“音频的发展一直在变化,1877年爱迪生发明留声机,20世纪60年代出现卡带机,1982年索尼公司推出CD机,2001年苹果公司推出iPod……从1877年到2001年,在这上百余年时间里,音频产品的发展主要围绕不同存储介质,以及模拟音频到数字音频的转换。”

2022年8月17日,在由AspenCore主办的“2022中国IC领袖峰会”上,炬芯科技股份有限公司董事长&CEO周正宇博士以《让高品质的声音如影随“行”》为题,介绍了低延迟高音质音频的发展趋势,分析了蓝牙音频传输延迟的原因。同时,他还介绍了炬芯科技的无线音频方案,分享了无线音频技术“三级跳”规划。

炬芯科技股份有限公司董事长&CEO周正宇博士

音频行业上百年的创新之路

“回到一个老话题——‘音频’,其实它充满着活力与新意。也许很多人都清楚,爱迪生发明了电灯和电报,但并非所有人都知道,他还发明了留声机。”周正宇博士开门见山介绍了音频技术发展史——1877年,爱迪生发明留声机;20世纪60年代,市场上开始出现卡带机;上个世纪80年代,卡带机和喇叭裤成为中国年轻人的时尚标配;1982年,索尼公司推出了全球首台CD机;一直到2001年,苹果公司推出首款iPod,引领了MP3音频的潮流。

他总结说:“在从1877年到2001年,在这上百余年时间里,音频产品的发展主要围绕不同存储介质,以及模拟音频到数字音频的转换。”

在2001年之后,音频产品主要聚焦于网络的音频传输,代表产品包括智能音箱、无线耳机、PAN/WAN传输的音频产品。苹果公司的创新产品给音频行业带来了两次巨变:第一次是iPod引领的MP3浪潮,第二次是AirPods开创的TWS耳机销量先河。音频行业的这两轮巨变,标志着人类对美好声音永无止境的追求。

音频技术的五个发展趋势

谈及对美好声音的追求,周正宇博士表示,未来音频技术将朝着五个方向来发展:

1、无线化。其代表性应用包括了TWS耳机、7.1.4声道沉浸式无线音频家庭影院等。

2、低延迟。对音频无线化的需求,也催生了低延时需求。

3、高音质。主要体现在两个维度:一方面是采样率不断提高,从CD时代的44.KHz/48KHz,到高清、Hi-Res的96KHz@24bit/192K@24bit,再到发烧级别的384KHz@32bit;二是超高保真,THD+N(总谐波失真+噪声)<-135dB,精度接近千万分之一到千万分之二。

4、多连接和音乐分享。新一代LE Audio标准支持AuracastTM广播音频共享功能,Multi Stream多重串流音频功能,TWS耳机、助听器和无线扬声器等Auracast接收器兼容设备,可同时接收来自一个或多个Auracast发射器设备的音频广播。一对多单向音频播放功能将改变现有专用耳机的音频服务模式。

5、低功耗。音频设备将更便携、续航时间更久。

在周正宇博士看来,音频技术最具挑战性的是——在无线传输条件下同时满足高音质低延迟目标。

无线音频传输如何实现高音质低延迟

最新的蓝牙5.3标准在协议层能够做到低延迟。周正宇博士表示,蓝牙音频传输的延迟主要来源于:硬件本身带来的音频延迟,比如ADC、DAC带来的延迟;无线传输发射和接受端带来的延迟;为增强抗干扰使用的重传机制带来的延迟;无线音频传输的带宽限制,音频一定要做压缩和解压缩,不同压缩算法带来的延迟;实现以上各技术功能需要的缓存机制带来的延迟。

周正宇博士还对比了经典蓝牙(SBC)和LE Audio(LC3+)的延迟。他解释说,经典蓝牙要三个编码帧传输一次,LE Audio仅需一个编码帧就能传输一次。另外,过去每个数据包所接收到的时间不固定,现在每个数据包接收到的时间可预期,新标准可把此前25毫秒以上的延迟时间,降低到10毫秒左右。总的来看,LE Audiode延迟比经典蓝牙更低。

炬芯科技的DSP+CPU双核异构音频处理架构,能满足音频设备的低功耗、低延迟、高性能需求。据介绍,DSP+CPU双核异构音频处理架构采用算法、软件、硬件一体化设计理念,涵盖ADC(模数转换器)/DAC(数模转换器)为核心的音频信号链核心技术(ADC可达SNR(信噪比) 110dB,DAC可达SNR 120dB,延迟目标均低于100微秒)。既满足低功耗,又拥有高算力,可充分发挥CPU在应用开发中的有效性和DSP在音频前后处理及编解码上的专长。

