呂佳秀的部落格

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自2016年12月發布無線耳機AirPods後，蘋果在2017年出貨量達到約1700萬對，2018年則翻倍至3500萬對，到2019年迅速增長到6000萬對。按均價200美元的AirPods計算，蘋果在去年單靠無線耳機營收就達到120億美元！由於AirPods「小創新」帶來大收益，安卓系TWS市場也將引來爆發期，在此背景下，國產廠商的機會在哪裡？ ... AirPods的「小創新」為蘋果帶來大收益 蘋果於2016年12月正式發布無線耳機AirPods，2017年出貨量約1700萬對，而2018年則翻倍至3500萬對，2019年快速增長到約6000萬對。 按照均價200美元來算，蘋果在2019年單靠這款無線耳機營收就達到120億美元，對比TI和英偉達等晶片巨頭的全部營收都高。據 AirPods產業鏈分析，其出廠價約為600元人民幣。這樣看來蘋果的利潤不會低於50%，這意味著去年蘋果從AirPods獲得的利潤就超過60億美元。蘋果去年10月發布AirPods Pro，售價高達250美元，有市調機構預測2020年蘋果AirPods銷售量有可能達到0.8-1個億，營收達到200億美元。 ... 圖1：蘋果AirPods Pro拆解圖。（來源：ifixit） 安卓系TWS市場即將爆發 經過3年的發展，TWS耳機即將進入爆發期。目前的市場趨勢判斷如下： * 蘋果開創AirPods新品類，中高端iPhone用戶開始使用； * 以華強北為代表的白牌TWS 耳機低價傾銷市場，刺激普通消費者嘗試體驗 TWS 耳機，打開了TWS的大眾市場需求； * 非手機品牌耳機廠商憑藉產品質量與品牌優勢，培育起主流用戶需求，使得TWS 耳機向品牌廠商集中； * 手機品牌廠商憑藉 TWS 耳機與智慧型手機搭配形成的生態帶來更好的用戶體驗，使得 TWS耳機行業進一步向手機品牌廠商集中。 根據 IDC 最新數據，2019年全球耳機/可聽戴設備的出貨量為1.705億副，較2018年的4860萬副增長2.5倍。據估計，5G換機潮將會使手機重新恢復增長勢頭，預計 2022 年全球智能機將達到 16 億部，其中安卓手機出貨量將達到 13.8 億部。為準確推算市場需求，我們將安卓手機劃分為 0-1000 元、1000-2500 元、2500-3500 元、3500-4500 元、4500 元以上這五個價格段，來測算 2022 年安卓市場 TWS 耳機的市場規模。預估總銷量約1.5 億副，銷售額在 803億元左右。 若從ODM/OEM產業鏈的角度測算，預計2020-2022 年，全球 TWS 耳機（包括AirPods）出貨量分別為1.67、2.57和4.10億副，市場規模合計分別為 610、846和1254億元（按ODM/OEM出廠價核算：AirPods ASP為600元；安卓TWS耳機ASP為140元）。 預計非 AirPods 耳機銷量今年開始加速啟動，2023年市場規模相比2019年將增長8倍，而AirPods同期類比增長近 2 倍。預計2023年整體TWS市場規模接近1400億元，其中 AirPods占比 48.52%，非AirPods耳機占比51.48%，近乎平分市場。 TWS耳機的關鍵性能指標 從2014年就開始開發真無線藍牙耳機的德國 Bragi一直被連接斷線、雙耳延遲和功耗等問題所困擾。 2017-2018 年 藍牙技術傳輸方案還不成熟，各大廠商都在集中解決 TWS 耳機藍牙斷連、延遲等藍牙技術傳輸問題。蘋果AirPods採用獨家的Snoop專利技術解決了雙耳連接延遲不同步問題，即便售價昂貴也得到了消費者的認可，銷售量逐年翻番。而其它廠商即便價格低廉，仍然銷量不佳。