類比耳機介面無痛升級    數位音訊橋接設計簡化開發

顧名思義，3.5毫米(mm)類比耳機插孔將類比音訊訊號傳輸到耳機或其他音訊配件。數位類比轉換(DAC)和放大器(Amplifier)電路必須整合到主機裝置內，如智慧型手機。耳機本身可以是被動的，因此成本非常低。 

相對之下，包括通用序列匯流排(USB)和蘋果(Apple) Lightning在內的一些較新型介面標準則能夠傳輸數位音訊資料。在這種情況下，耳機或其他音訊配件必須實現DAC和放大器電路的功能。其電路需要電源，可以透過外部供電，或者更經常是透過USB或Lightning連接器(Connector)本身提供。 

音訊介面此消彼長 廠商捨類比就數位 

雖然類比和數位音訊介面各有其獨特優勢，但智慧型手機和消費性電子產品製造商之所以在較新型的裝置上採用數位介面，則是基於以下主要原因： 

・克服空間限制

在大多數智慧型手機中，類比耳機插孔和相關音訊電路占用大量的空間(面積和體積)。透過數位音訊讓存在於產品中的連接器於印刷電路板(PCB)所占的空間能夠減小，或許更嚴格地說，整體產品厚度可能會降低。釋出的空間可用於增加電池尺寸、整合新功能或減小產品外型尺寸。 

・增加設計彈性並提高性能 

目前消費者可能會選擇從包裝盒內附耳機升級到高階售後市場產品，但是音訊性能通常會受到主機裝置內建的DAC、放大器和其他電路的限制。使用USB或Lighting數位音訊，耳機製造商可以根據最終產品的分層和定價來改善整個音訊訊號處理鏈(如DAC、放大器等)的性能，這種方法使製造商能夠彈性地同時滿足要求價格和優異品質的市場。 

・啟用高級功能 

雖然具有3.5毫米類比耳機插頭的耳機產品已經導入一些加值功能，如主動式噪音消除(ANC)，但這須要為耳機本身添加一個電池，同時也提高設計難度。此外，類比耳機插孔有限的返回訊號路徑功能，阻礙了耳機和主機裝置之間的進階互動，而數位音訊介面消除了電源和通訊障礙。使用USB或Lightning連接器的耳機和其他配件可以從主機上獲得電源，無需另外的電池。此外，數位介面提供強大的高頻寬雙向通訊，可以創建在主機裝置上運行的配套應用程式，從而獲得更高階的功能和控制選項。 

雖然到目前為止，一直都專注於數位音訊，但汰換類比耳機插孔並不意味著一定要轉換成數位技術。USB標準提供透過USB Type-C連接器傳送類比音訊的機制。這為設計人員在汰換類比耳機插孔時提供另一種選擇。圖1顯示了採用更新的介面替代類比耳機插孔的主要選項。 

圖1 用更新的介面替代類比耳機插孔

新的USB Type-C連接器針對所增加的功能支援非USB資料協定，包括視訊(例如DisplayPort、HDMI)、類比音訊和高速串列(例如Thunderbolt、PCIe)協定。可以為這種附加功能分配一個針腳子集，在使用配置通道(CC1/CC2)線連接時在主機和裝置之間進行協商，如圖2中的連接器針腳所示，該協商允許Alternate Mode和Audio Adapter Accessory Mode兩種不同的模式。 

當使用USB 3.1 SuperSpeed線路時，Alternate Mode支援DisplayPort、PCIe和其他通訊協定。 

圖2 USB Type-C插座針腳

Audio Adapter Accessory Mode為製造商提供一種便利的方式來構建非常便宜的USB Type-C至3.5毫米類比耳機插孔轉接器，使得消費者能繼續利用大型生態系統的類比音訊配件。儘管這將有助於從傳統類比耳機插孔轉換的過渡期，但隨著數位配件的發展，其在市場上的重要性和使用將隨著時間的推移而減少。 

USB介面具高頻寬 支援高品質數位音訊 

USB提供足夠的頻寬來支援高品質的數位音訊。對於需要立體聲音訊的大多數消費性應用而言，USB 2.0全速(Full Speed)(12Mbit/s)就足夠了。除了需要非常高的取樣速率或多頻道音訊的一些專業應用外，通常不需要USB 2.0高速(High-speed)(480Mbit/s)或USB 3.0 SuperSpeed(5+ Gbit/s)，USB Implementers論壇(USB-IF)還開發Audio Device Class，其定義了透過USB傳輸音訊的標準機制，以確保USB音訊裝置的互通性。 

USB耳機音訊設備不是市場上新出現的，近年來受到個人電腦(PC)上音訊和視訊會議應用的歡迎。然而，隨著大量市場消費性裝置(如智慧型手機和平板電腦)上的類比耳機插孔之移除，這些產品的需求預計將增加數倍。透過USB傳輸音訊須要從主機到裝置的資料同步。雖然USB規範定義了強大的同步方案，但實施仍然是挑戰性的，即使對於最有經驗的音訊開發團隊也是如此。 

