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2018/01/30

簡化從類比耳機插孔升級為數位音訊介面的設計過程

文章來源 :  Ramya Kota and Ted Batey, Silicon Labs

類比耳機插孔是智慧型手機和電腦市場中最廣泛採用的介面之一,每天並由數億用戶所使用著。除了智慧型手機和電腦之外,類比耳機插孔是大多數音訊播放產品的標準配置。然而,最近所推出的一些智慧型手機,例如iPhone 7,HTC U Ultra和Moto Z以及其他消費性電子產品則正在避開此種傳統的類比插孔,並轉而使用現代化的數位音訊介面。這種趨勢預計將持續下去,為了便於轉型,市場需要具有數位音訊功能的新轉接器和配件。現在就讓我們來了解數位音訊技術的優點,以及實現下一代配件設計的數位音訊連接的解決方案。

顧名思義,3.5 mm類比耳機插孔將類比音訊訊號傳輸到耳機或其他音訊配件。數位類比轉換(DAC)和放大器電路必須整合到主機裝置中,如智慧型手機。耳機本身可以是被動的,因此成本非常低。

相對之下,包括通用序列匯流排(USB)和Apple Lightning在內的一些較新型介面標準則能夠傳輸數位音訊資料。在這種情況下,耳機或其他音訊配件必須實現DAC和放大器電路的功能。該電路需要電源,可以透過外部供電,或者更經常是透過USB或Lighting connector本身提供。

雖然類比和數位音訊介面各有其獨特優勢,但智慧型手機和消費性電子產品製造商之所以在較新型的裝置上採用數位介面,則是基於以下主要原因:
  • 克服空間限制 :在大多數智慧型手機中,類比耳機插孔和相關音訊電路占用大量的空間(面積和體積)。透過數位音訊讓已經存在於產品中的連接器,印刷電路板(PCB)所佔的空間能夠減小,或許更嚴格地說,整體產品厚度可能會降低。釋出的空間可用於增加電池尺寸,整合新功能或減小產品外型尺寸。
  • 增加設計彈性並提高性能。目前消費者可能會選擇從包裝盒內附耳機升級到高階售後市場產品,但是音訊性能通常會受到主機裝置內建的DAC,放大器和其他電路的限制。使用USB或Lighitng數位音訊,耳機製造商可以根據最終產品的分層和定價來改善整個音訊訊號處理鏈(DAC、放大器等)的性能。這種方法使製造商能夠彈性地同時滿足要求價格和優異品質的市場。
  • 啟用高級功能。雖然具有3.5 mm類比耳機插頭的耳機產品已經導入了一些加值功能,如自我調整雜訊消除(ANC),但這需要為耳機本身添加一個電池,同時也提高設計難度。此外,類比耳機插孔有限的返回訊號路徑功能,阻礙了耳機和主機裝置之間的進階互動。數位音訊介面消除了電源和通訊障礙。使用USB或Lighting connector的耳機和其他配件可以從主機上獲得電源,無需另外的電池。此外,數位介面提供強大的高頻寬雙向通訊,可以創建在主機裝置上運行的伴隨應用程式,從而獲得更高階的功能和控制選項。
類比耳機插孔的其他選擇
雖然到目前為止,我們專注於數位音訊,但汰換類比耳機插孔並不意味著一定要轉換成數位技術。USB標準提供了透過USB C型連接器傳送類比音訊的機制。這為設計人員在汰換類比耳機插孔時提供了另一種選擇。圖1顯示了用更新的介面替代類比耳機插孔的主要選項。

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圖1用更新的介面替代類比耳機插孔

使用USB-C的類比音訊
新的USB Type-C連接器針對所增加的功能支援非USB資料協定; 包括視頻(例如DisplayPort,HDMI),類比音訊和高速串列(例如Thunderbolt,PCIe)協定。可以為這種附加功能分配一個針腳子集,在使用配置通道(CC1 / CC2)線連接時在主機和裝置之間進行協商,如圖2中的連接器針腳所示。該協商允許兩種不同的模式 - Alternate Mode和Audio Adapter Accessory Mode。

當使用USB 3.1 SuperSpeed線路時,Alternate Mode支援DisplayPort,PCIe和其他通訊協定。
Audio Adapter Accessory Mode支援通過USB Type-C連接器傳輸類比音訊。在此模式下,USB主機(例如智慧手機)透過D + / D-線驅動立體聲類比音訊訊號。對於需要麥克風功能的應用而言,使用旁帶訊號(SBU1 / SBU2)以支援來自外部來源的麥克風訊號。

Audio Adapter Accessory Mode為製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類比耳機插孔轉接器,使得消費者能繼續利用大型生態系統的類比音訊配件。儘管這將有助於從傳統類比耳機插孔轉換的過渡期,但隨著數位配件的發展,其在市場上的重要性和使用將隨著時間的推移而減少。

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Figure 2. USB-C Receptacle Pin-out

使用USB的數位音訊
USB提供足夠的頻寬來支援高品質的數位音訊。對於需要立體聲音訊的大多數消費性應用而言,USB 2.0 full-speed(12 Mbps)就足夠了。除了需要非常高的取樣速率和/或多頻道音訊的一些專業應用之外,通常不需要USB 2.0 high-speed(480 Mbps)或USB 3.0 SuperSpeed(5+ Gbps),USB Implementers論壇(USB-IF)還開發了Audio Device Class,其定義了透過USB傳輸音訊的標準機制,以確保USB音訊裝置的互通性。

