通过模拟音频连接器实现全双工数据流

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音频主动降噪技术深受消费者青睐。目前为止,它主要应用在独立的主动降噪头戴式耳机和耳麦中。消费者希望能在嘈杂的环境下享受音乐,并愿意因此购买可提供这种功能的耳机。

 

目前,手机厂商正将主动降噪技术作为其产品的一大差异化优势,在通话和媒介消费上提供卓越的音频体验。最经济实惠且便捷的降噪方法就是在手机中内置降噪电路。但是噪声拾取必须在耳机上实现而不是在手机上,因为手机可能会放在用户的口袋里从而阻断噪音源。

 

这就带来了很大的困难:如何通过标准的3.5毫米音频接口将左、右两个通道的噪声信号从耳机传送到手机,同时将降噪信号从手机回传到耳机。

 

这个标准的模拟音频接口一般有四个通道。两个通道被用于左、右声道的喇叭,一个麦克风通道和地线。麦克风通道同时用来给麦克风供电。在打电话时,麦克风将语音信号传送到手机。

 

当3.5毫米音频接口被用于传统模拟模式时,就无法将左、右两个通道的噪声信号从耳机传送到手机上进行处理。

 

奥地利微电子已开发出全新的数字多路复用技术,实际上,它可在麦克风通道中创造额外的通道。这些通道能够用于降噪应用,可将耳机中两个或四个额外的左、右声道的麦克风的采样噪声传送到手机中。

 

在其他应用中,额外通道可用来与音频配件进行中、低数据率的数据通信,比如给配件增加显示功能、传送传感器数据或其他额外功能。当然,音频接口的传统工作模式也会得到保留, 因此不支持增强特性的标准耳机仍可以使用。

 

这篇文章介绍了通过3.5毫米音频接口实现全双工数据通信的具体实现。

 

同时采用电压和电流调制

如今数字麦克风作为基于过采样时钟的串行Σ-Δ调制比特率流被广泛用来提供音频信号。这使得采用多路复用信号数字技术提供全双共通信成为可能。

 

挑战是在同一线路上避免上行和下行信号之间的干扰,同时提供一个足够高的比特率来满足消费者对高音质的需求。一种可行的技术是奥地利微电子已经成功研发出的在麦克风通道上同时采用电压和电流调制技术:一个提供上行信号,另一个则提供下行信号。

 

为了验证此项技术的有效性,奥地利微电子开发了一个完整的演示系统,该系统包括降噪功能,能够用3.5毫米音频接口与手机或MP3播放器相连。它提供了约2兆比特/秒的上行信号和12兆比特/秒的下行信号。

 

该演示系统由主设备和从设备组成(见图1、2)。(在实际的终端产品设计上,主设备会嵌入到移动设备中,而从设备则是在耳机的控制部件上。)

 

图一

数字多路复用演示系统方框图

 

图二

 

图二:奥地利微电子的演示系统展示了主设备(底部),带有音量放大、模式和音量减小键的从设备(上),以及头戴式耳机。

 

电池放在主设备端,主设备通过调制麦克风通道向从设备供电,同时传送调制的麦克风信号。主设备会生成一个同步时钟,从设备时钟与其同步。

 

图3是功能框图。主设备和从设备都由两块板组成。主设备中A板提供电源、通过锁相环生成的时钟,用于数据准备的数字电路,锁定检测和核心模块 --合并的数据调制器/解调器。该板包含了数据传输系统的主要功能。

 

图三

图3: 显示主电路(终端产品设计的手机)和外围电路(终端产品设计的耳机控制器)间功能分区的框图

 

主设备B板包括应用电路:将数字麦克风信号转换成音频信号的数模转换器,音频放大器,AS3430降噪芯片,滤波器,一个微控制器和一个液晶显示器。

 

从设备A板包括电源稳压器、同步和数据提取器、数据调制器、控制按钮和主麦克风(用于拾取用户的声音)。从设备B板包含锁相环和数据操作的控制逻辑。将耳机中两个用来拾取降噪信号的麦克风与从设备相连。

 

主设备上生成的主时钟频率是2MHz。这用来在给从设备供电的麦克风通道上调制一个电压在3V左右的锯齿波。从设备会产生一个2.2V供电电压;锯齿波电压的下降边缘被从设备用来恢复2MHz的时钟。为了保证数字组件在2.2V低电压下正常运行,从设备上的晶体管门电路需采用LV/LVC系列。锯齿电压频率控制生成从设备工作频率的锁相环的运行。由于主设备上采用了相同的锁相环电路,因此两个设备可同步运行,这能够避免传输数据的采样问题。

 

图四

图4:电压调制的时序框图

 

从主设备向从设备传输数据时,锯齿波幅度大小可满足对编码的要求(见图4)。两个幅度可定义“高”和“低”信号;第三个幅度可用于实现同步。采用所选的时钟频率可实现2Mbits/s的上行数据率。

 

从主设备向从设备传输数据时,锯齿波幅度大小可满足对编码的要求(见图4)。两个幅度可定义“高”和“低”信号;第三个幅度可用于实现同步。采用所选的时钟频率可实现2Mbits/s的上行数据率。.

 

上行传输是通过电压调制实现,但从从设备到主设备的下行数据的传输是利用电流调制来实现。尽管使用相同的麦克风通道,如果电路经过精心设计,上行和下行数据流不会互相影响。首先,在主设备上将锯齿状波纹注入直流电压的电路必须是低阻抗的,确保电流调制不干扰电压信号。第二,主设备上的电流解调器对麦克风通道上的电压变化不敏感。另外,从设备的电流消耗必须尽量保持不变(至少一个数据帧范围内),因为麦克风通道在提供下行信息的电流编码的同时必须给从设备供电。

 

在一个数据帧中,在2MHz主时钟的两个脉冲中间会有8位数据从从设备传送到主设备(见图5)。这能支持降噪应用在这个演示系统中的部署:

· 前三位表示从设备上的哪些控制按钮被按下了,

· 接下来的三位代表三个数字麦克风(通话麦克风和两个噪音拾取麦克风)。

· 最后两位总是“0”和“1”。这对主设备自动调节解调水平是必要的。同时这两位被用于锁定跟踪,来证明数据传输是稳定的。

 

下行数据率是6 x 2Mbits/s = 12Mbits/s。

 

图五

图5:电流调制的时序框图

 

对于电流调制而言,无需充电寄生电容,寄生电感也相当低,所以可以轻松实现高频率的数据脉冲。图6表示主设备上电流解调器输出(蓝绿色)和重新构建的数字数据脉冲(品红色)。黄色信号表示2MHz的下行数据帧。测量表明整个系统的传输延迟(从从设备的数字麦克风输入开始,然后是传输、接收、解调到重建,直到到达接收器的输出)大概是530ns。这种短暂的延迟表明系统是适合降噪应的。在降噪应用中延迟必须尽可能的小,为的是确保降噪信号和环境噪音紧密同步。

 

图六

图6:解调(模拟)下行信号

 

数字麦克风多路复用:不只是演示系统

该文章描述的演示系统证明了能够在一个标准3.5音频接口上实现数字多路复用系统。短期内,这项新技术能让手机制造商更好地实现主动降噪技术。奥地利微电子现正在开发的产品包括两部分:一部分与耳机中的麦克风和按键结合在一起,另一部分与移动设备和降噪器件结合在一起。

 

展望未来,通过3.5毫米音频接口也能在不同的配件中实现中、低数据率的数据通信。

 

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作者简介

本文作者:奥地利微电子设计工程师:
Alex Costa 和 Helmut Theiler