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针对USB Type-C数字耳机的全新USB音频分类
作者：Morten Christiansen，Synopsys技术营销经理
100多年前，¼”耳机插孔的发明使人们通过一种称为“电话”的新发明而互相联系。如今，这种发明的现代化变体 - 3.5mm耳机插孔 – 得到了广泛应用。随着现代移动电话不仅仅用作通话，而且没有空间容纳多个连接器，这需要一种新的音频连接方式，于是，产品设计师正在淘汰3.5mm插孔。
在设计师决定下一步行动时，他们会考虑目前已被采用的多种专有和标准USB音频协议。本文介绍最新USB音频设备类别 (ADC) 3.0规范的特性和优点，帮助整个行业采用一种标准化协议，并加快消费者采用这种协议。ADC 3.0通过用于提供高级功能的本地数字信号处理器 (DSP) 而帮助设计高质量数字耳机，例如自适应噪音消除、用户自定义均衡和热词检测。最重要的是，符合ADC 3.0规范的实施显著降低了系统功耗，这对于低功耗移动应用至关重要。ADC 3.0预计将成为采用USB Type-CTM连接器的电话的新标准。
模拟耳机功率
模拟音频解决方案一般采用3.5mm插孔，通常功耗较低，但使用的功率会存在脉冲。图1显示语音呼叫或MP3播放时的音频处理一般具有脉冲，并且允许功能块在两次脉冲活动期间进入更低功耗模式。有些制造商甚至已经针对音频播放实施了比图中显示的方式更优化的功率分布方式。
图1：采用模拟耳机的移动电话的功率分布
USB音频功率挑战
与模拟耳机不同，USB音频耳机采用等时传输方式。等时传输提供了音频流所要求的带宽保障，但这是以更高功耗为代价而实现的。支持USB耳机的功耗分布如图2所示。系统包括两个新的功能块（USB主机和USB设备），而且二者都在高功率模式下运行。有些实施方式甚至可能要求应用程序的CPU持续在高功率模式下运行，将针对扬声器和接收器的音频脉冲提供给USB主机，并且持续处理来自麦克风的样本。
图2：配有老式USB音频耳机的移动电话的功率分布
对于不断电台式机或者配有大容量电池的笔记本电脑中使用的耳机来说，支持老式USB音频所需更高功率是几乎不用关注的问题。然而，老式USB音频不能替代移动电话及其他便携式、电池供电的产品中的3.5mm插孔，因为这些产品会很快将电池耗尽。
USB音频节电解决方案
对于全速USB，老式USB音频的等时传输每1ms发生一次。总线在两次传输的过程中处于待机状态，但无法进入Suspend L2。USB 2.0 LPM L1规范为高速USB定义了新的电源状态：连接电源管理 (LPM L1)。高速USB脉冲和LPM L1 Suspend的结合提供了显著节电的能力。图3显示新音频规范随时间变化的节电事件。
图3：利用音频脉冲和LPM L1节电的概念
ADC 3.0概念证明
ADC 3.0规范的进步需要进行概念证明。然而，证明ADC 3.0的节电能力极具挑战性，因为LPM L1当前并未广泛使用或受支持。图4显示了使用Synopsys DesignWare® USB IP进行的成功概念证明。交易13713显示发送LPM请求的主机，这一请求由设备接收。数据包81813显示电源挂起3.5ms的状态下的总线。数据包81814显示恢复设备运行的主机。在本例中，假设信令持续86us，而且该值可以配置，将不同设备唤醒时间考虑在内。数据包81815和81816是两个计时器刻度。传输6194显示从设备读取等时数据的主机。数据包81819和81820是两个计时器刻度，但最后一个计时器刻度不需要，可在将来的实施中移除。最后，在重复循环过程中，在数据包81824显示LPM L1挂起3.5ms之前，交易13175显示新的主机LPM L1请求和确认。
图4：LPM L1节电概念证明
USB音频设备分类3.0节电解决方案
基于概念证明系统的最终功率分布如图5所示。该系统的LPM L1 Suspend驻留率是87.8%（4ms服务间隔的3.513ms）。PHY功耗是唯一重要的考虑因素，因为它一般高于控制器功耗。LPM L1功率一般比活动或待机功率低1%，而且使用LPM L1可以节省86%的PHY功率。这样，USB ADC 3.0 USB耳机解决方案在功耗方面能够与旧有模拟耳机解决方案相当。
图5：带有USB ADC 3.0耳机的移动电话的功率特征
此外，设计师可以在USB脉冲过程中将CPU和/或DSP系统置于深度休眠模式而实现节能。另外，与实施方法相关的优化可通过提前约定多次音频脉冲而实现。这使得CPU或DSP子系统更长时间处于深度休眠模式，但这时的音频延时更长。需要注意的是：根据应用领域的不同，这可能会也可能不会被接受。
Synopsys USB IP支持ADC 3.0
要在低功率产品中实施ADC 3.0，例如电话、平板电脑或笔记本电脑，设计师需要一种满足ADC 3.0规范的主机控制器，而且该设备需要具有硬件控制的链路功率管理能力。Synopsys的DesignWare xHCI USB 1.1控制器用于LPM L1概念证明。ADC 3.0规范描述了针对ADC 3.0耳机实施设备控制器而必需的一些重要变化。除了控制器之外，支持ADC 3.0的设计还需要具有LPM L1能力的PHY。在主机的高级工艺节点和耳机的成熟、低功耗工艺节点中，Synopsys PHY通过对PHY-控制器接口的专有扩展而支持LPM L1。Synopsys的领先客户已经开始采用我们业界领先的具有LPM能力的USB IP，用于设计符合ADC 3.0规范的耳机。
更多ADC 3.0特性
对于模拟耳机，一个已得到明确证明的局限性是音频质量受到电话、平板电脑等设备中所选的ADC、DAC和音频处理方式的限制。设备制造商必须精心平衡成本、功率和质量。设备制造商的任何选择都无法取消，而且更好的质量、更多特性、更低功耗或更低成本只能通过选择另一种产品而实现。在设备制造商实施ADC 3.0时，设备中没有模拟数字转换器或者数字模拟转换器。设备制造商可以集中精力优化功耗，因为特性、成本和质量已经不再是影响因素。
ADC 3.0耳机支持24bit/192kHz音频格式，以获得较高的音频质量。耳机制造商可以增加一个本地数字信号处理器 (DSP)，以实施麦克风波束成型、主动噪音消除、用户自定义均衡、热词检测等特性。特别需要注意的是主动噪音消除 (ANC)，如图6所示。
图6：ADC 3.0耳机中主动噪音消除的功率特征
为实现便捷性和高质量而设计的多用途耳机能够得以实现；制造商可以设计一种带有无线蓝牙和有线USB的耳机，在连接电话或者USB充电器时对电池进行充电。蓝牙用于提高便携性接听电话，USB用于听音乐、观看视频或者仅用于消除周围噪声。
总结
USB ADC 3.0有助于设计高功效、包含丰富特性、针对成本和质量而优化，并且最终可以取代3.5mm插孔的数字耳机。如果考虑设计ADC 3.0主机产品和/或耳机，请联系Synopsys。