最初由助聽器產業發起的藍牙低功耗音訊計畫，已成為藍牙技術聯盟規模最大的規格開發專案，並推動了真無線耳機等聽戴式裝置的發展，使耳塞式耳機名列有史以來成長最快的消費型產品，未來，更可望扮演健康/運動功能的絕佳平台。
回顧幾年前，無線耳機問世不久，便受到晶片可用性的限制，其須依賴這些晶片支援個別的左右立體聲串流，但這不是唯一的限制。正如所有原先進入這個市場的新創公司所發現的，將重現高品質音訊所需的所有功能封裝到像耳塞式耳機一樣小的機體中，並不是一件容易的事。在其中加入藍牙技術以及任何提供支援的額外感測器，變得極其困難。只有大約25%的群眾募資聽戴式裝置公司曾經成功推出產品。即使Apple也得花費近五年的時間才成功開發AirPods。他們甚至必須親自設計藍牙晶片，才能讓AirPods具備如此成功的效能。只有規模最大的耳塞式耳機公司，例如Apple和華為才有足夠資源可實現。
聽戴式裝置裡有什麼？
助聽器製造商對這一點再清楚不過，因為他們多年來一直在設法完善助聽器的小型化。他們還利用客製化晶片來實現最佳效能，讓裝置可以使用小型的一次性鋅空氣電池運作數天。藍牙助聽器的元件數量頗為驚人，如圖1所示，圖中呈現的是相當基本的設計。其架構與耳塞式耳機非常相似。 拆解助聽器或耳塞式耳機時，大多數人首先感到驚訝的是其中的麥克風數量。為了進行主動降噪，需要一個麥克風來監控環境音，另一個麥克風則放置在耳道部位。若想要接收使用者的聲音，透過藍牙連結並傳送到他們的手機，通常需要有一個骨傳導麥克風幫助收音，並將話語聲從環境音中隔離。這是最低限度的要求。但是，一般會包括額外的麥克風來產生波束形成陣列，藉此改善方向性。也可以加入其他音訊演算法來偵測環境類型，並進一步增強使用者的聲音。後者非常重要，因為耳塞式耳機和助聽器中的麥克風往往位於耳朵後方，不如設計師期望的如此貼近嘴巴。
圖1 簡單Bluetooth助聽器的架構
隨著看到新法規即將正式上路，以測量耳道中的音量並警告使用者潛在的聽力損傷，屆時可能需要內建更多的麥克風。好消息是，過去幾年裡MEMS麥克風有了很大的發展，部分源自於對語音助理的需求。這些創新不斷強化方向性和波束轉向功能，以便音訊可以在房間裡跟隨使用者的一舉一動。相較於傳統麥克風架構，MEMS的優勢在於可以將數位訊號處理器整合至麥克風本身，進而縮小尺寸並降低功耗。在最新型的聽戴式裝置中，四個以上麥克風並不罕見。這些音訊輸入需要加以混合，並分配給助聽器的不同功能。
若裝置同時包含藍牙技術和感應線圈接收器，則需要經由這些接收器傳送適當的音訊。對於將控制訊號或音訊串流到第二個耳塞式耳機的裝置，這些都需要經由sub-GHz無線電(通常為NFMI)傳送，同時緩衝主訊號以同步兩個耳塞式耳機的音訊時間差。
在輸出端，音訊轉換器變得更小，傳統的開放式線圈架構受到微型平衡電樞轉換器和真空管擴大機的挑戰。市場上也開始出現MEMS喇叭，可提供高音量。雖然現階段此技術可能更適合頭戴式耳機，但也可能遷移到耳塞式耳機應用上。
從藍牙低功耗音訊正在實現的新使用案例便可看出，這種處理方式可能會非常複雜。接收藍牙音訊串流並允許同時傳輸語音指令的降噪耳塞式耳機，需要在傳輸之前將語音部分與環境聲音分離(並應用回音消除)，同時減少環境聲音與傳入藍牙訊號的混合。若傳入的藍牙音訊串流與環境聲音來自相同的音源，例如在劇院、會議室或看電視時，這一切都需要在大約30毫秒的總延遲內完成，極具挑戰性。
