100多年前，?”耳機(jī)插孔的發(fā)明使人們通過(guò)一種稱(chēng)為“電話(huà)”的新發(fā)明而互相聯(lián)系。如今，這種發(fā)明的現(xiàn)代化變體 - 3.5mm耳機(jī)插孔 – 得到了廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代移動(dòng)電話(huà)不僅僅用作通話(huà)，而且沒(méi)有空間容納多個(gè)連接器，這需要一種新的音頻連接方式，于是，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師正在淘汰3.5mm插孔。

在設(shè)計(jì)師決定下一步行動(dòng)時(shí)，他們會(huì)考慮目前已被采用的多種專(zhuān)有和標(biāo)準(zhǔn)USB音頻協(xié)議。本文介紹最新USB音頻設(shè)備類(lèi)別 (ADC) 3.0規(guī)范的特性和優(yōu)點(diǎn)，幫助整個(gè)行業(yè)采用一種標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，并加快消費(fèi)者采用這種協(xié)議。ADC 3.0通過(guò)用于提供高級(jí)功能的本地?cái)?shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 而幫助設(shè)計(jì)高質(zhì)量數(shù)字耳機(jī)，例如自適應(yīng)噪音消除、用戶(hù)自定義均衡和熱詞檢測(cè)。最重要的是，符合ADC 3.0規(guī)范的實(shí)施顯著降低了系統(tǒng)功耗，這對(duì)于低功耗移動(dòng)應(yīng)用至關(guān)重要。ADC 3.0預(yù)計(jì)將成為采用USB Type-CTM連接器的電話(huà)的新標(biāo)準(zhǔn)。

模擬耳機(jī)功率

模擬音頻解決方案一般采用3.5mm插孔，通常功耗較低，但使用的功率會(huì)存在脈沖。圖1顯示語(yǔ)音呼叫或MP3播放時(shí)的音頻處理一般具有脈沖，并且允許功能塊在兩次脈沖活動(dòng)期間進(jìn)入更低功耗模式。有些制造商甚至已經(jīng)針對(duì)音頻播放實(shí)施了比圖中顯示的方式更優(yōu)化的功率分布方式。

USB音頻功率挑戰(zhàn)

與模擬耳機(jī)不同，USB音頻耳機(jī)采用等時(shí)傳輸方式。等時(shí)傳輸提供了音頻流所要求的帶寬保障，但這是以更高功耗為代價(jià)而實(shí)現(xiàn)的。支持USB耳機(jī)的功耗分布如圖2所示。系統(tǒng)包括兩個(gè)新的功能塊（USB主機(jī)和USB設(shè)備），而且二者都在高功率模式下運(yùn)行。有些實(shí)施方式甚至可能要求應(yīng)用程序的CPU持續(xù)在高功率模式下運(yùn)行，將針對(duì)揚(yáng)聲器和接收器的音頻脈沖提供給USB主機(jī)，并且持續(xù)處理來(lái)自麥克風(fēng)的樣本。

對(duì)于不斷電臺(tái)式機(jī)或者配有大容量電池的筆記本電腦中使用的耳機(jī)來(lái)說(shuō)，支持老式USB音頻所需更高功率是幾乎不用關(guān)注的問(wèn)題。然而，老式USB音頻不能替代移動(dòng)電話(huà)及其他便攜式、電池供電的產(chǎn)品中的3.5mm插孔，因?yàn)檫@些產(chǎn)品會(huì)很快將電池耗盡。

USB音頻節(jié)電解決方案

對(duì)于全速USB，老式USB音頻的等時(shí)傳輸每1ms發(fā)生一次?？偩€(xiàn)在兩次傳輸?shù)倪^(guò)程中處于待機(jī)狀態(tài)，但無(wú)法進(jìn)入Suspend L2。USB 2.0 LPM L1規(guī)范為高速USB定義了新的電源狀態(tài)：連接電源管理 (LPM L1)。高速USB脈沖和LPM L1 Suspend的結(jié)合提供了顯著節(jié)電的能力。圖3顯示新音頻規(guī)范隨時(shí)間變化的節(jié)電事件。

ADC 3.0概念證明

ADC 3.0規(guī)范的進(jìn)步需要進(jìn)行概念證明。然而，證明ADC 3.0的節(jié)電能力極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)長(zhǎng)PM L1當(dāng)前并未廣泛使用或受支持。圖4顯示了使用Synopsys DesignWare? USB IP進(jìn)行的成功概念證明。交易13713顯示發(fā)送LPM請(qǐng)求的主機(jī)，這一請(qǐng)求由設(shè)備接收。數(shù)據(jù)包81813顯示電源掛起3.5ms的狀態(tài)下的總線(xiàn)。數(shù)據(jù)包81814顯示恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行的主機(jī)。在本例中，假設(shè)信令持續(xù)86us，而且該值可以配置，將不同設(shè)備喚醒時(shí)間考慮在內(nèi)。數(shù)據(jù)包81815和81816是兩個(gè)計(jì)時(shí)器刻度。傳輸6194顯示從設(shè)備讀取等時(shí)數(shù)據(jù)的主機(jī)。數(shù)據(jù)包81819和81820是兩個(gè)計(jì)時(shí)器刻度，但最后一個(gè)計(jì)時(shí)器刻度不需要，可在將來(lái)的實(shí)施中移除。最后，在重復(fù)循環(huán)過(guò)程中，在數(shù)據(jù)包81824顯示LPM L1掛起3.5ms之前，交易13175顯示新的主機(jī)LPM L1請(qǐng)求和確認(rèn)。

