基于模擬音頻連接器的全雙工數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)方案

　　音頻主動降噪技術(shù)深受消費(fèi)者青睞。目前為止，它主要應(yīng)用在獨(dú)立的主動降噪頭戴式耳機(jī)和耳麥中。消費(fèi)者希望能在嘈雜的環(huán)境下享受音樂，并愿意因此購買可提供這種功能的耳機(jī)。

　　目前，手機(jī)廠商正將主動降噪技術(shù)作為其產(chǎn)品的一大差異化優(yōu)勢，在通話和媒介消費(fèi)上提供卓越的音頻體驗(yàn)。最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且便捷的降噪方法就是在手機(jī)中內(nèi)置降噪電路。但是噪聲拾取必須在耳機(jī)上實(shí)現(xiàn)而不是在手機(jī)上，因?yàn)槭謾C(jī)可能會放在用戶的口袋里從而可能會阻斷噪音源。

　　這就帶來了很大的困難：如何通過標(biāo)準(zhǔn)的3.5毫米音頻接口將左、右兩個通道的噪聲信號從耳機(jī)傳送到手機(jī)，同時將降噪信號從手機(jī)回傳到耳機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)的模擬音頻接口一般有四個通道。兩個通道被用于左、右聲道的喇叭，一個麥克風(fēng)通道和地線。麥克風(fēng)通道同時用來給麥克風(fēng)供電。在打電話時，麥克風(fēng)將語音信號傳送到手機(jī)。

　　當(dāng)3.5毫米音頻接口被用于傳統(tǒng)模擬模式時，就無法將左、右兩個通道的噪聲信號從耳機(jī)傳送到手機(jī)上進(jìn)行處理。奧地利微電子已開發(fā)出全新的數(shù)字多路復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上，它可在麥克風(fēng)通道中創(chuàng)造額外的通道。這些通道能夠用于降噪應(yīng)用，可將耳機(jī)中兩個或四個額外的左、右聲道的麥克風(fēng)的采樣噪聲傳送到手機(jī)中。

　　在其他應(yīng)用中，額外通道可用來與音頻配件進(jìn)行中、低數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)通信，比如給配件增加顯示功能、傳送傳感器數(shù)據(jù)或其他額外功能。當(dāng)然，音頻接口的傳統(tǒng)工作模式也會得到保留，因此不支持增強(qiáng)特性的標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)仍可以使用。本文介紹了如何通過3.5毫米音頻接口來實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)通信。

　　同時采用電壓和電流調(diào)制

　　如今數(shù)字麥克風(fēng)作為基于過采樣時鐘的串行∑-Δ調(diào)制比特率流被廣泛用來提供音頻信號。這使得采用多路復(fù)用信號數(shù)字技術(shù)提供全雙共通信成為可能。挑戰(zhàn)是在同一線路上避免上行和下行信號之間的干擾，同時提供一個足夠高的比特率來滿足消費(fèi)者對高音質(zhì)的需求。一種可行的技術(shù)是在麥克風(fēng)通道上同時采用電壓和電流調(diào)制技術(shù)：一個提供上行信號，另一個則提供下行信號。

　　為了驗(yàn)證此項技術(shù)的有效性，奧地利微電子開發(fā)了一個完整的演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括降噪功能，能夠用3.5毫米音頻接口與手機(jī)或MP3播放器相連。它提供了約2Mbit/s的上行信號和12Mbit/s的下行信號。

　　該演示系統(tǒng)由主電路和外圍電路組成（見圖1、2）。（在實(shí)際的終端產(chǎn)品設(shè)計上，主電路會嵌入到移動設(shè)備中，而外圍電路則是在耳機(jī)的控制部件上。）

　　圖1：數(shù)字多路復(fù)用演示系統(tǒng)方框圖。

　　圖2：奧地利微電子的演示系統(tǒng)展示了主電路板（底部），帶有音量放大、模式和音量減小鍵的外圍電路板（上），以及頭戴式耳機(jī)。

　　電池與主電路板相連，以提供獨(dú)立的電源。主電路板通過3.5mm麥克風(fēng)接口的麥克風(fēng)通道給從電路板供電，同時傳送調(diào)制的麥克風(fēng)信號。主電路板會生成一個同步時鐘，外圍電路板時鐘與其同步。

　　圖3是功能框圖。主電路和外圍電路都由兩塊板組成。主電路板A提供電源、通過鎖相環(huán)生成的時鐘，用于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的數(shù)字電路，鎖定檢測和合并的數(shù)據(jù)調(diào)制器/解調(diào)器核心模塊。該板包含了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要功能。

　　圖3：顯示主電路（終端產(chǎn)品設(shè)計的手機(jī)）和外圍電路（終端產(chǎn)品設(shè)計的耳機(jī)控制器）間功能分區(qū)的框圖。

　　主電路板B包括應(yīng)用電路：將數(shù)字麥克風(fēng)信號轉(zhuǎn)換成音頻信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、音頻放大器、AS3430降噪芯片、濾波器，一個微控制器和一個液晶顯示器。

