隨著對(duì)高清音頻的興趣持續(xù)攀升，對(duì)具有高級(jí)功能的高清 TWS 耳機(jī)的巨大需求正在達(dá)到頂峰。本文介紹了高清音樂傳輸背后的技術(shù)，以及音頻設(shè)計(jì)師如何滿足日益增長的需求。

行業(yè)專家注意到對(duì)高清音頻無線耳機(jī)的需求穩(wěn)步增長。隨著各個(gè)年齡段的人（包括與年齡相關(guān)的聽力下降的人）尋求全高清聲音體驗(yàn)，研究還指出，對(duì)聽覺個(gè)性化的需求不斷增加，以彌合音頻和聽覺之間的差距。這些趨勢正在推動(dòng)音樂傳輸鏈各個(gè)階段的高清音頻支持的發(fā)展。

高清音頻的演變

術(shù)語高清音頻（或高分辨率音頻）沒有嚴(yán)格的技術(shù)定義。它通常用于描述支持比此類設(shè)備采用早期可用的更高數(shù)據(jù)速率的音頻系統(tǒng)。該術(shù)語最初用于描述可以支持比光盤 （CD） 標(biāo)準(zhǔn)更高的數(shù)據(jù)速率的數(shù)字音頻系統(tǒng)。這包括替代磁盤格式，以及后來包含數(shù)字音頻記錄的文件。它也被應(yīng)用于音頻流，最近被應(yīng)用于能夠提供比典型音頻質(zhì)量更好的無線耳機(jī)。

音頻錄制和分發(fā)方面的改進(jìn)提高了移動(dòng)收聽者可用的數(shù)據(jù)速率。由于藍(lán)牙限制，無線耳機(jī)落后。然而，較新的藍(lán)牙編解碼器使無線耳機(jī)能夠提供高清音頻。這對(duì)包括驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)的音頻硬件提出了新的要求。本文將解釋與高清音頻相關(guān)的技術(shù)術(shù)語，描述從音源到耳機(jī)的音頻鏈的改進(jìn)，以及如何使用平衡電樞 （BA） 高音揚(yáng)聲器和動(dòng)態(tài)低音揚(yáng)聲器結(jié)合 ANC、減少遮擋、和聽力個(gè)性化。

技術(shù)背景

數(shù)字音頻格式最簡單地用它們的采樣率和位深度來描述。數(shù)字音頻通過及時(shí)快速采樣信號(hào)幅度來表示模擬聲音。測量每個(gè)樣本的幅度并保存為二進(jìn)制數(shù)。每秒的樣本數(shù)就是采樣率。用來描述幅度的二進(jìn)制數(shù)的大小就是位深度。

采樣率

圖 1：數(shù)字音頻中的采樣率和位深度。

歸功于奈奎斯特（以及香農(nóng)和惠特克）的信息論指出，我們必須每個(gè)周期至少對(duì)正弦波進(jìn)行兩次采樣，以準(zhǔn)確捕獲其信息。否則，重建的輸出將是錯(cuò)誤頻率處的混疊，如圖 2a 、 3和 2b 所示。別名是以“Nyquest 頻率”（采樣率的 1/2）為軸的頻域鏡像。

對(duì)于音樂，采樣率必須至少是要再現(xiàn)的最高頻率的 2 倍。因此，如果要表示的最大音頻頻率為 20 kHz，則需要 40 kHz 的采樣率。這需要在 ADC 上使用非常銳利的 20 kHz 低通濾波器。任何通過濾波器的 20 kHz 以上的音頻在轉(zhuǎn)換回模擬時(shí)都將被重新創(chuàng)建為可聽見的別名，從而降低音樂的保真度。因?yàn)闆]有一個(gè)濾波器是完美的，所以在現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)踐中，在要表示的最高頻率和采樣限制之間提供了一些余量。在光盤格式中，要采樣的音頻經(jīng)過低通濾波到 20 kHz。采樣率設(shè)置為 44.1 kHz，略高于 40 kHz 的理論極限，以提供濾波器余量。

圖 2a 和 2b：時(shí)域和頻域中的別名

位深

用于描述樣本的詞的大小或位深度決定了每個(gè)樣本被數(shù)字化的準(zhǔn)確程度。想象一下通過四舍五入來描述一個(gè)人的身高。然后你可以說某人有兩三米高。第二個(gè)數(shù)字會(huì)更好，可以將某人描述為 2.1 或 2.2 米高。這仍然有點(diǎn)粗糙，但可以繼續(xù)添加數(shù)字，直到提供足夠的分辨率。

