從模擬耳機插孔升級為數(shù)字音頻接口的設(shè)計過程 前言：隨著制造商逐步淘汰模擬耳機插孔，數(shù)字音頻接口變得越來越普及。雖然使用USB或Lightning接口有很多優(yōu)點，但是這些接口為數(shù)字音頻配件的設(shè)計人員帶來了復雜性。本文將說明如何簡化數(shù)字音頻接口的設(shè)計，以便加速從模擬耳機插孔升級為更具優(yōu)勢的數(shù)字方案。 模擬耳機插孔是智能手機和PC市場中最廣泛采用的接口之一，每天被數(shù)以億計的消費者所使用。除了智能手機和PC，模擬耳機插孔也是大多數(shù)音頻播放產(chǎn)品的標準配置。然而，最近推出的一些智能手機，如iPhone 7，HTC U Ultra和Moto Z，以及其它消費性電子產(chǎn)品正在減少使用這種原始的模擬插孔，轉(zhuǎn)而使用支持音頻的現(xiàn)代化數(shù)字接口。 這種趨勢預計將會持續(xù)下去，同時為了便于平穩(wěn)過渡，市場需要具有數(shù)字音頻功能的新適配器和配件。讓我們來看看數(shù)字音頻技術(shù)的一些優(yōu)點，以及在下一代配件設(shè)計中實現(xiàn)數(shù)字音頻連接的推薦解決方案。 數(shù)字音頻接口的優(yōu)勢 顧名思義，3.5 mm模擬耳機插孔是將模擬音頻信號傳輸?shù)蕉鷻C或其它音頻配件。數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)和放大器電路必須集成到主機設(shè)備(如智能手機)中。耳機本身可以是無源的，因此成本非常低。 相比之下，包括通用串行總線(USB)和Apple Lightning在內(nèi)的一些較新的接口標準能夠傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。在這種情況下，耳機或其它音頻配件必須實現(xiàn)DAC和放大器電路的功能。該電路需要電源，可以通過外部供電，或者更常見的是通過USB或Lightning接口本身供電。 模擬和數(shù)字音頻接口各有其獨特的優(yōu)勢，促使智能手機和消費性電子產(chǎn)品制造商在較新設(shè)備上采用數(shù)字接口的一些重要原因如下： ·克服空間限制：在大多數(shù)智能手機中，模擬耳機插孔和相關(guān)音頻電路占據(jù)了大量的空間(面積和體積)。使用數(shù)字音頻，PCB所占空間會減小，或許更嚴格地說，整體產(chǎn)品的厚度可能都會減小。釋放的空間可用于增加電池尺寸，集成新功能或減小產(chǎn)品外形尺寸。 ·提高設(shè)計靈活性并改善性能：目前，消費者可能會選擇從隨機附送的耳機升級到高端耳機，但是通常音頻性能會受到主機設(shè)備內(nèi)置的DAC、放大器和其它電路的限制。使用USB或Lightning數(shù)字音頻，使耳機制造商能夠根據(jù)最終產(chǎn)品的層級和定價來改善整個音頻信號處理鏈(DAC，放大器等)的性能。這種方法能使制造商靈活地避免在產(chǎn)品性價比中進行折中設(shè)計。 ·啟用高級功能：雖然具有3.5 mm模擬耳機插頭的耳機產(chǎn)品已經(jīng)引入了一些增值功能，如自適應(yīng)噪聲消除(ANC)，但是這需要為耳機本身添加一個電池，從而導致設(shè)計難度增大。而且，模擬耳機插孔的有限的返回信號路徑功能阻礙了耳機和主機設(shè)備之間的高級交互。數(shù)字音頻接口消除了電源和通信障礙。使用USB或Lightning 接口的耳機和其它配件可以從主機設(shè)備上獲得電源，而無需另外的電池。此外，數(shù)字接口提供強大的高帶寬雙向通信，可以開發(fā)在主機設(shè)備上運行的配套應(yīng)用程序，從而獲得更高級的功能和控制。 模擬耳機插孔的其他選擇 雖然到目前為止，我們專注于數(shù)字音頻，但消除模擬耳機插孔并不意味著一定需要數(shù)字技術(shù)。USB標準提供了通過USB Type C連接器傳送模擬音頻的機制。當設(shè)計人員對消除模擬耳機插孔進行評估時，這可以為他們提供另一種可考慮的選擇。圖1顯示了用更新的接口替代模擬耳機插孔的主要方式。 