炬芯科技周正宇博士如何打造低延遲高音質(zhì)無線音頻產(chǎn)品

1877年，以愛迪生發(fā)明留聲機為起點，現(xiàn)代音頻產(chǎn)品開始出現(xiàn)，并充滿活力,不時地引領(lǐng)時尚風(fēng)潮;1964年卡帶機首次面世，80年代傳入中國，和牛仔喇叭褲一起成為80年代中國最時尚icon;1982年，第一臺CD機出現(xiàn)，開啟音樂數(shù)字化先河;2001年，蘋果發(fā)布第一款iPod。這100多年間，音頻產(chǎn)品的發(fā)展主要集中在存儲介質(zhì)的進化以及模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變。

在2001年之后，音頻產(chǎn)品進入高速發(fā)展時期，主要變化聚焦于網(wǎng)絡(luò)的音頻傳輸，包括近年的智能音箱，無線耳機等以PAN和WAN傳輸?shù)囊纛l產(chǎn)品。在這期間，蘋果通過兩款音頻產(chǎn)品給行業(yè)帶來了兩次巨變，第一次是iPod引起的MP3浪潮，第二次是Air?Pods造就的昨日當(dāng)紅炸子雞TWS耳機。

這兩輪的音頻進化都昭示著人類對美好聲音的追求是永無止境的，8月17日，南京，炬芯科技股份有限公司董事長兼CEO周正宇博士，受邀出席2022中國IC領(lǐng)袖峰會，結(jié)合傳統(tǒng)音頻行業(yè)的發(fā)展趨勢及炬芯科技的最新產(chǎn)品技術(shù)進展，發(fā)表主題演講：讓高品質(zhì)的聲音如影隨“行”。

傳統(tǒng)音頻行業(yè)的未來發(fā)展

對于傳統(tǒng)音頻行業(yè)未來發(fā)展方向，周正宇博士認(rèn)為主要發(fā)展趨勢可能是以下五個方向。

第一個是無線化，從穿戴式的TWS耳機，再到7.1.4聲道的沉浸式無線音頻家庭影院都是無線化的標(biāo)志性應(yīng)用場景。

第二個是低延遲，由于無線化的需求，必然產(chǎn)生了低延遲的需求和挑戰(zhàn)，這個挑戰(zhàn)是非常值得探討的重點。

第三個是高音質(zhì)，人類對美好聲音永無止境的追求可以分成兩個維度，一個是采樣率的不斷提高，從過去CD時代的44.KHz或者48KHz，到現(xiàn)在高清或者Hi-Res的96KHz@24bit或者192K@24bit，再到發(fā)燒級別的384KHz@32bit;另一個是高保真度的升級，也就是所謂的THD+N，現(xiàn)在追求到-135dB，接近千萬分之一到千萬分之二左右的精度，雖然大部分人耳朵不能直接區(qū)分，但是仍會有不同的聽覺舒適度感受。

第四個趨勢是音樂分享和多連接需求也會不斷提高。

而最后第五點，以上所有的需求和變化都會持續(xù)伴隨著便攜化和低功耗的強需求，這也是未來音頻技術(shù)發(fā)展的不變法則。

所有趨勢中最具有挑戰(zhàn)的正是在無線傳輸條件下如何在滿足高音質(zhì)前提下達成低延遲目標(biāo)。

炬芯科技的過去、現(xiàn)在、未來

回顧炬芯科技的前身炬力集成，是中國最早的大型芯片設(shè)計公司之一，憑借著MP3之王的全球最高市占，于2005年在納斯達克上市。

作為在行業(yè)耕耘20多年的領(lǐng)軍人物，周正宇博士帶領(lǐng)的炬芯科技于2021年成功在國內(nèi)科創(chuàng)板上市，并一直深耕音頻技術(shù)領(lǐng)域。

炬芯科技憑借在音頻領(lǐng)域20多年的技術(shù)積累和經(jīng)驗，在多個領(lǐng)域做出了驕人成績。根據(jù)TSR統(tǒng)計報告顯示，2020年炬芯科技在品牌藍牙音箱市占位列全球第二;在2018年-2020年期間，炬芯科技TWS耳機芯片復(fù)合增長率超過100%;2021年炬芯科技推出了雙模藍牙音頻智能手表芯片，并在2022年Q2終端品牌客戶量產(chǎn)出貨。炬芯科技的智能手表單芯片解決方案不僅滿足低功耗長待機和高顯示幀率等剛需，同時支持可以手表上接聽手機電話，還支持本地音頻播放和藍牙發(fā)射，跑步時不用帶手機，帶著手表和耳機就可以聽音樂。

過去炬芯科技的產(chǎn)品主要以低功耗作為核心價值，在低功耗下打造高音質(zhì)，在典型情況下，基于炬芯科技芯片方案的MP3音樂播放可持續(xù)20至30小時，TWS耳機聽歌的模式下使用時間達到8至10小時，手表典型使用場景下續(xù)航長達10天左右。