USB耳機音訊設備不是市場上新出現的,近年來受到PC上音訊和視訊會議應用的歡迎。然而,隨著大量市場消費性裝置(如智慧型手機和平板電腦)上的類比耳機插孔之移除,這些產品的需求預計將增加數倍。如前所述,使用數位音訊的USB有幾個優點,包括更高的音訊品質和高階功能。然而,與大多數變化一樣,透過USB支援數位音訊也帶來了一些挑戰。耳機和配件製造商面臨著透過USB實現強大的串流音訊的主要設計努力。例如,透過USB傳輸音訊需要從主機到裝置的資料同步。雖然USB規範定義了強大的同步方案,但實施仍然是挑戰性的,即使對於最有經驗的音訊開發團隊也是如此。此外,USB本身是一個複雜的協定,需要顯著的開發時間和成本才能正確實施並進行認證。除了最初的產品部署之外,隨著主要的PC作業系統之更新,所需要的,是持續性的韌體和驅動程式支援和維護。

USB音訊橋接控制器透過整合所有必需的硬體和軟體來簡化USB音訊配件的開發,從而消除了複雜的USB和音訊開發。例如,Silicon Labs的CP2615 USB數位音訊橋接器簡化了將音訊資料從USB轉換為整合IC音訊(I2S)的過程,無需任何代碼開發。

設計音訊配件時的另一個關鍵考量是DAC或CODEC設置和配置。市場上存在各種各樣的CODEC和DAC,每個需要定制配置以實現最佳性能。這為希望其產品支援多個CODEC的開發人員帶來了複雜性,並增加了軟體負擔。如圖3所示,Turnkey USB音訊橋控制器通常提供內部記憶體資源來儲存CODEC配置,並支援廣泛的CODEC和DAC的預設配置值。

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[圖 3 | 典型的 USB 音訊橋控制器示例系統]

運用lightning 技術的數位音訊
去年秋天,蘋果公司在iPhone 7和iPhone 7 Plus上移除了類比耳機插孔,成為全球的頭條新聞。在介紹這些智慧手機產品的主題演講中,該公司提到了解除插孔的三個主要原因:
  • Lighting埠可以處理相同的功能
  • 移除插孔可以釋放手機內部極需的空間
  • 蘋果無線音訊的長期規劃
專注於Lighting埠,蘋果提醒觀眾,Lighting是從一開始就設計來為數位音訊提供極大支援。事實上,Lighting能實現類比耳機插孔根本無法實現的功能。例如,Lighting能夠為音訊附件提供電源。這允許耳機製造商包括諸如ANC的高級功能,同時不需要耳機中的單獨電池。此外,構建基於Lighting的音訊產品的製造商可以開發一個配套應用程式,以直覺易用的方式向使用者展示高階功能。

然而,這些新功能對iPhone音訊配件的設計者增加了複雜性。為了説明設計人員開始產品開發並專注於加值產品差異化,可以透過數位音訊橋接晶片和評估套件簡化iOS設備配件的開發。例如,Silicon Labs的CP2614介面IC為廣泛的使用全數位Lighting connector的iPod / iPhone / iPad(MFi)設備製造提供了turnkey音訊橋接解決方案。目標應用包括音訊附件,如吉他和麥克風錄音dongles和音訊基座。橋接晶片還為iOS應用程式和附件硬體之間的通訊提供內建支援,支援使用隨附的iOS應用程式操作的大量IoT附件。

數位音訊橋接晶片和評估套件為iOS配件開發人員提供了經濟高效的綜合開發平台,可透過支援固定功能的MFi加快上市時間。諸如CP2614解決方案的許多橋接晶片不需要韌體開發,這可協助開發人員利用其MFi附件設計快速啟動和運行。開發人員只需使用方便的GUI的配置工具選擇自訂選項。

CP2614橋接晶片旨在管理和最小化功耗,實現主動和空閒模式下的超低功耗。CP2614 IC的能源效率使其適用於設備供電的配件。CP2614還包括一個整合的5 V低壓差(LDO)調節器,可以減少物料清單(BOM)的成本和空間。高度整合的橋接元件無需外部晶振或EEPROM即可運行,可儲存晶片上的所有配置選項。無晶振結構和整合EEPROM能進一步降低了BOM成本以及PCB空間,從而使開發人員能夠設計出更小,更精簡和更具成本效益的配件。

CP2614音訊橋接晶片支援24位元單向和16位元雙向數位音訊流,使開發人員能夠創建高品質,高性能的“專業-消費級”音訊配件。可以使用iOS應用程式建立通訊通道,使應用程式能夠通過通用輸入/輸出(GPIO)讀/寫,直接與附件硬體進行互動,並存取UART以進行自訂資料流程。GPIO可以配置為按鈕輸入和LED輸出,並從iOS應用程式遠端存取或用於控制音訊播放。

結論
隨著製造商逐步淘汰類比耳機插孔,數位音訊介面變得越來越普及。雖然使用USB或Lighting connectors有很多優點,但是這些介面為數位音訊配件設計者帶來了複雜性。透過USB或Lighting獲取音訊是一項複雜而耗時的設計任務。主要設計問題,如音訊資料流程和CODEC / DAC配置的同步,甚至可能挑戰專家級的嵌入式和音訊設計師。固定功能,完整解決方案(turnkey)數位音訊橋接器提供不需開發軟體的隨插即用解決方案來將複雜性降至最低。這些橋接器件為簡化USB音訊設計提供了一種簡單而經濟的方法。憑藉其高整合度和可配置性,其消除了對深度協議知識和韌體開發的需求,使設計人員能夠集中其時間和資源在創新和差異化應用程式。
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