华为FreeBuds Studio,以数字算法重构传统音频产业未来

10月30日,2020华为年度旗舰新品发布盛典上的华为首款头戴耳机FreeBuds Studio的发布,露出华为音频产品革命性的变革意图(www.44229.cn)。

从华为真无线蓝牙耳机、颈带式耳机、智能眼镜、蓝牙音箱等一系列音频产品中,华为将自己在数据传输、人工智能方向的技术逐步融入音频产品,从中显示出华为通过数字及计算技术,重构音频产业未来的战略性思考。

华为FreeBuds Studio头戴耳机是大规模应用数据传输、音频的智能化处理以及音频的数字化重构的典型性产品,这款"全球首款智慧动态降噪头戴耳机"突破了蓝牙音频传输的行业极限,并通过独有的音频处理技术及芯片,不仅在音频降噪方面有了巨大的进步,而且为便捷式音频产品在数字化还原方向开创了一条新路。

华为FreeBuds Studio头戴耳机曜石黑配色

一、蓝牙耳机等音频产品面临的技术难题

蓝牙技术发展到现在已经到了5.2版本,传输效率和速度已经有了非常大提高,蓝牙技术已经广泛应用于各种设备和场景的数据传输中。

然而在音频领域,蓝牙音频的传输标准一直沿用蓝牙2.0时的传输标准,传统的蓝牙音频编码采用的是SBC编码,虽然支持44.1kHz的采样率,但其最大传输码率器件有320~330kpbs。直观一些来说,SBC的音频就是普通MP3的音质水平,同时由于压缩方式的原因细节丢失也较为明显,这就造成了无线耳机的音质和延时根本无法与有线耳机相提并论。

直至苹果AirPods的出现及ACC的出现,让蓝牙音频技术真正开始在无线耳机产品得到了有价值的应用,音频质量也有了革命性的提高。

受此影响,2015年高通收购了SCR,并在原有的aptX编码的基础上开发了码率更高的编码格式aptX HD,这一编码支持44.1kHz采样率和352kbps的传输码率,广泛应用于安卓系统、Windows 10等设备中。

几乎同一时间,音频领域的另一巨头索尼于2015年推出了LDAC无线音频编码技术,其采样率可达到96kHz,具备24bit的量化精度,以及990kbps的传输码率。LDAC的高码率以及极低的劣化使得在蓝牙耳机上享受高音质成为可能,并在一段时期内,LDAC作为索尼的私有编码,而且需要耳机及前端的双向支持才可以实现,因此采用这一编码的产品很少。从安卓8.0开始,LDAC成为安卓系统的原生编码,这一技术才得到相对广泛的应用。

蓝牙解码器标准

在2020年的CES上,蓝牙技术联盟公开了新一代的蓝牙技术标准,相对于之前的SBC有了巨大的进步,新的LE Audio编码采样率支持44.1以及48kHz,传输码率在16~320kpbs,相对于SBC有较大优势,但相较于高通和索尼的私有编码来说,LE Audio的规格仍然是在相对落后的。

市场调研机构Counterpoint Research的研究表明,2019年TWS的全球出货量达到了1.2亿台,而2020年预估销量可达到2亿台,蓝牙耳机不仅市场呈迅速增长的趋势,而且用户对蓝牙耳机的音质和延时等方面的要求也在不断的提高。

就目前产业发展而言,无论是苹果主推的ACC编码、高通的aptX HD编码以及索尼的LDAC编码,都与传统无损音频存在着较大的差异,即使是最普通的CD音质,其采样率也才96kHz或192kHz,而最高传输码率在1411kps,所以TWS耳机要达到高音质水准,目前编码和传输码率是最大的产业难题。

