TWS耳机行业分析及声学器件新机遇
2020-05-21

(一)TWS耳机市场现状

(1)、AirPods引领行业,TWS耳机成为可穿戴新贵

TWS为True Wireless Stereo的缩写,意为真无线立体声。传统的无线蓝牙耳机有头戴式、挂脖式等,两个扬声器之间都有线材或头梁连接,体积较大,携带不便,而TWS真无线蓝牙耳机则是真正做到了“无线”。早在2015年,日本安桥公司便已在IFA展上推出具有两个独立耳塞、中间无任何线材连接的真无线蓝牙耳机,但当时并未引起广泛关注。主要原因在于其连接、续航及音质表现均不佳。

2016年9月,苹果公司发布第一代AirPods,开创真无线(True Wireless Stereo,TWS)耳机时代;2019年3月发布第二代AirPods;2019年10月发布Airpods Pro。

Airpods系列耳机

Airpods成为苹果最畅销配件,保持市场领先地位。Counterpoint估计2019年全球TWS耳机销量约1.29亿部(不含白牌),同比增长160%,其中AirPods销量约 6000万,市场份额稳定在50%左右,与其最接近的竞争对手三星和小米分别占有不到10%的份额;单季度来看,随着2019年3月份AirPods 2的发布,出货量提升明显,AirPods Pro的发布则带动四季度出货量再次站上新台阶。

根据Counterpoint的数据,AirPods的出货量持续超预期,预计20/21年Airpods销量有望达到1亿/1.5亿部,其中AirPods Pro占比为36%/40%。

用户高体验度与苹果生态是重要成功因素,AirPods Pro供不应求。苹果自2016年9月苹果发布第一代AirPods,优异的用户体验与苹果自身生态效应让Airpods成为爆款,2019年3月的AirPods 2和10月的AirPods Pro陆续发布,其中AirPods Pro可在主动降噪与通透模式间切换,推出之后一直处于供不应求状态,目前的发货周期仍在2周以上。

(2)、安卓:TWS拐点已至,众品牌百花齐放

AirPods 的成功,成功开拓了一款IOT新品类,也为业内厂商展现了TWS耳机的巨大发展机遇。三星、华为、小米、OPPO、vivo 等安卓手机厂商快速跟进,SONY、BOSE、森海塞尔、漫步者等传统音频设备厂商,乃至爱奇艺、网易等互联网公司也纷纷推出自己的TWS耳机产品,还有部分专门生产TWS 耳机的初创公司应运而生。

在此统计了2017-2020年间,各主流品牌厂商的 TWS 耳机产品,如下表所示。可见业内公司均在积极布局 TWS耳机市场,新品发布断加速,呈现百花齐放的态势。 (1)手机厂商:华为、小米等手机品牌注重与自家智能手机等产品的适配,以 TWS 耳机作为自家语音助手交互入口,优化多场景应用将TWS耳机融入自家智能产品生态圈;(2)传统音频厂商:森海塞尔、铁三角等。传统高端音频厂商则在其TWS耳机产品上发扬一贯的音质优势,支持高清音频编码;(3)互联网公司:爱奇艺、网易云等互联网公司则依靠与自家互联网产品的联动推出耳机硬件。

同时通过下表统计可见,除苹果外,其他TWS耳机厂牌自2018下半年起进入新品爆发期。那么为何2018年之前少有非苹果TWS耳机面世呢?这主要是由于TWS耳机需要把原有的信号接收模块、解码放大模块、通讯模块以及电池等零部件全部装近拇指大小的设备中,还要保证连接性和一定的音质效果,具有体积小、集成度高、技术难度高等特点。相比其他厂商,苹果公司早在数年前就已提前布局TWS耳机领域,并持续投入研发。通过查阅美国商标专利局网站,可见苹果公司在2010年起就在不断申请无线蓝牙耳机专利,并在2015年10月注册了AirPods品牌商标。

主流品牌厂商TWS耳机产品一览

苹果公司对TWS 耳机的提前布局,为Air Pods赢得先机。而非A系公司看到了商机后,也积极布局,但受制于技术积累不足,早期产品市场表现不佳。2018年前,市场上TWS 耳机产品屈指可数,且价格昂贵,首发价格都在千元以上,部分产品超过两千元。同时受技术限制,大部分非A系TWS耳机受限于蓝牙传输方案不成熟,存在频繁断连、高延迟的连接问题,并且续航较短、左右耳耗电不均,这些问题也导致用户体验欠佳。

