Cinque tecnologie principali degli auricolari TWS
Già nel 2014-2016, alcune aziende audio hanno lanciato sul mercato la prima generazione di auricolari veramente wireless, ma hanno riscontrato alcuni problemi con la connessione Bluetooth, il microfono, la batteria, ecc. Nel 2016, Apple ha ufficialmente annullato il jack audio da 3,5 mm sulla serie iPhone 7 e ha lanciato un nuovo prodotto, Apple AirPods, che può essere facilmente accoppiato con iPhone, iPod e MacBook in pochi secondi e la connessione senza interruzioni del Bluetooth è sorprendente. Grado incredibile.
Non appena Airpods è stato lanciato, questa soluzione con tecnologia di trasferimento a doppio canale e custodia di ricarica ha rapidamente dominato il mercato. Per un po', le True Wireless Stereo Headphones (TWS) sono diventate il tipo di cuffie più popolare sul mercato. I produttori di Android e audio hanno seguito l'esempio, come Sony, Beats, Bose, Jabra, Sennheiser, ecc. Tutti hanno lanciato i loro prodotti e i marchi TWS sul mercato cambiano ogni giorno che passa. Dopo oltre cinque anni di sviluppo, gli auricolari wireless TWS sono diventati il prodotto di elettronica di consumo in più rapida crescita.
In che modo TWS plus è correlato a TWS?
Quando si parla di TWS si sente spesso parlare di TWS plus, quindi quali sono le correlazioni e le differenze tra i due?
TWS
TWS utilizza Bluetooth 5.0 tecnologia di trasmissione dell'orecchio principale e ausiliaria. Quando si effettua il collegamento, è necessario collegare prima l'auricolare all'orecchio principale (di solito l'orecchio destro), quindi collegare l'ingranaggio principale e l'orecchio ausiliario, in modo da confrontare il tempo necessario per la connessione. lungo. Pertanto, TWS è più suscettibile alle interferenze esterne e il suo consumo energetico è elevato.
TWS più
TWS plus (True Wireless Stereo Plus) è la tecnologia proprietaria di Qualcomm, introdotta nel processore Snapdragon 845 di Qualcomm nel 2017 sui telefoni Android. TWS plus è un'evoluzione di TWS. Entrambi i suoi auricolari possono essere collegati direttamente alla sorgente audio. Come suggerisce il nome, le orecchie sinistra e destra possono funzionare in modo indipendente. Ciò consente a ciascun auricolare di ricevere il segnale audio corrispondente con una perdita minima, collegandosi rapidamente e risparmiando energia. Sebbene le cuffie compatibili con TWS plus offrano una qualità del suono superiore, la funzione dipende anche dalla compatibilità della sorgente audio.
Nel febbraio 2018, Qualcomm ha lanciato la tecnologia TWS plus per ottenere il normale lavoro tra le cuffie TWS utilizzando chip Bluetooth Qualcomm QCC5100/QCC30XX e telefoni cellulari basati su piattaforme mobili come Snapdragon 845/7XX/855/865. Utilizzando questa soluzione, ci saranno due collegamenti di comunicazione indipendenti che vengono trasmessi direttamente ai canali sinistro e destro per ottenere connessioni indipendenti. Durante la riproduzione di musica, anche se si rimuove un auricolare, la musica non verrà interrotta.
Lo status quo attuale è che tutti gli auricolari true wireless sono compatibili con TWS, ma non tutti supportano TWS plus .
Il boom del mercato TWS
Sebbene la tecnologia TWS sia sempre più utilizzata in laptop, tablet e TV, gli smartphone sono ancora il dispositivo di accoppiamento più popolare per TWS e i principali produttori di smartphone, tra cui Apple e Samsung, hanno staccato la spina dalle loro ultime versioni. Rimuovere il jack audio da 3,5 mm.
Al momento, il mercato degli auricolari TWS si è sviluppato da un cavallo nero a un cavallo d'oro e il mercato e il volume delle vendite sono cresciuti costantemente anno dopo anno. Nel suo Global Consumer Audio Survey 2020, Qualcomm ha affermato che l'adozione globale delle cuffie TWS è quasi raddoppiata dal 2019, dal 23% al 42%. Detto questo, circa il 42% dei consumatori utilizza le cuffie wireless per guardare la TV, i film e altri contenuti video. Si prevede che tale numero continuerà ad aumentare man mano che la durata della batteria migliora ulteriormente.
Secondo le previsioni della Grand View Research, la dimensione del mercato globale delle cuffie TWS sarà di circa 25,32 miliardi di dollari nel 2020 e si prevede che crescerà a un CAGR del 36,1% dal 2021 al 2028. Con la domanda in continua espansione di contenuti in streaming, insieme con la rapida adozione dei social media e delle applicazioni video brevi, la crescita del mercato delle cuffie TWS dovrebbe continuare ad accelerare nei prossimi anni.
