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TWS耳机市场大热,国产厂商的机会何在?

TWS耳机市场大热,国产厂商的机会何在?

自2016年12月发布无线耳机AirPods后,苹果在2017年出货量达到约1700万对,2018年则翻倍至3500万对,到2019年迅速增长到6000万对。按均价200美元的AirPods计算,苹果在去年单靠无线耳机营收就达到120亿美元!由于AirPods“小创新”带来大收益,安卓系TWS市场也将引来爆发期,在此背景下,国产厂商的机会在哪里?

AirPods的“小创新”为苹果带来大收益

苹果于2016年12月正式发布无线耳机AirPods,2017年出货量约1700万对,而2018年则翻倍至3500万对,2019年快速增长到约6000万对。uZcesmc

按照均价200美元来算,苹果在2019年单靠这款无线耳机营收就达到120亿美元,对比TI和英伟达等芯片巨头的全部营收都高。据 AirPods产业链分析,其出厂价约为600元人民币。这样看来苹果的利润不会低于50%,这意味着去年苹果从AirPods获得的利润就超过60亿美元。苹果去年10月发布AirPods Pro,售价高达250美元,有市调机构预测2020年苹果AirPods销售量有可能达到0.8-1个亿,营收达到200亿美元。uZcesmc

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图1:苹果AirPods Pro拆解图。(来源:ifixit)uZcesmc

安卓系TWS市场即将爆发

经过3年的发展,TWS耳机即将进入爆发期。目前的市场趋势判断如下:uZcesmc

 * 苹果开创AirPods新品类,中高端iPhone用户开始使用;uZcesmc

 * 以华强北为代表的白牌TWS 耳机低价倾销市场,刺激普通消费者尝试体验 TWS 耳机,打开了TWS的大众市场需求;uZcesmc

 * 非手机品牌耳机厂商凭借产品质量与品牌优势,培育起主流用户需求,使得TWS 耳机向品牌厂商集中;uZcesmc

 * 手机品牌厂商凭借 TWS 耳机与智能手机搭配形成的生态带来更好的用户体验,使得 TWS耳机行业进一步向手机品牌厂商集中。uZcesmc

根据 IDC 最新数据,2019年全球耳机/可听戴设备的出货量为1.705亿副,较2018年的4860万副增长2.5倍。据估计,5G换机潮将会使手机重新恢复增长势头,预计 2022 年全球智能机将达到 16 亿部,其中安卓手机出货量将达到 13.8 亿部。为准确推算市场需求,我们将安卓手机划分为 0-1000 元、1000-2500 元、2500-3500 元、3500-4500 元、4500 元以上这五个价格段,来测算 2022 年安卓市场 TWS 耳机的市场规模。预估总销量约1.5 亿副,销售额在 803亿元左右。uZcesmc

若从ODM/OEM产业链的角度测算,预计2020-2022 年,全球 TWS 耳机(包括AirPods)出货量分别为1.67、2.57和4.10亿副,市场规模合计分别为 610、846和1254亿元(按ODM/OEM出厂价核算:AirPods ASP为600元;安卓TWS耳机ASP为140元)。uZcesmc

预计非 AirPods 耳机销量今年开始加速启动,2023年市场规模相比2019年将增长8倍,而AirPods同期类比增长近 2 倍。预计2023年整体TWS市场规模接近1400亿元,其中 AirPods占比 48.52%,非AirPods耳机占比51.48%,近乎平分市场。uZcesmc

TWS耳机的关键性能指标

从2014年就开始开发真无线蓝牙耳机的德国 Bragi一直被连接断线、双耳延迟和功耗等问题所困扰。 2017-2018 年 蓝牙技术传输方案还不成熟,各大厂商都在集中解决 TWS 耳机蓝牙断连、延迟等蓝牙技术传输问题。苹果AirPods采用独家的Snoop专利技术解决了双耳连接延迟不同步问题,即便售价昂贵也得到了消费者的认可,销售量逐年翻番。而其它厂商即便价格低廉,仍然销量不佳。随着蓝牙5.0协议和新一代蓝牙音频技术标准LE Audio的发布,以上问题有望得到改善和解决,TWS耳机的市场将迎来高速发展。uZcesmc