然而随着TWS耳机技术的不断成熟,市面上非A系TWS耳机产品的连接性能大为改善,续航持续提升,价格逐渐下沉。为TWS耳机的爆发奠定了基础。我们对TWS 耳机的发售节奏做进一步分析可见,2018 年下半年之后,非苹果TWS 耳机大量发售,且价格大多在1000 元以下。同时间段内,续航时间超过 6 小时的产品开始出现,部分产品续航时间高达八、九小时。 进入2019年,新发售产品的续航时间就再无低于三小时。配合充电盒使用时间,大部分TWS耳机使用时长可超过20小时, 甚至有产品超过60小时。此外,近期发售的新款TWS 耳机中,主动降噪、防水、防汗等功能也开始逐渐普及,大幅提升了产品的用户体验。

(二)连接方案

(1)、耳机传输方案

安卓TWS耳机需要克服的第一关是双耳传输,但做好只是必要条件而非充分条件。TWS 耳机 由于去掉了手机以及两个耳机三者之间所有的连接线,由两个耳机通过蓝牙组成立体声系统,这种架构在技术上面临不小挑战。

蓝牙芯片双耳同步传输方案:保证信号同步连接的必要条件 传统安卓系方案通过主耳转发的方式实现双耳立体声如下图所示,面临的问题如下:主耳转发的蓝牙信号容易被其它蓝牙和WIFI等信号干扰;转发本身增加了系统延迟;转发信号穿身问题;而且由于转发导致了主耳的功耗相比副耳要高,当碰上误码要求重传数据包时会导致主耳功耗负载过重。以上原因导致 TWS耳机在连接的稳定性,主副耳机的信号同步以及待机的时长方面会面很大问题,这也是这几年安卓系 TWS 耳机不能望Airpods项背的原因。

Airpods监听方案率先突破独领风骚  

Airpods 的传输方案采用了自有的专利技术,区别于安卓的转发技术,叫监听技术。如图 2 所示,副耳信号不需要主耳转发,而是通过一定的规则监听手机所发出的信号,从接收信号中找出主耳或者副耳各自的信号,解决了转发所带来的被干扰、系统延迟、主副耳功耗不均衡等问题,获得了很好的体验。

(2)、安卓连接方案

左右耳一起听是苹果的专利,他在性能和用户体验上取得了极致的平衡,但也给其他厂家以后做同类产品带来了巨大的困难。各大安卓厂家都在纷纷找自己的解决办法。

高通方案TWS+

QCOM的解决办法叫TWS+,该技术拥有两个link,左耳是一条,右耳是一条,分别独自进行收发。好处是无须转发,双耳功耗平衡,减少了系统干扰和延迟。可能的问题是与其他平台的适配性或者兼容性差。高通的QCC5100series平台都支持了TWS+特性,VIVO新出的TWS Earphone就采用了该系列的QCC5126芯片。

恒玄科技方案

恒玄科技的解决办法叫 LBRT-低频转发技术,如图所示。手机以2.4G蓝牙信号传输至主耳机,再通过磁感应转发技术,转发信号频段在10~15MHZ,同步至副耳机。如此以增强信号的穿透力,并能避免音质损耗,减少延迟。缺点则是需要在耳机中多加入低频天线。 恒玄的BES2300产品支持LBRT特性,华为的 Freebuds2采用这个方案。

络达科技方案

络达采用同步接收方式叫MCSync,如图所示。搭建完成后每支耳机会有一个信号进行连接,官方宣称连线更稳定,减少断音跳音,支撑高解析音频码流,低延时,两耳耗电更平衡,各种手机平台都适用。络达的应用有很多在高仿领域,对不同平台的适用性很重要。络达的A1532/A1536/A1552x 支持 MCSync特性。其中A1536是Airpods高仿产品的主要方案,而A1552x是索尼的新一代降噪豆 WF1000XM3的方案商。

蓝牙6.0将从协议架构上直接支持TWS

除了各家大厂在转发技术上面进行优化提升,后续还有BT增加续航最容易做的事就是增加电池的容量,这会直接导致重量增加,长时间佩戴时会因为重量原因变得难以忍受。增加续航还可以通过先进制程来实现,但是先进制程意味着高昂的成本。苹果的H1芯片用的是16nm工艺,而安卓系里面大多是28nm 工艺。工艺高功耗小但是代价也很大,反过来要求很大的出货量来分摊成本开销。按照当前品牌安卓机的出货量很难支撑先进工艺的投入。功耗和性能平衡是很复杂和重要的事,体验的提升不只在转发技术一方面。安卓系的功耗困境明年将会有很大的进展,头部大厂的16nm方案已经在研中,体验提升和出货效应预期将带来大的突破,这将引领安卓系竞争力上一个大台阶。

