來就很小，在這麼小的空間中，還須加裝非常多不一樣的元件，使其設計非常注重麥克風尺寸與耗電量要求。最後，TWS耳機容易摔落，對於內部元件機構衝擊也是一大考驗，其中當然也包含麥克風的穩固性。

Apple AirPods Pro的降噪方式採用兩顆麥克風，主麥克風處於尾端，另一顆則安置在與主麥克風相差前後兩公分距離，透過前後麥克風波束成形(Beam Forming)的方式進行降噪。通常聲音從嘴巴發出傳到第一顆麥克風，再到第二顆麥克風之間會產生相位差，如將聲音傳遞速度與音量差異做到指向性，也就是讓聲音波束朝向嘴巴位置，就能屏除周邊環境的雜音，進行有效率的雜訊抑制。

通常Beam Forming技術會由處理器或手機廠商自行研發。據了解，蘋果、華為與亞馬遜的TWS方案皆採自行研發的演算法；而高通所推出的藍牙SoC方案，已直接導入反饋和前饋式麥克風，透過內部的DSP進行降噪演算法處理。

低價TWS市場殺紅眼

如同上述所言，TWS可分為高階與低階市場，在高階部分朝更多樣化功能，以及ANC技術發展前進，但真正具有龐大出貨量的市場來自於低階市場的需求。鑫創科技市場行銷二處技術經理曾建統(圖3)認為，低階TWS市場價格將持續降低，包括藍牙主晶片、各類型感測器、天線與麥克風設計的價格將持續下跌，在這波熱潮下，台廠須掌握自身競爭力關鍵，與外包廠商或不同IC設計商密切溝通，團體作戰合作將市場做大，因此彈性調整生產與銷售策略以因應市場快速變化相當重要。

曾建統分析，鑫創的競爭力關鍵在於自行開發MEMS麥克風感測器與ASIC晶片，此外更提供TWS藍牙耳機所需全系列麥克風因應，包括類比、數位介面與不同的封裝尺寸，並針對通話麥克風降噪、單麥克風降噪、雙麥克風陣列降噪、反饋式ANC、後饋式ANC及語音喚醒麥克風，滿足TWS藍牙耳機開發商的各種要求。目前TWS耳機使用鑫創麥克風的品牌客戶包含哈曼、小米、骷髏糖、OPPO、漫步者與Anker等，整體TWS麥克風累計出貨量已達1,500萬。

生物資料容易取得　TWS走向商業用途

從TWS產品設計角度來看，語音通話、ANC、語音喚醒技術已上路，後續將增加更多生物檢測功能，包含心率、體溫、溫度或透過動作感測器偵測走路步數與頻率等，透過這些數據資料幫助使用者做健康管理，極有可能轉變成另一種商業模式。

在智慧手機中，其資訊內容涉及過多個人隱私資訊，導致使用者對於隱私防護更加重視，然而TWS如加上生物檢測功能後，對於個人隱私的疑慮相對較低。據了解，目前保險業者對於TWS所蒐集的生物感測數據興趣濃厚，其能藉此觀察使用者的運動習慣進而調整保費。