简化从模拟耳机插孔到数字音频接口的过渡

作者：Ramya Kota，Ted Batey

模拟耳机插孔是智能手机和PC市场中最广泛采用的接口之一，每天有数亿消费者使用。除了智能手机和PC之外，模拟耳机插孔是大多数能够播放音频的产品的标准配置。然而，一些最近推出的智能手机，如iPhone 7，HTC U Ultra和Moto Z，以及其他消费电子产品正在避开这种传统的模拟插孔，转而采用现代音频数字接口。预计这一趋势将持续下去，为了促进过渡，市场需要具有数字音频功能的新适配器和配件。让我们来看看数字音频技术的一些优势，以及为下一代配件设计实现数字音频连接的建议解决方案。

顾名思义，3.5 毫米模拟耳机插孔将模拟音频信号传输到连接的耳机或其他音频配件。数模转换（DAC）和放大器电路必须集成到主机设备中，例如智能手机。耳机本身可以是无源的，因此成本非常低。

相比之下，一些较新的接口标准，包括通用串行总线（USB）和苹果闪电，能够传输数字音频数据。在这种情况下，连接的耳机或其他音频配件必须实现DAC和放大器电路。该电路需要电源，电源可以从外部供电，或者更常见的是通过USB或闪电连接器本身供电。

虽然模拟和数字音频接口各有其独特的优势，但以下是智能手机和消费电子产品制造商在较新设备上采用数字接口的一些关键原因：

克服空间限制。在大多数智能手机中，模拟耳机插孔和相关音频电路会消耗大量的空间（面积和音量）。通过转向利用产品中已有的连接器的数字音频，印刷电路板（PCB）的占位面积减少，也许更关键的是，整体产品厚度可能会减少。这种释放的空间可用于增加电池尺寸，集成新功能或减少产品外形尺寸。

增强设计灵活性并提高性能。目前，消费者可能会选择从盒装耳机升级到高端售后市场产品，但音频性能往往会受到主机设备内置的DAC、放大器和其他电路的限制。使用 USB 或 Lightning 数字音频使耳机制造商能够根据最终产品的分层和定价来扩展整个音频信号处理链（DAC、放大器等）的性能。这种方法使制造商能够灵活地服务于市场的价值和高端细分市场，而不会影响质量。

启用高级功能。虽然带有3.5毫米模拟耳机插头的耳机产品已经集成了一些增值功能，例如自适应降噪（ANC），但这需要在耳机本身添加电池，这可能导致笨拙的设计。此外，模拟耳机插孔的有限返回信号路径功能阻碍了耳机和主机设备之间的高级交互。数字音频接口消除了电源和通信障碍。使用USB或闪电连接器的耳机和其他配件可以从主机设备获取电源，无需单独的电池。此外，数字接口提供强大的高带宽双向通信，支持创建在主机设备上运行的配套应用程序，这些应用程序可公开更高级的功能和控制。

模拟耳机插孔的替代品

虽然到目前为止，我们一直专注于数字音频，但消除模拟耳机插孔并不一定需要转向数字音频。USB 标准提供了一种通过 USB C 型连接器提供模拟音频的机制。这为设计人员在评估消除模拟耳机插孔时提供了另一种选择。图1显示了用较新的接口替换模拟耳机插孔的主要选项。

［图1|模拟耳机插孔的替代品］

使用 USB-C 的模拟音频

新的USB C型连接器支持非USB数据协议，以增加功能;这些包括视频（例如显示端口，HDMI），模拟音频和高速串行（例如雷雳，PCIe）协议。可以为此附加功能分配一部分引脚，在连接时使用配置通道 （CC1/CC2） 线路在主机和设备之间协商，如图 2 中的连接器引脚排列所示。此协商允许两种不同的模式 - 交替模式和音频适配器附件模式。

备用模式支持显示端口、PCIe 和其他通信协议，当使用 USB 3.1 超高速线路时。

音频适配器附件模式支持通过 USB Type-C 连接器路由模拟音频。在此模式下，USB 主机（例如智能手机）通过 D+/D- 线驱动立体声模拟音频信号。对于需要麦克风功能的应用，使用边带信号 （SBU1/SBU2） 支持来自外部源的麦克风信号。

音频适配器配件模式为制造商提供了一种方便的方式来构建非常便宜的USB-C至3.5毫米模拟耳机插孔适配器，使消费者能够继续利用模拟音频配件的大型生态系统。虽然这将简化从传统模拟耳机插孔的过渡，但随着原生数字配件的普及，其在市场上的重要性和使用将随着时间的推移而降低。

［图2 |USB-C 插座引脚排列］

使用 USB 的数字音频

USB 提供足够的带宽来支持高质量的数字音频。对于大多数需要立体声音频的消费类应用，USB 2.0 全速 （12 Mbps） 就足够了。通常不需要 USB 2.0 高速 （480 Mbps） 或 USB 3.0 超高速 （5+ Gbps），除非某些专业应用需要非常高的采样率和/或多声道音频。USB 实施者论坛 （USB-IF） 还开发了音频设备类，该类定义了通过 USB 传输音频的标准机制，以确保 USB 音频设备的互操作性。

