作者：Ramya Kota，Ted Batey

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，每天有數億消費者使用。除了智能手機和PC之外，模擬耳機插孔是大多數能夠播放音頻的產品的標準配置。然而，一些最近推出的智能手機，如iPhone 7，HTC U Ultra和Moto Z，以及其他消費電子產品正在避開這種傳統的模擬插孔，轉而采用現代音頻數字接口。預計這一趨勢將持續下去，為了促進過渡，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勢，以及為下一代配件設計實現數字音頻連接的建議解決方案。

顧名思義，3.5 毫米模擬耳機插孔將模擬音頻信號傳輸到連接的耳機或其他音頻配件。數模轉換（DAC）和放大器電路必須集成到主機設備中，例如智能手機。耳機本身可以是無源的，因此成本非常低。

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

雖然模擬和數字音頻接口各有其獨特的優勢，但以下是智能手機和消費電子產品制造商在較新設備上采用數字接口的一些關鍵原因：

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會消耗大量的空間（面積和音量）。通過轉向利用產品中已有的連接器的數字音頻，印刷電路板（PCB）的占位面積減少，也許更關鍵的是，整體產品厚度可能會減少。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品外形尺寸。

增強設計靈活性并提高性能。目前，消費者可能會選擇從盒裝耳機升級到高端售后市場產品，但音頻性能往往會受到主機設備內置的DAC、放大器和其他電路的限制。使用 USB 或 Lightning 數字音頻使耳機制造商能夠根據最終產品的分層和定價來擴展整個音頻信號處理鏈（DAC、放大器等）的性能。這種方法使制造商能夠靈活地服務于市場的價值和高端細分市場，而不會影響質量。

啟用高級功能。雖然帶有3.5毫米模擬耳機插頭的耳機產品已經集成了一些增值功能，例如自適應降噪（ANC），但這需要在耳機本身添加電池，這可能導致笨拙的設計。此外，模擬耳機插孔的有限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或閃電連接器的耳機和其他配件可以從主機設備獲取電源，無需單獨的電池。此外，數字接口提供強大的高帶寬雙向通信，支持創建在主機設備上運行的配套應用程序，這些應用程序可公開更高級的功能和控制。

模擬耳機插孔的替代品

雖然到目前為止，我們一直專注于數字音頻，但消除模擬耳機插孔并不一定需要轉向數字音頻。USB 標準提供了一種通過 USB C 型連接器提供模擬音頻的機制。這為設計人員在評估消除模擬耳機插孔時提供了另一種選擇。圖1顯示了用較新的接口替換模擬耳機插孔的主要選項。

［圖1|模擬耳機插孔的替代品］

使用 USB-C 的模擬音頻

新的USB C型連接器支持非USB數據協議，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）協議。可以為此附加功能分配一部分引腳，在連接時使用配置通道 （CC1/CC2） 線路在主機和設備之間協商，如圖 2 中的連接器引腳排列所示。此協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 和其他通信協議，當使用 USB 3.1 超高速線路時。

音頻適配器附件模式支持通過 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） 支持來自外部源的麥克風信號。

音頻適配器配件模式為制造商提供了一種方便的方式來構建非常便宜的USB-C至3.5毫米模擬耳機插孔適配器，使消費者能夠繼續利用模擬音頻配件的大型生態系統。雖然這將簡化從傳統模擬耳機插孔的過渡，但隨著原生數字配件的普及，其在市場上的重要性和使用將隨著時間的推移而降低。

［圖2 |USB-C 插座引腳排列］

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類應用，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），除非某些專業應用需要非常高的采樣率和/或多聲道音頻。USB 實施者論壇 （USB-IF） 還開發了音頻設備類，該類定義了通過 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/頭戴式耳機音頻設備在市場上并不陌生，近年來已廣泛用于PC上的音頻和視頻會議應用程序。然而，隨著智能手機和平板電腦等大眾市場消費設備上模擬耳機插孔的移除，對這些產品的需求預計將增加數倍。如前所述，將USB用于數字音頻有幾個優點，包括更高的音頻質量和高級功能。但是，與大多數更改一樣，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通過 USB 實現強大的流音頻的重大設計工作。例如，通過 USB 流式傳輸音頻需要將數據從主機同步到設備。盡管USB規范定義了一個強大的同步方案，但即使對于最有經驗的音頻開發團隊來說，實現仍然具有挑戰性，并且可能非常耗時。此外，USB本身是一個復雜的協議，需要大量的開發時間和成本才能正確實施和認證。除了最初的產品部署之外，隨著主要PC操作系統的更新，需要持續的固件和驅動程序支持和維護。