TWS 耳机的关键性能指标主要有五个方面,即蓝牙连接、音质、降噪、续航和智能化。uZcesmc

1.蓝牙标准及双耳同步传输技术方案

蓝牙5.0相比4.2标准在传输速度、范围、数据吞吐量和多设备支持方面都有很大提升,但转发模式性能并没有提升。然而其2M的带宽使得蓝牙设备可以流畅地传输指令,这就为智能语音的人机交互提供了技术保障。uZcesmc

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图2:新发布的蓝牙低功耗音频标准LE Audio有望解决TWS耳机双耳传输问题。(来源:Bluetooth SIG)uZcesmc

新的蓝牙音频技术标准--低功耗音频 LE Audio,采用了新编解码器 LC3、多流音频(Multi-Stream Audio)、助听(Hearing Aids)及广播(Broadcast)技术。其中多流音频可在智能手机等单一音频源设备以及单个或多个音频接收设备之间同步进行独立的音频流传输,使得TWS 耳机具有双耳传输体验。这样智能手机就能够同时向两个耳朵传输相同的音频信号,而无需再通过转发,从而提升蓝牙耳机的连接稳定性及降低延迟。安卓手机阵营的TWS 耳机厂商可以借助新标准来不断引进和研发新技术,以缩小与AirPods之间的差距。uZcesmc

AirPods采用监听模式,由苹果独家的Snoop专利技术所支持,其中副耳信号不需要主耳转发,而是通过一定的规则监听手机所发出的信号,从接收信号中找出主耳或者副耳各自的信号,因此解决了转发所带来的干扰、系统延迟、主副耳功耗不均衡等问 题,获得了很好的用户体验。uZcesmc

而传统的安卓系方案通过主耳转发的方式实现双耳立体声,但却面临如下问题:主耳转发的蓝牙信号容易被其它蓝牙和WiFi等信号干扰;转发本身会增加系统延迟;转发信号穿过人的身体问题。此外,由于转发导致了主耳的功耗相比副耳要高,当碰上误码要求重传数据包时会导致主耳功耗负载过重。以上原因导致苹果之外的TWS 耳机在连接稳定性、主副耳机的信号同步以及待机的时长等方面面临很多问题,这也是这几年安卓系TWS 耳机无法跟AirPods相提并论的主要原因。uZcesmc

为解决双耳连接和转发模式带来的问题,高通、MTK旗下的络达、恒玄科技和华为等芯片厂商纷纷开发各自的应对方案。uZcesmc

  * 络达的MCSync 技术。MTK络达于 2019 年初推出搭载新一代MCSync( Multi-Cast Synchronization)技术的AB1532 芯片。MCSync 具有连线稳定、减少断音跳音、支撑高解析音频码流、低延时、两耳耗电平衡以及各种手机平台都适用等优点。此外,MCSync 也支持多个扬声器连接。uZcesmc

 * 高通的TWS+(TrueWireless Stereo Plus)技术。TWS+是 Q-to-Q的连接技术,意即只能在使用高通 QCC5100/QCC30XX 蓝牙芯片的TWS 耳机与基于骁龙 845、670、 710 移动平台的手机之间实现。在 TWS+连接技术下,会有两路独立的音频流从手机直接传输到两个不 同的耳机,即左右声道独立连接。如果耳机跟手机通信过程中检测到手机不支持TWS+技术,耳机会自动转换到可以兼容几乎所有智能手机的 TWS 通用模式。uZcesmc

 * 恒玄科技的LBRT低频转发技术。这种专利技术可以解决目前真无线蓝牙耳机主副耳机之间的无线信号穿透力差的问题,它在双耳通信时利用磁传感应模式进行蓝牙耳机的信号接收。不同于一般的2.4G信号,该技术本身不受其他信号干扰,本质上可以保证信号稳定。基于该技术的BES2300蓝牙芯片在支持蓝牙5.0、主动降噪和更高音质的同时可大幅降低功耗,并且可以外接各种传感器和存储器。uZcesmc

 * 华为的双通道同步传输技术。其FreeBuds3耳机采用了华为自研的麒麟 A1 芯 片,基于这种双通道同步传输技术,可以实现左右耳机从手机端分别获得左右声道的信号(与高通的 TWS+技术类似),从而实现更高效率的传输和更低的功耗。在同样的干扰强度下,麒麟 A1 与苹果 H1基本 一致。在传输速率方面,麒麟 A1 芯片理论传输速率达到了 6.5Mbps。在连接音频时,无损音频的传输速率达到了2.3Mbps。此外,FreeBuds 3 搭配独立的 Audio DSP 处理 单元,时延被缩减到了 190ms,比 AirPods的 220ms还少 30ms。uZcesmc