同时考虑到TWS的应用场景,降噪算法、解码芯片、延时等方面的技术提升都是蓝牙耳机产业面临的现实。

二、华为FreeBuds Studio头戴耳机在音频传输、数字降噪及音频重构还原方面的突破

事实上,要提高TWS的音质等问题,达到一般CD的音质水平,首先要解决的是音频编码和无线芯片的问题。

1.创新的华为编码系统和解码芯片体系

在华为Mate 40系列的发布会上,华为公布其针对蓝牙音频的编码标准L2HC高清音频编解码技术,这是华为自有的编解码技术。L2HC高清音频编解码不仅将传统码率提高到了960kbps,而且还支持96kHz/24bit的采样率,也就是说,华为的L2HC已经很接近传统CD的音质水准。

在蓝牙传输方面,早在2019年,华为在IFA 2019上就发布了蓝牙5.1、BLE5.1双重认证的自研无线芯片,这款芯片相对于苹果的H1无线芯片,性能提升了30%,而且功耗下降了50%。同时在传输速率方面,最高可以达到6.5Mps,目前华为在其无线耳机中已经搭载了这一芯片。

华为FreeBuds Studio头戴耳机的开关及蓝牙按键

受益于自主研发的编码和无线芯片,虽然目前L2HC编解码技术最高支持960kbps,但自研芯片的高带宽,为L2HC后续的码率提升创造了非常大的空间。

可以说华为L2HC编解码技术和自研芯片共同构建的华为FreeBuds Studio头戴耳机音频传输、编解码体系,是目前整个TWS领域最高的技术标准。

2.数字化重构无损音质

华为FreeBuds Studio头戴耳机的音质编解码接近于无损音质,支持24bit深度,96kHz采样率(未来应该还有更大的提升空间)的音频传输和编解码之外,在硬件方面,华为FreeBuds Studio头戴耳机采用了HiFi级声学元件,将声音范围的频宽拓展到了4Hz~48kHz之间。虽然人耳可辨识的声音频率只有20Hz~20kHz之间,但从音频处理的经验来看,更广泛的声音频率范围在经过压缩编码之后,还原后的音频层次感更好。

HiFi级声学元件将声音范围的频宽拓展到4Hz-48kHz之间

在发声单元方面,华为FreeBuds Studio头戴耳机采用了与索尼WH-1000XM4一样大小的4层40mm复合振膜,使整个发声频响范围更加宽广,灵敏度更高,有助于更加精准地还原音色。在编解码方面,华为FreeBuds Studio头戴耳机日采用了HiFi级音频解码芯片,配合L2HC编解码技术,实现了从物理和数字两个方向的高保真音质的重构。(L2HC功能需配合EMUI11及以上版本的HUAWEI Mate40或HUAWEI P40系列手机)

3.华为系统性的智能化降噪处理方案

从华为FreeBuds Studio头戴耳机展现出来华为在数字音频领域另一项突出发力点,就是基于硬件和算法一体化的智慧动态降噪系统。事实上,从华为FreeBuds 3、华为FreeBuds Pro真无线耳机的降噪效果上来看,在综合降噪能力和智能化降噪处理方面,华为已经步入了第一梯队,这两款产品在降噪处理方面,不仅与AirPods相比有更优异的体现,即使与Bose的同类产品相比,其主动降噪功能也不落下风。

在华为FreeBuds Studio头戴耳机中,华为把综合降噪能力和动态降噪技术的优势发展到了更高的水平。头戴耳机要做到在任何场景噪声都能达到出色降噪效果,一般都要依靠物理隔音阻隔穿透较差的中高频噪声,以及依靠主动降噪消除穿透较强的中低频降噪两个部分。在物理隔音上,华为FreeBuds Studio头戴耳机依靠创新的"TAT"双层隔音架构,以及舒适度极佳的双层吸音耳垫,在保证声学特性和听音舒适度的同时,实现了中高频高达40dB物理隔音效果。

为了准确地收集环境噪声, 华为FreeBuds Studio头戴耳机置入了8个麦克风组成的阵列,其中左右耳机分别配备2个麦克风用来降噪,外部的麦克风最大限度拾取外部噪声,内部麦克风被放置耳罩内部靠近耳机出声孔的位置,能够更真实地拾取耳道内部残留噪声。各方位收集的环境噪音,并基于真实噪音环境,产生反相信号,实现精准、舒适的降噪效果,低频的最大降噪深度可达40dB。

