作者：Ramya Kota，Ted Batey

模擬耳機(jī)插孔是智能手機(jī)和PC市場(chǎng)中最廣泛采用的接口之一，每天有數(shù)億消費(fèi)者使用。除了智能手機(jī)和PC之外，模擬耳機(jī)插孔是大多數(shù)能夠播放音頻的產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置。然而，一些最近推出的智能手機(jī)，如iPhone 7，HTC U Ultra和Moto Z，以及其他消費(fèi)電子產(chǎn)品正在避開(kāi)這種傳統(tǒng)的模擬插孔，轉(zhuǎn)而采用現(xiàn)代音頻數(shù)字接口。預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)將持續(xù)下去，為了促進(jìn)過(guò)渡，市場(chǎng)需要具有數(shù)字音頻功能的新適配器和配件。讓我們來(lái)看看數(shù)字音頻技術(shù)的一些優(yōu)勢(shì)，以及為下一代配件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻連接的建議解決方案。

顧名思義，3.5 毫米模擬耳機(jī)插孔將模擬音頻信號(hào)傳輸?shù)竭B接的耳機(jī)或其他音頻配件。數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）和放大器電路必須集成到主機(jī)設(shè)備中，例如智能手機(jī)。耳機(jī)本身可以是無(wú)源的，因此成本非常低。

相比之下，一些較新的接口標(biāo)準(zhǔn)，包括通用串行總線（USB）和蘋果閃電，能夠傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。在這種情況下，連接的耳機(jī)或其他音頻配件必須實(shí)現(xiàn)DAC和放大器電路。該電路需要電源，電源可以從外部供電，或者更常見(jiàn)的是通過(guò)USB或閃電連接器本身供電。

雖然模擬和數(shù)字音頻接口各有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但以下是智能手機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商在較新設(shè)備上采用數(shù)字接口的一些關(guān)鍵原因：

克服空間限制。在大多數(shù)智能手機(jī)中，模擬耳機(jī)插孔和相關(guān)音頻電路會(huì)消耗大量的空間（面積和音量）。通過(guò)轉(zhuǎn)向利用產(chǎn)品中已有的連接器的數(shù)字音頻，印刷電路板（PCB）的占位面積減少，也許更關(guān)鍵的是，整體產(chǎn)品厚度可能會(huì)減少。這種釋放的空間可用于增加電池尺寸，集成新功能或減少產(chǎn)品外形尺寸。

增強(qiáng)設(shè)計(jì)靈活性并提高性能。目前，消費(fèi)者可能會(huì)選擇從盒裝耳機(jī)升級(jí)到高端售后市場(chǎng)產(chǎn)品，但音頻性能往往會(huì)受到主機(jī)設(shè)備內(nèi)置的DAC、放大器和其他電路的限制。使用 USB 或 Lightning 數(shù)字音頻使耳機(jī)制造商能夠根據(jù)最終產(chǎn)品的分層和定價(jià)來(lái)擴(kuò)展整個(gè)音頻信號(hào)處理鏈（DAC、放大器等）的性能。這種方法使制造商能夠靈活地服務(wù)于市場(chǎng)的價(jià)值和高端細(xì)分市場(chǎng)，而不會(huì)影響質(zhì)量。

啟用高級(jí)功能。雖然帶有3.5毫米模擬耳機(jī)插頭的耳機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)集成了一些增值功能，例如自適應(yīng)降噪（ANC），但這需要在耳機(jī)本身添加電池，這可能導(dǎo)致笨拙的設(shè)計(jì)。此外，模擬耳機(jī)插孔的有限返回信號(hào)路徑功能阻礙了耳機(jī)和主機(jī)設(shè)備之間的高級(jí)交互。數(shù)字音頻接口消除了電源和通信障礙。使用USB或閃電連接器的耳機(jī)和其他配件可以從主機(jī)設(shè)備獲取電源，無(wú)需單獨(dú)的電池。此外，數(shù)字接口提供強(qiáng)大的高帶寬雙向通信，支持創(chuàng)建在主機(jī)設(shè)備上運(yùn)行的配套應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可公開(kāi)更高級(jí)的功能和控制。