今天在繼續(xù)深耕低功耗的基礎(chǔ)上，炬芯科技進而追求無線傳輸下的高音質(zhì)音頻，并抓住低延遲核心痛點來打造自身產(chǎn)品，基于最新炬芯科技芯片方案的Soundbar音頻傳輸延遲目標(biāo)低于15毫秒，無線電競耳機延遲目標(biāo)低于20毫秒，無線麥克風(fēng)延遲目標(biāo)低于10毫秒。

周正宇博士認(rèn)為：在過去，高品質(zhì)聲音如影隨“行”更多體現(xiàn)在便攜，實現(xiàn)產(chǎn)品隨身攜帶，讓人隨時隨地享受美好聲音;在未來，如影隨“行”被賦予新的內(nèi)涵，在體驗無線音頻的同時，實現(xiàn)聲音和圖像的低延遲同步，最終呈現(xiàn)雙重維度的如影隨“行”。

低延遲高音質(zhì)為音頻領(lǐng)域注入新的活力

周正宇博士指出當(dāng)下音頻應(yīng)用場景中三個痛點應(yīng)用場景，進一步強調(diào)低延遲下的高音質(zhì)將給當(dāng)下音頻市場注入新的活力。

第一個應(yīng)用場景是家庭影院，過去是杜比digital或杜比digital?plus?5.1聲道，現(xiàn)在是杜比全景深7.1.4聲道。在7.1.4聲道中，前面有三個喇叭或者使用一個條形音箱(Soundbar)，后方有兩個，頭頂有兩個，再加一個低音炮。如果沒有預(yù)先埋線，低音炮，后方和頭頂喇叭需要用明線連接，這將嚴(yán)重影響美觀，由此產(chǎn)生了強烈無線連接的需求。無線連接的沉浸式家庭影院對音質(zhì)和低延遲的要求均很高，需要讓畫面跟音箱聲音之間是低延遲的(20毫秒以內(nèi))，否則就會感受到音視頻不同步。同時七個聲道之間相對延遲不能超過100微秒，并需要至少滿足五聲道的單向無線低延遲傳輸。這對低延遲下的高音質(zhì)技術(shù)提出了更高的要求。

第二個應(yīng)用場景是無線電競耳機，大家熟悉的TWS耳機除了通話和聽音樂這兩個基本訴求外，第三個訴求就是玩游戲。電競游戲的快速發(fā)展和全球風(fēng)靡，使得游戲玩家對耳機的延遲要求非常高，如果延遲太長，反應(yīng)太慢，玩家用戶體驗和游戲競賽效果都會受到很大影響。傳統(tǒng)游戲耳機為了保證低延遲和高音質(zhì)，基本都是有線形態(tài);近年來無線化需求不斷提升，早期無線電競耳機主要采用私有協(xié)議2.4G，但采用私有協(xié)議2.4G除了功耗高以及成本高外，還有一個最大的問題，就是游戲過程中無法同時連接手機，容易錯過手機來電，同時音頻品質(zhì)也不夠高。因此，藍牙雙模共存無線電競耳機需求正不斷上升。

第三個應(yīng)用場景就是無線麥克風(fēng)，短視頻直播風(fēng)口催生了無線麥克風(fēng)產(chǎn)品，它需要外觀小巧便攜，并且滿足非常低延遲的高品質(zhì)音頻傳輸要求，以實現(xiàn)音視頻同步，還需要支持兩發(fā)一收或多發(fā)一收，當(dāng)下炬芯科技的低延遲高音質(zhì)技術(shù)芯片，以及炬芯科技的客戶基于炬芯科技芯片所開發(fā)的低延遲無線麥克風(fēng)方案已經(jīng)在全球多個知名品牌中應(yīng)用。

如何實現(xiàn)藍牙音頻傳輸?shù)牡脱舆t

周正宇博士指出，藍牙音頻傳輸延遲來源主要有幾個。一是所有硬件本身所帶來的音頻延遲，比如說ADC、DAC所帶來的延遲;二是無線傳輸本身的發(fā)射和接受端帶來的延遲;三是為了增強抗干擾使用的重傳機制帶來的延遲;最重要的是無線音頻傳輸?shù)膸捪拗?，?dǎo)致音頻一定要做壓縮和解壓縮，不同的壓縮算法會引入壓縮和解壓縮所帶來的延遲;以及實現(xiàn)以上各技術(shù)功能需要的緩存機制。

炬芯科技利用20多年音頻技術(shù)積累作為基礎(chǔ)，以及不斷的技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)，逐一攻克每一個產(chǎn)生延遲原因的技術(shù)關(guān)卡，最終凝結(jié)出以下音頻技術(shù)的核心：

1、CPU+DSP雙核異構(gòu)音頻處理架構(gòu);

2、算法軟件和硬件一體化的設(shè)計方法;