圖1：替換模擬耳機插孔的方式。 使用USB-Type C的模擬音頻 新的USB Type-C連接器支持用于新增功能的非USB數(shù)據(jù)協(xié)議，包括視頻(例如DisplayPort，HDMI)、模擬音頻和高速串行(例如Thunderbolt，PCIe)協(xié)議?？梢詾檫@種附加功能分配一個引腳子集，在使用配置通道(CC1 / CC2)線連接時在主機和設(shè)備之間進行協(xié)商，如圖2中的連接器引腳分配所示。該協(xié)商支持兩種不同的模式——Alternate Mode和Audio Adapter Accessory Mode。 當使用USB 3.1 SuperSpeed線路時，Alternate Mode支持DisplayPort、PCIe和其它通信協(xié)議。 Audio Adapter Accessory Mode支持通過USB Type-C連接器路由模擬音頻。在此模式下，USB主機(例如智能手機)通過D / D-線驅(qū)動立體聲模擬音頻信號。對于需要麥克風功能的應(yīng)用，使用邊帶信號(SBU1 / SBU2)支持來自外部的麥克風信號。 Audio Adapter Accessory Mode為制造商提供了一種便利的方式來構(gòu)建非常便宜的USB-C至3.5 mm模擬耳機插孔適配器，從而允許消費者繼續(xù)使用大量的模擬音頻配件。盡管這將減緩從傳統(tǒng)模擬耳機插孔向數(shù)字接口的過渡，但隨著數(shù)字配件的發(fā)展，其在市場上的重要性和使用率將隨著時間的推移而降低。 圖2：USB-C插座引腳分配。 使用USB的數(shù)字音頻 USB提供足夠的帶寬來支持高質(zhì)量的數(shù)字音頻。對于大多數(shù)需要立體聲音頻的消費性應(yīng)用而言，USB 2.0 full-speed(12 Mbps)就足夠了。除了一些需要極高采樣率和/或多聲道音頻的專業(yè)應(yīng)用之外，通常不需要USB 2.0 high-speed(480Mbps)或USB 3.0 SuperSpeed(5 Gbps)。USB開發(fā)者論壇(USB-IF)還開發(fā)了Audio DeviceClass，其定義了通過USB傳輸音頻的標準機制，以確保USB音頻設(shè)備的互操作性。 USB耳機音頻設(shè)備不是市場上新出現(xiàn)的，近些年來由于同PC上的音頻和視頻會議應(yīng)用程序一起使用而變得很普遍。然而，隨著暢銷的消費性設(shè)備(如智能手機和平板電腦)上的模擬耳機插孔的取消，這些產(chǎn)品的需求預計將成倍增加。 如前所述，使用支持數(shù)字音頻的USB有一些優(yōu)點，包括更高的音頻質(zhì)量和高級功能。然而，與大多數(shù)變化一樣，通過USB支持數(shù)字音頻也帶來了一些挑戰(zhàn)。耳機和配件制造商面臨著一項重要的設(shè)計工作，即通過USB實現(xiàn)穩(wěn)定的流式音頻。例如，通過USB傳輸音頻要求從主機到設(shè)備的數(shù)據(jù)同步。 雖然USB規(guī)范定義了強大的同步方案，但實施仍然是有設(shè)計挑戰(zhàn)性的，即使對于最有經(jīng)驗的音頻開發(fā)團隊也是如此。此外，USB本身是一個復雜的協(xié)議，需要充足的開發(fā)時間和成本才能正確實施并進行認證。除了最初的產(chǎn)品部署之外，隨著主要的PC操作系統(tǒng)的更新，需要持續(xù)的固件和驅(qū)動程序的支持和維護。 USB音頻橋接控制器通過集成所有必需的硬件和軟件模塊簡化了USB音頻配件的開發(fā)，從而無需復雜的USB和音頻開發(fā)。例如，Silicon Labs的CP2615 USB數(shù)字音頻橋接器簡化了將音頻數(shù)據(jù)從USB轉(zhuǎn)換到I2S的過程，而無需任何代碼開發(fā)。 設(shè)計音頻配件時的另一個關(guān)鍵考量因素是DAC或CODEC的設(shè)置和配置。市場上存在各種各樣的CODEC和DAC，每個都需要自定義配置以實現(xiàn)最佳性能。這給希望其產(chǎn)品支持多種CODEC的開發(fā)人員帶來了更高的復雜性和更重的軟件負擔。 