模擬耳機(jī)插孔的替代品

雖然到目前為止，我們一直專注于數(shù)字音頻，但消除模擬耳機(jī)插孔并不一定需要轉(zhuǎn)向數(shù)字音頻。USB 標(biāo)準(zhǔn)提供了一種通過(guò) USB C 型連接器提供模擬音頻的機(jī)制。這為設(shè)計(jì)人員在評(píng)估消除模擬耳機(jī)插孔時(shí)提供了另一種選擇。圖1顯示了用較新的接口替換模擬耳機(jī)插孔的主要選項(xiàng)。

［圖1|模擬耳機(jī)插孔的替代品］

使用 USB-C 的模擬音頻

新的USB C型連接器支持非USB數(shù)據(jù)協(xié)議，以增加功能;這些包括視頻（例如顯示端口，HDMI），模擬音頻和高速串行（例如雷靂，PCIe）協(xié)議?？梢詾榇烁郊庸δ芊峙湟徊糠忠_，在連接時(shí)使用配置通道 （CC1/CC2） 線路在主機(jī)和設(shè)備之間協(xié)商，如圖 2 中的連接器引腳排列所示。此協(xié)商允許兩種不同的模式 - 交替模式和音頻適配器附件模式。

備用模式支持顯示端口、PCIe 和其他通信協(xié)議，當(dāng)使用 USB 3.1 超高速線路時(shí)。

音頻適配器附件模式支持通過(guò) USB Type-C 連接器路由模擬音頻。在此模式下，USB 主機(jī)（例如智能手機(jī)）通過(guò) D+/D- 線驅(qū)動(dòng)立體聲模擬音頻信號(hào)。對(duì)于需要麥克風(fēng)功能的應(yīng)用，使用邊帶信號(hào) （SBU1/SBU2） 支持來(lái)自外部源的麥克風(fēng)信號(hào)。

音頻適配器配件模式為制造商提供了一種方便的方式來(lái)構(gòu)建非常便宜的USB-C至3.5毫米模擬耳機(jī)插孔適配器，使消費(fèi)者能夠繼續(xù)利用模擬音頻配件的大型生態(tài)系統(tǒng)。雖然這將簡(jiǎn)化從傳統(tǒng)模擬耳機(jī)插孔的過(guò)渡，但隨著原生數(shù)字配件的普及，其在市場(chǎng)上的重要性和使用將隨著時(shí)間的推移而降低。

［圖2 |USB-C 插座引腳排列］

使用 USB 的數(shù)字音頻

USB 提供足夠的帶寬來(lái)支持高質(zhì)量的數(shù)字音頻。對(duì)于大多數(shù)需要立體聲音頻的消費(fèi)類應(yīng)用，USB 2.0 全速 （12 Mbps） 就足夠了。通常不需要 USB 2.0 高速 （480 Mbps） 或 USB 3.0 超高速 （5+ Gbps），除非某些專業(yè)應(yīng)用需要非常高的采樣率和/或多聲道音頻。USB 實(shí)施者論壇 （USB-IF） 還開(kāi)發(fā)了音頻設(shè)備類，該類定義了通過(guò) USB 傳輸音頻的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，以確保 USB 音頻設(shè)備的互操作性。

