蓝牙耳机工作原理

蓝牙耳机是目前主流的耳机类型，蓝牙耳机硬件主要包括天线、芯片、电池三大部分

天线：用来接收蓝牙信号，内置到耳机里。天线性能越好，蓝牙连接的稳定性越高。

芯片：用来实现蓝牙接收、信号转换、数模转换、信号放大、信号编解码

电池：电池容量大小直接影响到耳机的续航时长，现在的蓝牙耳机一般内置的都是锂电池。一般情况下，头戴式蓝牙耳机因为体积空间大，连续播放时长通常可以达到几十个小时，而最近相当流行的真无线蓝牙耳机续航时长由于收到电池容量的限制，续航时长都不是太长。

下面是蓝牙耳机单向通信的流程图，蓝牙耳机的工作流程包括蓝牙接收、数模转换、信号放大、换能。

换能是将电流转声波的过程，有几种方式，压电、动铁、动圈、静电、电磁、气动、平板。下图是主流的动圈方式，优点是阻抗低，音域宽，失真少，低频较为优越。

蓝牙技术最初并非是为音频传输设计的，这是一种近距离、低功耗的传输方式。其传输速率有限，不能保证稳定的高速传输。因此蓝牙耳机在数据传输上面临两难的困境，提高传输的数据量会增强音质，但是大数据量的传输对于连接的可靠性和稳定性也带来冲击。换言之就是蓝牙传输要控制传输速度来保证传输的可靠性，再加上实际使用中的各种干扰因素，实际传输最高也就3Mbps，稳定传输速度不会超过1.5Mbps，普遍使用到的传输带宽也就1Mbps左右。 因此，蓝牙信号传输前需要对PCM信号进行了编解码以保证稳定的传输。下表是几种常用的蓝牙编解码器的性能分析。

编解码器	最低速率（kbps）	最高速率（kbps）	采样率（KHz）	延时（ms）
LC3（BLE音频强制编解码器）	160	345	8~48	20
SBC（蓝牙经典强制性编解码器）	240	345	44.1	170
aptX自适应（Qualcomm编解码器）	276	420	48，96	80
LDAC（索尼编解码器）	330	999	96	30
蓝牙AAC编解码器		250	44.1	190

• SBC（低复杂度子带编解码器）

SBC编解码器是由蓝牙技术开发组织SIG开发的。
优点是需要很少的计算能力。缺点是压缩效率不是很好。即使在最大比特率328 kbps情况下，也无法获得出色的音质。此外延迟很大。

• AAC（高级音频编码）

AAC编解码器是除了蓝牙协议使用的编解码器外，由于被Apple和YouTube广泛使用，AAC也是互联网上最受欢迎的编解码器之一。AAC的特征在于，与SBC编解码器相同的比特率具有更高的音频质量，但是延迟通常会更糟。

• aptX，aptX LL，aptX HD和aptX自适应

AptX（音频数据缩减技术）是上个世纪80年代设计的编解码器，用于电影院和广播中。编解码器后来被CSR公司收购，而CSR公司又于2015年8月被高通公司收购。
编解码器的特点是提供更好的声音质量，但需要更多的处理能力。其典型压缩比为4：1。
当前，编解码器具有三种变体（aptX低延迟，aptX HD，aptX自适应），可以减少延迟或改善音频质量。
aptX LL（低延迟）：延迟接近30毫秒。为了进行比较，SBC编解码器的典型延迟为170 ms。因此它快了将近6倍。
aptX HD（高清晰度）：在24位和192 kHz时，最大比特率高达576 kbps。
aptX Adaptive：旨在替代传统的aptX和aptX HD。该APTX自适应能够改变取决于比特率的正在播放的内容（音乐，Netflix公司等），无线信号等的饱和 它的最小比特率为276 Kbps，最大为420 kbps。但是，由于压缩方面的改进，这420 Kbps的质量可以达到与aptX HD 576 Kbps相同的质量。

• LDAC（索尼）

LDAC是Sony开发的一种音频编解码器，可通过蓝牙连接实现高分辨率音频传输。LDAC标准以3种不同的比特率运行：24位/ 96 kHz时为330 kbps，660 kbps（正常模式）和990 kbps（质量模式）。提供出色的音质。

• LHDC（低延迟高清晰度编解码器）

一种具有出色音质（24位/ 96 kHz时最大比特率高达900 kbps）和低延迟的全球解决方案。
它拥有华为，Sennheiser，Audio Technica，Onkyo，HiFi-Man，Optoma，Pioneer，Teac，Astell＆Kern和Fostex的支持，他们将把LHDC集成到他们的未来设备中。

• LC3（低复杂度通信编解码器）编解码器

LC3（低复杂度通信编解码器）编解码器来自蓝牙LE音频，其特点是非常高效的编解码器，可以以非常低的比特率来保持很好的音频质量。
这样可确保即使在存在很多干扰的地方，也可以通过Bluetooth LE的有限带宽正确发送数据。

• 选择蓝牙编解码器时哪些参数最重要

就音频质量而言，索尼的LDAC是当今最好的编解码器之一。但是，每次谈论声音质量时还必须注意原始文件以及耳机或扬声器的质量。但是，编解码器之间的差异在延迟方面更为重要。

以上就是蓝牙耳机单向播音功能的工作原理介绍，现在的蓝牙耳机都是双向通信的，那就需要麦克风来采集声音了。例如苹果耳机的麦克风就有三个，1号麦克风用来采集声音信号，2号麦克风用来采集外部环境声用于降噪，3号麦克风用来采集人耳内部环境声用于降噪。

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 Airpods Pro用的麦克风的长宽高约为3*2*0.98毫米，不足米粒大小。这种麦克风的专业名称为MEMS麦克风。MEMS, 原文全称Micro-Electro-Mechanical System，中文全称微机电系统。MEMS传感器采用半导体技术进行加工，加工精度可以控制到微米甚至纳米级别。相比传统麦克风，MEMS麦克风具备尺寸小、功耗低、性能优、一致性高、成本低的优点。由于这一系列优点，目前市场上的大部分消费电子产品，包括手机、智能音箱、智能穿戴、TWS耳机、VR、AR等都在广泛使用MEMS麦克风，以至于如今业界把MEMS麦克风形容为电子产品的“听觉细胞”。

敏芯、歌尔、瑞声都是中国的公司，苹果、华为、OPPO高端耳机都会用到这几家的MEMS麦克风。

苹果耳机里还有很多传感器，有不同的用途。

 语音加速感应器

语音加速感应器是一个语音活动检测器，专门检测由用户所产生的振动。不论是用户声带产生的“既浊音”，还是不使用声带产生的“清音”，感应器都可以通过用户的肌肉组织和骨骼中的震动检测到。其封装尺寸为2．0 mm x 2．0 mm x 0．95mm。

运动加速感应器

AirPods中的运动加速感应器是来自于STMicroelectronics三轴加速度计，配合光学传感器使用能衍生出多种便捷功能。封装尺寸为2．50 mm x 2．50 mm x 0．86 mm。

光学传感器

AirPods中的光学传感器由两个光敏元件组成，配合运动加速感应器来检测你是否已将它们戴入耳中，从而能自动开启传送音频和激活麦克风等功能。其封装尺寸为1．78 mm x 1．35 mm x 0．42 mm。

参考资料：

蓝牙音频编解码器全解析—LC3/SBC/AAC/aptx/LDAC - 知乎

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