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Der Kampf der TWS-Hauptsteuerchips: Das Gleichgewicht zwischen Verzögerung, Rauschunterdrückung und Stabilität
2021-12-28
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Electronic Enthusiast Network berichtete (Text/Zhou Kaiyang): Unter den vielen drahtlosen Verbindungstechnologien hat Bluetooth dank True Wireless Headphones (TWS) erneut einen regelrechten Boom ausgelöst. Bluetooth-Headsets sind zwar keine Neuheit mehr, doch die Einführung von TWS hat die meisten Probleme der Nutzer mit diesem Produkt gelöst. Große Mobiltelefon- und Headset-Hersteller bringen mittlerweile neue TWS-Headsets auf den Markt und nutzen leistungsstarke Chips für Zusatzfunktionen wie Geräuschunterdrückung und Sprachsteuerung. All dies profitiert zudem vom stromsparenden Protokoll BLE, das mit Bluetooth 4.0 eingeführt wurde.
Laut ABI Research wird die Anzahl der BLE-Geräte im Jahr 2023 1.6 Milliarden erreichen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 27 % zwischen 2018 und 2023 entspricht. Dank der anhaltenden Beliebtheit der BLE-Technologie in Smart Homes, dem Internet der Dinge und anderen Anwendungsbereichen wächst diese Technologie seit ihrem Aufkommen im Jahr 2010 stetig und hat sich aufgrund des Booms von BLE-Audioanwendungen zu einem wichtigen Segment des Bluetooth-Marktes entwickelt. Mit der Einführung von Bluetooth 5.2 wurde LE Audio, eine Technologie für die hochwertige Audioübertragung, eingeführt.
Als Kernstück der True Wireless Stereo (TWS) bestimmt der zentrale Steuerchip maßgeblich die Leistung und Funktionen verschiedener Bluetooth-Headsets. Laut Strategy Analytics hielt Apple 2019 mit der AirPods-Serie einen Marktanteil von 50 % im TWS-Bereich. Welche Konkurrenzprodukte im TWS-Bereich gibt es neben Apple auf dem Markt und welche Steuerchips verwenden sie?
Broadcom
Galaxy Buds Live / Jetzt
Die im letzten Jahr von Samsung erschienenen Galaxy Buds wurden von der amerikanischen Verbraucherorganisation Consumer Reports zum besten True-Wireless-Headset 2019 gekürt. Das Headset wurde nicht nur von AKG optimiert, sondern nutzt auch den BCM43014-Chip von Broadcom. Broadcom betont, dass der Chip jahrelange Erfahrung in der Halbleitertechnik und drahtloser Audiotechnik vereint. Er unterstützt Bluetooth 5 und verwendet nahtlos integrierte, fortschrittliche Akustikalgorithmen zur Reduzierung von Hintergrundgeräuschen.
Um den Markt für True-Wireless-Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung zu erweitern, hat Samsung dieses Jahr zwei neue Produkte auf den Markt gebracht. Die Galaxy Buds Plus, die Anfang des Jahres erschienen, und die Galaxy Buds Live, die diesen Monat veröffentlicht wurden, nutzen beide Broadcoms neuen Hauptsteuerchip BCM43015. Der Chip verwendet einen ARM Cortex-M4 als Mikrocontroller (MCU) und einen ARM Cortex-M0+ als Sensorprozessor. Der BCM43015 unterstützt außerdem die Low Power Shadow Technology (LPST) und die Extended Synchronous Connection (eSCO) und nutzt die Adaptive Frequency Hopping Technology (AFH) zur Reduzierung von Funkstörungen. Darüber hinaus verfügt der Chip über den integrierten Cadence Xtensa HiFi-3 DSP-Kern als Audio-Subsystem und verwendet einen Zweikanal-12-Bit-ADC zur Überwachung der Batteriespannung.
Qualcomm
Strukturdiagramm des QCC3040 / Qualcomm
Seit Qualcomms Übernahme von CSR haben Bluetooth-Chips, unterstützt von CSR, den Markt weitgehend erobert, und TWS wird sich diese Marktchance natürlich nicht entgehen lassen. Neben dem in diesem Jahr erschienenen High-End-Bluetooth-Chip QCC514x hat Qualcomm auch die QCC304x-Serie für den Einsteiger- und Mittelklasse-Markt auf den Markt gebracht. Nehmen wir beispielsweise den QCC3040-Chip. Dieser Chip verwendet zwei 32-Bit-Prozessoren (mit einer maximalen Taktfrequenz von 32 MHz) und einen konfigurierbaren 120-MHz-DSP-Kern, wodurch der Energieverbrauch im Vergleich zur Vorgängergeneration QCC300x um 70 % reduziert wird. Der QCC3040 verfügt über eine integrierte digitale Rauschunterdrückung mit extrem niedrigem Stromverbrauch und unterstützt den neuesten Bluetooth-5.2-Standard.
