作者：Morten Christiansen，Synopsys技術營銷經理
100多年前，¼”耳機插孔的發明使人們通過一種稱為“電話”的新發明而互相聯系。如今，這種發明的現代化變體 - 3.5mm耳機插孔 – 得到了廣泛應用。隨著現代移動電話不僅僅用作通話，而且沒有空間容納多個連接器，這需要一種新的音頻連接方式，于是，產品設計師正在淘汰3.5mm插孔。
在設計師決定下一步行動時，他們會考慮目前已被采用的多種專有和標準USB音頻協議。本文介紹最新USB音頻設備類別 (ADC) 3.0規范的特性和優點，幫助整個行業采用一種標準化協議，并加快消費者采用這種協議。ADC 3.0通過用于提供高級功能的本地數字信號處理器 (DSP) 而幫助設計高質量數字耳機，例如自適應噪音消除、用戶自定義均衡和熱詞檢測。最重要的是，符合ADC 3.0規范的實施顯著降低了系統功耗，這對于低功耗移動應用至關重要。ADC 3.0預計將成為采用USB Type-CTM連接器的電話的新標準。
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，但使用的功率會存在脈沖。圖1顯示語音呼叫或MP3播放時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期間進入更低功耗模式。有些制造商甚至已經針對音頻播放實施了比圖中顯示的方式更優化的功率分布方式。
圖1：采用模擬耳機的移動電話的功率分布
USB音頻功率挑戰
與模擬耳機不同，USB音頻耳機采用等時傳輸方式。等時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而實現的。支持USB耳機的功耗分布如圖2所示。系統包括兩個新的功能塊（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，并且持續處理來自麥克風的樣本。
圖2：配有老式USB音頻耳機的移動電話的功率分布
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說，支持老式USB音頻所需更高功率是幾乎不用關注的問題。然而，老式USB音頻不能替代移動電話及其他便攜式、電池供電的產品中的3.5mm插孔，因為這些產品會很快將電池耗盡。
USB音頻節電解決方案
對于全速USB，老式USB音頻的等時傳輸每1ms發生一次。總線在兩次傳輸的過程中處于待機狀態，但無法進入Suspend L2。USB 2.0 LPM L1規范為高速USB定義了新的電源狀態：連接電源管理 (LPM L1)。高速USB脈沖和LPM L1 Suspend的結合提供了顯著節電的能力。圖3顯示新音頻規范隨時間變化的節電事件。
圖3：利用音頻脈沖和LPM L1節電的概念
ADC 3.0概念證明
ADC 3.0規范的進步需要進行概念證明。然而，證明ADC 3.0的節電能力極具挑戰性，因為LPM L1當前并未廣泛使用或受支持。圖4顯示了使用Synopsys DesignWare® USB IP進行的成功概念證明。交易13713顯示發送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的狀態下的總線。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，將不同設備喚醒時間考慮在內。數據包81815和81816是兩個計時器刻度。傳輸6194顯示從設備讀取等時數據的主機。數據包81819和81820是兩個計時器刻度，但最后一個計時器刻度不需要，可在將來的實施中移除。最后，在重復循環過程中，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。
圖4：LPM L1節電概念證明
USB音頻設備分類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。
圖5：帶有USB ADC 3.0耳機的移動電話的功率特征
此外，設計師可以在USB脈沖過程中將CPU和/或DSP系統置于深度休眠模式而實現節能。另外，與實施方法相關的優化可通過提前約定多次音頻脈沖而實現。這使得CPU或DSP子系統更長時間處于深度休眠模式，但這時的音頻延時更長。需要注意的是：根據應用領域的不同，這可能會也可能不會被接受。
Synopsys USB IP支持ADC 3.0
要在低功率產品中實施ADC 3.0，例如電話、平板電腦或筆記本電腦，設計師需要一種滿足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和耳機的成熟、低功耗工藝節點中，Synopsys PHY通過對PHY-控制器接口的專有擴展而支持LPM L1。Synopsys的領先客戶已經開始采用我們業界領先的具有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，一個已得到明確證明的局限性是音頻質量受到電話、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、功率和質量。設備制造商的任何選擇都無法取消，而且更好的質量、更多特性、更低功耗或更低成本只能通過選擇另一種產品而實現。在設備制造商實施ADC 3.0時，設備中沒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化功耗，因為特性、成本和質量已經不再是影響因素。
ADC 3.0耳機支持24bit/192kHz音頻格式，以獲得較高的音頻質量。耳機制造商可以增加一個本地數字信號處理器 (DSP)，以實施麥克風波束成型、主動噪音消除、用戶自定義均衡、熱詞檢測等特性。特別需要注意的是主動噪音消除 (ANC)，如圖6所示。
圖6：ADC 3.0耳機中主動噪音消除的功率特征
為實現便捷性和高質量而設計的多用途耳機能夠得以實現；制造商可以設計一種帶有無線藍牙和有線USB的耳機，在連接電話或者USB充電器時對電池進行充電。藍牙用于提高便攜性接聽電話，USB用于聽音樂、觀看視頻或者僅用于消除周圍噪聲。
總結
USB ADC 3.0有助于設計高功效、包含豐富特性、針對成本和質量而優化，并且最終可以取代3.5mm插孔的數字耳機。 |