Secondo Strategy Analytics, nel 2020 le vendite globali totali di cuffie Bluetooth hanno superato i 300 milioni e le vendite di cuffie TWS hanno superato la metà di questa cifra a 170 milioni. Nello specifico, il trend di sviluppo del mercato globale degli auricolari TWS è simile a quello del mercato degli smartphone di 10 anni fa. Apple guida il settore e occupa principalmente il mercato di fascia alta, mentre Android penetra gradualmente nel mercato di fascia bassa attraverso una strategia di prezzo basso e il suo trend di penetrazione Ci sono anche somiglianze con gli smartphone precedenti. I dati di ricerca di Strategy Analytics mostrano che con il lancio di AirPods Pro, le vendite di AirPods di Apple sono cresciute rapidamente da 1 milione nel 2016 a 15 milioni nel 2018 e l'incredibile cifra di 60 milioni nel 2019.
Gli analisti di Juniper Research stimano che Apple abbia venduto quasi 85 milioni di AirPods nel 2020, rappresentando circa il 70% delle entrate totali dei prodotti TWS e il 55% della quota di mercato dei prodotti venduti.
Dal punto di vista della distribuzione del marchio, il mercato delle cuffie TWS è stato fatto esplodere per la prima volta da Apple. Dopo diversi anni di sviluppo, il suo prodotto AirPods ha una quota di mercato molto elevata nel mercato di fascia medio-alta. Secondo i dati di analisi di Counterpoint, a partire dal secondo trimestre del 2020, le prime tre aziende nel mercato TWS sono Apple (35%), Xiaomi (10%) e Samsung (6%). mercato.
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Una delle tecnologie principali di TWS: Bluetooth 5.0
Bluetooth è una tecnologia di trasmissione wireless che teoricamente consente connessioni a corto raggio tra dispositivi entro 100 metri. In pratica, quando si utilizzano dispositivi di piccole dimensioni, si utilizza solitamente una distanza effettiva di circa 10 metri. La più grande caratteristica di Bluetooth è che consente ai dispositivi di comunicazione mobile e ai computer di collegarsi in rete e trasmettere dati e messaggi senza l'uso di cavi. Si può dire che la tecnologia Bluetooth sia un importante punto di svolta nello sviluppo delle cuffie, ed è una delle tecnologie più importanti in TWS.
Rispetto alla precedente generazione di Bluetooth 4.2, Bluetooth 5.0, uscito il 2{{10}}16 giugno, ha una distanza di trasmissione più lunga e una velocità di trasmissione più veloce. La distanza di trasmissione effettiva è 4 volte quella della versione BLE 4.2 e la velocità di trasmissione è 2 volte superiore. Le significative ottimizzazioni di Bluetooth 5.0 in termini di velocità di trasferimento e latenza consentono molte applicazioni per dispositivi wireless che richiedono più informazioni e una risposta più rapida. In termini di utilizzo pratico, l'elevata larghezza di banda di trasmissione di Bluetooth 5.0 rende possibile anche la conversazione bidirezionale TWS e il bit rate più elevato rende la riproduzione audio più naturale.
Bluetooth 5.2 rappresenta l'ultimo sviluppo della tecnologia Bluetooth. Nel 2020, Bluetooth SIG ha lanciato LE audio, una nuova generazione di standard di tecnologia audio Bluetooth. Si basa sullo standard Bluetooth 5.2 e adotta il nuovo decoder audio "LC3" con una buona qualità del suono e un basso consumo energetico, che può comprimere i dati audio in modo più efficiente e trasmettere più dati su una larghezza di banda inferiore senza sacrificare la qualità audio, il che è positivo per entrambi qualità audio ed efficienza energetica. Il progresso più atteso in Bluetooth 5.2 è l'introduzione di Sync Channel, una tecnologia che ci consente di connettere più dispositivi Bluetooth a un'unica sorgente. Immagina quanto sarebbe comodo connettersi a tutti i dispositivi contemporaneamente e passare automaticamente da uno all'altro senza dover modificare manualmente la connessione tra il telefono, il PC o la TV quando si utilizza il TWS a casa.
Il rapido sviluppo di TWS ha guidato il potenziamento industriale dei relativi produttori di filiera. I progressi tecnologici nel chip di controllo principale, nel chip di gestione dell'alimentazione, nel chip del ricevitore di ricarica wireless, nella batteria della scatola di ricarica, nella batteria degli auricolari, nel controllo touch e in altre tecnologie hanno migliorato le prestazioni e le funzioni delle cuffie TWS e offerto una migliore esperienza utente.