USB耳机/头戴式耳机音频设备在市场上并不陌生，近年来已广泛用于PC上的音频和视频会议应用程序。然而，随着智能手机和平板电脑等大众市场消费设备上模拟耳机插孔的移除，对这些产品的需求预计将增加数倍。如前所述，将USB用于数字音频有几个优点，包括更高的音频质量和高级功能。但是，与大多数更改一样，通过USB支持数字音频也带来了一些挑战。耳机和配件制造商面临着通过 USB 实现强大的流音频的重大设计工作。例如，通过 USB 流式传输音频需要将数据从主机同步到设备。尽管USB规范定义了一个强大的同步方案，但即使对于最有经验的音频开发团队来说，实现仍然具有挑战性，并且可能非常耗时。此外，USB本身是一个复杂的协议，需要大量的开发时间和成本才能正确实施和认证。除了最初的产品部署之外，随着主要PC操作系统的更新，需要持续的固件和驱动程序支持和维护。

USB 音频桥接控制器通过集成所有必需的硬件和软件模块简化了 USB 音频配件的开发，无需复杂的 USB 和音频开发。例如，硅实验室的 CP2615 USB 数字音频桥简化了将音频数据从 USB 转换为集成 IC 间声音 （I2S） 的过程，而无需任何代码开发。

设计音频配件时的另一个关键考虑因素是DAC或编解码器的设置和配置。市场上有各种各样的编解码器和DAC，每种都需要定制配置才能获得最佳性能。这导致希望为其产品支持多个编解码器的开发人员的复杂性和软件负担增加。如图 3 所示，交钥匙 USB 音频桥接控制器通常提供内部存储器资源来存储编解码器配置，并支持各种编解码器和 DAC 的预编程配置值。

［图3|典型的USB音频桥接控制器示例系统］

使用闪电技术的数字音频

去年秋天，苹果从iPhone 7和iPhone 7 Plus上移除了模拟耳机插孔，成为全球头条新闻。在介绍这些智能手机产品的主题演讲中，该公司列举了移除插孔的三个关键原因：

闪电端口可以处理相同的功能。

卸下插孔可释放手机内部急需的空间。

苹果对音频的长期愿景是无线。

专注于闪电端口，苹果提醒观众，闪电网络从一开始就是为数字音频提供巨大支持而设计的。事实上，闪电实现了模拟耳机插孔无法实现的功能。例如，闪电网络能够为音频配件供电。这使得耳机制造商能够包含ANC等高级功能，同时无需在耳机中使用单独的电池。此外，构建基于 Lightning 的音频产品的制造商可以开发配套应用程序，以直观且易于使用的方式向用户展示高级功能。

然而，这些新功能确实给iPhone音频配件的设计师带来了一些额外的复杂性。为了帮助设计人员快速启动产品开发并专注于增值产品差异化，数字音频桥接芯片和评估套件可用于简化 iOS 设备配件的开发。例如，硅实验室的 CP2614 接口 IC 为各种使用全数字闪电连接器的 iPod/iPhone/iPad （MFi） 设备提供了交钥匙音频桥接解决方案。目标应用包括音频配件，如吉他和麦克风录音加密狗和音频扩展坞。桥接芯片还为iOS应用程序和配件硬件之间的通信提供内置支持，从而实现与配套iOS应用程序一起运行的各种物联网配件。

数字音频桥接芯片和评估套件为 iOS 配件开发人员提供了一个经济高效的全面开发平台，通过固定功能 MFi 支持实现快速上市。许多桥接芯片（如 CP2614 解决方案）无需固件开发，这有助于开发人员快速启动并运行其 MFi 附件设计。开发人员只需使用易于使用的基于 GUI 的配置工具选择其自定义选项即可。

CP2614 桥接芯片旨在管理和最大限度地降低功耗，在活动和空闲模式下均可实现超低功耗。CP2614 IC 的能效使其适用于设备供电的配件。CP2614 还包括一个集成的 5 V 低压差 （LDO） 稳压器，可降低自供电附件的物料清单 （BOM） 成本和占地面积。高度集成的桥接器件无需外部晶体或 EEPROM 即可工作，将所有配置选项存储在片上。无晶体架构和集成的 EEPROM 进一步降低了 BOM 成本和 PCB 空间，使开发人员能够设计出更小、更精简且更具成本效益的配件。

CP2614 音频桥接芯片支持 24 位单向和 16 位双向数字音频流，使开发人员能够创建高质量、高性能的“产消者”级音频配件。可以与 iOS 应用程序建立通信通道，使应用能够通过通用输入/输出 （GPIO） 读/写和访问 UART 进行自定义数据流，直接与配件硬件进行交互。GPIO可以配置为按钮输入和LED输出，并从iOS应用程序远程访问或用于控制音频播放。

结论

随着制造商远离模拟耳机插孔，数字音频接口的普及率正在上升。虽然将USB或Lightning连接器用于音频有很多优点，但这些接口确实给数字音频配件的设计人员带来了一些额外的复杂性。通过 USB 或闪电传输音频是一项复杂且耗时的设计任务。音频数据流的同步和编解码器/DAC 配置等重大设计问题甚至可能给嵌入式和音频设计人员带来挑战。固定功能交钥匙数字音频桥接器通过提供无需软件开发的即插即用解决方案，将这种复杂性降至最低。这些桥接器件为简化 USB 音频设计提供了一种简单而经济的方法。凭借其高集成度和可配置性，它们消除了对深厚的协议知识和固件开发的需求，使设计人员能够将时间和资源集中在创新和差异化应用上。

审核编辑：郭婷