(三)降噪方案

降噪技术需要通过硬件端(芯片、传感器、麦克风阵列等)与软件端算法的协作来实现。当前TWS耳机降噪技术主要有主动降噪(Active Noise Control,ANC)和环境降噪技术(Environmental Noise Cancellation,ENC)两种 。

(1)、ANC技术

ANC降噪的工作原理是麦克风收集外部的环境噪音,然后系统变换为一个反相的声波加到喇叭端,最终人耳听到的声音是:环境噪音+反相的环境噪音,两种噪音叠加从而实现感官上的噪音降低,受益人是自己。ANC主动降噪可分为前馈式主动降噪(头戴式耳机应用较多)和反馈式主动降噪以及混合式主动降噪。反馈式容易引起啸叫。

Airpods采用骨传导技术 + 双麦克降噪,其原理:空气传播通过麦克风将空气中的人声、杂音等环境声收入。骨传声导仅仅收集人声带振动的音频信息。算法将来自这两条路径得到的声音信号进行对比,并对环境音进行弱化处理,即最终留下相对干净的讲话声。Airpods Pro 更进一步加入ANC (主动降噪)功能,单只有3 颗麦克风,通过外向式麦克风和内向式麦克风分别检测外部声波及多余声波,然后通过H1芯片进行处理,产生与之相同的抗噪声波将其抵消,从而实现降噪。另一方面,非A 端TWS耳机 SoC芯片也具有ANC功能,比如高通、恒玄、瑞昱等产品。Airpods Pro还解决了两个难点,一个是通过SIP封装解决了空间占用问题,另一个是做了一个通气系统解决了耳内外压力差的问题,保证了佩戴舒适度。具体体验还待后续验证。目前安卓系蓝牙平台都开始支持 ANC,关键是看整机厂家能不能克服工程难题真正提升降噪体验。

(2)、ENC技术 ENC(Environmental Noise Cancellation,环境降噪技术),是通过双麦克风阵列,精准计算通话者说话的方位,在保护主方向目标语音的同时,去除环境中的各种干扰噪声。ENC技术能有效抑制90%的反向环境噪声,由此降低环境噪声最高可达35dB以上,让游戏玩家的语音沟通可以更加自由。

环境降噪技术原理

当前采用 ENC 方案的主要是 Airpods 和 Google 的 pixel buds,他们都采用了意法半导体的方 案。ENC 方案需要比较大的算法开发工作,也会提升全系统的功耗,因此目前尚未在安卓品 牌 TWS 耳机中普及。

(四)TWS产业链 TWS耳机产业链划分为零组件厂商、ODM/OEM 厂商、终端三大类。

上游:零组件厂商

上游零组件厂商中,主要包括无线耳机和充电盒部分,其中无线耳机的零部件主要包括主控蓝牙芯片、 存储芯片、柔性电路板 FPC 等等,充电盒部分主要包括微控制器、电源管理 IC、锂电子电池等等,其中支持蓝牙5.0 版本的芯片成为耳机性能提升最关键的因素,目前主流 TWS 蓝牙真无线音频方案主要来源于 苹果、华为、络达、恒玄、炬芯、高通等厂商。

中游:ODM/OEM 厂商

中游零部件组装集成,为 ODM/OEM 厂商。ODM与OEM区别点在是否进行产品的设计及研发。耳 机品牌厂商对制造质量、交期、研发等都有较高要求,而同时满足这些需求的 ODM/OEM厂商较少,包括 立讯精密、歌尔股份、佳禾智能等。此外,SiP 是指系统级封装,是指将多个芯片封装一起,作为一个 “系 统”,当前 SiP 供应商包括全球领先的半导体封测厂商、环旭电子、立讯精密等企业。

下游:终端厂商

下游终端厂商主要分为三类,手机品牌厂商、传统音频类厂商和其他厂商。当前 TWS 耳机渗透率仍 较低,具有较高的成长性。据上文分析, “中间小”格局的改善,将会有利于手机品牌厂商和顶级音频大厂。