2.音质

尽管蓝牙技术在消费市场已经推进到了 5.0,但蓝牙耳机传输音频仍使用蓝牙 2.1制定的 A2DP 1.2(Advanced Audio Distribution Profile)标准。因此,用蓝牙 5.0听歌和用蓝牙 2.1 听歌在音质上不会有质的区别。除了扬声器材质等物理硬件因素外,TWS 耳机的音质主要与蓝牙编解码技术、主控芯片性能及音频信号传输方式等因素有关。uZcesmc

虽然蓝牙 5.0 技术为音频提供了更大的通信容量,但音质的改善仍在于音频编码方式。CD 音质需要带宽为 1.41Mbit/s,而受限于A2DP 的传输能力,音频数据需要经过编码压缩后再通过A2DP传输,所以音频通过蓝牙传输是无法做到百分百还原的,而只能通过先进的压缩技术来提升音质。目前的高清音频编解码技术,主要以索尼 LDAC、高通 aptX HD,以及华为的 HWA 为代表。uZcesmc

索尼在 2015 年 CES 期间正式推出 LDAC 高解析音频技术,并于2017 年将该技术开放给 Android 8.0,该技术的音频处理质量非常高,现已成为安卓 8.0 的标配压缩技术。但是,编码器实现高清音频传输的前提是发送端和接收端的双向支持,而支持 LDAC 的 Android 8.0 只解决了发射端的问题,而LDAC 在接收端设备(耳机、音箱等)的普及还需要一些时间。uZcesmc

相比索尼 LDAC,高通在 2016 推出的 aptX HD 高清蓝牙音频编解码技术(支持 24 位/48 khz 音频),因为有 aptX 的铺垫(目前大约有 40 亿个设备支持,高通收购CSR公司而获得aptX技术),以及高通自身在芯片、通信等领域的优势,有更广泛的应用潜 力。uZcesmc

华为在 2018 年联合音频链路上的关键元器件供应商、设备商,一同制定了端到端的蓝牙高清音频解决方案HWA(Hi-Res Wireless Audio),其规格和 LDAC 相似,也属于无损级别的蓝牙音频编码。目前 HWA 高清音频无线传输标准与产业联盟也已经成立,成员包括漫步者、中科院声学所、AKM、Sennheiser、HiFiMAN、1MORE 万魔、惠威等。uZcesmc

此外,新一代蓝牙技术标准在音频方面不断改进,在音频解码器 LC3 方面,LE Audio 集成了全新的高音质、低功耗音频解码器 LC3,并且支持音频分享。这不仅可以优化蓝牙的传输效率,并且在一定程度上能够进一步缩小TWS 耳机的体积,将为开发者提供更大的灵活性,使其在产品设计时能够更好地在音质和功耗等关键产品属性之间进行权衡。uZcesmc

3.主动降噪

主动降噪(ANC)功能就是通过硬件降噪系统产生与外界噪音相等的反向声波, 将噪音中和,从而实现降噪的效果。ANC 降噪的工作原理是麦克风收集外部的环境噪音,然后系统变换为一个反相的声波加到喇叭端,最终人耳听到的声音是环境噪音+反相的环境噪音,两种噪音叠加从而实现感官上的噪音降低。ANC 主动降噪可分为前馈式主动降噪(头戴式耳机应用较多) 、反馈式主动降噪(容易引起啸叫),以及混合式主动降噪。uZcesmc

苹果的 AirPods Pro就是一款支持ANC的耳机,据称很好解决了两个难点,一是通过 SiP封装解决了空间占用问题,另一个是做了一个通气系统解决了耳内外压力差的问题,保证了佩戴舒适度。目前安卓系蓝牙技术平台都开始支持ANC,关键是看整机厂家能不能克服工程难题真正提升降噪体验。此外,高通 CSR 芯片还采用了软件降噪技术,也叫CVC降噪,即利用蓝牙耳机内部的芯片,把通话麦克风接收到的信号进行滤波处理,以降低外界的风噪,主要在打电话的时候起作用。uZcesmc