此外，USB本身是一個複雜的協定，需要顯著的開發時間和成本才能正確實施並進行認證。除了最初的產品部署外，隨著主要的PC作業系統之更新，所需要的是持續性的韌體(Firmware)和驅動程式(Driver)支援和維護。 

USB音訊橋接控制器透過整合所有必需的硬體和軟體來簡化USB音訊配件的開發，從而消除複雜的USB和音訊開發。例如半導體元件商的CP2615 USB數位音訊橋接器簡化了將音訊資料從USB轉換為整合積體電路(IC)音訊(I2S)的過程，無需任何代碼開發。 

設計音訊配件時的另一個關鍵考量是DAC或CODEC設置和配置。市場上存在各種各樣的CODEC和DAC，都需要客製化配置以實現最佳性能。這為希望其產品支援多個CODEC的開發人員帶來複雜性，並增加軟體負擔。對此，Turnkey USB音訊橋接控制器通常提供內部記憶體資源來儲存CODEC配置，並支援廣泛的CODEC和DAC的預設配置值(圖3)。 

圖3 典型的USB音訊橋接控制器示例系統

去年秋天，蘋果在iPhone 7和iPhone 7 Plus上移除類比耳機插孔，成為全球的頭條新聞。在介紹這些智慧手機產品的主題演講中，該公司提到解除插孔的三個主要原因是Lightning埠可以處理相同的功能、移除插孔可以釋放手機內部極需的空間，以及蘋果無線音訊的長期規劃。 

專注於Lightning埠，蘋果提醒觀眾Lightning是從一開始就設計來為數位音訊提供極大支援。事實上，Lightning能實現類比耳機插孔根本無法實現的功能。例如，Lightning能夠為音訊附件提供電源。這允許耳機製造商提供諸如主動式噪音消除的高階功能，同時不需要耳機中的單獨電池。此外，建構於Lightning的音訊產品的製造商可以開發一個配套應用程式，以直覺易用的方式向使用者展示高階功能。 

然而，這些新功能對iPhone音訊配件的設計者增加了複雜性。為了加速設計人員開始產品開發並專注於加值產品差異化，可以透過數位音訊橋接晶片和評估套件簡化iOS設備配件的開發。例如，CP2614介面IC為廣泛地使用全數位Lightning連接器的iPod/iPhone/iPad認證設備製造提供Turnkey音訊橋接解決方案。目標應用包括音訊附件，如吉他和麥克風錄音Dongle和音訊基座。橋接晶片還為iOS應用程式和附件硬體之間的通訊提供內建支援，支援使用隨附的iOS應用程式操作的大量物聯網(IoT)附件。 

數位音訊橋接晶片和評估套件為iOS配件開發人員提供經濟高效的綜合開發平台，可透過支援固定功能的MFi(Made For iPod/iPhone/iPad)加快上市時間。諸如CP2614解決方案的許多橋接晶片毋須韌體開發，這可協助開發人員利用其MFi附件設計快速啟動和運行。開發人員只須使用方便之圖形化使用者介面(GUI)的配置工具選擇自訂選項。 

CP2614橋接晶片旨在管理和最小化功耗，實現主動和空閒模式下的超低功耗。足夠的能源效率使其適用於設備供電的配件，此外還包括一個整合的5伏特(V)低壓差(LDO)調節器，可以減少物料清單(BOM)的成本和空間。高度整合的橋接元件無需外部晶振或電子抹除式可複寫唯讀記憶體(EEPROM)即可運行，可儲存晶片上的所有配置選項。無晶振結構和整合EEPROM能進一步降低物料清單成本以及印刷電路板空間，從而使開發人員能夠設計出更小、更精簡及更具成本效益的配件。 

CP2614音訊橋接晶片支援24位元單向和16位元雙向數位音訊流，使開發人員能夠創建高品質、高性能的專業-消費級音訊配件。可以使用iOS應用程式建立通訊通道，讓應用程式能夠透過通用輸入/輸出(GPIO)讀/寫，直接與附件硬體進行互動，並存取通用異步收發器(UART)以進行自訂資料流程。GPIO可以配置為按鈕輸入和發光二極體(LED)輸出，並從iOS應用程式遠端存取或用於控制音訊播放。 

數位音訊介面市場未來可期 

隨著製造商逐步淘汰類比耳機插孔，數位音訊介面變得越來越普及。雖然使用USB或Lightning連接器有很多優點，但是這些介面為數位音訊配件設計者帶來複雜性。透過USB或Lightning獲取音訊是一項複雜而耗時的設計任務。主要設計問題包括音訊資料流程和CODEC/DAC配置的同步，甚至可能挑戰專家級的嵌入式和音訊設計師。固定功能、完整解決方案數位音訊橋接器提供無需開發軟體的隨插即用解決方案可將複雜性降至最低。這些橋接元件為簡化USB音訊設計提供一種簡單而經濟的方法。憑藉高整合度和可配置性，其消除了對深度協議知識和韌體開發的需求，讓設計人員能夠集中其時間和資源在創新和差異化應用程式。 

(本文作者為芯科科技IoT產品部產品經理及資深行銷經理)