3、以ADC和DAC為核心的音頻信號鏈，音頻ADC可以達到SNR?110dB，DAC可以達到SNR?120dB，延遲目標(biāo)均低于100微秒。

低延遲高音質(zhì)技術(shù)第一代解決方案

周正宇博士表示，炬芯科技基于自身的核心技術(shù)，抓住藍牙5.3?LE?Audio的技術(shù)特點和新機遇，針對三個痛點應(yīng)用場景，分別推出了相應(yīng)的第一代解決方案，也是基于最新藍牙標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新。

首先是ATS2835PL低延遲5.1聲道高音質(zhì)家庭影院解決方案，采用藍牙5.3?LE?Audio與經(jīng)典藍牙共存的模式，基于LC3+編碼的延遲可以低至15毫秒以下。相對2.4G私有協(xié)議功耗更低，并且音質(zhì)更高。它可以跟經(jīng)典藍牙共存，可支持五個聲道，家庭影院中的低音炮以及背后的兩個喇叭都可通過無線連接，通過藍牙LE?Audio?實現(xiàn)低延遲高音質(zhì)的無線音頻體驗。

再者是ATS2831PL低延遲高音質(zhì)無線電競耳機方案，端到端的延遲小于20毫秒，相比經(jīng)典藍牙大幅降低。同時和PC/游戲主機/手機全面兼容，支持LE?audio和經(jīng)典藍牙共存，如果用戶戴著電競耳機時電話進來，可以把游戲暫停接電話，電話接完之后，可以再恢復(fù)到游戲，而不需要中斷游戲去用另外一個耳機接聽電話。同時它支持雙向48KHz高清語音傳輸，可以在單向的音樂和游戲音效外，同時滿足不同游戲玩家之間進行高音質(zhì)語音對話的需求。

最后也就是低延遲高音質(zhì)無線麥克風(fēng)解決方案，無線麥克風(fēng)是炬芯科技當(dāng)下把延遲做到極致的一個產(chǎn)品，延遲可以做到10毫秒以內(nèi)，集低延遲傳輸，高品質(zhì)音頻編解碼和AI降噪于一體，支持LC3+編解碼，支持兩發(fā)一收，全鏈路48KHz高清語音傳輸。目前炬芯科技的芯片已經(jīng)在Rode、科大訊飛、猛犸、綠聯(lián)等多家知名品牌的無線麥克風(fēng)產(chǎn)品中應(yīng)用。

炬芯科技低延遲高音質(zhì)技術(shù)的三級跳

為打造低延遲下的高音質(zhì)，周正宇博士提出三級跳計劃，首先是在藍牙標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，以LE?Audio?最新標(biāo)準(zhǔn)為契機將延遲做到10毫秒以內(nèi)。再是在類似藍牙音頻的大框架之下，全面創(chuàng)新自己的私有協(xié)議，來把低延遲高音質(zhì)拉到再上一個臺階—5毫秒以內(nèi)。最后引入更高帶寬的新型無線傳輸技術(shù)來打造低延遲高音質(zhì)—延遲低于2毫秒。

1、藍牙5.3，LE?Audio

根據(jù)藍牙SIG公布的最新標(biāo)準(zhǔn)LE?Audio，也就是藍牙5.3，相較于經(jīng)典藍牙它在協(xié)議層提供了更多實現(xiàn)低延遲的武器。

如效率更高的編碼幀傳輸機制、可預(yù)測的包接收時間，更低延遲的編解碼LC3和LC3?plus技術(shù)等。這些新的技術(shù)變革已經(jīng)迅速的應(yīng)用于炬芯科技的產(chǎn)品，把過去經(jīng)典藍牙25毫秒以上的延遲目標(biāo)打造到10毫秒以下。

2、提升2.4G和5.8G私有協(xié)議

在2.4G和5.8G私有協(xié)議下追求更高的音質(zhì)和更低的延遲，首先通過進一步增加無線傳輸?shù)膸?，再通過研發(fā)自有的更低延遲的和傳輸高帶寬匹配的音頻編解碼技術(shù)，引入前向糾錯的技術(shù)，對錯誤的數(shù)據(jù)進行糾正，整體系統(tǒng)化減少重傳，甚至不重傳，再加上輸入/輸出硬件的延遲優(yōu)化，從而實現(xiàn)延遲目標(biāo)到5毫秒以下。

3、UWB超帶寬技術(shù)或類UWB技術(shù)

通過UWB超帶寬技術(shù)或類UWB技術(shù)，不對數(shù)據(jù)進行壓縮，從而不用編解碼，或者使用無損壓縮技術(shù)，SNR可以達到最優(yōu)，延遲也會最低，相較于窄帶寬具有更好的抗干擾性，不需要重傳或者少重傳，實現(xiàn)音頻的高音質(zhì)超低延遲傳輸，打造2毫秒以下的極致延遲目標(biāo)。

周正宇博士最后總結(jié)道：回到人類對音頻體驗的追求，希望炬芯科技以低延遲高音質(zhì)技術(shù)給音頻領(lǐng)域注入更多新的活力，真正實現(xiàn)讓高品質(zhì)的聲音如影隨“行”。