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處理器/DSP  

以類比音訊連接器實現全雙工數據串流

上網時間: 2014年07月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:音訊連接器  全雙工數據串流  主動降噪  ANC  降噪晶片 

本文作者:Alex Costa和Helmut Theile,奧地利微電子設計工程師

音訊主動降噪技術(ANC)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機麥克風中。消費者希望能在嘈雜的環境下享受音樂,並願意因此購買可提供這種功能的耳機。

手機廠商現正將主動降噪技術作為其產品的一大差異化優勢,在通話和媒介消費上提供卓越的音訊體驗。最經濟實惠且便捷的降噪方法就是在手機中內建降噪電路。但是環境的雜訊取樣必須在耳機上進行而不是在手機上,因為手機可能會放在用戶的口袋裡因而可能阻斷噪音來源。

這就帶來了很大的困難:如何透過標準的3.5毫米音訊介面將左、右兩個通道的噪音雜訊從耳機傳送到手機,同時將降噪訊號從手機回傳到耳機。標準的類比音訊介面一般有四個通道。兩個通道被用於左、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為麥克風供電。在打電話時,麥克風將語音訊號傳送到手機。

當3.5毫米音訊介面被用於傳統類比模式時,就無法將左、右兩個通道的雜訊從耳機傳送到手機上進行處理。奧地利微電子開發出全新的數位多工技術,可在麥克風通道中創造額外通道。這些通道能夠用於降噪應用,可將耳機中兩個或四個額外的左、右聲道的麥克風的取樣雜訊傳送到手機中。

在其他應用中,額外通道可用來與音訊配件進行中、低數據率的數據通訊,例如為配件增加顯示功能、傳送感測器數據或其他額外功能。當然,音訊介面的傳統工作模式也可加以保留,因此不支援增強特性的標準耳機仍可以使用。本文介紹如何透過3.5毫米音訊介面來實現全雙工數據通訊。

數位多工展示系統方塊圖
圖1:數位多工展示系統方塊圖。

同步調變電壓與電流

如今廣泛使用的數位麥克風根據過採樣時脈提供音訊訊號作為序列Σ-Δ調變位元速率串流。這使得採用多工訊號數位技術提供全雙工通訊得以實現。其挑戰之處在於避免同一線路上的上行和下行訊號之間形成干擾,同時提供一個足夠高的位元速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採用電壓和電流調變技術:一個提供上行訊號,另一個則提供下行訊號。

為了驗證此項技術的有效性,奧地利微電子開發了一個完整的作業展示系統,該系統包括降噪功能,能夠以3.5毫米音訊介面連接至手機或MP3播放機。它提供了大約2Mbit/s的上行訊號和12Mbit/s的下行訊號。

該展示系統由主電路和周邊電路組成(見圖1、2)。(在實際的終端產品設計上,主電路內建於行動裝置中,而周邊電路則位於耳機的控制部份。)

奧地利微電子的展示系統
圖2:奧地利微電子的展示系統顯示主電路板(底部)、帶有音量調高、適中與降低按鍵的周邊電路板(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。周邊電路板透過3.5mm麥克風介面供電,同時傳送經調變的麥克風訊號。在主電路板上產生一個主時脈,周邊電路板則與時脈同步。

圖3顯示功能區塊的劃分。主電路和周邊電路都由兩塊夾層板組成。主電路板A提供電源、通過鎖相環(PLL)生成的時脈,用於資料準備的數位電路、鎖定檢測以及結合資料調變器/解調器的核心模組。該電路板包含了數據傳輸系統的主要功能。

功能方塊圖顯示主電路和周邊電路之間的功能劃分。
圖3:功能方塊圖顯示主電路(手機的終端產品設計)和周邊電路(耳機控制器的終端產品設計)之間的功能劃分。

主電路板B包括應用電路:將數位麥克風訊號轉換成音訊訊號的數位類比轉換器、音訊放大器、AS3430降噪晶片、濾波器、一個微控制器和一個液晶顯示器。

周邊電路板A包括電源穩壓器、同步和數據提取器、數據調變器、控制按鈕和主麥克風(用於取樣用戶的聲音)。周邊電路板B包含PLL和數據操作的控制邏輯。將耳機中兩個用來取樣降噪訊號的麥克風與周邊電路板相連。

主電路板上產生的主時脈頻率約2MHz。這用來為供電至周邊電路板的3 V麥克風介面調變鋸齒波電壓。周邊電路板產生一個2.2V供電電壓;鋸齒波電壓的下降邊緣被周邊電路板用來恢復2MHz的時脈。為了確保數位元件在2.2V低電壓下正常執行,周邊電路板上的電晶體閘電路必須採用LV/LVC系列。鋸齒電壓頻率控制產生周邊電路板作業頻率的PLL執行。由於主電路板上採用相同的PLL電路,因此兩個電路板可同步執行,從而避免傳輸數據的取樣問題。

電壓調變的時序圖。
圖4:電壓調變的時序圖。

從主電路板向周邊電路板傳輸數據時,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」訊號;第三個幅度可用於實現同步。採用所選的時脈頻率可實現2Mbits/s的上行數據率。

上行傳輸是透過電壓調變實現的,但從周邊電路板到主電路板的下行數據傳輸是利用電流調變來實現。儘管使用相同的麥克風通道,如果電路經過精心設計,上行和下行數據串流不會互相影響。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,確保電流調變不干擾電壓訊號。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至過於敏感。另外,周邊電路板的電流消耗必須儘量保持不變(至少一個數據量測範圍內),因為麥克風通道在提供下行資訊的電流編碼時,還必須為周邊電路板供電。

在主時脈兩個2MHz脈衝之間的一個數據訊框,8位元數據從周邊電路板傳送到主電路板(見圖5)。這能支援降噪應用在該展示系統中的部署:前3個位元表示周邊電路上的哪3個控制按鈕被按下;接下來的3位元代表3個數位麥克風(主音訊麥克風以及兩個雜訊感測麥克風)。最後2位元通常是‘0’和‘1’。在主電路板中,這種自動調節解調水準是必要的。同時這2位元被用於鎖定偵測,以證明數據傳輸是穩定的。下行數據率是6×2Mbit/s=12Mbit/s。

電流調變的時序圖。
圖5:電流調變的時序圖。

對於電流調變而言,無需充電寄生電容,寄生電感也相當低,所以可以輕鬆實現高頻率的數據脈衝。圖6表示主電路板上電流解調器輸出(青色)和重新建構的數位數據脈衝(洋紅色)。黃色訊號表示2MHz的下行數據訊框。根據測量顯示整個系統的傳輸延遲(從周邊電路板的數位麥克風輸入開始,然後是傳輸、接收、解調到重建,直到到達接收器的輸出)大概是530ns。

這種短暫的延遲顯示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,為的是確保降噪訊號和環境噪音緊密同步。

解調(類比)下行訊號。
圖6:解調(類比)下行訊號。

數位麥克風多工技術

本文描述的展示系統證明能夠在一個標準3.5音訊介面上實現數位多工系統。短期內,這項新技術能讓手機製造商更有效地實現主動降噪技術。奧地利微電子現正開發的產品包括兩部份:一部份與耳機中的麥克風和按鍵結合在一起,另一部份則與行動設備和降噪元件結合在一起。未來,透過3.5毫米音訊介面也能在不同的配件中實現中、低數據率的數據通訊。

(參考原文:Full-duplex data streaming via the analogue audio connector,by Alex Costa, Helmut Theiler)





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