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La seconda tecnologia di base di TWS: chip di controllo principale Bluetooth
In TWS, l'importanza del chip master Bluetooth è evidente. Diversamente dai telefoni cellulari relativamente ingombranti e da altri auricolari, i requisiti di portabilità di TWS hanno requisiti più elevati in termini di dimensioni e integrazione del chip di controllo principale. Con l'aggiunta di nuovi moduli come la riduzione del rumore e sensori funzionali, vengono imposti requisiti più elevati sull'utilizzo dello spazio della cavità e sull'elevata integrazione del chip. Un SoC master Bluetooth con funzioni complete e un'elevata integrazione fornisce una forte garanzia per TWS per realizzare varie funzioni.
Al momento, ci sono dozzine di produttori nel mercato principale dei chip di controllo TWS, il mercato sta gradualmente maturando e la concorrenza tra i produttori è feroce. Il mercato di fascia alta è rappresentato da Apple, Qualcomm, Hengxuan e Broadcom, mentre il mercato di fascia medio-bassa include Luoda, Realtek e Lanxun. Secondo statistiche incomplete, a ottobre 2020 c'erano più di 22 produttori di chip Bluetooth master TWS in Cina.
Il System-on-chip (SoC) di Qualcomm QCC5124 è progettato per soddisfare le esigenze dei piccoli dispositivi per un'esperienza di ascolto Bluetooth wireless robusta, di alta qualità con un basso consumo energetico per una riproduzione audio più lunga. L'architettura QCC5124 è progettata per prestazioni elevate con un basso consumo energetico. Rispetto alla sua tecnologia precedente, il consumo energetico può essere ridotto fino al 65%, consentendo una riproduzione audio più lunga in quasi tutte le modalità operative.
Figura 3: Schema a blocchi del sistema QCC5124
(Fonte immagine: Qualcomm)
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Tre tecnologia di base di TWS: riduzione attiva del rumore
Negli ultimi anni, la funzione di riduzione del rumore degli auricolari TWS è stata prestata sempre più attenzione dai consumatori e la tecnologia di riduzione attiva del rumore (ANC) è diventata lo standard dei prodotti per auricolari di fascia alta. I dati delle ricerche di mercato di Qualcomm mostrano che il 71% dei consumatori è interessato alla cancellazione attiva del rumore come funzionalità.
Da quando Apple ha rilasciato AirPods Pro, le cuffie TWS hanno iniziato ad accelerare il passaggio a TWS più ANC. Allo stato attuale, gli auricolari Bluetooth tradizionali per la riduzione del rumore attivo sul mercato adottano tutti la soluzione della separazione del chip Bluetooth e del chip per la riduzione del rumore attivo. Per gli auricolari TWS con spazio interno ristretto, la soluzione a chip singolo non solo consuma meno energia, ma lascia anche più spazio per dispositivi acustici e moduli batteria. Pertanto, questa architettura diventerà anche il trend di sviluppo degli auricolari TWS. Ovviamente, oltre al chip di riduzione del rumore attivo, l'effetto di riduzione del rumore delle cuffie TWS è anche correlato al design della cavità delle cuffie e la fabbrica di chip deve lavorare a stretto contatto con i produttori OEM/ODM.
Il DA7401 di Dialog è un codec ANC mono ad alte prestazioni progettato per cuffie TWS e dispositivi indossabili con le orecchie intelligenti. Ha una gamma dinamica di riproduzione di 115 dB, una gamma dinamica di registrazione di 103 dB, ANC ibrido e un'architettura di clock flessibile.
Il DA7402 è un codec stereo ad alta fedeltà ad alte prestazioni e bassissima potenza che utilizza la tecnologia ANC ibrida digitale personalizzata di Dialog per fornire una maggiore reiezione del rumore ambientale in una gamma di frequenze più ampia, facendolo suonare in qualsiasi ambiente. per la migliore esperienza utente. Il DA7402 integra un processore audio che fornisce prestazioni audio eccellenti, inclusa una gamma di riproduzione dinamica di 115 dB e una frequenza di campionamento di 384 kHz. Inoltre, fornisce una larghezza di banda audio di 40 kHz per supportare l'audio ad alta risoluzione.
Il DA7402 è uno dei più piccoli codec digitali di cancellazione attiva del rumore oggi sul mercato, consuma metà della potenza delle soluzioni di chip leader di oggi e raddoppia le prestazioni audio, rendendolo ideale per cuffie sportive, dispositivi indossabili intelligenti, cuffie TWS e altro ancora .