TWS耳机上游产业链梳理及企业

TWS耳机关键组件主要集中ODM/OEM、 SiP、电池及芯片,而芯片主要集中在主控芯片、电源芯片、存储芯片等。结合国内供应链情况,我们认为 投资机会在于:1)ODM/OEM 组件部分体量最大,受益非 A 加速和硬核阶段两大趋势,并对相关公司进 行份额、规模及盈利能力分析;2)SiP 对厂商设备及 know-how 要求高,3大因素决定其未来在高端TWS 耳机应用前景较好;3)主控芯片对TWS 耳机至关重要,国内技术积累欠缺,关注具有优质客户关系及 多种解决方案企业。4)存储芯片有望迎来量价齐升,量在于TWS 耳机行业景气度高,价在于功能复杂度逐渐增高,运算存储需求增强,存储容量有望进一步升级。 5)电源芯片在耳机配套充电盒芯片成本占比高, 将非 A加速趋势;6)纽扣电池厂商拥有专利技术,已切入供应链厂商具有较高成长性。

TWS耳机下游产业链梳理及企业

OEM/ODM体量最大,受益市场趋势明确。TWS耳机进入硬核阶段,降噪、音质及智能化会带动功能复杂度提升,对 ODM/OEM 企业的精密制造能力会提出更高要求,将有利于 TWS 耳机 ODM/OEM 龙 头企业,以及保持产品附加值。此外我们从A 端和非A 端分别看ODM/OEM 企业,当前 Airpods 主要供 应商是立讯精密、歌尔股份及英业达三家。立讯精密和英业达在 2017 年已切入 Air pods 1 供应链,当前立讯精密在Airpods 2和Airpods Pro依旧保持主力供应商地位,而歌尔股份在2019年切入Airpods 2供应链, 我们预计其在 Airpod 2 和 Airpods Pro 供应份额种有进一步提升空间。我们选取市场上 TWS 耳机主要的 ODM、OEM 企业进行对比分析。因为有些厂商缺失具体到TWS耳机相关数据,我们暂且将耳机业务相关 的营收及毛利率数据进行分析。在营收方面,拥有苹果Airpods业务的立讯精密及歌尔股份营收规模最大,远超60亿元,可见相关龙头公司具有较大的规模优势。上文我们阐述TWS 耳机市场方向,认为未来随着非Airpods市场加速启动,因而非A端相关TWS耳机ODM/OEM 公司有望持续受益。在非A端市场规模方面,歌尔股份和佳禾智能规模相对较高。盈利能力方面,毛利率主要受客户结构和产品结构影响,从 可比公司上看,共达电声、豪恩声学(蓝思科技参股)和佳禾智能排名靠前。

主要ODM厂商客户及TWS耳机业务主要特征

高端 TWS 耳机应用前景广阔。SiP,全称系统级封装(System in Package),是指将多种芯片封装成一个系统。SiP 可以小型化外形尺寸以节省空间(尺寸减少大于 50%),同时提高芯片性能并减少信号干 扰。我们认为 SiP 未来在高端TWS耳机应用前景广阔在于能同时满足尺寸、性能及更新周期要求,1)芯片尺寸:TWS 耳机本身具有较小空间,对尺寸有较高要求,而SiP 工艺可以减少尺寸在50%以上;2)性能:上文我们阐述TWS开始进入硬核阶段,降噪、音质及智能化会带动功能复杂度提升,这就要求再既定小的空间内集成更多功能,而SiP工艺可以在占用面积不变情况下,将更多芯片和模组有机结合再一起, 性能提升更高;3)更新周期:上文我们提及TWS耳机相较手机更新周期更短,且未来更新周期会进一步 加快,而 SiP 工艺拥有较高的成品率,可以缩短产品上市时间,节省开发和组装成本。当前 SiP 应用由 A 客引领,已经应用于1)iPhone 中WiFi模组、GPS 模组等;2)Apple Watch 模组;3)Airpods Pro 主芯片 模组,我们认为SiP未来在非A端高端TWS耳机应用前景同样广阔。 SiP工艺涉及打线接合(Wire Bonding)、 覆晶技术(Flip Chip)、SMT等技术以及专用设备,因而SiP对厂商 know-how 及资金能力要求较高,目前,领先的半导体封测厂商和组装厂商可以提供SiP工艺。Airpods Pro 当前 SiP 工艺主要由安靠(Amkor)、环旭电子(USI)供应,立讯精密今年预计可以切入Apple Watch SiP 供应,若进展良好,我们认为未来其在Airpods SiP供应份额上也将占有一席之地。更进一步,若是未来SiP 供应在非A端TWS耳机应用,领先的半导体封测厂商和组装厂商将会持续受益。

