Słuchawkowa wtyczka 3,5 mm kontra wymagania współczesnej elektroniki

Rys. 1. Połączenie pomiędzy słuchawką z mikrofonem a telefonem komórkowym przez wtyczkę 3,5 mm

Uproszczony schemat połączeń aktualnie używanej standardowej wtyczki audio 3,5 mm jest przedstawiony na rysunku 1. Cztery jej styki łączą słuchawkę z kodekiem audio w telefonie komórkowym. Dwa z nich przesyłają do słuchawek analogowe sygnały stereo, a dwa pozostałe służą do połączenia z masą i przesyłania analogowego sygnału z mikrofonu oraz równolegle z nim połączonych przycisków.

Sygnał z mikrofonu, gdy jest on aktywny, jest digitalizowany w kodeku ADC, a wielkość napięcia z dzielnika RPOCZ/rezystor (wybrany przyciskiem "ciszej", "głośniej" lub "mówię") definiuje rodzaj akcji (ściszanie, pogłaśnianie, odbiór rozmowy).

Rozwiązanie zilustrowane na rysunku 1 nie zmieniało się od dawna, niezależnie od ewolucji telefonów komórkowych. W stosunku do funkcjonalności i mocy przetwarzania współczesnych smartfonów, możliwości wtyczki 3,5 mm są bardzo ograniczone.

Rys. 2. Rozwiązanie słuchawki z mikrofonem współpracującej z telefonem komórkowym przez wtyczkę 3,5 mm

Używane obecnie technicznie zaawansowane telefoniczne słuchawki z mikrofonem muszą być zoptymalizowane, co skutkuje nieustannymi naciskami na niepowiększające jej ceny usprawnienia użyteczności wtyczki.

Aplikacją szczególnie pożądaną jest aktywna eliminacja dźwięków otoczenia (ANC) w słuchawkach. Funkcjonuje ona, gdy w obwodzie słuchawek jest umieszczony cyfrowy układ ANC wraz z baterią, co ilustruje rysunek 2. Alternatywne rozwiązanie, bez konieczności instalowania w słuchawce baterii, jest możliwe pod warunkiem skorzystania z interfejsu USB (rys. 3) zamiast wtyczki 3,5 mm.

Oba rozwiązania są technicznie możliwe, ale kosztem wzrostu ceny i rozmiarów słuchawki. Sprzętowe możliwości samego smartfonu (kodek audio, mała moc DSP, wzmacniacze, PMU) pozwalają przenieść do niego funkcje ANC.

ACI umożliwia obniżenie kosztu i zmniejszenie rozmiarów słuchawki

Rys. 3. Realizacja nadawania i odbioru pomiędzy słuchawką z mikrofonem i redukcją dźwięków otoczenia a telefonem komórkowym przez złącze USB

Ta nowa technologia, pod nazwą ACI, opracowana przez AMS AG, tworzy nowy standardowy interfejs z wtyczką 3,5 mm, w pełni kompatybilny wstecz z istniejącymi słuchawkami i telefonami komórkowymi. Wykorzystuje przewód sygnału mikrofonowego wtyczki 3,5 mm i usprawnia funkcjonalność tego złącza, tworząc z niego dwukierunkowy interfejs cyfrowy.

Na rysunku 4 przedstawiono dwa warianty implementacji interfejsu ACI, wykorzystującego albo wtyczkę 3,5 mm, albo złącze USB-C. Nowy standard USB-C pozwala na przesyłanie analogowych sygnałów audio, zatem dodanie w smartfonie jednego analogowego przełącznika umożliwia użycie ACI dzięki złączu USB-C i jego przewodu mikrofonowego do tanich słuchawek z ANC. Dla obu rozwiązań jest jedynie potrzebny układ ACI w telefonie komórkowym. Układ ten z pewnością może stać się częścią kodeka audio, co dalej obniży koszt systemu.

Rys. 4. Słuchawka z interfejsem ACI połączona z telefonem komórkowym przez wtyczkę 3,5 mm albo przez złącze USB-C i zasilana z ACI

Bloki kodeka audio, wzmacniacza słuchawkowego, MCU i dodatkowego PMU nie są już w słuchawce potrzebne. Wszystkie przyciski interfejsu użytkownika oraz mikrofon mowy i mikrofony ANC są bezpośrednio połączone z chipem ACI w słuchawkach. Jego zadaniem jest zbieranie i przekazywanie do hosta wszystkich informacji z czujnika, mikrofonu i przycisków.

Przetwarzania sygnału audio dokonuje DSP w kodeku audio, redukując pasmo wysyłania redukcji zakłóceń i odbioru redukcji zakłóceń, tak jak gdyby w ogóle słuchawki nie były przyłączone. Wszystkie wzajemnie powiązane informacje czujnika i przycisków są przekazywane poprzez magistralę I²C i przerwania do procesora słuchawki, który zezwala lub wzbrania działanie poszczególnych funkcji słuchawek.

