基于模擬音頻連接器的全雙工數據流實(shí)現方案

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

　　目前，手機廠(chǎng)商正將主動(dòng)降噪技術(shù)作為其產(chǎn)品的一大差異化優(yōu)勢，在通話(huà)和媒介消費上提供卓越的音頻體驗。最經(jīng)濟實(shí)惠且便捷的降噪方法就是在手機中內置降噪電路。但是噪聲拾取必須在耳機上實(shí)現而不是在手機上，因為手機可能會(huì )放在用戶(hù)的口袋里從而可能會(huì )阻斷噪音源。

　　這就帶來(lái)了很大的困難：如何通過(guò)標準的3.5毫米音頻接口將左、右兩個(gè)通道的噪聲信號從耳機傳送到手機，同時(shí)將降噪信號從手機回傳到耳機。標準的模擬音頻接口一般有四個(gè)通道。兩個(gè)通道被用于左、右聲道的喇叭，一個(gè)麥克風(fēng)通道和地線(xiàn)。麥克風(fēng)通道同時(shí)用來(lái)給麥克風(fēng)供電。在打電話(huà)時(shí)，麥克風(fēng)將語(yǔ)音信號傳送到手機。

　　當3.5毫米音頻接口被用于傳統模擬模式時(shí)，就無(wú)法將左、右兩個(gè)通道的噪聲信號從耳機傳送到手機上進(jìn)行處理。奧地利微電子已開(kāi)發(fā)出全新的數字多路復用技術(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用，可將耳機中兩個(gè)或四個(gè)額外的左、右聲道的麥克風(fēng)的采樣噪聲傳送到手機中。

　　在其他應用中，額外通道可用來(lái)與音頻配件進(jìn)行中、低數據率的數據通信，比如給配件增加顯示功能、傳送傳感器數據或其他額外功能。當然，音頻接口的傳統工作模式也會(huì )得到保留，因此不支持增強特性的標準耳機仍可以使用。本文介紹了如何通過(guò)3.5毫米音頻接口來(lái)實(shí)現全雙工數據通信。

　　同時(shí)采用電壓和電流調制

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

　　為了驗證此項技術(shù)的有效性，奧地利微電子開(kāi)發(fā)了一個(gè)完整的演示系統，該系統包括降噪功能，能夠用3.5毫米音頻接口與手機或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。

　　該演示系統由主電路和外圍電路組成（見(jiàn)圖1、2）。（在實(shí)際的終端產(chǎn)品設計上，主電路會(huì )嵌入到移動(dòng)設備中，而外圍電路則是在耳機的控制部件上。）

　　圖1：數字多路復用演示系統方框圖。

　　圖2：奧地利微電子的演示系統展示了主電路板（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。

　　電池與主電路板相連，以提供獨立的電源。主電路板通過(guò)3.5mm麥克風(fēng)接口的麥克風(fēng)通道給從電路板供電，同時(shí)傳送調制的麥克風(fēng)信號。主電路板會(huì )生成一個(gè)同步時(shí)鐘，外圍電路板時(shí)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(guò)鎖相環(huán)生成的時(shí)鐘，用于數據準備的數字電路，鎖定檢測和合并的數據調制器/解調器核心模塊。該板包含了數據傳輸系統的主要功能。

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

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

　　外圍電路板A包括電源穩壓器、同步和數據提取器、數據調制器、控制按鈕和主麥克風(fēng)（用于拾取用戶(hù)的聲音）。外圍電路板B包含鎖相環(huán)和數據操作的控制邏輯。將耳機中兩個(gè)用來(lái)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(shí)鐘頻率是2MHz。這用來(lái)在給外圍電路板供電的麥克風(fēng)通道上調制一個(gè)電壓在3V左右的鋸齒波。外圍電路板會(huì )產(chǎn)生一個(gè)2.2V供電電壓；鋸齒波電壓的下降邊緣被外圍電路板用來(lái)恢復2MHz的時(shí)鐘。為了保證數字組件在2.2V低電壓下正常運行，外圍電路板上的晶體管門(mén)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)的運行。由于主電路板上采用了相同的鎖相環(huán)電路，因此兩個(gè)電路板可同步運行，這能夠避免傳輸數據的采樣問(wèn)題。

　　從主電路板向外圍電路板傳輸數據時(shí)，鋸齒波幅度大小可滿(mǎn)足對編碼的要求（見(jiàn)圖4）。兩個(gè)幅度可定義“高”和“低”信號；第三個(gè)幅度可用于實(shí)現同步。采用所選的時(shí)鐘頻率可實(shí)現2Mbits/s的上行數據率。

　　圖4：電壓調制的時(shí)序框圖。

　　上行傳輸是通過(guò)電壓調制實(shí)現，但從外圍電路板到主電路板的下行數據的傳輸是利用電流調制來(lái)實(shí)現。盡管使用相同的麥克風(fēng)通道，如果電路經(jīng)過(guò)精心設計，上行和下行數據流不會(huì )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，確保電流調制不干擾電壓信號。第二，主電路板上的電流解調器對麥克風(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(gè)數據幀范圍內），因為麥克風(fēng)通道在提供下行信息的電流編碼的同時(shí)必須給外圍電路板供電。

　　在一個(gè)數據幀中，在2MHz主時(shí)鐘的兩個(gè)脈沖中間會(huì )有8位數據從從設備傳送到主電路板（見(jiàn)圖5）。這能支持降噪應用在這個(gè)演示系統中的部署：

　　圖5：電流調制的時(shí)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(lái)的三位代表三個(gè)數字麥克風(fēng)（通話(huà)麥克風(fēng)和兩個(gè)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(dòng)調節解調水平是必要的。 同時(shí)這兩位被用于鎖定跟蹤，來(lái)證明數據傳輸是穩定的。

　　下行數據率是6×2Mbit/s=12Mbit/s。

　　對于電流調制而言，無(wú)需充電寄生電容，寄生電感也相當低，所以可以輕松實(shí)現高頻率的數據脈沖。圖6表示主電路板上電流解調器輸出（藍綠色）和重新構建的數字數據脈沖（品紅色）。黃色信號表示 2MHz的下行數據幀。測量表明整個(gè)系統的傳輸延遲（從外圍電路板的數字麥克風(fēng)輸入開(kāi)始，然后是傳輸、接收、解調到重建，直到到達接收器的輸出）大概是 530ns。這種短暫的延遲表明系統是適合降噪應用的。在降噪應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（模擬）下行信號。

　　數字麥克風(fēng)多路復用：不只是演示系統

　　該文章描述的演示系統證明了能夠在一個(gè)標準3.5音頻接口上實(shí)現數字多路復用系統。短期內，這項新技術(shù)能讓手機制造商更好地實(shí)現主動(dòng)降噪技術(shù)。奧地利微電子現正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品包括兩部分：一部分與耳機中的麥克風(fēng)和按鍵結合在一起，另一部分與移動(dòng)設備和降噪器件結合在一起。未來(lái)，通過(guò)3.5毫米音頻接口也能在不同的配件中實(shí)現中、低數據率的數據通信。