1、具有数据传输能力的 3.5mm插孔和 USB-C争抢耳机应用 Horst Gether 艾迈斯半导体公司 3.5m m手机插孔是音频行业非常完善的标准。它最初是在 19世纪发明的, 用在电话交换电路板上, 而现在已经被广泛应用于手机、平板电脑和个人计算机中, 连接音频和通信耳机, 用于打电话或者听音乐。虽然历史悠久, 但支持该4段式 3.5mm音频插孔的配件为最终用户提供的功能非常有限。目前的 3.5mm音频插孔简化结构图如图 1所示。显示了与手机内部音频编解码器连接的标准 3.5mm音频插孔。为实现拨打电话语音传输功能, 它提供了 MIC和 BUT输入, 与音频插孔的第四端子相连接。该信号线
2、连接了模拟麦克风, 与之并联的是一三个按钮, 每个都串联了电阻。当一个按钮被按下时, 该串联电阻与手机内部的偏置电阻分压产生一个压降, 该压降会被按钮检测 ADC检测到, 从而决定是接听电话, 还是调整音乐播放的音量。如果没有按下按钮, 麦克风处于工作状态, 音频编解码器内的语音 ADC将其采集到的语音信号进行数字化处理, 然后送入基带 (Baseband) 。图 1 3.5mm音频插孔手机结构图虽然手机发展非常迅速, 但图 1所示的体系结构在过去几年中并没有改变。与手机目前的计算能力相比, 3.5mm 音频插孔配件所提供的功能非常有限。其原因可能是耳机成本非常低, 而且彼此间要兼容。但市场需
3、求一直希望增强3.5mm音频插孔的功能, 同时将成本降至最低。很多供应商要求的一个具体应用是支持主动降噪 (ANC, Active Noise Cancellation) 功能, 而且配件内不用电池。但事实上是只有当配件内部有电池而且耳机内部有模拟或者数字 ANC器件时才能实现此功能, 如图 3所示。另一种可选解决方案是不使用电池, 利用 USB接口从手机供电 (如图 2所示) 。这两种选择在技术上都是可行的, 但在成本和尺寸方面不是很理想, 因为对ANC耳机的要求是低成本并且小尺寸。由于手机和配件内有一些重复的功能 (音频编解码器、DSP 扩展、放大器、PMU) , 因此这不利于实现系统低成
4、本和支持更多功能的整体目标。ACI怎样支持实现最低系统成本和更小的外形尺寸为解决这一问题, 并在听取了客户的需求后, 艾迈斯半导体公司发明了一种用于 3.5mm音频插孔的新接口标准, 与现有的传统耳机和手机完全兼容。新的接口技术称为配件通信接口 (ACI, Accessory Communication Interface) , 利用四个音频插孔触点中的麦克风信号线来扩展这一非常完善的接口的功能, 并将其转换为数字双向接口。图 2基于 USB发送和接收通路的降噪耳机图 3基于 3.5mm音频插孔发送和接收通路的降噪耳机, 带有电池图 4 ACI技术实现的 USB-C和 3.5mm音频插孔 AN
5、C耳机此外, 公司将重点放在了降低系统成本上, 其策略是重新使用手机内的计算能力, 而不是在手机和配件内采用重复性的功能模块。图 4显示了采用 ACI技术实现的 3.5mm音频插孔系统和基于 USB-C模拟系统的结构。由于新的 U S B-C标准支持模拟音频输出, 只需在手机内增加一个简单的模拟开关, 就可以将ACI技术用于 USB-C接口, 通过麦克风线来实现低成本降噪耳机。实现这两种方案仅需在手机内用一颗 ACI master主芯片。中长期来看, ACI master 主芯片也可以被集成到音频编解码器中, 来进一步降低系统成本。在配件端, ACI 系统不再需要音频编解码器、耳机放大器、MC
