第二代Echo Buds：更小更强的工程突破
笔记本、平板和智能手机占据了科技头条，但这些产品在很大程度上已趋于成熟。更小巧、更个人化的设备正在经历一轮密集的迭代与创新。蓝牙无线耳机是一个竞争激烈的品类，既有售价低于50美元的简化功能产品，也有功能齐全、价格高达400美元的设备。
第一代某机构Echo Buds于2019年推出，而升级版的第二代Echo Buds于2021年4月问世。团队在几乎所有方面都改进了第二代耳机。本文将带您了解工程团队在创造最新一代Echo Buds时面临的独特挑战，以及他们如何利用科学研究推动基础创新来克服这些挑战。最终，团队成功以120美元的价格，提供了一款功能丰富、能与高端产品竞争的产品。
Atif Noori是两代Echo Buds的首席产品经理。秉承以客户为中心的理念，他表示设计最新Echo Buds的过程始于理解客户的愿望。“我们从客户的需求出发，反向构建一套产品需求。然后，我们与多个才华横溢的团队合作，交付一款受人喜爱的产品。”
客户想要的是出色的音质、舒适的佩戴感、长续航以及与智能手机的卓越连接性。当然，这其中许多需求是相互矛盾的。在高端耳戴设备领域，客户还希望拥有诸如降噪和基于云的语音服务（如某语音助手）等高级功能。
芯片集成：五合一的功能整合
考虑到客户的这些期望，这些豆子大小的无线耳机无疑是工程挑战的集大成者。在保持连接性能、温度控制和续航期望的同时，缩小体积以提升舒适度和佩戴感，同时增加更多功能，是一项挑战，但工程团队表示他们乐于接受这一挑战。
某机构Lab126的首席系统架构师Milos Jorgovanovic表示，尺寸和成本是永恒的约束。通过大量的创新和组件集成，工程师们成功制造出了一款比第一代Echo Buds体积缩小21%，同时成本保持不变的产品。
这一切始于处理器，或者用工程师的行话来说，即芯片，它们是设备的核心。为了使设备更小，工程师需要减小电池的尺寸。这本身很容易做到，但团队还需要在不降低设备续航的前提下实现这一点。
“为此，关键就在于芯片平台本身的功耗，”Jorgovanovic说。“与此同时，我们基本上是在尝试以更低的功耗和成本提供高端功能。”
对于第二代Echo Buds，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，使得这两个组件能够执行第一代设备中五个不同组件的任务。
“我们基本上将音频和某语音助手处理的功耗，比之前降低了至少一半，”Jorgovanovic说。
动态功耗管理：性能与续航兼得
这是在同时提高某语音助手拾取用户语音能力的情况下完成的。某机构于2014年11月通过初代Echo和某语音助手的发布开创了语音品类，因此最新Echo Buds提供无缝的某语音助手功能是理所当然的。借助某语音助手，用户不仅可以播放音乐和打电话，还可以设置提醒、查询信息，甚至在某些城市规划公共交通路线并获取他们要赶的火车或公交车的信息，所有这些都可以在手机放在口袋里的情况下完成。
“如果客户想随身携带某语音助手，他们完全可以做到，并获得与在家中Echo设备上相同的体验，”Noori说。“但这远不止于此。回复会根据你正在移动的场景进行定制。例如，你可以让某语音助手在你到达某家超市时提醒你购买芝麻酱。在某些商店，你还可以问某语音助手芝麻酱是否有货，或者它在哪个通道，这非常棒。”
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。Jorgovanovic表示，新处理器的改进使得这一切能够在更低功耗下完成。
“我们在其中加入了一个更好的数字信号处理器，但第二个、也是更重要的部分是，这颗芯片的设计允许非常积极的频率和电压缩放，”他说。“这意味着，如果设备基本上处于空闲状态，只进行很少的处理，我们就能够降低该芯片的频率和电压，使其消耗的能量大大减少。”
如果用户说话，例如问朋友“嘿，杰森，你好吗？”，设备会进行少量处理以判断用户是否说了唤醒词。如果用户确实说了唤醒词，DSP会进一步提升，增加电压、提高频率，并执行更复杂的计算。此时，设备正在处理唤醒事件——信息被发送到云端，然后当收到响应时播放。
“我们基本上有这些处理级别，并根据我们需要的处理量为处理器设置相应的频率和电压。这是我们在第二代产品中为降低功耗所做的两件主要事情之一，”Jorgovanovic解释道。“第二件大事是通过创新两个耳机之间的蓝牙协议，将更多功能集成到主蓝牙SoC中，从而减少了组件的数量和互连功耗。总体而言，相对于第一代Echo Buds，我们将设备总功耗降低了超过35%，特别针对音频和某语音助手处理的DSP，功耗降低了至少一半，甚至更多。这真是，哇。”
降低处理器功耗带来了另一个好处：减少热量。“因为我们集成了这么多功能，我们必须考虑散热问题，”Noori说。“这不像你可以添加散热片或大散热器。这需要仔细的模拟和设计。”
天线一体化：连接性能的保障
除了芯片之外，尺寸和成本的另一个主要限制因素是天线。
在无线蓝牙耳机中，连接性是一个难点，因为它们部分隐藏在耳朵里。虽然耳朵会阻挡一些频率，但人体本身也能有效阻挡信号。用户的智能手机需要与其中一个耳机连接，然后两个耳机之间需要以尽可能低的延迟互相发送数据包。
“两个耳机的同步非常重要——因为我们的听觉对此非常敏感，”Jorgovanovic说。“大约100微秒的左右耳延迟差就很容易被察觉到。其效果是用户会觉得声音不是来自正前方，而是来自某一侧。”
资深天线设计工程师Balamurugan Shanmugam表示，连接性问题对所有可穿戴设备都是一个挑战。
“这是一个固有的物理问题，对吧？我的意思是，这并不是某机构独有的问题。任何从事穿戴设备，甚至是研究医疗设备（如无线起搏器）的人都会遇到同样的问题，”他说。
Shanmugam面临的挑战是在更小的封装内改善连接性。他的团队第一次尝试解决这个问题时开发出了一个方案，但制造成本太高。是时候开发一种新颖的解决方案了。
就像工程师们能够减少设备中的处理器数量一样，他们也能够整合功能以适应新的天线。天线的最佳位置在设备的前端中心，但那里也是用户期望点击或使用手势的区域。在第一代Echo Buds上，触摸传感器和静电放电电路占用了天线需要用来最大化无线性能的位置。为了解决这个问题，工程师们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Echo Buds集成了天线、触摸和静电放电功能，以优化无线性能，”Shanmugam说。
Noori表示，连接性是最新Echo Buds中脱颖而出的功能之一。“这些设备的连接性非常稳定；我对连接性能绝对感到自豪。我认为我们做得很好。”
未来还有更多可能。“我认为耳机可以做很多除了基本音乐播放之外的有趣事情，”Noori说。“我们将继续代表客户进行创新，并推送软件更新。Echo Buds将随着时间的推移不断变得更好、更智能。”FINISHED
