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TWSメインコントロールチップの戦い、遅延、ノイズ低減、安定性のバランス

2021-12-28 307

電子愛好家ネットワークの報道（文/周開陽）数ある無線接続技術の中でも、Bluetoothは完全ワイヤレスイヤホン（TWS）の登場により、再び市場のブームを巻き起こしている。Bluetoothヘッドセットはもはや新しい技術製品ではないが、TWSの登場により、この製品に関する多くの人々の不満点が解消された。現在、主要な携帯電話およびヘッドセットメーカーは、新しいTWSヘッドセット製品を発売し始めており、強力なメイン制御チップを使用して、ノイズキャンセリングや音声制御などの追加機能を実現している。これらはすべて、Bluetooth 4.0から追加された低消費電力プロトコルBLEの恩恵も受けている。

ABI Researchによると、BLEデバイスの数は2023年には1.6億台に達し、2018年から2023年までの年平均成長率は27%となる見込みです。スマートホーム、IoT、その他のアプリケーションにおけるBLE技術の人気が継続するにつれ、この技術は2010年の登場以来着実に成長を続け、BLEオーディオアプリケーションの急増によりBluetooth市場のホットスポットとなっています。Bluetooth 5.2のリリースに伴い、BLEはLE Audioによる高音質オーディオ伝送を実現しました。

TWSの中核を成すメインコントロールチップは、様々なBluetoothヘッドセットの性能と機能を根本的に決定づけます。Strategy Analyticsによると、AppleはAirPodsシリーズのおかげで2019年にTWS市場の50%のシェアを獲得しました。Apple以外に、市場にはどのような競合TWS端末製品があり、それらのメインコントロールチップは何でしょうか？

ブロードコム

Galaxy Buds Live / 三星

サムスンが昨年発売したGalaxy Budsは、アメリカの消費者レポート誌で2019年のベストTWSヘッドセットに選ばれました。このヘッドセットはAKGによる調整に加え、ブロードコムのBCM43014メインコントロールチップを採用しています。ブロードコムは、このチップが長年の半導体技術とワイヤレスオーディオエンジニアリング技術を融合させたものであると指摘しています。Bluetooth 5プロトコルをサポートしながら、高度な音響アルゴリズムをシームレスに統合することで、周囲の騒音を低減します。

アクティブノイズキャンセリング機能を搭載したTWSイヤホンの市場拡大を目指し、サムスンは今年2つの新製品を発売した。年初に発売されたGalaxy Buds Plusと今月発売されたGalaxy Buds Liveは、いずれもBroadcomの新しいメイン制御チップBCM43015を採用している。このチップは、MCUとしてARM Cortex-M4、センサー中央プロセッサとしてARM Cortex-M0+を使用している。BCM43015は、低消費電力シャドウテクノロジー（LPST）と拡張同期接続（eSCO）をサポートし、適応周波数ホッピングテクノロジー（AFH）を使用して無線周波数干渉を低減する。さらに、このチップには、オーディオサブシステムとしてCadenceのXtensa Hifi-3 DSPコアが内蔵されており、デュアルチャネル12ビットADCを使用してバッテリー電圧を監視する。

クアルコム

QCC3040構造図 / クアルコム

クアルコムがCSRを買収して以来、CSRの助けを借りたBluetoothチップが市場の大部分を占めており、TWSも当然市場機会を逃すはずがない。今年リリースされたハイエンドBluetoothチップQCC514xに加えて、クアルコムはエントリーレベルおよびミッドレンジ市場向けにQCC304xシリーズも発表した。例えばQCC3040チップを見てみよう。このチップは2つの32ビットプロセッサ（最高周波数は32MHz）と120MHz構成可能なDSPコアを使用しており、前世代のQCC300xシリーズと比較して消費電力を70%削減している。QCC3040は極めて低消費電力のデジタルノイズ低減技術を内蔵しており、最新のBluetooth 5.2プロトコルをサポートしている。

QualcommのBluetoothチップの最大の特長は、優れた性能に加え、オーディオコーデックプロトコルへの対応力です。QualcommのaptXは、現在TWSヘッドセットの中で最も適応性の高いプロトコルと言えるでしょう。安定性を重視したaptX Adaptive、音質を重視したaptX HD、そして低遅延を追求したaptX LL（Low Latency）が含まれています。

Apple

AirPods 第1世代 / Apple

TWS（完全ワイヤレスイヤホン）を一躍人気にしたAirPodsは、初代モデルではAppleが独自開発したW1チップを採用していました。しかし、その後発売された第2世代モデルやAirPods Proでは、Appleは新しいH1チップを採用しています。

この新しいチップは、Bluetooth 4.2プロトコルを5.0にアップグレードするだけでなく、通話時間を50%延長します。Appleは、H1チップによって、次期AirPods Proの接続速度が1.5倍になり、Bluetooth信号の安定性、速度、距離が向上し、遅延が30%削減され、新しい音声制御機能が追加されると主張しています。

Huawei社

Kirin A1チップ / Huawei

HuaweiはFreeBuds 3にKirin A1チップを採用しており、これはBT/BLEデュアルモードBluetooth 5.1認証を取得した世界初のSoCでもあります。このチップは、最大周波数200MHz、最大消費電力10μA/MHzのCortex-M7プロセッサを使用しており、業界の消費電力基準である30μA/MHzをはるかに下回っています。また、このチップには新しいデュアルチャネル同期伝送技術と356MHzの高速オーディオ処理ユニットが搭載されており、安定した高速Bluetooth接続を提供するだけでなく、音声と映像の同期遅延も低減します。Kirin A1は、リアルタイム3A通話ノイズ低減アルゴリズムと適応型ノイズ低減（ANR）を使用して15dBの環境ノイズ低減効果を提供し、エコーキャンセレーション（AEC）を使用して通話相手からのエコーを防止します。