Neben seiner hervorragenden Leistung ist der größte Vorteil des Qualcomm-Bluetooth-Chips seine Unterstützung für Audio-Codec-Protokolle. Qualcomms aptX gilt derzeit als das anpassungsfähigste Protokoll für True-Wireless-Headsets. Es umfasst aptX Adaptive für optimale Stabilität, aptX HD für höchste Klangqualität und aptX LL (Low Latency) für geringe Latenz.
Apple
AirPods der 1. Generation / Apple
Die AirPods, die True Wireless Stereo (TWS) im Handumdrehen populär machten, nutzten in ihrer ersten Generation Apples selbstentwickelten W1-Chip. In den später erschienenen AirPods Pro und der zweiten Generation kam jedoch der neue H1-Chip zum Einsatz.
Der neue Chip aktualisiert nicht nur das Bluetooth-Protokoll von 4.2 auf 5.0, sondern verlängert auch die Gesprächszeit um 50 %. Apple gibt an, dass der H1-Chip den nachfolgenden AirPods Pro eine 1.5-fach höhere Verbindungsgeschwindigkeit ermöglicht und gleichzeitig Stabilität, Geschwindigkeit und Reichweite des Bluetooth-Signals verbessert, die Latenz um 30 % reduziert und neue Sprachsteuerungsfunktionen hinzugefügt hat.
Huawei
Kirin A1-Chip / Huawei
Huawei verwendet in den FreeBuds 3 den Kirin A1 Chip, den weltweit ersten SoC mit Bluetooth 5.1 Dual-Mode-Zertifizierung (BT/BLE). Der Chip nutzt einen Cortex-M7 Prozessor mit einer maximalen Taktfrequenz von 200 MHz und einem maximalen Stromverbrauch von 10 µA/MHz, was deutlich unter dem Branchenstandard von 30 µA/MHz liegt. Er verfügt außerdem über eine neue Dual-Channel-Synchronübertragungstechnologie und eine 356 MHz schnelle Audioverarbeitungseinheit. Dies sorgt nicht nur für eine stabile und schnelle Bluetooth-Verbindung, sondern reduziert auch die Verzögerung bei der Audio- und Videosynchronisation. Der Kirin A1 nutzt den Echtzeit-Algorithmus zur 3A-Anrufgeräuschunterdrückung und adaptive Geräuschunterdrückung (ANR) für eine Reduzierung von Umgebungsgeräuschen um 15 dB und verwendet Echounterdrückung (AEC), um Echos vom Gesprächspartner zu verhindern.
Zweikanal-Synchronübertragungstechnologie / Huawei
Huawei löst die Probleme von Verzögerung und hohem Stromverbrauch durch seine selbstentwickelte Dual-Channel-Synchronübertragungstechnologie. Herkömmliche TWS-Headsets senden den linken und rechten Kanal gleichzeitig an das Haupt-Headset und leiten sie dann an das zweite Headset weiter. Dies führt zu geringer Weiterleitungseffizienz, hoher Verzögerung, Verbindungsabbrüchen und hohem Stromverbrauch. Da Bluetooth und 2.4-GHz-WLAN dasselbe Frequenzband nutzen, können sie sich zudem leicht gegenseitig stören. Diese Technologie ermöglicht es beiden Headsets, die Kommunikation über den linken bzw. rechten Kanal zu empfangen und den Stromverbrauch um 50 % zu reduzieren – ähnlich dem LE-Synchronisationskanal in Bluetooth 5.2.
Hengxuan-Technologie
Honor Flypods 3 / Huawei
Vor den FreeBuds 3 verwendeten Huaweis TWS-Produkte hauptsächlich den Hauptsteuerchip von Hengxuan Technology. So sind beispielsweise die Huawei Freebuds 2 Pro und die Honor FlyPods 3 mit dem BES2300-Chip von Hengxuan Technology ausgestattet. Der BES2300 basiert auf einem 28-nm-HKMG-CMOS-Prozess, integriert einen Cortex-M4F-Kern und unterstützt aktive Geräuschunterdrückung (ANC) mit einer durchschnittlichen Geräuschreduzierung von 25 dB. Neben Huawei verwenden auch viele andere chinesische Kopfhörerhersteller Bluetooth-Chips von Hengxuan Technology, beispielsweise die Xiaomi Air2s und die Oppo Enco W51.