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，無需復雜的 USB 和音頻開發。例如，硅實驗室的 CP2615 USB 數字音頻橋簡化了將音頻數據從 USB 轉換為集成 IC 間聲音 （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慮因素是DAC或編解碼器的設置和配置。市場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。這導致希望為其產品支持多個編解碼器的開發人員的復雜性和軟件負擔增加。如圖 3 所示，交鑰匙 USB 音頻橋接控制器通常提供內部存儲器資源來存儲編解碼器配置，并支持各種編解碼器和 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］

使用閃電技術的數字音頻

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

閃電端口可以處理相同的功能。

卸下插孔可釋放手機內部急需的空間。

蘋果對音頻的長期愿景是無線。

專注于閃電端口，蘋果提醒觀眾，閃電網絡從一開始就是為數字音頻提供巨大支持而設計的。事實上，閃電實現了模擬耳機插孔無法實現的功能。例如，閃電網絡能夠為音頻配件供電。這使得耳機制造商能夠包含ANC等高級功能，同時無需在耳機中使用單獨的電池。此外，構建基于 Lightning 的音頻產品的制造商可以開發配套應用程序，以直觀且易于使用的方式向用戶展示高級功能。

然而，這些新功能確實給iPhone音頻配件的設計師帶來了一些額外的復雜性。為了幫助設計人員快速啟動產品開發并專注于增值產品差異化，數字音頻橋接芯片和評估套件可用于簡化 iOS 設備配件的開發。例如，硅實驗室的 CP2614 接口 IC 為各種使用全數字閃電連接器的 iPod/iPhone/iPad （MFi） 設備提供了交鑰匙音頻橋接解決方案。目標應用包括音頻配件，如吉他和麥克風錄音加密狗和音頻擴展塢。橋接芯片還為iOS應用程序和配件硬件之間的通信提供內置支持，從而實現與配套iOS應用程序一起運行的各種物聯網配件。

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全面開發平臺，通過固定功能 MFi 支持實現快速上市。許多橋接芯片（如 CP2614 解決方案）無需固件開發，這有助于開發人員快速啟動并運行其 MFi 附件設計。開發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即可。

CP2614 橋接芯片旨在管理和最大限度地降低功耗，在活動和空閑模式下均可實現超低功耗。CP2614 IC 的能效使其適用于設備供電的配件。CP2614 還包括一個集成的 5 V 低壓差 （LDO） 穩壓器，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需外部晶體或 EEPROM 即可工作，將所有配置選項存儲在片上。無晶體架構和集成的 EEPROM 進一步降低了 BOM 成本和 PCB 空間，使開發人員能夠設計出更小、更精簡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 位雙向數字音頻流，使開發人員能夠創建高質量、高性能的“產消者”級音頻配件。可以與 iOS 應用程序建立通信通道，使應用能夠通過通用輸入/輸出 （GPIO） 讀/寫和訪問 UART 進行自定義數據流，直接與配件硬件進行交互。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

隨著制造商遠離模擬耳機插孔，數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點，但這些接口確實給數字音頻配件的設計人員帶來了一些額外的復雜性。通過 USB 或閃電傳輸音頻是一項復雜且耗時的設計任務。音頻數據流的同步和編解碼器/DAC 配置等重大設計問題甚至可能給嵌入式和音頻設計人員帶來挑戰。固定功能交鑰匙數字音頻橋接器通過提供無需軟件開發的即插即用解決方案，將這種復雜性降至最低。這些橋接器件為簡化 USB 音頻設計提供了一種簡單而經濟的方法。憑借其高集成度和可配置性，它們消除了對深厚的協議知識和固件開發的需求，使設計人員能夠將時間和資源集中在創新和差異化應用上。

審核編輯：郭婷