传感器厂商艾迈斯(ams)推出了适用于半入耳式耳机的主动降噪数字增强听觉方案AS3460,会根据周边环境而自动调整以增强用户听音体验。这种数字增强听觉方案有几个显著特点:高达40dB降噪效果;内置预设值,不同场景自动平滑切换降噪系数;听感自然的助听器模式可供选择,低延迟低底噪;针对性的信号增强,通话时突出人声、马路上突出汽车“特征音”等;无缝淡入淡出,听感顺滑;支持半入耳式耳机主动降噪。uZcesmc

4.续航

AirPods Pro采用了可充电纽扣锂电池,虽然容量增加了,但因为主动降噪(ANC)功耗大,续航能力并没有提高。纽扣电池相比圆柱形电池具有以下优点:能量密度高、体积小且质量轻、循环寿命长,以及方便正负极焊接和尺寸一致性良好等。华为、三星、索尼、1MORE、BOSE 等品牌 的2019 年款 TWS 耳机也都采用了纽扣电池方案。uZcesmc

增加续航还可以通过先进制程来实现,但是这意味着高昂的成本。苹果的 H1 芯片用的是16nm工艺,而安卓系大多是28nm 工艺。工艺先进功耗小,但是研发和制造成本很高,要求很大的出货量来分摊成本开销。按照当前品牌安卓机的出货量,很难支撑先进工艺的投入。功耗和性能的平衡是很复杂的事,用户体验的提升不只在转发技术一方面。安卓系的功耗困境今年将会有很大的进展,头部大厂的16nm 方案已经在研发中,体验提升和出货效应预期将带来突破,驱动安卓系竞争力上一个新的台阶。uZcesmc

5.智能化

像TWS耳机这类智能电声产品,除了具有播放、采集声音信息的功能,还将具备语音控制、语义识别、主动降噪、运动健康监测、虚拟现实声学,以及与其他智能设备互联等功能,能够满足消费者工作和生活中的多种复杂应用需求。uZcesmc

TWS耳机智能化功能主要体现在如下几个方面:uZcesmc

 * 与智能语音助手的软硬集成,如苹果AirPods开始支持 Siri、高通芯片与亚马逊Alexa集成等;uZcesmc

 * 搭载生物传感器,支持生物识别运动跟踪, 如Bragi的Dash Pro可让用户通过头部运动来直接控制耳机。AirPods单只耳机大概有 8 颗传感器,集合了语音加速感应器和光学传感器等。uZcesmc

 * 多种语言的实时翻译。uZcesmc

TWS产业链

TWS耳机主要包括两个无线耳机和一个充电盒,从零组件构成来看,无线耳机主要包括主控蓝牙芯片、存储芯片、音频解码器、各种传感器、柔性电路板FPC和电池等;充电盒部分主要包括微控制器、电源管理IC、过流保护IC和锂电池等。其中支持蓝牙5.0版本的主控蓝牙芯片成为耳机性能提升最关键的因素,目前主流TWS 蓝牙真无线音频方案主要来自苹果、华为、络达、恒玄、炬芯和高通等厂商。uZcesmc

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图3:TWS耳机产业链关键零部件及厂商。uZcesmc

存储厂商主要包括兆易创新、华邦电、Adesto、旺宏和赛普拉斯等。 电池厂商主要包括 德国Varta、亿纬锂能、紫建电子、鹏辉能源、国光电子、LG、欣旺达和赣锋锂业等。ODM厂商主要包括歌尔股份、立讯精密、共达电声、佳禾智能、瀛通通讯等。uZcesmc

值得一提的是TWS耳机所使用的SiP封装工艺。苹果从最新发布的AirPods Pro 开始导入SiP封装,虽然投入巨大,但是对耳机产品帮助很大,节省的空间可以做更多的增量特性,培养对消费者的更多黏性。随着电子零组件持续微小化至16/14 nm 工艺节点,芯片开始出现 RC延迟、电迁移、静电放电和电磁干扰等物理效应,而 SiP 采用物理分离的方法有效地避免了这些干扰,可以增加芯片之间的连接体直径、缩短信号行进的距离、降低功耗和驱动这些信号所需的功率。SiP 的工艺优势能有效降低 10-50%的成本,这一价格优势或将大规模推动产品应用。但SiP工艺综合运用了多种先进封装技术,封测厂商必须具备扎实的封测技术才能支撑SiP业务。uZcesmc