　　外圍電路板A包括電源穩(wěn)壓器、同步和數(shù)據(jù)提取器、數(shù)據(jù)調(diào)制器、控制按鈕和主麥克風(fēng)（用于拾取用戶的聲音）。外圍電路板B包含鎖相環(huán)和數(shù)據(jù)操作的控制邏輯。將耳機(jī)中兩個用來拾取降噪信號的麥克風(fēng)與外圍電路板相連。

　　主電路板上生成的主時鐘頻率是2MHz。這用來在給外圍電路板供電的麥克風(fēng)通道上調(diào)制一個電壓在3V左右的鋸齒波。外圍電路板會產(chǎn)生一個2.2V供電電壓；鋸齒波電壓的下降邊緣被外圍電路板用來恢復(fù)2MHz的時鐘。為了保證數(shù)字組件在2.2V低電壓下正常運(yùn)行，外圍電路板上的晶體管門電路需采用LV/LVC系列。鋸齒電壓頻率控制生成外圍電路板工作頻率的鎖相環(huán)的運(yùn)行。由于主電路板上采用了相同的鎖相環(huán)電路，因此兩個電路板可同步運(yùn)行，這能夠避免傳輸數(shù)據(jù)的采樣問題。

　　從主電路板向外圍電路板傳輸數(shù)據(jù)時，鋸齒波幅度大小可滿足對編碼的要求（見圖4）。兩個幅度可定義“高”和“低”信號；第三個幅度可用于實(shí)現(xiàn)同步。采用所選的時鐘頻率可實(shí)現(xiàn)2Mbits/s的上行數(shù)據(jù)率。

　　圖4：電壓調(diào)制的時序框圖。

　　上行傳輸是通過電壓調(diào)制實(shí)現(xiàn)，但從外圍電路板到主電路板的下行數(shù)據(jù)的傳輸是利用電流調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。盡管使用相同的麥克風(fēng)通道，如果電路經(jīng)過精心設(shè)計，上行和下行數(shù)據(jù)流不會互相影響。首先，在主電路板上將鋸齒狀波紋注入直流電壓的電路必須是低阻抗的，確保電流調(diào)制不干擾電壓信號。第二，主電路板上的電流解調(diào)器對麥克風(fēng)通道上的電壓變化不敏感。另外，外圍電路板的電流消耗必須盡量保持不變（至少一個數(shù)據(jù)幀范圍內(nèi)），因?yàn)辂溈孙L(fēng)通道在提供下行信息的電流編碼的同時必須給外圍電路板供電。

　　在一個數(shù)據(jù)幀中，在2MHz主時鐘的兩個脈沖中間會有8位數(shù)據(jù)從從設(shè)備傳送到主電路板（見圖5）。這能支持降噪應(yīng)用在這個演示系統(tǒng)中的部署：

　　圖5：電流調(diào)制的時序框圖。

　　* 前三位表示外圍電路上的哪些控制按鈕被按下了。

　　* 接下來的三位代表三個數(shù)字麥克風(fēng)（通話麥克風(fēng)和兩個噪音拾取麥克風(fēng)）。

　　* 最后兩位總是“0”和“1”。這對主電路板自動調(diào)節(jié)解調(diào)水平是必要的。 同時這兩位被用于鎖定跟蹤，來證明數(shù)據(jù)傳輸是穩(wěn)定的。

　　下行數(shù)據(jù)率是6×2Mbit/s=12Mbit/s。

　　對于電流調(diào)制而言，無需充電寄生電容，寄生電感也相當(dāng)?shù)?，所以可以輕松實(shí)現(xiàn)高頻率的數(shù)據(jù)脈沖。圖6表示主電路板上電流解調(diào)器輸出（藍(lán)綠色）和重新構(gòu)建的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)脈沖（品紅色）。黃色信號表示 2MHz的下行數(shù)據(jù)幀。測量表明整個系統(tǒng)的傳輸延遲（從外圍電路板的數(shù)字麥克風(fēng)輸入開始，然后是傳輸、接收、解調(diào)到重建，直到到達(dá)接收器的輸出）大概是 530ns。這種短暫的延遲表明系統(tǒng)是適合降噪應(yīng)用的。在降噪應(yīng)用中延遲必須盡可能的小，為的是確保降噪信號和環(huán)境噪音緊密同步。

　　圖6：解調(diào)（模擬）下行信號。

　　數(shù)字麥克風(fēng)多路復(fù)用：不只是演示系統(tǒng)

　　該文章描述的演示系統(tǒng)證明了能夠在一個標(biāo)準(zhǔn)3.5音頻接口上實(shí)現(xiàn)數(shù)字多路復(fù)用系統(tǒng)。短期內(nèi)，這項新技術(shù)能讓手機(jī)制造商更好地實(shí)現(xiàn)主動降噪技術(shù)。奧地利微電子現(xiàn)正在開發(fā)的產(chǎn)品包括兩部分：一部分與耳機(jī)中的麥克風(fēng)和按鍵結(jié)合在一起，另一部分與移動設(shè)備和降噪器件結(jié)合在一起。未來，通過3.5毫米音頻接口也能在不同的配件中實(shí)現(xiàn)中、低數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)通信。