6、U 和附加电源管理等功能模块。所有用户按键以及用于语音和主动降噪的麦克风都是直接连接到配件内的 ACI slave芯片上的。这一方法简单地采集所有传感器、麦克风和按钮信息, 并将其传送给主机。就跟没有连接耳机一样, 发送通路降噪以及接受通路降噪的音频信号处理都是由音频编解码数字信号处理器 (DSP) 实现的。所有相关传感器以及按键信息都通过 I2C传输, 并以中断形式送到应用处理器, 以启用/禁用配件的各种功能。ACI的高级功能A C I解决方案的详细方框图及其周边相关链接如图 5所示。ACI 的设计目标之一是减小时延, 满足 RX通路降噪的要求。因此, ACI 系统的每个麦克风通道都可以做到
7、低至 1.1us的时延。这是 ACI系统相对于数字 USB-C实现的主要优点, 后者不支持这么低的时延, 以至于无法利用手机内的音频编解码器来实现 Rx降噪。为方便集成到手机或者平板电脑中, 该器件提供了时钟输入, 以确保数字麦克风数据 (最多 5个通道) 与进行数字信号处理的音频编解码器同步。图 5 ACI系统简介结构图图 6 MIC线调制方法图 7 MIC线数据调制图 8其他应用实例耳罩式耳机互联为避免在配件内使用电池, 系统支持由 A C I s l a v e供电, 其输出电流高达 100m A。该电源电压 (1.41.9V) 可用于为通过 I2C连接到 AS3445B的麦克风和其他传
8、感器供电。由于 ACI协议除了传送由从机到主机的 IRQ之外还传送IC信息, 因此, 应用处理器可以直接读取与 AS3445B相连接的传感器的传感数据。为确保所有元数据传送 (IC、I R Q、直接位传送) 的高度可靠性, 采用CRC对该数据进行保护, 以避免数据传输错误。AS3445B 内部的 EEPROM用于存储应用专用信息, 例如麦克风前置放大器增益设置或者用于定义配件硬件信息的 GPIO配置等。E E P R O M 的其他部分可用于通用目的。因此, 可以将产品数据、序列号等信息编程到系统中, 或者允许客户将用户专用数据存储到配件中, 例如, 名称或者用于音乐播放设置的个性化 EQ设置
9、等。所有的这些功能以及其它更多应用的实现, 仅需利用麦克风线, 就能完成数据通讯以及对AS3445B的功率传输, 如图 5所示。由音频编解码器处理的模拟音频信号不受麦克风线上 ACI通信的影响。这一巧妙的 ACI是怎样工作的?主机和从机之间的通信采用了半双工时分复用调制方法。为了向 AS3445B供电, 在信号线上有 3.3V的直流偏置。麦克风数据和元数据直接调制到 3.3V电源电压上。由于接口关注的重点是低延迟, 因此总带宽的 83%用于实现传送低延迟数据 (主要是麦克风数据) 。另外的 10%用于同步主机和从机之间的时钟, 最后的 7%用于与 AS3445B进行 IC通讯的元数据传输, 直
10、接比特位传输, 以及中断信息的传输。A C I系统可以采用长度 0米到 1米的音频电缆, 这通过自校准的方式实现, 不需要根据电缆长度来更改设置, 这对保持信号线上所传输数据的信号完整性非常重要。因此, 应很好的定义通信通道, 如图 7的结构图所示。两个器件的XCN引脚都需要一个 21 的匹配电阻, 以避免由于长信号线引起的传输数据的反射。麦克风电缆应与该电阻相匹配, 其特性阻抗为 21, 偏差20%。其他 ACI应用案例除了支持低成本小尺寸与手机配套使用的 ANC耳机之外, ACI 技术还可以用于解决由于空间有限而导致的系统机械受限等问题。一种可行的选择方案是两块印刷电路板 (PCB) 的互连。通常有多端子连接器用于连接 PCB, 但可用的端子数一般非常有限, 设计工程师无法将所有传感器信号送回主 PCB。ACI 系统可以采用两端子连接器替代多端子连接器, 最多可回送 5个麦克风通道、多个按钮以及 I2C传感器数据。由于接口的体系结构, 即使长达 1米的电缆连接也不会给 I2C传感器数据传输带来问题。图 8显示了解决耳机行业中结构问题的其他特殊应用案例。左耳罩和右耳罩之间通常存在许多互联, 由于结构约束导致可用的电缆数量有限。在这种情况下, ACI可以和单条附加线一起使用, 把位于第二耳罩上的多个麦克风、按键和传感器连接到耳机主处理器所在的左耳罩的主 PCB上。