數(shù)字音頻也是如此。每次在二進(jìn)制字中使用一個(gè)附加位時(shí)，可以用兩倍數(shù)量的值來描述幅度。這反過來又將誤差減少了兩倍。雖然人們會(huì)直觀地認(rèn)為四舍五入會(huì)導(dǎo)致失真，但事實(shí)證明，通過應(yīng)用一點(diǎn)點(diǎn)稱為抖動(dòng)的噪聲，誤差（量化誤差）可以從失真轉(zhuǎn)換為噪聲。因此，一個(gè)好的錄音系統(tǒng)沒有失真，并且每增加一位深度，本底噪聲就會(huì)下降 6 dB。最響亮的未失真聲音與本底噪聲之間的比率為 6 * 位深度。

由于數(shù)字系統(tǒng)是建立在 8 位的倍數(shù)之上的，因此數(shù)字音頻使用 8 位的倍數(shù)來表示其字長。非常早期的計(jì)算機(jī)音頻僅使用 8 位。將本底噪聲僅比最響亮的音樂低 48 分貝并不是很實(shí)用。光盤支持 16 位深度，提供 96 dB 的信噪比。這涵蓋了一個(gè)非常有用的范圍。如果將播放音量設(shè)置為合理的水平，則歌曲之間剩余的嘶嘶聲低于聆聽環(huán)境中的背景聲音。隨著音量的提高，歌曲之間或安靜的段落中可能會(huì)出現(xiàn)一些可聽見的嘶嘶聲。因此，可以提出使用更高位深度來減少總系統(tǒng)噪聲的該分量的論據(jù)。

圖 3：增加采樣率和位深度的影響

壓縮

光盤的組合比特率為 16 比特/樣本 ? 44，100 樣本/秒 ? 2 個(gè)通道 = 1，411 千比特/秒 （kbps）。這種數(shù)據(jù)速率太大，無法用于早期的數(shù)字音頻播放器。下載歌曲花費(fèi)的時(shí)間太長，可用內(nèi)存有限。為了解決這個(gè)問題，開發(fā)了壓縮方法。模式識(shí)別可用于對(duì)數(shù)據(jù)流中的 1 和 0 的模式提供更簡潔的描述。這就是在計(jì)算機(jī)中壓縮數(shù)據(jù)文件的想法。一些文件可以壓縮到小于原始大小的 1/10，然后在以后恢復(fù)而不會(huì)丟失。

使用這些方法無法大量壓縮音樂文件。通過使用線性預(yù)測算法，可以獲得一些改進(jìn)。然而，壓縮比仍然很少超過 2:1。由于沒有數(shù)據(jù)丟失，這些被稱為無損編碼器。兩個(gè)流行的例子是 FLAC 和 Apple 無損壓縮。

為了進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)速率，可以使用人類聽覺的心理聲學(xué)模型來最小化丟棄數(shù)據(jù)的可聽度。一種聲音隱藏另一種聲音以防止人類感知是很常見的。（見圖 4。）4通過以較低的速率對(duì)隱藏的聲音進(jìn)行編碼或完全丟棄它們，可以降低整體數(shù)據(jù)速率。雖然心理聲學(xué)壓縮方法有所改進(jìn)，但即使是設(shè)計(jì)最好的編碼器仍會(huì)導(dǎo)致一些可聽偽影5。較低的壓縮率會(huì)以更大的文件和更高的數(shù)據(jù)速率為代價(jià)提供更少和更溫和的聲音偽像。這是高清音頻流運(yùn)動(dòng)背后的科學(xué)，通過以更高速度傳輸音樂的能力成為可能。

擴(kuò)展帶寬

“高清音頻”和“高分辨率音頻”這兩個(gè)術(shù)語經(jīng)常作為同義詞使用，但這可能會(huì)導(dǎo)致混淆。“高清音頻”用于描述具有比傳統(tǒng)使用更高數(shù)據(jù)速率的任何音頻。日本音頻協(xié)會(huì) （JAS） 授權(quán)將“Hi-Res Audio”標(biāo)志用于滿足特定要求的硬件，包括能夠再現(xiàn)高達(dá) 40 kHz 的音頻。（確切的要求可以從 JAS 獲得許可）。

圖 4：圖 4：響亮的聲音掩蔽對(duì)具有相似頻率的較安靜聲音的感知

高清音頻是增加采樣率、增加位的任意組合的結(jié)果 圖 3. 增加采樣率和位深度的效果。圖 4. 響亮的聲音掩蓋了具有相似頻率的較安靜聲音的感知。TWS 耳機(jī)/WP07 4 深度中的高清音頻，并降低壓縮率。如果采樣率增加到超過 44.1 kHz，數(shù)字化音頻將更接近原始信號(hào)，這反過來有助于在整個(gè)傳輸鏈中保持保真度。將帶寬擴(kuò)展到 20 kHz 以上也成為可能。并非所有高清音頻格式和設(shè)備都具有超過 20 kHz 的帶寬，但有些有，尤其是那些以 JAS 認(rèn)證為目標(biāo)的設(shè)備。