Figura 4: Codec ANC serie DA740X
(Fonte immagine: Mouser)
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Tecnologia di base TWS quattro: microfono MEMS
Molte funzioni delle cuffie TWS richiedono sensori corrispondenti per fornire supporto hardware. Attualmente, le principali unità sensore delle cuffie TWS includono altoparlanti per la riproduzione di musica, microfoni MEMS per la riduzione attiva del rumore e la comunicazione, sensori ottici per il rilevamento in-ear, sensori di impronte vocali ossee per la riduzione del rumore di comunicazione e sensori 360 a sei assi per il suono surround , eccetera.
Nelle cuffie TWS, il microfono precedente veniva utilizzato principalmente per la funzione di chiamata vocale. Con l'applicazione della tecnologia di riduzione del rumore ANC negli auricolari TWS, per ottenere un migliore effetto di riduzione del rumore, sono state ampiamente utilizzate soluzioni di cooperazione multi-microfono e anche i requisiti di prestazione dei microfoni stanno diventando sempre più elevati. I chip di silicio MEMS presentano i vantaggi di dimensioni ridotte e forte stabilità. Poiché l'aggiunta di una funzione di riduzione del rumore pone requisiti più elevati sulle prestazioni del microfono, i microfoni MEMS sono diventati la prima scelta per i prodotti con cuffie TWS.
Il microfono MEMS ad alte prestazioni T5837/38 PDM di TDK presenta un elevato punto di sovraccarico acustico (AOP) di 133 dB SPL, un elevato rapporto segnale/rumore di 68 dBA e un'ampia gamma dinamica, che lo rendono ideale per applicazioni che vanno da molto silenziose a molto rumoroso, come gli altoparlanti intelligenti Field ai pickup vocali per applicazioni ANC TWS. Il microfono T5848 SmartSound I2S MEMS può fornire un punto di sovraccarico acustico elevato di 133dB SPL, un elevato rapporto segnale/rumore di 68dBA e un'ampia gamma dinamica, adatta per applicazioni che richiedono elevate prestazioni acustiche in ambienti dinamici e rumorosi.
Figura 5: microfono MEMS ad alte prestazioni di TDK serie T5837
(Fonte immagine: TDK)
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Tecnologia di base TWS cinque: chip di gestione dell'alimentazione
Il chip di gestione dell'alimentazione viene utilizzato principalmente per caricare e scaricare gli auricolari TWS, nonché per il monitoraggio in tempo reale di sovraccarico, scarica eccessiva, sovracorrente e temperatura e protezione da cortocircuito durante il processo di carica e scarica. Sebbene la potenza di carica e scarica del chip di gestione dell'alimentazione sia relativamente piccola rispetto ai dispositivi tradizionali, per gli auricolari TWS con elevati requisiti di portabilità è necessaria per sicurezza, basso consumo energetico, alta tensione di tenuta, elevata integrazione e alta efficienza. I requisiti sono relativamente elevati.
I MAX77650/MAX77651 sono chip di gestione dell'alimentazione (PMIC) altamente integrati e a bassissimo consumo, ideali per applicazioni indossabili a bassa potenza e con dimensioni limitate come TWS, dove le dimensioni e l'efficienza sono fondamentali. Entrambi i chip contengono un regolatore buck-boost SIMO che fornisce tre binari di alimentazione programmabili in modo indipendente.
Inoltre, l'LDO da 150 mA fornisce la reiezione dell'ondulazione per applicazioni audio e sensibili al rumore. Il caricabatterie lineare altamente configurabile supporta varie capacità della batteria agli ioni di litio e include il monitoraggio della temperatura della batteria per una maggiore sicurezza (JEITA). I multiplexer analogici in MAX77650/MAX77651 possono commutare più tensioni interne e segnali di corrente su nodi esterni per il monitoraggio con un ADC esterno. È disponibile un'interfaccia I2C bidirezionale per la configurazione e il controllo dello stato di funzionamento del dispositivo.
Figura 6: Schema a blocchi del sistema MAX77650
(Fonte immagine: Maxim)
Epilogo
Le cuffie TWS sono parte integrante dell'industria dei dispositivi audio intelligenti e di un mercato nascente. Yole Développement prevede che le spedizioni annuali di cuffie TWS, apparecchi acustici, smartwatch e altoparlanti intelligenti supereranno 1,3 miliardi di unità entro il 2026 e l'audio di alta qualità diventerà un must per molte applicazioni come giochi, esperienze AR/VR e suono 3D effetti. funzione di backup. Smartphone e auricolari hanno un altissimo grado di vestibilità ecologica. Attualmente, la spedizione globale di telefoni cellulari Android è circa 6 volte quella dei telefoni cellulari Apple. Si prevede che in futuro la quota di Android nel settore degli auricolari TWS aumenterà in modo significativo.
