基于模擬音頻連接器的全雙工數(shù)據(jù)流實現(xiàn)方案

　　音頻主動降噪技術深受消費者青睞。目前為止，它主要應用在獨立的主動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，并愿意因此購買可提供這種功能的耳機。

　　目前，手機廠商正將主動降噪技術作為其產(chǎn)品的一大差異化優(yōu)勢，在通話和媒介消費上提供卓越的音頻體驗。最經(jīng)濟實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現(xiàn)而不是在手機上，因為手機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：如何通過標準的3.5毫米音頻接口將左、右兩個通道的噪聲信號從耳機傳送到手機，同時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通道。兩個通道被用于左、右聲道的喇叭，一個麥克風通道和地線。麥克風通道同時用來給麥克風供電。在打電話時，麥克風將語音信號傳送到手機。

　　當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傳送到手機上進行處理。奧地利微電子已開發(fā)出全新的數(shù)字多路復用技術，實際上，它可在麥克風通道中創(chuàng)造額外的通道。這些通道能夠用于降噪應用，可將耳機中兩個或四個額外的左、右聲道的麥克風的采樣噪聲傳送到手機中。

　　在其他應用中，額外通道可用來與音頻配件進行中、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，因此不支持增強特性的標準耳機仍可以使用。本文介紹了如何通過3.5毫米音頻接口來實現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)通信。

　　同時采用電壓和電流調制

　　如今數(shù)字麥克風作為基于過采樣時鐘的串行∑-Δ調制比特率流被廣泛用來提供音頻信號。這使得采用多路復用信號數(shù)字技術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者對高音質的需求。一種可行的技術是在麥克風通道上同時采用電壓和電流調制技術：一個提供上行信號，另一個則提供下行信號。

　　為了驗證此項技術的有效性，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)。(在實際的終端產(chǎn)品設計上，主電路會嵌入到移動設備中，而外圍電路則是在耳機的控制部件上。)

　　圖1：數(shù)字多路復用演示系統(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。

　　電池與主電路板相連，以提供獨立的電源。主電路板通過3.5mm麥克風接口的麥克風通道給從電路板供電，同時傳送調制的麥克風信號。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)準備的數(shù)字電路，鎖定檢測和合并的數(shù)據(jù)調制器/解調器核心模塊。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(qū)的框圖。

　　主電路板B包括應用電路：將數(shù)字麥克風信號轉換成音頻信號的數(shù)模轉換器、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)調制器、控制按鈕和主麥克風(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。將耳機中兩個用來拾取降噪信號的麥克風與外圍電路板相連。

　　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通道上調制一個電壓在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2MHz的時鐘。為了保證數(shù)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，因此兩個電路板可同步運行，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現(xiàn)同步。采用所選的時鐘頻率可實現(xiàn)2Mbits/s的上行數(shù)據(jù)率。[!--empirenews.page--]

　　圖4：電壓調制的時序框圖。

　　上行傳輸是通過電壓調制實現(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制來實現(xiàn)。盡管使用相同的麥克風通道，如果電路經(jīng)過精心設計，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)，因為麥克風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)從從設備傳送到主電路板(見圖5)。這能支持降噪應用在這個演示系統(tǒng)中的部署：

　　圖5：電流調制的時序框圖。

　　* 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(通話麥克風和兩個噪音拾取麥克風)。

　　* 最后兩位總是“0”和“1”。這對主電路板自動調節(jié)解調水平是必要的。 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。

　　對于電流調制而言，無需充電寄生電容，寄生電感也相當?shù)?，所以可以輕松實現(xiàn)高頻率的數(shù)據(jù)脈沖。圖6表示主電路板上電流解調器輸出(藍綠色)和重新構建的數(shù)字數(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)字麥克風輸入開始，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(tǒng)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(shù)字麥克風多路復用：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準3.5音頻接口上實現(xiàn)數(shù)字多路復用系統(tǒng)。短期內，這項新技術能讓手機制造商更好地實現(xiàn)主動降噪技術。奧地利微電子現(xiàn)正在開發(fā)的產(chǎn)品包括兩部分：一部分與耳機中的麥克風和按鍵結合在一起，另一部分與移動設備和降噪器件結合在一起。未來，通過3.5毫米音頻接口也能在不同的配件中實現(xiàn)中、低數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)通信。