音樂傳播鏈

為了讓聽眾聽到高清音頻，管道中的每一步都必須具有足夠的質(zhì)量。其中包括原始歌曲準(zhǔn)備過程、下載或流媒體服務(wù)、播放系統(tǒng)、耳機(jī)連接以及耳機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。

記錄和交付

音樂錄音設(shè)備廣泛可用，允許以各種采樣率和位深度進(jìn)行存儲(chǔ)，其中許多超過了光盤規(guī)格。一旦音樂被記錄下來，它就必須交付給用戶。文件下載服務(wù)支持高清音頻已有一段時(shí)間了。最近，大多數(shù)流行的流媒體服務(wù)已經(jīng)宣布或已經(jīng)提供無損 CD 質(zhì)量作為基準(zhǔn)，并且它們的庫中越來越多的具有高比特率高清的子集，通常不收取額外費(fèi)用。

音樂播放硬件

今天，人們可以使用各種設(shè)備（包括專用音樂播放器、手機(jī)、PC 等）收聽下載或流式傳輸?shù)囊纛l。高清音頻播放在這些設(shè)備中廣泛可用。支持高清音頻的額外成本相對(duì)較低，通常支持高達(dá) 192 kHz 的采樣率和高達(dá) 32 位的字長。在某些情況下，這些設(shè)備（如果有的話）的模擬耳機(jī)輸出被限制在 20 kHz，并且通常不具有超過 16 位的噪聲性能。但是，在這些情況下，可以將外部 DAC 插入數(shù)字端口以獲得更高的性能。

耳機(jī)編解碼器

鏈條的最后一步是耳機(jī)。在無線耳機(jī)中，一個(gè)關(guān)鍵的限制因素是藍(lán)牙無線電鏈路。藍(lán)牙編解碼器 （COder/DECoder） 在傳輸?shù)蕉鷻C(jī)之前會(huì)降低數(shù)據(jù)速率。為了滿足無線耳機(jī)和 TWS 中對(duì)優(yōu)質(zhì)音頻日益增長的需求，已經(jīng)引入了具有更高數(shù)據(jù)速率的編解碼器。（表 1。）在設(shè)計(jì)合理的耳機(jī)中，這些較新的編解碼器可以提供更高保真度的聆聽體驗(yàn)，即使不是完全無損。更進(jìn)一步，高通最近宣布他們打算支持通過藍(lán)牙無損傳輸 CD 質(zhì)量的音頻。6

一些新的高清藍(lán)牙編解碼器支持?jǐn)U展帶寬。然后耳機(jī)可以再現(xiàn) 20 kHz 以上的頻率。圖 5 顯示了市售 TWS 耳機(jī)的響應(yīng)曲線測量。高達(dá) 40 kHz 的顯著輸出可見。

表 1：CD 標(biāo)準(zhǔn)和常用藍(lán)牙編解碼器表 1：CD 標(biāo)準(zhǔn)和常用藍(lán)牙編解碼器

圖5：漫步者Neobuds Pro TWS帶寬對(duì)比

高清TWS耳機(jī)音頻設(shè)計(jì)

購買 HD TWS 耳機(jī)的客戶對(duì)音頻的期望值非常高。由于整體功能集和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可用的空間有限，聲學(xué)設(shè)計(jì)在 TWS 耳機(jī)中尤其具有挑戰(zhàn)性。TWS 耳機(jī)必須舒適地貼合耳朵，并且必須越來越多地提供 ANC 和其他高級(jí)功能。這給聲學(xué)設(shè)計(jì)師帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

ANC 和高清音頻的需求之間的交互尤為重要。為了在嘈雜的環(huán)境中提供有效的 ANC，驅(qū)動(dòng)器必須支持低失真的高低音輸出。用于減少遮擋的泄漏或半開放式設(shè)計(jì)對(duì)低音輸出提出了更高的要求。同時(shí)，高清音頻播放需要將高音輸出擴(kuò)展至 20kHz 甚至更高，尤其是在尋求 JAS Hi-Res Audio Wireless 認(rèn)證的情況下。隨著揚(yáng)聲器尺寸的減小，使用單個(gè)動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器同時(shí)滿足這兩個(gè)要求變得越來越困難。然而，現(xiàn)代 TWS 設(shè)計(jì)的目標(biāo)是小巧、舒適的外形。

