作者：Morten Christiansen，Synopsys技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

100多年前，¼”耳機插孔的發(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)明的現代化變體 - 3.5mm耳機插孔 – 得到了廣泛應用。隨著(zhù)現代移動(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)品設計師正在淘汰3.5mm插孔。

在設計師決定下一步行動(dòng)時(shí)，他們會(huì )考慮目前已被采用的多種專(zhuān)有和標準USB音頻協(xié)議。本文介紹最新USB音頻設備類(lèi)別 (ADC) 3.0規范的特性和優(yōu)點(diǎn)，幫助整個(gè)行業(yè)采用一種標準化協(xié)議，并加快消費者采用這種協(xié)議。ADC 3.0通過(guò)用于提供高級功能的本地數字信號處理器 (DSP) 而幫助設計高質(zhì)量數字耳機，例如自適應噪音消除、用戶(hù)自定義均衡和熱詞檢測。最重要的是，符合ADC 3.0規范的實(shí)施顯著(zhù)降低了系統功耗，這對于低功耗移動(dòng)應用至關(guān)重要。ADC 3.0預計將成為采用USB Type-CTM連接器的電話(huà)的新標準。

模擬耳機功率

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

與模擬耳機不同，USB音頻耳機采用等時(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)現的。支持USB耳機的功耗分布如圖2所示。系統包括兩個(gè)新的功能塊（USB主機和USB設備），而且二者都在高功率模式下運行。有些實(shí)施方式甚至可能要求應用程序的CPU持續在高功率模式下運行，將針對揚聲器和接收器的音頻脈沖提供給USB主機，并且持續處理來(lái)自麥克風(fēng)的樣本。

對于不斷電臺式機或者配有大容量電池的筆記本電腦中使用的耳機來(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，因為這些產(chǎn)品會(huì )很快將電池耗盡。

USB音頻節電解決方案

對于全速USB，老式USB音頻的等時(shí)傳輸每1ms發(fā)生一次�？偩�(xiàn)在兩次傳輸的過(guò)程中處于待機狀態(tài)，但無(wú)法進(jìn)入Suspend L2。USB 2.0 LPM L1規范為高速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的結合提供了顯著(zhù)節電的能力。圖3顯示新音頻規范隨時(shí)間變化的節電事件。

ADC 3.0概念證明

ADC 3.0規范的進(jìn)步需要進(jìn)行概念證明。然而，證明ADC 3.0的節電能力極具挑戰性，因為L(cháng)PM L1當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請求的主機，這一請求由設備接收。數據包81813顯示電源掛起3.5ms的狀態(tài)下的總線(xiàn)。數據包81814顯示恢復設備運行的主機。在本例中，假設信令持續86us，而且該值可以配置，將不同設備喚醒時(shí)間考慮在內。數據包81815和81816是兩個(gè)計時(shí)器刻度。傳輸6194顯示從設備讀取等時(shí)數據的主機。數據包81819和81820是兩個(gè)計時(shí)器刻度，但最后一個(gè)計時(shí)器刻度不需要，可在將來(lái)的實(shí)施中移除。最后，在重復循環(huán)過(guò)程中，在數據包81824顯示LPM L1掛起3.5ms之前，交易13175顯示新的主機LPM L1請求和確認。

USB音頻設備分類(lèi)3.0節電解決方案

基于概念證明系統的最終功率分布如圖5所示。該系統的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，因為它一般高于控制器功耗。LPM L1功率一般比活動(dòng)或待機功率低1%，而且使用LPM L1可以節省86%的PHY功率。這樣，USB ADC 3.0 USB耳機解決方案在功耗方面能夠與舊有模擬耳機解決方案相當。

此外，設計師可以在USB脈沖過(guò)程中將CPU和/或DSP系統置于深度休眠模式而實(shí)現節能。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。這使得CPU或DSP子系統更長(cháng)時(shí)間處于深度休眠模式，但這時(shí)的音頻延時(shí)更長(cháng)。需要注意的是：根據應用領(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，設計師需要一種滿(mǎn)足ADC 3.0規范的主機控制器，而且該設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規范描述了針對ADC 3.0耳機實(shí)施設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的設計還需要具有LPM L1能力的PHY。在主機的高級工藝節點(diǎn)和耳機的成熟、低功耗工藝節點(diǎn)中，Synopsys PHY通過(guò)對PHY-控制器接口的專(zhuān)有擴展而支持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，用于設計符合ADC 3.0規范的耳機。

更多ADC 3.0特性

對于模擬耳機，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)、平板電腦等設備中所選的ADC、DAC和音頻處理方式的限制。設備制造商必須精心平衡成本、功率和質(zhì)量。設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。在設備制造商實(shí)施ADC 3.0時(shí)，設備中沒(méi)有模擬數字轉換器或者數字模擬轉換器。設備制造商可以集中精力優(yōu)化功耗，因為特性、成本和質(zhì)量已經(jīng)不再是影響因素。

ADC 3.0耳機支持24bit/192kHz音頻格式，以獲得較高的音頻質(zhì)量。耳機制造商可以增加一個(gè)本地數字信號處理器 (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)現便捷性和高質(zhì)量而設計的多用途耳機能夠得以實(shí)現；制造商可以設計一種帶有無(wú)線(xiàn)藍牙和有線(xiàn)USB的耳機，在連接電話(huà)或者USB充電器時(shí)對電池進(jìn)行充電。藍牙用于提高便攜性接聽(tīng)電話(huà)，USB用于聽(tīng)音樂(lè )、觀(guān)看視頻或者僅用于消除周?chē)�噪聲�?/font>