USB耳機(jī)/頭戴式耳機(jī)音頻設(shè)備在市場(chǎng)上并不陌生，近年來(lái)已廣泛用于PC上的音頻和視頻會(huì)議應(yīng)用程序。然而，隨著智能手機(jī)和平板電腦等大眾市場(chǎng)消費(fèi)設(shè)備上模擬耳機(jī)插孔的移除，對(duì)這些產(chǎn)品的需求預(yù)計(jì)將增加數(shù)倍。如前所述，將USB用于數(shù)字音頻有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括更高的音頻質(zhì)量和高級(jí)功能。但是，與大多數(shù)更改一樣，通過(guò)USB支持?jǐn)?shù)字音頻也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。耳機(jī)和配件制造商面臨著通過(guò) USB 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的流音頻的重大設(shè)計(jì)工作。例如，通過(guò) USB 流式傳輸音頻需要將數(shù)據(jù)從主機(jī)同步到設(shè)備。盡管USB規(guī)范定義了一個(gè)強(qiáng)大的同步方案，但即使對(duì)于最有經(jīng)驗(yàn)的音頻開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)仍然具有挑戰(zhàn)性，并且可能非常耗時(shí)。此外，USB本身是一個(gè)復(fù)雜的協(xié)議，需要大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本才能正確實(shí)施和認(rèn)證。除了最初的產(chǎn)品部署之外，隨著主要PC操作系統(tǒng)的更新，需要持續(xù)的固件和驅(qū)動(dòng)程序支持和維護(hù)。

USB 音頻橋接控制器通過(guò)集成所有必需的硬件和軟件模塊簡(jiǎn)化了 USB 音頻配件的開(kāi)發(fā)，無(wú)需復(fù)雜的 USB 和音頻開(kāi)發(fā)。例如，硅實(shí)驗(yàn)室的 CP2615 USB 數(shù)字音頻橋簡(jiǎn)化了將音頻數(shù)據(jù)從 USB 轉(zhuǎn)換為集成 IC 間聲音 （I2S） 的過(guò)程，而無(wú)需任何代碼開(kāi)發(fā)。

設(shè)計(jì)音頻配件時(shí)的另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是DAC或編解碼器的設(shè)置和配置。市場(chǎng)上有各種各樣的編解碼器和DAC，每種都需要定制配置才能獲得最佳性能。這導(dǎo)致希望為其產(chǎn)品支持多個(gè)編解碼器的開(kāi)發(fā)人員的復(fù)雜性和軟件負(fù)擔(dān)增加。如圖 3 所示，交鑰匙 USB 音頻橋接控制器通常提供內(nèi)部存儲(chǔ)器資源來(lái)存儲(chǔ)編解碼器配置，并支持各種編解碼器和 DAC 的預(yù)編程配置值。

［圖3|典型的USB音頻橋接控制器示例系統(tǒng)］

使用閃電技術(shù)的數(shù)字音頻

去年秋天，蘋果從iPhone 7和iPhone 7 Plus上移除了模擬耳機(jī)插孔，成為全球頭條新聞。在介紹這些智能手機(jī)產(chǎn)品的主題演講中，該公司列舉了移除插孔的三個(gè)關(guān)鍵原因：

閃電端口可以處理相同的功能。

卸下插孔可釋放手機(jī)內(nèi)部急需的空間。

蘋果對(duì)音頻的長(zhǎng)期愿景是無(wú)線。

專注于閃電端口，蘋果提醒觀眾，閃電網(wǎng)絡(luò)從一開(kāi)始就是為數(shù)字音頻提供巨大支持而設(shè)計(jì)的。事實(shí)上，閃電實(shí)現(xiàn)了模擬耳機(jī)插孔無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。例如，閃電網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)橐纛l配件供電。這使得耳機(jī)制造商能夠包含ANC等高級(jí)功能，同時(shí)無(wú)需在耳機(jī)中使用單獨(dú)的電池。此外，構(gòu)建基于 Lightning 的音頻產(chǎn)品的制造商可以開(kāi)發(fā)配套應(yīng)用程序，以直觀且易于使用的方式向用戶展示高級(jí)功能。