Um das Ausbreitungsproblem herkömmlicher TWS-Lösungen zu lösen, hat Hengxuan Technology mit der LBRT-Niederfrequenz-Weiterleitungstechnologie eine eigene Lösung entwickelt. Diese Technologie ermöglicht die Weiterleitung des Signals zwischen Haupt- und Nebenkopfhörer im niedrigen Frequenzband (10–15 MHz). Dadurch werden geringer Stromverbrauch und niedrige Latenz bei gleichzeitig hoher Musikübertragungsrate von 3 Mbit/s erreicht.
Realtek
Realtek brachte 2018 den Dual-Mode-Bluetooth-5.0-Chip RTL8763B für True Wireless Stereo (TWS) auf den Markt. Der Chip besteht aus einem 32-Bit-ARM-Cortex-M4F-Prozessor und einem extrem stromsparenden DSP-Kern. Seine Basisbandfrequenz beträgt 40 MHz, die ROM-Größe 768 KB und er verwendet einen verbesserten 24-Bit-DSP-Kern vom Typ Tensilica Hi-Fi-mini.
RTL8773C-Kamera / Realtek
Letztes Jahr kündigte Realtek mit der RTL8773-Serie eine neue Chip-Lösung zur Geräuschunterdrückung an. Dieser Chipsatz unterstützt Umgebungsgeräuschunterdrückung (ENC) und hybride aktive Geräuschunterdrückung (ANC). Realtek gab an, dass der Chip nicht nur einen eigenen Algorithmus zur aktiven Geräuschunterdrückung, sondern auch Algorithmen von Drittanbietern unterstützt und dabei eine Geräuschreduzierung von bis zu 40 dB ermöglicht. Der RTL8763BFP dieser Serie ist speziell für Anwendungen mit geringer Latenz optimiert und erreicht Latenzen von 100 ms oder sogar darunter. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber anderen Hauptsteuerchips wie den Huawei Freebuds 3 (Kirin A1: 190 ms), den vivo TWS Earphones (QCC5126: 180 ms) und den AirPods Pro (H1: 144 ms).
airoha
WF-1000XM3 Kopfhörer / Sony
Luofa Technology ist seit 2017 Teil der MediaTek-Gruppe und Hauptchip-Lieferant für Sonys TWS-Produkte. Sonys neueste geräuschunterdrückende TWS-Kopfhörer, die WF-1000XM3, verwenden Luofas AB1552A-Chip (MediaTek-Modell MT2811SP). Sony hat die Kopfhörer außerdem mit dem eigenen Geräuschunterdrückungsprozessor QN1e ausgestattet. 2019 brachte Luofa die Hybrid-Chip-Lösung AB155x für aktive Geräuschunterdrückung auf den Markt. Diese Chipserie verfügt über einen integrierten ARM Cortex-M4-Prozessor mit einer maximalen Taktfrequenz von 156 MHz und einen Tensilica HiFi Mini-DSP-Kern mit einer maximalen Taktfrequenz von 312 MHz. Darüber hinaus nutzt der AB155x die selbstentwickelte MCSync-Technologie (Multicast Synchronization). TWS-Headsets mit MCSync-Unterstützung bieten eine stabilere Verbindung, reduzieren Audioaussetzer und Latenz und unterstützen Hi-Res-Audio-Dekodierung.
Zusammenfassung
Im Vergleich zu herkömmlichen Bluetooth-Headsets oder solchen mit aktiver Geräuschunterdrückung weisen TWS-Headsets gewisse Einbußen bei Akkulaufzeit, Geräuschunterdrückung und Klangqualität auf. Angesichts der begrenzten Größe und des geringen Stromverbrauchs ist dieser Kompromiss jedoch nachvollziehbar. Mit der Weiterentwicklung der Bluetooth-Chip-Technologie werden Bluetooth-Chips zukünftig jedoch deutliche Leistungssteigerungen erzielen.
Um Verzögerungen und Interferenzen zu reduzieren, haben viele Chiphersteller eigene Lösungen entwickelt. Mit der zunehmenden Verbreitung von Bluetooth 5.2 könnten zukünftig jedoch LE-Synchronisationskanäle einheitlich genutzt werden. Laut der Produktzertifizierungsseite der Bluetooth Technology Alliance bereiten sich viele Endgeräte-, Chip- und IP-Hersteller bereits auf die nächste Generation von Bluetooth-5.2-Produkten vor. Daher könnte die Ära der True-Wireless-Headsets (TWS) auf dem Bluetooth-Headset-Markt bald anbrechen.
Dieser Artikel ist ein Nachdruck aus „Netzwerk für Elektronikbegeisterte„Um den Schutz geistigen Eigentums zu gewährleisten, geben Sie bitte bei Nachdruck die Originalquelle und den Autor an. Sollten Urheberrechte verletzt werden, kontaktieren Sie uns bitte, damit wir das entsprechende Material entfernen können.“
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