在第二代无线耳塞中，工程师们通过大量创新和组件集成，成功打造出一款比第一代产品体积缩小21%、同时保持成本不变的设备。
蓝牙无线耳机是一个竞争激烈的品类，既有功能简单、价格低于50美元的产品，也有功能齐全、价格高达400美元的产品。第一代产品于2019年问世，第二代产品则于2021年4月发布。在第二代产品中，团队几乎在各个方面都进行了改进。本文深入探讨了工程团队在创造最新一代无线耳塞时面临的独特挑战，以及他们如何利用科学研究推动根本性创新以克服这些挑战。
最终，团队能够以120美元的价格提供一款功能丰富、可与高端价格区间产品竞争的产品。
从客户需求出发
产品设计过程始于理解客户的期望。客户期望获得出色的音质、舒适的佩戴感、长电池续航以及与智能手机的出色连接性。当然，这些需求中的许多是相互矛盾的。在高端可听戴设备类别中，客户还希望拥有降噪和云端语音服务等高级功能。
鉴于这一系列客户期望，豆粒大小的无线耳塞成为了巨大的工程挑战。在保持连接性能、处于舒适的温控限值内，以及满足客户对更多功能带来的电池续航期望的同时，减小尺寸以提高舒适度和贴合度，是一项挑战，但工程团队表示他们乐于应对。
芯片：性能与功耗的平衡
尺寸和成本是恒定的约束条件。为了实现设备的小型化，工程师需要减小电池尺寸。但团队还需要在不降低设备电池续航的情况下做到这一点。
实现这一点的关键在于硅平台本身的功耗。同时，目标是提供高端功能，但功耗和成本要低得多。
在第二代设备中，团队与制造商合作重新设计了主蓝牙芯片和音频协处理器，使这两个组件能够执行第一代设备中五个不同组件的任务。
音频和语音处理的功耗至少降低到了之前的一半。这一成就是在同时提高语音助手听取用户语音能力的同时实现的。
通过语音助手，用户不仅可以播放音乐和拨打电话，还可以设置提醒、查询信息，在某些城市甚至可以规划公共交通路线并获取他们希望乘坐的火车或巴士的信息，所有这些都可以在手机放在口袋里的情况下完成。
创新的功耗管理策略
实现所有这些功能不仅需要与云端集成，还需要大量的设备端处理。新处理器的改进使得能够以更低的功耗完成这些任务。
具体而言，设备中配备了更好的数字信号处理器（DSP）。更重要的部分是，该芯片的设计允许非常激进的频率和电压调节。这意味着如果设备基本处于空闲状态，处理量很少，能够降低该芯片的频率和电压，使芯片消耗的能量少得多。
当用户说话并触发语音助手时，设备会运行少量处理来确定用户是否说出了唤醒词。如果用户确实说出了唤醒词，DSP会被进一步激活，提高电压，提升频率，并参与更复杂的计算。此时，设备正在处理语音事件——信息被发送到云端，然后在收到响应时播放。
处理器具有不同的处理级别，并根据所需的处理量将处理器的频率和电压设置为适当的水平。这是在第二代产品中降低功耗所做的两件主要事情之一。
第二项重大创新是通过在两个耳塞之间的蓝牙协议上进行创新，将更多功能集成到主蓝牙系统芯片（SoC）中，从而减少了组件数量和互连功耗。
总体而言，相对于第一代产品，总设备功耗降低了35%以上，特别是针对音频和语音处理的DSP功耗，至少降低了一半，甚至更多。
减少热量与天线集成挑战
降低处理器功耗带来了另一个好处：减少发热。由于设备内部集成度很高，必须考虑散热问题。这需要仔细的模拟和设计，因为无法添加散热片或大型散热器。
除了芯片之外，尺寸和成本的另一个主要制约因素是天线。无线蓝牙耳机的连接性是一个障碍，因为它们部分隐藏在耳内。虽然耳朵会阻挡某些频率，但人体也能有效阻挡信号。用户的智能手机需要与其中一个耳塞连接，然后两个耳塞需要尽可能以低延迟相互发送数据包。两个耳塞的同步非常重要，因为人类的听觉对此非常敏感。左右耳之间即使只有100微秒的差异，用户也很容易感觉到，其效果是用户会感觉音频不是从正前方传来，而是从一侧传来。
连接性问题对所有可穿戴设备都是一个挑战。天线设计工程师面临的挑战是在更小的封装中改善连接性。他们第一次尝试的解决方案制造成本太高，因此需要开发一种新颖的解决方案。
正如工程师能够减少设备中的处理器数量一样，他们也能够集成功能以适应新的天线。天线的最佳位置是设备的前部中心，但这也是用户期望点击或使用手势的地方。在第一代设备上，触摸传感器和静电放电（ESD）电路占用了天线需要最大化无线性能的位置。
为了解决这个问题，工程师发明了一种集成的天线设计，将天线、触摸和ESD子系统结合在一起。最新的设备集成了天线、触摸和静电放电功能，以优化无线性能。
持续创新
连接性是第二代产品中突出的功能之一。其连接性能非常可靠。
未来还有更多可能。除了基本的音乐播放之外，耳塞还可以做很多有趣的事情。将继续代表客户进行创新，并推出软件更新。耳塞将随着时间的推移而变得更好、更智能。
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