デュアルチャネル同期伝送技術 / ファーウェイ

ファーウェイは、独自開発のデュアルチャネル同期伝送技術により、遅延と消費電力の問題を解決しました。従来のTWSヘッドセットは、左右のチャネルを同時にメインヘッドセットに送信し、それをセカンダリーヘッドセットに転送していました。そのため、転送効率が低く、遅延が大きく、接続が切断されやすく、消費電力も高くなっていました。さらに、Bluetoothと2.4GHz Wi-Fiは同じ周波数帯を使用するため、互いに干渉し合う可能性がありました。この技術では、2つのヘッドセットが左右のチャネルからそれぞれ通信を受信することで、Bluetooth 5.2のLE同期チャネルと同様に、消費電力を50%削減できます。

恒軒テクノロジー

Honor Flypods 3 / Huawei

FreeBuds 3以前のHuaweiのTWS製品は、主にHengxuan Technologyのメイン制御チップを使用していました。例えば、Huawei Freebuds 2 ProとHonor FlyPods 3はどちらもHengxuan TechnologyのBES2300チップを内蔵しています。BES2300は28nm HKMG CMOSプロセスを使用し、Cortex-M4Fコアを統合し、平均25dBのノイズ低減効果を持つANCアクティブノイズリダクションをサポートしています。Huawei以外にも、XiaomiのAir2sやOppo Enco W51など、多くの国内ブランドのヘッドホンがHengxuan TechnologyのBluetoothチップを使用しています。

従来のTWSソリューションにおける伝搬問題を解決するため、Hengxuan Technologyは独自のソリューションであるLBRT低周波転送技術を発表しました。この技術により、メインヘッドホンとセカンダリーヘッドホンの転送を低周波数帯域（10～15MHz）で維持することが可能となり、低消費電力と低遅延を実現しながら、3Mbpsの高ビットレート音楽伝送を実現します。

Realtekの

Realtekは2018年にTWS向けデュアルモードBluetooth 5.0チップソリューションRTL8763Bをリリースしました。このチップは、32ビットARM Cortex-M4Fプロセッサと超低消費電力DSPコアで構成されています。ベースバンド周波数は40MHz、ROMサイズは768KBで、強化版Tensilica Hi-Fi-mini 24ビットDSPコアを採用しています。

RTL8773Cチップ / Realtek

昨年、Realtekは新しいノイズ低減チップソリューションであるRTL8773シリーズを発表しました。このチップセットは、環境ノイズ低減（ENC）とハイブリッドアクティブノイズ低減（ANC）をサポートしています。Realtekは、このチップが独自のアクティブノイズ低減アルゴリズムをサポートするだけでなく、サードパーティのアルゴリズムもサポートし、最大40dBのノイズ低減効果を実現していると述べています。このシリーズのRTL8763BFPは低遅延アプリケーションに重点を置いており、100ms以下の遅延を実現できます。これは、Huawei Freebuds 3（Kirin A1：190ms）、vivo TWS Earphone（QCC5126：180ms）、Airpods Pro（H1：144ms）などの他のメイン制御チップと比較して大きな利点があります。

アイロハ

WF-1000XM3ヘッドホン / ソニー

Luofa Technologyは2017年にMediaTekグループの一員となり、ソニーのTWS製品の主要チップサプライヤーでもあります。ソニーの最新ノイズキャンセリングTWSヘッドホンWF-1000XM3は、LuofaのAB1552Aチップ（MediaTekモデルMT2811SP）を使用しています。ソニーはヘッドホンに独自のノイズキャンセリングプロセッサQN1eも追加しました。2019年、LuofaはハイブリッドアクティブノイズリダクションメインコントロールチップソリューションAB155xを発表しました。このシリーズのチップは、最大周波数156MHzのARM Cortex-M4プロセッサと、最大周波数312MHzのTensilica HiFi mini DSPコアを内蔵しています。さらに、AB155xは自社開発のMCSync（マルチキャスト同期）技術を使用しています。MCSync技術をサポートするTWSヘッドセットは、より安定した接続を実現し、断続的な音声や遅延を低減し、ハイレゾオーディオのデコードをサポートします。

要約

従来のBluetoothヘッドセットやノイズキャンセリングBluetoothヘッドセットと比較すると、TWSヘッドセットはバッテリー寿命、ノイズ低減効果、音質において若干の劣りが見られます。しかし、サイズや消費電力の制約を考慮すれば、こうした妥協は当然と言えるでしょう。とはいえ、Bluetoothチップの製造技術がさらに向上すれば、将来的にBluetoothチップの性能は飛躍的に向上するはずです。

遅延や干渉を低減するため、多くのチップメーカーが独自のソリューションを提供してきました。しかし、Bluetooth 5.2の市場シェアが拡大するにつれ、将来的にはLE同期チャネルが統一的に使用されるようになるかもしれません。Bluetooth Technology Allianceの製品認証ページを見ると、多くの端末、チップ、IPメーカーが次世代Bluetooth 5.2製品の準備を始めています。この観点から、Bluetoothヘッドセット市場全体をTWSヘッドセットが占める時代が間もなく到来するかもしれません。

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