芯片厂商的新商机

主控蓝牙芯片

解决TWS耳机传输及音质问题的关键在于蓝牙技术与音频编解码技术发展,这些通常集成在TWS耳机的主控蓝牙芯片SoC 内,因而 SoC芯片对TWS 耳机信号传输及音质表现至关重要。AirPods搭载的是苹果自研的H1芯片,其它TWS 耳机SoC芯片在2018年之前主要由高通、恒玄(BES)及络达(Airoha)三家供 应。2018 年之后随着 TWS 耳机放量,新增玩家进入,比如瑞昱(Realtek)、珠海炬芯(Action)、原相(Pixart)和汇顶科技等。依据产业调研,TWS SoC芯片通常成本占比在10%-20%,而一些中低端蓝牙芯片价格已降至1.6 元。芯片供应商增加的同时芯片价格也在下降,这将带动整个 TWS 耳机行业快速发展,但主控芯片的竞争也将加剧。uZcesmc

汇顶科技在今年的CES上展示了基于蓝牙音频BLEA协议的TWS 耳机方案,该方案结合汇顶科技在音频、触控及入耳检测技术,搭配创新的软件算法,可实现一系列差异化功能,包括:无线多路同时连接,使左右耳塞可被快速识别与适配且音频同步,确保了双耳传输的稳定连接和功耗平衡;超低下行链路延迟,实现低延时音频传输;支持LC3标准编解码算法,带来更佳的音质享受;此外,该方案还采用了超低功耗、超小尺寸的全电容式入耳检测和触控二合一芯片,可在耳机上实现精准佩戴检测、单双击和上下滑动等智能交互操作。uZcesmc

存储芯片

TWS耳机配置大容量NOR Flash 是大势所趋。NOR Flash 是一种非易失闪存技术,传输效率很高,其优点是可在芯片内执 行代码(XIP,eXecute In Place),这样就不必再把代码读到系统 RAM 中。TWS 耳机为存储更多固件和代码程序,必须外扩一颗串行 Nor Flash存储器。刚开 始 Flash 多为 8Mbit 或者 16Mbit,但是后来厂商加入了 OTA 等功能,因此 32Mbit、 64Mbit 和 128Mbit 的 Nor Flash 被越来越多 TWS 厂商采用。uZcesmc

目前苹果AirPods采用 2 颗 128M Nor Flash,而其它TWS耳机存储容量在 4M-128M 之间。TWS耳机的降噪、音质及智能化会带动功能复杂度提升,算法代码存储需求也会增大, 预计 Nor Flash 的容量将继续扩大,未来有望进一步升级至 256M。目前TWS耳机的存储芯片主要由兆易创新供应,旺宏、华邦、Adesto和赛普拉斯也在加大参与和竞争力度。uZcesmc

充电和电源管理芯片

电源管理芯片虽然在耳机成本中占比较低,但是在耳机配套的充电盒成本中占比近50%,主要包含充电芯片、同步整流升压转换器、低压差稳压器、负载开关、输入过压过流保护芯片等。不论是续航还是充电,电源管理芯片都需要在保证TWS快充的同时又能减少对耳机电池的损害。目前电源管理芯片供应商包括TI、ST、NPX、英集芯和钰泰等,其中钰泰是率先进入 TWS耳机充电盒领域的国内IC企业,首次提出了 PowerSOC设计理念,通过单颗电源控制芯片实现了充电、放电、电量显示、 保护、低功耗待机等多种功能,其客户包括JBL、飞利浦、Anker 等知名品牌。2019 年底,圣邦股份宣布拟通过发行股份及支付现金的方式收购钰泰半导体。本次交易完成后,圣邦股份将直接持有钰泰半导体 100%股权,进而在TWS耳机的电源管理芯片市场占据更大的主导地位。uZcesmc

此外,在TWS耳机所需的微处理器、模拟IC和MEMS麦克风和传感器等元器件供应上,像韦尔股份、圣邦微、瑞声科技和歌尔声学等国产芯片厂商都将有更多机会。uZcesmc

本文为《国际电子商情》姐妹刊物《电子工程专辑》2020年4月刊杂志文章    uZcesmc

责任编辑:ElaineuZcesmc

原创
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顾正书
电子工程专辑(EETimes China)主分析师。
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