(五)声学器件的新机遇

声音作为自然界模拟信号的一种,是信息设备功能配置不可或缺的一环。电子产品中完整的声学系 统包含三部分:①采集,主要由麦克风来实现。②处理,由各类音频IC 或云端来实现,如 ADC、DAC、音频编码器/解码器等。③播放,主要由音频放大器(属于音频 IC)、扬声器来实现。其中最主要的元器件分 别是麦克风、扬声器与音频IC。

根据Yole的统计,2018年整体声学器件市场共约 141 亿美金,其中扬声器市场占比约65%、音频IC市场占比约 24%、麦克风市场占比约12%。Yole预计整体市场在 2024年将达到208亿美金,复合增速达到6.6% 。智能手机则是声学器件下游最大的应用市场。由于智能手机的庞大体量,目前是声学器件最大的应用市场。仅将麦克风、扬声器与受话器、音频编解码器纳入测算,一部低端智能手机声学器件单机价值量约4美金,旗舰智能手机声学器件单机价值量接近10美金。

在智能手机之后,智能音箱成为又一麦克风使用大户。智能音箱作为声控指令中枢,麦克风成为必备功能配件, 围绕麦克风拾音也持续进行着技术迭代,如身份及语音识别、噪音及风 声排除等;因为麦克风阵列的引入,数量上也大为增加。苹果 HomePod 与华为 Sound X 音箱均搭载了6 枚MEMS 麦克风。据Yole预测,在智能音箱市场,MEMES 麦克风出货量在2024 年预计达到12亿只,复合增速13%;在无线耳机市场,MEMS麦克风出货量将达到13亿只,复合增速29%。整体MEMS麦克风市场在2005 2022 年间保持复合增速达11.3%,与此同时ECM麦克风则呈缓慢下降趋势。

TWS耳机作为重要语音控制入口,麦克风搭载量也高于普通耳机,同时由于降噪等功能的引入,也需要麦克风参与实现。TWS耳机不仅具备传统耳机的麦克风和受话器,同时由于是分离式独立运行,还需具备较复杂蓝牙与音频处理芯片。以Airpods Pro为例,双耳各搭载三个麦克风:外向式麦克风(波束成形麦克风)、内向式麦克风和通话麦克风(波束成形麦克风), 同时还配以 Cirrus Logic 音频编解码器等音频 IC。伴随TWS的爆发,声学器件行业迎来新的增长点。

TWS耳机声学器件增量测算

以Airpods为例,耳机端包含W1主芯片、蓝牙、存储、控制等芯片,也配备光学传感器、加速度计等传感器,声学器件则包括Cirrus Logic 提供的音频解码器、歌尔通泡面哥的MEMS麦克风等。

Airpods耳机主要元器件

假设Airpods音频IC ASP约20元,MEMS 麦克风 ASP约6元,随着Pro版降噪等功能增加,麦克风数量在提升,假设2020年麦克风ASP为10元,2021年后为12元保持不变;非Airpods 类TWS 耳机音频 IC ASP15元,MEMS 麦克风 ASP 4 元,2021 年以后保持 6 元不变。销量方面,我们预计 Airpods今年销量为6500万台,明年销量为1亿台,长期来看,年销量预计达到iPhone年销量约2亿台;非Airpods类TWS今年销量5000万台,长期来看年销量有望到10亿台,

TWS耳机声学器件增量预测

从而测算 2019 年 TWS MEMS 麦克风市场将达到5.9亿, 长期来看,MEMS麦克风市场将达到 84 亿。TWS音频IC市场今年将达到20.5亿,长期来看将到达190亿。两者合计长期市场规模将超过 270亿元。

智能音箱声学器件增量测算 以亚马逊Echo为例,里面涉及到的声学器件包括TI 超低功耗立体声解码器、SNR 低压立体声模数转换器、麦克风(7个)等。

亚马逊Eco的主要元器件

假设智能音箱市场MEMS 麦克风 ASP 为 10 元,扬声器(非微型)ASP为30元,音频 IC ASP 为20元;销量方面,根据Strategy Analytics的数据,2018年全球智能音箱出货量达到8610万台,我们预计今年将达到 12000万台,明后年保持20%的增长。2019年智能音箱 MEMS麦克风市场将达到12亿, 扬声器市场将达到36亿,音频IC 24 亿元。

“数据来源:互联网”

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