隨著藍牙5.0協議和新一代藍牙音頻技術標準LE Audio的發布，以上問題有望得到改善和解決，TWS耳機的市場將迎來高速發展。 TWS 耳機的關鍵性能指標主要有五個方面，即藍牙連接、音質、降噪、續航和智能化。 1.藍牙標準及雙耳同步傳輸技術方案 藍牙5.0相比4.2標準在傳輸速度、範圍、數據吞吐量和多設備支持方面都有很大提升，但轉發模式性能並沒有提升。然而其2M的帶寬使得藍牙設備可以流暢地傳輸指令，這就為智能語音的人機互動提供了技術保障。 ... 圖2：新發布的藍牙低功耗音頻標準LE Audio有望解決TWS耳機雙耳傳輸問題。（來源：Bluetooth SIG） 新的藍牙音頻技術標準--低功耗音頻 LE Audio，採用了新編解碼器 LC3、多流音頻(Multi-Stream Audio)、助聽（Hearing Aids）及廣播（Broadcast）技術。其中多流音頻可在智慧型手機等單一音頻源設備以及單個或多個音頻接收設備之間同步進行獨立的音頻流傳輸，使得TWS 耳機具有雙耳傳輸體驗。這樣智慧型手機就能夠同時向兩個耳朵傳輸相同的音頻信號，而無需再通過轉發，從而提升藍牙耳機的連接穩定性及降低延遲。安卓手機陣營的TWS 耳機廠商可以藉助新標準來不斷引進和研發新技術，以縮小與AirPods之間的差距。 AirPods採用監聽模式，由蘋果獨家的Snoop專利技術所支持，其中副耳信號不需要主耳轉發，而是通過一定的規則監聽手機所發出的信號，從接收信號中找出主耳或者副耳各自的信號，因此解決了轉發所帶來的干擾、系統延遲、主副耳功耗不均衡等問 題，獲得了很好的用戶體驗。 而傳統的安卓系方案通過主耳轉發的方式實現雙耳立體聲，但卻面臨如下問題：主耳轉發的藍牙信號容易被其它藍牙和WiFi等信號干擾；轉發本身會增加系統延遲；轉發信號穿過人的身體問題。此外，由於轉發導致了主耳的功耗相比副耳要高，當碰上誤碼要求重傳數據包時會導致主耳功耗負載過重。以上原因導致蘋果之外的TWS 耳機在連接穩定性、主副耳機的信號同步以及待機的時長等方面面臨很多問題，這也是這幾年安卓系TWS 耳機無法跟AirPods相提並論的主要原因。 為解決雙耳連接和轉發模式帶來的問題，高通、MTK旗下的絡達、恆玄科技和華為等晶片廠商紛紛開發各自的應對方案。 * 絡達的MCSync 技術。MTK絡達於 2019 年初推出搭載新一代MCSync( Multi-Cast Synchronization)技術的AB1532 晶片。MCSync 具有連線穩定、減少斷音跳音、支撐高解析音頻碼流、低延時、兩耳耗電平衡以及各種手機平臺都適用等優點。此外，MCSync 也支持多個揚聲器連接。 * 高通的TWS+(TrueWireless Stereo Plus)技術。TWS+是 Q-to-Q的連接技術，意即只能在使用高通 QCC5100/QCC30XX 藍牙晶片的TWS 耳機與基於驍龍 845、670、 710 移動平臺的手機之間實現。在 TWS+連接技術下，會有兩路獨立的音頻流從手機直接傳輸到兩個不 同的耳機，即左右聲道獨立連接。如果耳機跟手機通信過程中檢測到手機不支持TWS+技術，耳機會自動轉換到可以兼容幾乎所有智慧型手機的 TWS 通用模式。 * 恆玄科技的LBRT低頻轉發技術。這種專利技術可以解決目前真無線藍牙耳機主副耳機之間的無線信號穿透力差的問題，它在雙耳通信時利用磁傳感應模式進行藍牙耳機的信號接收。不同於一般的2.4G信號，該技術本身不受其他信號干擾，本質上可以保證信號穩定。基於該技術的BES2300藍牙晶片在支持藍牙5.0、主動降噪和更高音質的同時可大幅降低功耗，並且可以外接各種傳感器和存儲器。 * 華為的雙通道同步傳輸技術。其FreeBuds3耳機採用了華為自研的麒麟 A1 芯 片，基於這種雙通道同步傳輸技術，可以實現左右耳機從手機端分別獲得左右聲道的信號（與高通的 TWS+技術類似），從而實現更高效率的傳輸和更低的功耗。