USB音頻設(shè)備分類(lèi)3.0節(jié)電解決方案

基于概念證明系統(tǒng)的最終功率分布如圖5所示。該系統(tǒng)的LPM L1 Suspend駐留率是87.8%（4ms服務(wù)間隔的3.513ms）。PHY功耗是唯一重要的考慮因素，因?yàn)樗话愀哂诳刂破鞴?。LPM L1功率一般比活動(dòng)或待機(jī)功率低1%，而且使用LPM L1可以節(jié)省86%的PHY功率。這樣，USB ADC 3.0 USB耳機(jī)解決方案在功耗方面能夠與舊有模擬耳機(jī)解決方案相當(dāng)。

此外，設(shè)計(jì)師可以在USB脈沖過(guò)程中將CPU和/或DSP系統(tǒng)置于深度休眠模式而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。另外，與實(shí)施方法相關(guān)的優(yōu)化可通過(guò)提前約定多次音頻脈沖而實(shí)現(xiàn)。這使得CPU或DSP子系統(tǒng)更長(zhǎng)時(shí)間處于深度休眠模式，但這時(shí)的音頻延時(shí)更長(zhǎng)。需要注意的是：根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，這可能會(huì)也可能不會(huì)被接受。

Synopsys USB IP支持ADC 3.0

要在低功率產(chǎn)品中實(shí)施ADC 3.0，例如電話(huà)、平板電腦或筆記本電腦，設(shè)計(jì)師需要一種滿(mǎn)足ADC 3.0規(guī)范的主機(jī)控制器，而且該設(shè)備需要具有硬件控制的鏈路功率管理能力。Synopsys的DesignWare xHCI USB 1.1控制器用于LPM L1概念證明。ADC 3.0規(guī)范描述了針對(duì)ADC 3.0耳機(jī)實(shí)施設(shè)備控制器而必需的一些重要變化。除了控制器之外，支持ADC 3.0的設(shè)計(jì)還需要具有LPM L1能力的PHY。在主機(jī)的高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)和耳機(jī)的成熟、低功耗工藝節(jié)點(diǎn)中，Synopsys PHY通過(guò)對(duì)PHY-控制器接口的專(zhuān)有擴(kuò)展而支持LPM L1。Synopsys的領(lǐng)先客戶(hù)已經(jīng)開(kāi)始采用我們業(yè)界領(lǐng)先的具有LPM能力的USB IP，用于設(shè)計(jì)符合ADC 3.0規(guī)范的耳機(jī)。

更多ADC 3.0特性

對(duì)于模擬耳機(jī)，一個(gè)已得到明確證明的局限性是音頻質(zhì)量受到電話(huà)、平板電腦等設(shè)備中所選的ADC、DAC和音頻處理方式的限制。設(shè)備制造商必須精心平衡成本、功率和質(zhì)量。設(shè)備制造商的任何選擇都無(wú)法取消，而且更好的質(zhì)量、更多特性、更低功耗或更低成本只能通過(guò)選擇另一種產(chǎn)品而實(shí)現(xiàn)。在設(shè)備制造商實(shí)施ADC 3.0時(shí)，設(shè)備中沒(méi)有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器或者數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。設(shè)備制造商可以集中精力優(yōu)化功耗，因?yàn)樘匦?、成本和質(zhì)量已經(jīng)不再是影響因素。

ADC 3.0耳機(jī)支持24bit/192kHz音頻格式，以獲得較高的音頻質(zhì)量。耳機(jī)制造商可以增加一個(gè)本地?cái)?shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，以實(shí)施麥克風(fēng)波束成型、主動(dòng)噪音消除、用戶(hù)自定義均衡、熱詞檢測(cè)等特性。特別需要注意的是主動(dòng)噪音消除 (ANC)，如圖6所示。

為實(shí)現(xiàn)便捷性和高質(zhì)量而設(shè)計(jì)的多用途耳機(jī)能夠得以實(shí)現(xiàn)；制造商可以設(shè)計(jì)一種帶有無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙和有線(xiàn)USB的耳機(jī)，在連接電話(huà)或者USB充電器時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電。藍(lán)牙用于提高便攜性接聽(tīng)電話(huà)，USB用于聽(tīng)音樂(lè)、觀看視頻或者僅用于消除周?chē)肼暋?/span>

總結(jié)

USB ADC 3.0有助于設(shè)計(jì)高功效、包含豐富特性、針對(duì)成本和質(zhì)量而優(yōu)化，并且最終可以取代3.5mm插孔的數(shù)字耳機(jī)。