圖 6：Knowles ref 的頻率響應(yīng)。設(shè)計(jì)混合

為了滿足這些看似矛盾的需求，許多耳機(jī)使用單獨(dú)的動(dòng)態(tài)低音揚(yáng)聲器和 BA 高音揚(yáng)聲器來代替單個(gè)全頻驅(qū)動(dòng)器。這種混合配置提供了更平滑和更擴(kuò)展的高頻響應(yīng)，同時(shí)減少了對(duì)可增加功耗和減少動(dòng)態(tài)余量的電子均衡的需求。低音揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)專注于為音樂、ANC 和減少遮擋提供強(qiáng)勁的低音，而 BA 高音揚(yáng)聲器經(jīng)過優(yōu)化，可再現(xiàn)清晰獨(dú)特的高音以支持高清播放。

BA 高音揚(yáng)聲器還支持以低功耗驅(qū)動(dòng)高高音增益，使其成為提供聽覺個(gè)性化的耳機(jī)的理想選擇。當(dāng)啟用個(gè)性化時(shí)，它們的密封、封閉式設(shè)計(jì)限制了對(duì)麥克風(fēng)的聲學(xué)反饋的可能性。為了滿足這些看似矛盾的需求，許多耳機(jī)使用單獨(dú)的動(dòng)態(tài)低音揚(yáng)聲器和 BA 高音揚(yáng)聲器來代替單個(gè)全頻驅(qū)動(dòng)器。這種混合配置提供了更平滑和更擴(kuò)展的高頻響應(yīng)，同時(shí)減少了對(duì)可增加功耗和減少動(dòng)態(tài)余量的電子均衡的需求。低音揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)專注于為音樂、ANC 和減少遮擋提供強(qiáng)勁的低音，而 BA 高音揚(yáng)聲器經(jīng)過優(yōu)化，可再現(xiàn)清晰獨(dú)特的高音以支持高清播放。

這樣的設(shè)計(jì)還為驅(qū)動(dòng)器的布置提供了更大的自由度。它可以將低音揚(yáng)聲器移動(dòng)到與耳塞不太直接對(duì)齊的位置或角度，同時(shí)仍將 BA 高音揚(yáng)聲器保持在開口附近，以最大限度地減少高音揚(yáng)聲器和耳塞之間滯留的空氣慣性。耳機(jī)整體形狀更加靈活，可實(shí)現(xiàn)最大的高音延伸，在不損失高頻性能的情況下提高用戶舒適度。

使用 BA 高音揚(yáng)聲器可提供多種工具來調(diào)整高頻響應(yīng)?？梢詫?duì)高音揚(yáng)聲器開口附近的聲學(xué)特征進(jìn)行整形以進(jìn)一步細(xì)化高頻輸出。可以調(diào)整分頻器以平滑混合低音揚(yáng)聲器和高音揚(yáng)聲器信號(hào)?？梢酝ㄟ^選擇更高或更低的線圈阻抗來調(diào)整高音揚(yáng)聲器的靈敏度，以更好地匹配低音揚(yáng)聲器。最終整形可以通過 DSP 調(diào)諧來完成。BA 高音揚(yáng)聲器的高擴(kuò)展輸出最大限度地減少了增加高音增益以產(chǎn)生所需基線響應(yīng)的需要。

圖 7：Knowles RAN 高音揚(yáng)聲器與典型 8 毫米動(dòng)圈揚(yáng)聲器相比的高音響應(yīng)。高音揚(yáng)聲器提供的額外動(dòng)態(tài)余量減少了增加高音增益的需要，尤其是在個(gè)性化音頻時(shí)

每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都可以由自己的放大器驅(qū)動(dòng)，從而在塑造響應(yīng)方面更加靈活。Bowers & Wilkins PI7 7和 Edifier Neobuds Pro 8是使用獨(dú)立放大器和有源分頻器的 TWS 耳機(jī)的兩個(gè)示例。

還可以使用高音揚(yáng)聲器提供遠(yuǎn)高于 20 kHz 的響應(yīng)。圖 7 將 Knowles BA 高音揚(yáng)聲器模型 RAN 的高音輸出與典型的 8 毫米動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器進(jìn)行了比較。BA 高音揚(yáng)聲器提供了高清音頻所需的更高的高音輸出和擴(kuò)展，包括支持聽覺個(gè)性化或增強(qiáng)的能力。

結(jié)論

消費(fèi)者對(duì) TWS 耳塞的高清音頻質(zhì)量要求越來越高。向聽眾交付高清需要升級(jí)交付鏈中的所有階段。音樂流媒體服務(wù)、手機(jī)和藍(lán)牙編解碼器能夠提供比以往更高的保真度?，F(xiàn)在是 TWS 耳機(jī)設(shè)計(jì)師充分利用這些變化來滿足消費(fèi)者需求的時(shí)候了。為此，還必須密切關(guān)注驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。帶有動(dòng)態(tài)低音揚(yáng)聲器和 BA 高音揚(yáng)聲器的混合驅(qū)動(dòng)器是高清音頻 TWS 耳機(jī)的最佳解決方案。

審核編輯：郭婷