在同樣的干擾強度下，麒麟 A1 與蘋果 H1基本 一致。在傳輸速率方面，麒麟 A1 晶片理論傳輸速率達到了 6.5Mbps。在連接音頻時，無損音頻的傳輸速率達到了2.3Mbps。此外，FreeBuds 3 搭配獨立的 Audio DSP 處理 單元，時延被縮減到了 190ms，比 AirPods的 220ms還少 30ms。 2.音質 儘管藍牙技術在消費市場已經推進到了 5.0，但藍牙耳機傳輸音頻仍使用藍牙 2.1制定的 A2DP 1.2（Advanced Audio Distribution Profile）標準。因此，用藍牙 5.0聽歌和用藍牙 2.1 聽歌在音質上不會有質的區別。除了揚聲器材質等物理硬體因素外，TWS 耳機的音質主要與藍牙編解碼技術、主控晶片性能及音頻信號傳輸方式等因素有關。 雖然藍牙 5.0 技術為音頻提供了更大的通信容量，但音質的改善仍在於音頻編碼方式。CD 音質需要帶寬為 1.41Mbit/s，而受限於A2DP 的傳輸能力，音頻數據需要經過編碼壓縮後再通過A2DP傳輸，所以音頻通過藍牙傳輸是無法做到百分百還原的，而只能通過先進的壓縮技術來提升音質。目前的高清音頻編解碼技術，主要以索尼 LDAC、高通 aptX HD，以及華為的 HWA 為代表。 索尼在 2015 年 CES 期間正式推出 LDAC 高解析音頻技術，並於2017 年將該技術開放給 Android 8.0，該技術的音頻處理質量非常高，現已成為安卓 8.0 的標配壓縮技術。但是，編碼器實現高清音頻傳輸的前提是發送端和接收端的雙向支持，而支持 LDAC 的 Android 8.0 只解決了發射端的問題，而LDAC 在接收端設備（耳機、音箱等）的普及還需要一些時間。 相比索尼 LDAC，高通在 2016 推出的 aptX HD 高清藍牙音頻編解碼技術（支持 24 位/48 khz 音頻），因為有 aptX 的鋪墊（目前大約有 40 億個設備支持，高通收購CSR公司而獲得aptX技術），以及高通自身在晶片、通信等領域的優勢，有更廣泛的應用潛 力。 華為在 2018 年聯合音頻鏈路上的關鍵元器件供應商、設備商，一同制定了端到端的藍牙高清音頻解決方案HWA（Hi-Res Wireless Audio），其規格和 LDAC 相似，也屬於無損級別的藍牙音頻編碼。目前 HWA 高清音頻無線傳輸標準與產業聯盟也已經成立，成員包括漫步者、中科院聲學所、AKM、Sennheiser、HiFiMAN、1MORE 萬魔、惠威等。 此外，新一代藍牙技術標準在音頻方面不斷改進，在音頻解碼器 LC3 方面，LE Audio 集成了全新的高音質、低功耗音頻解碼器 LC3，並且支持音頻分享。這不僅可以優化藍牙的傳輸效率，並且在一定程度上能夠進一步縮小TWS 耳機的體積，將為開發者提供更大的靈活性，使其在產品設計時能夠更好地在音質和功耗等關鍵產品屬性之間進行權衡。 3.主動降噪 主動降噪(ANC)功能就是通過硬體降噪系統產生與外界噪音相等的反向聲波， 將噪音中和，從而實現降噪的效果。ANC 降噪的工作原理是麥克風收集外部的環境噪音，然後系統變換為一個反相的聲波加到喇叭端，最終人耳聽到的聲音是環境噪音+反相的環境噪音，兩種噪音疊加從而實現感官上的噪音降低。ANC 主動降噪可分為前饋式主動降噪（頭戴式耳機應用較多） 、反饋式主動降噪（容易引起嘯叫），以及混合式主動降噪。 蘋果的 AirPods Pro就是一款支持ANC的耳機，據稱很好解決了兩個難點，一是通過 SiP封裝解決了空間占用問題，另一個是做了一個通氣系統解決了耳內外壓力差的問題，保證了佩戴舒適度。目前安卓系藍牙技術平臺都開始支持ANC，關鍵是看整機廠家能不能克服工程難題真正提升降噪體驗。此外，高通 CSR 晶片還採用了軟體降噪技術，也叫CVC降噪，即利用藍牙耳機內部的晶片，把通話麥克風接收到的信號進行濾波處理，以降低外界的風噪，主要在打電話的時候起作用。 