如圖3所示，USB音頻橋接控制器通常提供內(nèi)部存儲器資源來存儲CODEC配置，并支持一系列CODEC和DAC的預編程配置值。 圖3：典型的USB音頻橋接控制器示例系統(tǒng)。 使用Lighting技術(shù)的數(shù)字音頻 去年秋天，蘋果公司在iPhone 7和iPhone 7 Plus上移除了模擬耳機插孔，成為全球的頭條新聞。在介紹這些智能手機產(chǎn)品的主題演講中，該公司提到了取消插孔的三個主要原因： · Lightning端口可以處理相同的功能。 · 去除插孔可以釋放手機內(nèi)部的空間。 · 蘋果的遠期目標是無線音頻。 關(guān)于Lightning端口，蘋果提醒受眾，從一開始Lightning的設(shè)計目的就是為數(shù)字音頻提供極大支持。事實上，Lightning能實現(xiàn)模擬耳機插孔根本無法實現(xiàn)的功能。例如，Lightning能夠為音頻配件提供電源。這允許耳機制造商去包含諸如ANC等高級功能，同時不需要耳機具有獨立電池。此外，構(gòu)建基于Lightning的音頻產(chǎn)品的制造商可以開發(fā)一個配套應(yīng)用程序，以直觀易用的方式向用戶展示高級功能。 然而，這些新功能對iPhone音頻配件的設(shè)計人員來說，增加了一些額外的復雜性。為了幫助設(shè)計人員跳過普通功能開發(fā)并專注于增值產(chǎn)品的差異化，可以用數(shù)字音頻橋接芯片和評估套件簡化iOS設(shè)備配件的開發(fā)。 例如，Silicon Labs的CP2614接口芯片為廣泛的使用全數(shù)字Lightning 接口的iPod / iPhone / iPad(MFi)設(shè)備制造提供了交鑰匙音頻橋接解決方案。目標應(yīng)用包括眾多音頻配件，諸如吉他和麥克風錄音加密狗以及音頻基座。橋接芯片還提供iOS應(yīng)用程序和配件硬件之間的通信功能，支持使用配套iOS應(yīng)用程序來操作的大量IoT配件。 數(shù)字音頻橋接芯片和評估套件為iOS配件開發(fā)人員提供了一個經(jīng)濟高效的綜合開發(fā)平臺，可通過具有固定功能的MFi支持實現(xiàn)快速上市。諸如CP2614解決方案等眾多橋接芯片不需要固件開發(fā)，這可以幫助開發(fā)人員快速啟動和運行其MFi配件設(shè)計。開發(fā)人員可以通過易用的基于GUI的配置工具來簡單地選擇他們的自定義選項。 CP2614橋接芯片旨在管理和最小化功耗，在工作模式和空閑模式下實現(xiàn)超低功耗。CP2614 芯片友好的功耗使其適用于主機供電的配件。CP2614還集成了一個5 V低壓差(LDO)調(diào)節(jié)器，其可以為自供電配件減少物料清單(BOM)成本和占板面積。高度集成的橋接器件無需外部晶振或存儲配置的EEPROM。無晶圓結(jié)構(gòu)和集成的EEPROM進一步降低了BOM成本以及PCB空間，從而使開發(fā)人員能夠設(shè)計出更小、更精簡且成本更低的配件。 CP2614音頻橋接芯片支持24位單向和16位雙向數(shù)字音頻流，使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建高品質(zhì)、高性能的專業(yè)級音頻配件?？梢允褂胕OS應(yīng)用程序建立通信通道，使應(yīng)用程序能夠通過通用輸入/輸出(GPIO)讀/寫，直接與配件硬件進行交互，并訪問UART以自定義數(shù)據(jù)流。GPIO可以配置為按鈕輸入和LED輸出，并從iOS應(yīng)用程序遠程訪問或用于控制音頻播放。 結(jié)論 隨著制造商逐步淘汰模擬耳機插孔，數(shù)字音頻接口變得越來越普及。雖然使用USB或Lightning接口有很多優(yōu)點，但是這些接口為數(shù)字音頻配件的設(shè)計人員帶來了復雜性。通過USB或Lightning獲取音頻是一項復雜而耗時的設(shè)計任務(wù)，諸如音頻數(shù)據(jù)流的同步和CODEC / DAC配置等主要設(shè)計問題，甚至可能會給專家級的嵌入式和音頻設(shè)計人員帶來挑戰(zhàn)。