炬芯科技耕耘音频市场二十余年

炬芯科技的前身叫做炬力集成,是中国最早的大型设计公司。凭借着MP3 SoC之王荣誉的加持,2005年炬力集成在美国纳斯达克成功上市。承接多年的技术沉淀及积累,炬芯科技在超低功耗设计、先进半导体工艺及高集成度上表现突出,2021年炬芯科技在科创板上市。“从炬力集成到炬芯科技,我们在音频领域耕耘了20多年。”周正宇博士感叹道。

TSR统计报告显示:2020年,炬芯科技在品牌蓝牙音箱SoC的市占率位列全球第二; 2018-2020年期间,炬芯科技TWS耳机SoC复合年增长率超100%。

值得注意的是,2021年,炬芯科技推出双模蓝牙音频智能手表芯片,在2022年Q2搭载该芯片的终端品牌客户量产出货。该方案不仅具备低功耗、长待机和高显示帧率的特点,而且还支持手表接听手机电话、本地音频播放和蓝牙发射功能。

除了以上成绩和解决方案之外,炬芯科技基于LE Audio技术,还能为当前音频行业的三大痛点场景应用,提供几款低延迟、低功耗、高音质的创新方案,全面满足家庭影院、无线电竞耳机、无线麦的需求。

1、ATS2835PL家庭影院解决方案

沉浸式无线音频体验是家庭娱乐的下一个重大飞跃。ATS2835PL低延迟5.1声道高音质家庭影院解决方案,采用蓝牙5.3 LE Audio与经典蓝牙共存的模式,基于LC3+编码的延迟可以低至15毫秒以下。相对2.4G私有协议功耗更低、音质更高,同时支持五个声道,可提供低延迟、高品质的音频体验。

ATS2835PL方案亮点:

  • 新一代RF性能;
  • 基于LC3+编码的低延迟≤15ms;
  • 双模在线(LE audio与经典蓝牙共存);
  • 相对2.4G私有协议功耗更低,音质更高;
  • 通用性更好,可以做为普通蓝牙音箱使用;
  • 支持5个声道无线收发。

    2、ATS2831PL双模共存单芯片SoC解决方案

其次是无线电竞耳机。传统的电竞耳机都是有线的,早期无线电竞耳机基于2.4G私有协议技术,无法与手机蓝牙功能连接,也不能在游戏时接电话。ATS2831PL双模共存单芯片SoC解决方案,端到端延迟小于20毫秒;支持高清48KHz音频双向同传;具备高抗干扰能力,音频传输稳定;支持多设备、多链接,可同时连接PC、游戏主机和手机。

ATS2831PL方案亮点:

  • 端到端延迟<20ms;
  • LE audio与经典蓝牙共存;
  • PC,游戏主机和手机全面兼容;
  • 双向48K高清语音同时传输;
  • 实时动态音效调节。

3、ATS2831PL LC3+无线麦克风方案

再次是无线麦克风。直播风口催生了无线麦克风行业,无线麦克风要求体积小、低延迟,因为需要跟视频发生同步,还要多发一收。ATS2831PL LC3+无线麦克风方案是当下把延迟做得最极致的产品,可做到10毫秒以内的延迟,多发一收,全链路48K高清语音。目前,科大讯飞、猛犸、绿联等企业的无线麦克风产品有使用该方案。

ATS2831PL LC3+亮点:

  • 单芯片SoC解决方案;
  • 集低延迟传输链路,高品质音频编解码和降噪于一体;
  • 两发一收,全链路48K高清语音;
  • 端到端延迟目标<10ms,传输距离>200米;
  • 高保真AI降噪,各种噪音环境自适应。

炬芯科技音频技术三级跳规划

在演讲的最后环节,周正宇博士介绍了炬芯科技音频技术的“三级跳”计划。

第一级,是在LE Audio(蓝牙5.3)基础上,将音频的延迟控制在10毫秒以内。在前文中,已经分析了与经典蓝牙相比,LE Audio在低延迟方面的优势,包括具有效率更高的编码帧传输机制、可预测的包接收时间,更低延迟的编解码LC3和LC3 plus技术等。

第二级,在类似蓝牙音频的大框架下,全面创新2.4G或5.8G私有协议,把延迟控制在5毫秒以内。扩宽无线带宽(如6Mbps),相对更简单的压缩,既提高音质,又降低延迟;引入前向纠错技术,减少重传、甚至不重传;前向纠错技术和更高的带宽有助于简化编解码算法,有利于对输入/输出做硬件优化。

第三级,引入UWB超宽带技术,打造低延迟高音质音频,把延迟控制在2毫秒以内。单声道96KHz 24bit需要压缩,UWB可以数10Mbps的速度运行,它支持的8声道96KHz 24bit不需压缩,这样也不用编码/解码,这样的抗干扰性更好,减少重传或无需重传。

周正宇博士坚信,炬芯科技在音频行业的追求,能真正让高品质的声音如影随“行”。

责编:Amy.wu
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