傳感器廠商艾邁斯(ams)推出了適用於半入耳式耳機的主動降噪數字增強聽覺方案AS3460，會根據周邊環境而自動調整以增強用戶聽音體驗。這種數字增強聽覺方案有幾個顯著特點：高達40dB降噪效果；內置預設值，不同場景自動平滑切換降噪係數；聽感自然的助聽器模式可供選擇，低延遲低底噪；針對性的信號增強，通話時突出人聲、馬路上突出汽車「特徵音」等；無縫淡入淡出，聽感順滑；支持半入耳式耳機主動降噪。 4.續航 AirPods Pro採用了可充電紐扣鋰電池，雖然容量增加了，但因為主動降噪(ANC)功耗大，續航能力並沒有提高。紐扣電池相比圓柱形電池具有以下優點：能量密度高、體積小且質量輕、循環壽命長，以及方便正負極焊接和尺寸一致性良好等。華為、三星、索尼、1MORE、BOSE 等品牌 的2019 年款 TWS 耳機也都採用了紐扣電池方案。 增加續航還可以通過先進位程來實現，但是這意味著高昂的成本。蘋果的 H1 晶片用的是16nm工藝，而安卓系大多是28nm 工藝。工藝先進功耗小，但是研發和製造成本很高，要求很大的出貨量來分攤成本開銷。按照當前品牌安卓機的出貨量，很難支撐先進工藝的投入。功耗和性能的平衡是很複雜的事，用戶體驗的提升不只在轉發技術一方面。安卓系的功耗困境今年將會有很大的進展，頭部大廠的16nm 方案已經在研發中，體驗提升和出貨效應預期將帶來突破，驅動安卓系競爭力上一個新的臺階。 5.智能化 像TWS耳機這類智能電聲產品，除了具有播放、採集聲音信息的功能，還將具備語音控制、語義識別、主動降噪、運動健康監測、虛擬現實聲學，以及與其他智能設備互聯等功能，能夠滿足消費者工作和生活中的多種複雜應用需求。 TWS耳機智能化功能主要體現在如下幾個方面： * 與智能語音助手的軟硬集成，如蘋果AirPods開始支持 Siri、高通晶片與亞馬遜Alexa集成等； * 搭載生物傳感器，支持生物識別運動跟蹤， 如Bragi的Dash Pro可讓用戶通過頭部運動來直接控制耳機。AirPods單只耳機大概有 8 顆傳感器，集合了語音加速感應器和光學傳感器等。 * 多種語言的實時翻譯。 TWS產業鏈 TWS耳機主要包括兩個無線耳機和一個充電盒，從零組件構成來看，無線耳機主要包括主控藍牙晶片、存儲晶片、音頻解碼器、各種傳感器、柔性電路板FPC和電池等；充電盒部分主要包括微控制器、電源管理IC、過流保護IC和鋰電池等。其中支持藍牙5.0版本的主控藍牙晶片成為耳機性能提升最關鍵的因素，目前主流TWS 藍牙真無線音頻方案主要來自蘋果、華為、絡達、恆玄、炬芯和高通等廠商。 ... 圖3：TWS耳機產業鏈關鍵零部件及廠商。 存儲廠商主要包括兆易創新、華邦電、Adesto、旺宏和賽普拉斯等。 電池廠商主要包括 德國Varta、億緯鋰能、紫建電子、鵬輝能源、國光電子、LG、欣旺達和贛鋒鋰業等。ODM廠商主要包括歌爾股份、立訊精密、共達電聲、佳禾智能、瀛通通訊等。 值得一提的是TWS耳機所使用的SiP封裝工藝。蘋果從最新發布的AirPods Pro 開始導入SiP封裝，雖然投入巨大，但是對耳機產品幫助很大，節省的空間可以做更多的增量特性，培養對消費者的更多黏性。隨著電子零組件持續微小化至16/14 nm 工藝節點，晶片開始出現 RC延遲、電遷移、靜電放電和電磁干擾等物理效應，而 SiP 採用物理分離的方法有效地避免了這些干擾，可以增加晶片之間的連接體直徑、縮簡訊號行進的距離、降低功耗和驅動這些信號所需的功率。SiP 的工藝優勢能有效降低 10-50%的成本，這一價格優勢或將大規模推動產品應用。但SiP工藝綜合運用了多種先進封裝技術，封測廠商必須具備紮實的封測技術才能支撐SiP業務。 晶片廠商的新商機 主控藍牙晶片 解決TWS耳機傳輸及音質問題的關鍵在於藍牙技術與音頻編解碼技術發展，這些通常集成在TWS耳機的主控藍牙晶片SoC 內，因而 SoC晶片對TWS 耳機信號傳輸及音質表現至關重要。