從模擬耳機插孔升級為數字音頻接口的設計過程 前言：隨著制造商逐步淘汰模擬耳機插孔，數字音頻接口變得越來越普及。雖然使用USB或Lightning接口有很多優點，但是這些接口為數字音頻配件的設計人員帶來了復雜性。本文將說明如何簡化數字音頻接口的設計，以便加速從模擬耳機插孔升級為更具優勢的數字方案。 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音頻播放產品的標準配置。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品正在減少使用這種原始的模擬插孔，轉而使用支持音頻的現代化數字接口。 這種趨勢預計將會持續下去，同時為了便于平穩過渡，市場需要具有數字音頻功能的新適配器和配件。讓我們來看看數字音頻技術的一些優點，以及在下一代配件設計中實現數字音頻連接的推薦解決方案。 數字音頻接口的優勢 顧名思義，3.5 mm模擬耳機插孔是將模擬音頻信號傳輸到耳機或其它音頻配件。數模轉換(DAC)和放大器電路必須集成到主機設備(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在內的一些較新的接口標準能夠傳輸數字音頻數據。在這種情況下，耳機或其它音頻配件必須實現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。 模擬和數字音頻接口各有其獨特的優勢，促使智能手機和消費性電子產品制造商在較新設備上采用數字接口的一些重要原因如下： ·克服空間限制：在大多數智能手機中，模擬耳機插孔和相關音頻電路占據了大量的空間(面積和體積)。使用數字音頻，PCB所占空間會減小，或許更嚴格地說，整體產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品外形尺寸。 ·提高設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備內置的DAC、放大器和其它電路的限制。使用USB或Lightning數字音頻，使耳機制造商能夠根據最終產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品性價比中進行折中設計。 ·啟用高級功能：雖然具有3.5 mm模擬耳機插頭的耳機產品已經引入了一些增值功能，如自適應噪聲消除(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備之間的高級交互。數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備上獲得電源，而無需另外的電池。此外，數字接口提供強大的高帶寬雙向通信，可以開發在主機設備上運行的配套應用程序，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，我們專注于數字音頻，但消除模擬耳機插孔并不意味著一定需要數字技術。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數據協議，包括視頻(例如DisplayPort，HDMI)、模擬音頻和高速串行(例如Thunderbolt，PCIe)協議。可以為這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備之間進行協商，如圖2中的連接器引腳分配所示。該協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-線驅動立體聲模擬音頻信號。對于需要麥克風功能的應用，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使用大量的模擬音頻配件。盡管這將減緩從傳統模擬耳機插孔向數字接口的過渡，但隨著數字配件的發展，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的數字音頻 USB提供足夠的帶寬來支持高質量的數字音頻。對于大多數需要立體聲音頻的消費性應用而言，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應用之外，通常不需要USB 2.0 high-speed(480Mbps)或USB 3.0 SuperSpeed(5 Gbps)。USB開發者論壇(USB-IF)還開發了Audio DeviceClass，其定義了通過USB傳輸音頻的標準機制，以確保USB音頻設備的互操作性。 USB耳機音頻設備不是市場上新出現的，近些年來由于同PC上的音頻和視頻會議應用程序一起使用而變得很普遍。然而，隨著暢銷的消費性設備(如智能手機和平板電腦)上的模擬耳機插孔的取消，這些產品的需求預計將成倍增加。 如前所述，使用支持數字音頻的USB有一些優點，包括更高的音頻質量和高級功能。然而，與大多數變化一樣，通過USB支持數字音頻也帶來了一些挑戰。耳機和配件制造商面臨著一項重要的設計工作，即通過USB實現穩定的流式音頻。例如，通過USB傳輸音頻要求從主機到設備的數據同步。 雖然USB規范定義了強大的同步方案，但實施仍然是有設計挑戰性的，即使對于最有經驗的音頻開發團隊也是如此。此外，USB本身是一個復雜的協議，需要充足的開發時間和成本才能正確實施并進行認證。除了最初的產品部署之外，隨著主要的PC操作系統的更新，需要持續的固件和驅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，從而無需復雜的USB和音頻開發。例如，Silicon Labs的CP2615 USB數字音頻橋接器簡化了將音頻數據從USB轉換到I2S的過程，而無需任何代碼開發。 設計音頻配件時的另一個關鍵考量因素是DAC或CODEC的設置和配置。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最佳性能。這給希望其產品支持多種CODEC的開發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。 使用Lighting技術的數字音頻 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部的空間。 · 蘋果的遠期目標是無線音頻。 關于Lightning端口，蘋果提醒受眾，從一開始Lightning的設計目的就是為數字音頻提供極大支持。事實上，Lightning能實現模擬耳機插孔根本無法實現的功能。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，構建基于Lightning的音頻產品的制造商可以開發一個配套應用程序，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音頻配件的設計人員來說，增加了一些額外的復雜性。為了幫助設計人員跳過普通功能開發并專注于增值產品的差異化，可以用數字音頻橋接芯片和評估套件簡化iOS設備配件的開發。 例如，Silicon Labs的CP2614接口芯片為廣泛的使用全數字Lightning 接口的iPod / iPhone / iPad(MFi)設備制造提供了交鑰匙音頻橋接解決方案。目標應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應用程序和配件硬件之間的通信功能，支持使用配套iOS應用程序來操作的大量IoT配件。 數字音頻橋接芯片和評估套件為iOS配件開發人員提供了一個經濟高效的綜合開發平臺，可通過具有固定功能的MFi支持實現快速上市。諸如CP2614解決方案等眾多橋接芯片不需要固件開發，這可以幫助開發人員快速啟動和運行其MFi配件設計。開發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)調節器，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。無晶圓結構和集成的EEPROM進一步降低了BOM成本以及PCB空間，從而使開發人員能夠設計出更小、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位雙向數字音頻流，使開發人員能夠創建高品質、高性能的專業級音頻配件。可以使用iOS應用程序建立通信通道，使應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以自定義數據流。GPIO可以配置為按鈕輸入和LED輸出，并從iOS應用程序遠程訪問或用于控制音頻播放。 結論 隨著制造商逐步淘汰模擬耳機插孔，數字音頻接口變得越來越普及。雖然使用USB或Lightning接口有很多優點，但是這些接口為數字音頻配件的設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計任務，諸如音頻數據流的同步和CODEC / DAC配置等主要設計問題，甚至可能會給專家級的嵌入式和音頻設計人員帶來挑戰。