华为FreeBuds Studio头戴耳机的降噪开关

华为FreeBuds Studio头戴耳机不仅仅局限于传统降噪算法处理产生单一反向声波的主动降噪,而且加入了动态算法的降噪处理方案。FreeBuds Studio头戴耳机内置IMU环境传感器与麦克风系统,形成了一套多场景感知系统,每秒约100次地感知活动状态和环境地点,打造了一个动态感知系统。它可以感知和学习用户的耳机使用状态,辅助耳机更精准地判断用户所处于的场景,并自动在轻度、均衡、深度降噪三种模式间切换,从而带来更智慧的动态降噪体验。

整体而言,从华为FreeBuds Studio头戴耳机的技术结构来看,华为试图通过高效率的蓝牙数据传输,优秀的编码体系以及数字化的音频还原和智能化降噪系统,重构蓝牙音频产品的技术结构,从而解决目前蓝牙音频产品所面临的一系列问题,重构在人工智能时代蓝牙音频产业的发展方式。

三、华为FreeBuds Studio头戴耳机使用效果及未来便捷式音频产品的数字化之路

从华为FreeBuds Studio头戴耳机的实际表现来看,华为系统化的无线耳机音频解决方案表现出了优异的性能。

华为FreeBuds Studio头戴耳机的外观,有点黑胶唱机的味道

音质听感方面,华为FreeBuds Studio头戴耳机在整体空间营造和声场方面比较优秀,音域比较宽广。高音表现比较通透、明亮。中频部分层次感比较分明,人声表现比较温暖,动态表现不错。低频整体表现得比较节制,深厚有力但却并不突兀生猛。

在试听过程中,华为FreeBuds Studio头戴耳机将《阿姐鼓》演绎得极为动人,特别在第二节时,远处的和声,老人清晰的诵经声以及朱哲琴极具穿透力的声音都表现得丝丝入扣,极具感染力。在表现《天脉传奇》的背景音乐《I Believe》时,华为FreeBuds Studio头戴耳机对大动态音乐控制表现出了收放自如的感觉,高频部分通透嘹亮并不显得清汤寡水,而中频部分层次分明,极富表现力。在音乐中间段落,节奏由缓转急,音乐如潮水般扑面而来,华为FreeBuds Studio头戴耳机对大动态的把控完美地将听者的情绪带入音乐之中。

华为FreeBuds Studio头戴耳机表现出超一流降噪水准

与此同时,华为FreeBuds Studio头戴耳机表现出的超一流降噪水准,也并不会让人感到意外。之前华为推出的FreeBuds Pro,在降噪表现上就超越了同类产品。事实上,与传统音频厂家索尼、Bose、森海塞尔等厂家不同的是,当耳机成为智能手机的配件后,苹果、华为等厂家开始用数字化、智能化的方式改进音频产品的技术规范,而这种革命性变化,让人工智能算法在耳机降噪方面的价值越来越重要。

具体体现在华为FreeBuds Studio头戴耳机中,无论用户在什么样的场景,只要开启降噪功能,华为FreeBuds Studio头戴耳机就可以为用户营造出一个相对干净的听感环境。得益于8个麦克风矩阵形成的环境噪音感知体系,配合华为在音频方面的智慧动态降噪算法,让华为FreeBuds Studio头戴耳机成为同类型产品中降噪效果的佼佼者。同时由于动态降噪算法的应用,更加适应了用户在不同场景不同的降噪需求,从而让华为FreeBuds Studio头戴耳机的降噪功能更加人性化。

进入智能终端主导人们工作和娱乐的时代,传统音频处理方式正在经历着数字化、智能化的改造。智慧动态降噪头戴耳机的出现,从根本上让传统的便携音频产品的技术演进发生了根本性的变化,在基于物理、声学系统之上,数字化、智能化还原音频将成为未来便携性音频产品的进化之路。

主营产品:收缩机,打包机