Zaawansowane możliwości ACI

Rys. 5. Modulowany sygnał w przewodzie mikrofonowym

Jednym z założeń projektowania ACI było zminimalizowanie zwłoczności w celu redukcji zakłóceń ścieżki Rx. Interfejs ACI wykazuje dla każdego kanału mikrofonowego małą latencję, rzędu 1,1 μs. Jest to główna przewaga ACI nad implementacją cyfrowego USB-C, kodek audio w smartfonie nie może bowiem zostać ponownie użyty do ograniczania zakłóceń Rx.

Dla prostej integracji z telefonem komórkowym lub tabletem słuchawkę wyposażono w wejście zegarowe, zapewniające synchronizację mikrofonowych danych cyfrowych (do 5 kanałów) z kodekiem audio dla cyfrowego przetwarzania sygnału.

Dzięki dostarczanemu z telefonu napięciu zasilającemu (1,4-1,9 V) do 100 mA prądu do zasilania mikrofonów i dodatkowych czujników, połączonych z układem AS3445B, nadrzędnym układem w I²C, można ze słuchawki pozbyć się baterii. Odczyt i zapis danych tych czujników oraz ich dostęp do procesora słuchawki umożliwia funkcja tunelowania I²C.

Rys. 6. Przewodowe połączenie modulowanego sygnału mikrofonowego

Dla podtrzymania najwyższej niezawodności transferu tzw. metadanych (I²C, IRQ, bezpośredni transfer bitów) dane te chronione są również przez CRC dla uniknięcia błędów w transmisji. Do przechowywania specyficznych informacji słuchawki, jak ustawienie wzmocnienia przedwzmacniaczy wejść mikrofonowych czy konfiguracja GPIO, definiujących słuchawkę sprzętowo, w AS3445B jest użyta pamięć EEPROM. Jej część jest dostępna do ogólnego użytku.

Jest zatem możliwe zaprogramowanie w systemie danych produkcyjnych, numeru seryjnego itp. albo umożliwienie użytkownikowi wpisanie do słuchawki jego danych, jak nazwa, lub spersonalizowane ustawienia EQ dla preferowanych ustawień odtwarzania muzyki. Wszystkie te funkcje i znacznie więcej realizuje się przez użycie przewodu mikrofonowego do całej komunikacji i przesyłania zasilania do AS3445B. Komunikacja ACI w przewodzie mikrofonowym nie ma wpływu na wytworzone przez kodek audio sygnały analogowe.

Jak działa interfejs ACI?

Rys. 7. Alternatywna konstrukcja słuchawki z mikrofonem i redukcją dźwięków otoczenia

Łączność pomiędzy układem nadrzędnym AS3445B i podrzędnym AS3440B opiera się na schemacie półdupleksowej zmultipleksowanej modulacji czasu. W przewodzie sygnałowym jest napięcie stałe 3,3 V, dostarczające zasilania do AS3445B (rys. 6). Dane mikrofonu, a także metadane, bezpośrednio to napięcie modulują.

Ponieważ w interfejsie położono nacisk na małą zwłoczność, 83% całego pasma zostało przeznaczone do przenoszenia danych mało zwłocznych (gł. danych mikrofonowych). Dalsze 10% jest użyte do synchronizacji zegarowej pomiędzy układem nadrzędnym a podrzędnym, a pozostałe 7% służy do przesyłania metadanych I²C w łączności z AS3445B, bezpośredniego transferu bitów i przerwań. Ponieważ interfejs ACI dopuszcza długość kabli audio do 1 m, ważne jest, aby w przewodzie sygnałowym integralność przesyłanych danych była podtrzymywana.

Kanał komunikacyjny musi zatem być dobrze zdefiniowany, jak to jest pokazane na schemacie blokowym na rysunku 6. Wyprowadzenia XCN obu układów muszą być zaopatrzone w rezystory 21 Ω, dla uniknięcia odbić przesyłanych danych, zależnych od długości linii sygnałowej. Impedancja charakterystyczna kabla mikrofonowego musi być zgodna z tą rezystancją z dokładnością do 20%.

Przypadki innego użycia ACI

Oprócz zapewniania niskiego kosztu i minimalnych wymiarów słuchawek z ANC do użytku z telefonami komórkowymi, interfejs ACI jest także przydatny do ograniczania sprzętowej objętości słuchawek. Jedną z opcji jest sposób łączenia dwóch płytek drukowanych. Zazwyczaj płytki drukowane obu stron słuchawki wymagają kilkuprzewodowego połączenia przez kilkustykowe złącza.

Interfejs ACI pozwala zastąpić połączenie wieloprzewodowe dwuprzewodowym, dla nawet pięciu kanałów mikrofonowych, kilkuprzyciskowych, a także danych I²C. Przyciski mieszczą się zwykle na płytce z prawej strony słuchawek. Długość połączenia do 1 m nie stanowi problemu dla I²C (KKP).