AirPods搭載的是蘋果自研的H1晶片，其它TWS 耳機SoC晶片在2018年之前主要由高通、恆玄（BES）及絡達（Airoha）三家供 應。2018 年之後隨著 TWS 耳機放量，新增玩家進入，比如瑞昱（Realtek）、珠海炬芯(Action)、原相(Pixart)和匯頂科技等。依據產業調研，TWS SoC晶片通常成本占比在10%-20%，而一些中低端藍牙晶片價格已降至1.6 元。晶片供應商增加的同時晶片價格也在下降，這將帶動整個 TWS 耳機行業快速發展，但主控晶片的競爭也將加劇。 匯頂科技在今年的CES上展示了基於藍牙音頻BLEA協議的TWS 耳機方案，該方案結合匯頂科技在音頻、觸控及入耳檢測技術，搭配創新的軟體算法，可實現一系列差異化功能，包括：無線多路同時連接，使左右耳塞可被快速識別與適配且音頻同步，確保了雙耳傳輸的穩定連接和功耗平衡；超低下行鏈路延遲，實現低延時音頻傳輸；支持LC3標準編解碼算法，帶來更佳的音質享受；此外，該方案還採用了超低功耗、超小尺寸的全電容式入耳檢測和觸控二合一晶片，可在耳機上實現精準佩戴檢測、單雙擊和上下滑動等智能交互操作。 存儲晶片 TWS耳機配置大容量NOR Flash 是大勢所趨。NOR Flash 是一種非易失快閃記憶體技術，傳輸效率很高，其優點是可在晶片內執 行代碼（XIP，eXecute In Place），這樣就不必再把代碼讀到系統 RAM 中。TWS 耳機為存儲更多固件和代碼程序，必須外擴一顆串行 Nor Flash存儲器。剛開 始 Flash 多為 8Mbit 或者 16Mbit，但是後來廠商加入了 OTA 等功能，因此 32Mbit、 64Mbit 和 128Mbit 的 Nor Flash 被越來越多 TWS 廠商採用。 目前蘋果AirPods採用 2 顆 128M Nor Flash，而其它TWS耳機存儲容量在 4M-128M 之間。TWS耳機的降噪、音質及智能化會帶動功能複雜度提升，算法代碼存儲需求也會增大， 預計 Nor Flash 的容量將繼續擴大，未來有望進一步升級至 256M。目前TWS耳機的存儲晶片主要由兆易創新供應，旺宏、華邦、Adesto和賽普拉斯也在加大參與和競爭力度。 充電和電源管理晶片 電源管理晶片雖然在耳機成本中占比較低，但是在耳機配套的充電盒成本中占比近50%，主要包含充電晶片、同步整流升壓轉換器、低壓差穩壓器、負載開關、輸入過壓過流保護晶片等。不論是續航還是充電，電源管理晶片都需要在保證TWS快充的同時又能減少對耳機電池的損害。目前電源管理晶片供應商包括TI、ST、NPX、英集芯和鈺泰等，其中鈺泰是率先進入 TWS耳機充電盒領域的國內IC企業，首次提出了 PowerSOC設計理念，通過單顆電源控制晶片實現了充電、放電、電量顯示、 保護、低功耗待機等多種功能，其客戶包括JBL、飛利浦、Anker 等知名品牌。2019 年底，聖邦股份宣布擬通過發行股份及支付現金的方式收購鈺泰半導體。本次交易完成後，聖邦股份將直接持有鈺泰半導體 100％股權，進而在TWS耳機的電源管理晶片市場占據更大的主導地位。 此外，在TWS耳機所需的微處理器、模擬IC和MEMS麥克風和傳感器等元器件供應上，像韋爾股份、聖邦微、瑞聲科技和歌爾聲學等國產晶片廠商都將有更多機會。 本文為《國際電子商情》姐妹刊物《電子工程專輯》2020年4月刊雜誌文章

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博客來 https://www.books.com.tw/exep/assp.php/888words/products/0010569743

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