處理這些要求，需要一個應用處理器控制專門的音訊處理模組。為了盡可能減少助聽器的功耗和延遲，通常會借助硬體，而不是透過通用數位訊號處理器(DSP)實現。應用處理器通常也會控制使用者介面，可能透過助聽器上的按鈕或電容感測器、藍牙介面或遙控器觸發指令，使用藍牙技術或專利的sub-GHz無線電相連。大多數裝置都包含一個光學感測器，可偵測到裝置從耳朵拿下，並使其進入休眠狀態。最後，還有電池和電源管理功能。許多助聽器仍然使用鋅空氣電池，可提供比充電式電池更優異的功率密度。這帶來兩個主要優勢：電池續航力更長、重量更輕。如果使用者整日都戴著助聽器，那麼重量很重要，因此大多數新型助聽器的重量都不到2克，大約是AirPods重量的一半。
而更進一步的挑戰是突破彈性電路和多層封裝的極限，將所有元件都裝進耳塞式耳機或助聽器中。設計師需要考量到裝置的舒適性，確保不會從耳朵掉出來，還要同時兼顧良好的聽覺路徑，才能確保配戴感及內建的電子元件都不影響到聲音的質量。此外，還需要考慮助聽器是否導致封閉問題，即是否堵塞耳朵，阻止環境音的接收，還是呈現打開狀態，能同時聽到環境音。直到不久前，普遍認為若想要有效消除環境噪音，封閉設計是必要的，但近期創新顯示情況可能已有所改變。完全封閉耳道會導致濕氣積聚問題，尤其在長時間配戴下，未來可能會看到更多裝置採取開放設計。
這一切都不容易做到，這也是助聽器價格居高不下的原因之一。然而，越來越多晶片公司開始提供已完成大部分工作的參考設計。再加上與專業諮詢公司的合作夥伴計畫，藉由設計專業知識縮短上市時間，消費型耳塞式耳機市場以驚人的速度成長。然而，對於可以放入耳中的功能，仍處於起步階段。
迄今為止，最具野心的聽戴式裝置是Bragi的Dash。除了提供真正的無線立體聲外，還加入一個內部MP3播放器和快閃記憶體，讓人們出門跑步或去健身房時，即使手機遺忘在家中，仍然可以直接從耳塞式耳機聆聽所儲存的音樂。
Bragi意識到耳朵是大多數生理感測器在身體上的最佳使用部位，因此為Dash配備大量感測器和功能：共有九個自由度的動作感測功能，包括加速度計、磁力計和陀螺儀、溫度計、心率監測器和脈搏血氧儀。圖2顯示了所有元件及其相對大小，成就非凡，但很可惜超出當時市場需求。正如運動穿戴式手表製造商所發現，要讓客戶持續與其健康資料互動出乎意料地困難。不像音樂只需要消化別人的內容，健康資料需要大量的分析，才能變成對使用者而言有說服力的故事。
圖2 Bragi的Dash耳塞式耳機為第一款真正的聽戴式裝置
這令製造商陷入兩難的情況，如圖3所示。在有足夠的資料可轉化為任何有價值的東西之前，需要先擷取大量資料。這段期間，且需要花很多錢聘請資料科學家開發出能令人信服的意見回饋、支付雲端儲存和分析的持續成本，以及為每個新版本的手機作業系統更新應用程式。然而，並無法保證提供的意見回饋絕對足以令人信服，讓使用者願意每月支付訂閱費，藉此支付持續的開發成本。缺乏這種深入的洞察，使用者就會放棄，許多使用者最後將運動穿戴式手表收進臥室的抽屜，再也沒拿出來使用。況且，製造這些裝置的公司很少有資料分析的業務背景，通常只具備純硬體商業模型，恐怕只會讓這一切難上加難。
圖3 健康與健身資料的兩難
開發洞察商業模型的困難點，正是為什麼2020年出貨的5億具耳塞式耳機幾乎都只專注於一件事：播放內容，為使用者提供多種成熟的服務選項。合理推測，感測器終究會回歸聽戴式裝置，畢竟耳朵是測量生物特徵的可穿戴裝置的最佳使用部位，因為耳朵不太會動，且接近血脈流動處，是測量核心溫度的好位置，這些都優於手腕。但該產業已學到教訓，了解資料分析是一件難事，這表示感測器可能作為次要功能推出，讓擁有分析資源公司有時間開發出令人信服的意見回饋。此為Apple對Watch產品所採取的做法，需要經歷長期緩慢的發展過程。幸運的是，對於耳塞式耳機，已經有讓消費者願意購買的理由。
這一切都代表著令人興奮的市場潛力，耳塞式耳機是有史以來成長最快的消費型產品，且絲毫沒有減緩的跡象，因此值得探索藍牙低功耗音訊如何為市場帶來更多潛力。
(本文出自於藍牙技術聯盟《藍牙低功耗音訊指南》，作者為藍牙技術聯盟助聽器開發團隊主席與通用音訊開發團隊副主席)