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耳機插孔即將走入歷史　無線耳塞引進高整合功能

2017-02-06

Kenichi Kiyozaki

現代生活中似乎所有東西都是無線連接，例如資料通訊、行動設備充電及音訊等。無線音訊市場正蓬勃發展，但是當你在飛機、火車或甚至在大街上環顧四周時，卻發現耳機或耳塞(又稱為入耳式耳機)這種最簡單裝置仍然主要利用耳機線來連線。

然而，最近一家主要智慧手機製造商的最新產品已經拋棄了歷史久遠的3.5mm耳機孔，事情可能從而發生變化。這是大膽但符合邏輯的行動，因為廠商已經認識到現在的技術已經達到採用無線耳塞(一對放入耳內的無線揚聲器)也能夠在可行的尺寸內提供所需的音訊性能、優勢和功能，以支援音樂播放和添加更多串流。再者，消除耳機孔使得廠商更容易改進智慧手機和其他可攜式/穿戴式設備的防水特點；當我們希望在任何戶外環境中使用這些產品時，防水是重要的優勢。最後一點，無線連接使得處理紊亂線纜的煩惱將成為歷史！

在此之前，無線音訊市場領域製造商主要關注的是生產揚聲器系統。這是由消費者對可攜性和易安裝的願望所推動的；在家裡隱藏線纜而不影響裝修效果，一直是個挑戰。

無線音訊市場正在明顯朝向快速增長期演變和發展。據研究公司Marketsandmarkets表示，到2022年，該市場預期將達到540億美元。再者，預估年均複合增長率(CAGR)將高達23.2%，顯示了該市場還可容納更多的變化和增長空間。這些未來增長大部分與智慧手機和其他可攜式裝置有關，最高增長領域從家庭音訊轉向可攜式消費性領域。實際上，這些行動裝置本身已經成為了重要的娛樂設備。而來自Grand View Research的進一步研究顯示，到2024年，僅耳塞和耳機市場將超過150億美元；該報告指出，技術進步和微型化是耳塞快速增長的關鍵推動力。

無線耳機在市場上的出現已經有一段時間，通過藍牙技術裝置用於智慧手機的免持應用，是最流行的應用之一。但是消費者變得更難滿足，他們希望在行動音訊體驗享受更多，主要由當今市場上一些可提供高音訊品質、具有噪音消除和增強低音等功能的高階耳機所提供。

因此，像許多今天的穿戴式設備一樣，設計和推出令人想要的耳塞是重大的挑戰。一方面，消費者正在尋求使用時間更長的超小型設備，這意味著能效及低功耗操作是關鍵。可是在另一方面，他們同時想要深重低音和噪音消除等功能，這在某種程度上可能相衝突。噪音消除帶來了另一層次的複雜性，要實現這些功能便需要加入麥克風和額外電路，但此舉會增加體積，並且提高了對電池的要求。

傳統耳機和耳塞之間的主要區別之一是對通用性的期望。耳機主要僅用於播放音樂，而讓人感興趣的耳塞方案通常預期可執行多項功能，包括播放、串流、無線同步聲音(WS2)、接聽電話以及與感測器連接。無線耳塞很可能還整合聲音指令識別技術。

由於可用空間有限，耳塞的半導體方案必須是低功率高整合。它們還必須提供優異的處理功率和音訊性能及其他特點，以支援多功能性。

現已有廠商開始陸續推出支援耳塞開發的相關零組件，如安森美的LC823450系列，該系列具備超低功耗高解析度音訊處理器，是市場上支援耳塞開發和廣泛採用的最新半導體元件之一。該系統單晶片(SoC)建基於雙核ARM Cortex-M3處理器和專有32位元數位訊號處理器(DSP)核心，採用1656KB SRAM和256KB ROM。SoC內高度整合的微控制器(MCU)共包括6個10位元類比數位轉換器(ADC)、一個即時時鐘及三個eMMC/SD介面(圖1)。

圖1 LC823450低功耗高解析度音訊處理系統框圖

由於系統的核心是建基於LPDSP32 DSP晶片的音訊引擎，從而能夠實現高解析度音訊處理(32位元和192KHz)。它帶有一個MP3編碼器，以及MP3、WMA和AAC格式的解碼器。音訊引擎內還內置大量專用音訊電路，包括低功率D級放大器、具備抖動隱藏功能的非同步取樣速率轉換器(ASRC)、六段等化器(EQ)及數位麥克風脈衝密度調變(PDM)介面。

LC823450的功能性和整合度水準非常高，不僅滿足耳塞應用的關鍵要求，而且其功率要求仍然保持非常低，通常每兆赫工作速度僅消耗110微瓦(Microwatt)。因此，採用兩節AAA電池的音訊播放時間便可超過120小時，比市場上其他產品長70%左右(圖2)。

資料來源：Portable Audio product catalog(10/2015)

圖2 LC823450的播放時間比其他LSI長70%

該元件XC和XD型號的占位面積(僅5.52mm×5.33mm)遠遠小於替代解決方案(圖3)，特別是考慮到一些其他方案不提供板載同步動態隨機存取記憶體(SDRAM)。可提供豐富的免版稅和免許可費的高級DSP程式庫選擇，幫助設計人員加速軟體設計和降低開發成本；這些程式包括噪音消除和可變速播放的DSP程式。