然而，這些新功能確實(shí)給iPhone音頻配件的設(shè)計(jì)師帶來(lái)了一些額外的復(fù)雜性。為了幫助設(shè)計(jì)人員快速啟動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)并專注于增值產(chǎn)品差異化，數(shù)字音頻橋接芯片和評(píng)估套件可用于簡(jiǎn)化 iOS 設(shè)備配件的開(kāi)發(fā)。例如，硅實(shí)驗(yàn)室的 CP2614 接口 IC 為各種使用全數(shù)字閃電連接器的 iPod/iPhone/iPad （MFi） 設(shè)備提供了交鑰匙音頻橋接解決方案。目標(biāo)應(yīng)用包括音頻配件，如吉他和麥克風(fēng)錄音加密狗和音頻擴(kuò)展塢。橋接芯片還為iOS應(yīng)用程序和配件硬件之間的通信提供內(nèi)置支持，從而實(shí)現(xiàn)與配套iOS應(yīng)用程序一起運(yùn)行的各種物聯(lián)網(wǎng)配件。

數(shù)字音頻橋接芯片和評(píng)估套件為 iOS 配件開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的全面開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)固定功能 MFi 支持實(shí)現(xiàn)快速上市。許多橋接芯片（如 CP2614 解決方案）無(wú)需固件開(kāi)發(fā)，這有助于開(kāi)發(fā)人員快速啟動(dòng)并運(yùn)行其 MFi 附件設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)人員只需使用易于使用的基于 GUI 的配置工具選擇其自定義選項(xiàng)即可。

CP2614 橋接芯片旨在管理和最大限度地降低功耗，在活動(dòng)和空閑模式下均可實(shí)現(xiàn)超低功耗。CP2614 IC 的能效使其適用于設(shè)備供電的配件。CP2614 還包括一個(gè)集成的 5 V 低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器，可降低自供電附件的物料清單 （BOM） 成本和占地面積。高度集成的橋接器件無(wú)需外部晶體或 EEPROM 即可工作，將所有配置選項(xiàng)存儲(chǔ)在片上。無(wú)晶體架構(gòu)和集成的 EEPROM 進(jìn)一步降低了 BOM 成本和 PCB 空間，使開(kāi)發(fā)人員能夠設(shè)計(jì)出更小、更精簡(jiǎn)且更具成本效益的配件。

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(kāi)發(fā)人員能夠創(chuàng)建高質(zhì)量、高性能的“產(chǎn)消者”級(jí)音頻配件?？梢耘c iOS 應(yīng)用程序建立通信通道，使應(yīng)用能夠通過(guò)通用輸入/輸出 （GPIO） 讀/寫和訪問(wèn) UART 進(jìn)行自定義數(shù)據(jù)流，直接與配件硬件進(jìn)行交互。GPIO可以配置為按鈕輸入和LED輸出，并從iOS應(yīng)用程序遠(yuǎn)程訪問(wèn)或用于控制音頻播放。

結(jié)論

隨著制造商遠(yuǎn)離模擬耳機(jī)插孔，數(shù)字音頻接口的普及率正在上升。雖然將USB或Lightning連接器用于音頻有很多優(yōu)點(diǎn)，但這些接口確實(shí)給數(shù)字音頻配件的設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了一些額外的復(fù)雜性。通過(guò) USB 或閃電傳輸音頻是一項(xiàng)復(fù)雜且耗時(shí)的設(shè)計(jì)任務(wù)。音頻數(shù)據(jù)流的同步和編解碼器/DAC 配置等重大設(shè)計(jì)問(wèn)題甚至可能給嵌入式和音頻設(shè)計(jì)人員帶來(lái)挑戰(zhàn)。固定功能交鑰匙數(shù)字音頻橋接器通過(guò)提供無(wú)需軟件開(kāi)發(fā)的即插即用解決方案，將這種復(fù)雜性降至最低。這些橋接器件為簡(jiǎn)化 USB 音頻設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的方法。憑借其高集成度和可配置性，它們消除了對(duì)深厚的協(xié)議知識(shí)和固件開(kāi)發(fā)的需求，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)r(shí)間和資源集中在創(chuàng)新和差異化應(yīng)用上。

審核編輯：郭婷