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细说耳机接口变迁

2022-06-23 来源:商洛机械信息网

这篇音频接口相关的小文,部分来自于一个工作项目的背景调查。背景知识的搜集整理是一件琐碎的事情,小编只能尽力让行文组织的富有逻辑性,同时也尽可能的具有趣味性。

3.5mm接口的诞生

在小编的印象中,上个世纪80、90年代满大街随身听的耳机接口仍是千差万别的,其中就有3.5mm的耳机接口。追溯历史,这种接口最早诞生于19世纪。那时电话刚刚诞生不久,受技术限制还没有程控交换机。接通对方电话完全靠人工插拔交换机上的插头,这种插头就是现在3.5mm耳机接口的前辈。不过当时这种插头大部分是四分之一英寸的直径,也就是6.35mm。

后来随着这种插头的广泛应用,各种尺寸、变异的型号被开发出来。常见的有3.5mm接口,还有更迷你的2.5mm接口。

四段3.5mm接口(TRRS)作为标准被广泛接受,是由日本JEITA制订的EIAJ RC-5325A(下图左上)完成的,出版于1993年5月。这是目前最常见的耳麦接口(下次抵制日货时,大家路过注意捡耳机)。认真的读者如果去检索这个标准,会发现它参考了IEC 60130-8这个标准(下图右)。这个IEC 60130-8标准更老,首版制订于1976年。它的1986年修订版,被中国信产部的通信行业标准《YD-T 1885-2009 移动通信手持机有线耳机接口技术要求和测试方法》(下图左下)所引用,这个信产部标准生效于2009年。比较这三个标准的制订年代,我们国家的信息产业落后程度可见一斑。

(标准文档截图)

这里不得不提两个容易混淆的英文单词,headphone和headset。前者不包含麦克风,通常译作耳机。后者包含麦克风甚至线控按键,通常译作耳麦。大家可能也注意到了,近些年生产的笔记本电脑,一般只有一个3.5mm耳麦二合一接口了,而不是像以前那样有两个3.5mm接口,一个是耳机接口,一个是麦克风接口。这从一个侧面说明,手机的普及导致耳麦一体的耳机越来越普及了,甚至影响到了笔记本电脑音频接口的选用。

(从耳机、麦克风分离接口走向耳麦合一接口的联想笔记本)

近距离看接口

在正式的标准文档中,这种耳机接口被称作3.5mm同心连接器。顾名思义,接口的横截面是一个个的同心圆。从下面这张图片可以看到常见的四种接口,分别具有2、3、4、5个触点。这些触点也有约定俗成的名字,分别用T、R、S三个字母表示。T(Tip)表示尖端,R(Ring)表示中环,可以有一个或多个R,S(Sleeve)表示末端环套。有了简称,就可以很方便地去命名接口。例如下图中的四种接口分别命名为:TS、TRS、TRRS、TRRRS。每两个导电触点之间有一个绝缘环套。

(各种耳机接口:TS、TRS、TRRS、TRRRS)

现在最为常见的应该是TRS、TRRS这两种接口。TRS就是三触点的耳机接口,左右声道加一个地。耳麦使用的TRRS比耳机接口多一个触点,用来传输麦克风信号。

(最常见的耳机接口类型:上为TRRS、下为TRS)

因为麦克风信号的引入,TRRS阵营分裂成了三大派,事实上有三个标准。分别是OMTP、CTIA(也叫AHJ)以及特立独行的苹果“派”。OMTP和CTIA的区别就在于麦克风和地的顺序。如果用L表示左声道,R表示右声道,G表示地,M表示麦克风,那么OMTP的TRRS是LRMG,CTIA的TRRS是LRGM。

中国的标准采用了OMTP的方式。这是标准制订时(2008年前后)的国内主流市场决定的,无可非议。

兼容OMTP和CTIA

然而特立独行的苹果采用了类似CTIA的方式,但是并不完全相同。让我们先看看安卓手机的标准做法。安卓系统要求支持CTIA方式,但是在法规特殊的地区例外,比如在中国上市的安卓设备需要支持信产部规定的OMTP标准。

(Android系统对于耳机接口标准的规定)

早期的苹果手机也采用类似的做法,即国内行货和水货的苹果设备采用了不同的标准。但是创新的苹果为了节省成本,统一制造工艺,从iPhone 4S开始采用了兼容OMTP和CTIA的耳机接口。在手机内部安装了自动检测电路来判断插入的耳机是OMTP还是CTIA。这种提升用户体验的创新做法非常值得赞赏,引起了ic强烈的研究兴趣。但是因为苹果手机的内部资料难以获得,ic在网上寻觅良久,找到了一种接近的替代实现方案供大家参考。核心就是大名鼎鼎的仙童公司(飞兆)的一款芯片FSA8049。

(FSA8049原理图)

原理大概是这样的(不感兴趣的直接跳到下一段),我们知道耳麦上的麦克风要工作,需要手机给它加载一个偏置电压。FSA8049同时检测GND和MIC这两个管脚上的电压。MIC因为有一定的内阻,因而其上的电压肯定不是0,而GND直接接地,检测到的一定是0电压。再结合一些其它的控制逻辑,就可以判断哪个是GND,哪个是MIC了。这个检测电路原理还是挺简单的,考虑到苹果自身具备的强大的芯片研发能力,在A系列处理器上集成这样的检测电路想必也不是什么难事,高集成度带来的成本基本可以忽略不计,却减小了地区法规带来的产品差异性。

线控原理

耳麦上的线控按键也是有一些标准的。例如安卓系统的耳麦按键线控原理如下。

(Android耳麦按键原理)

当一个按键被按下时,对应的电阻接地导通。不同按键的对地电阻阻值不同,因而其上的分压也不同。这样通过检测电阻上的电压值,就可以知道是哪个按键被按下了。再加上时间检测,就可以支持短按、长按还是快速按几下等等按键序列。安卓系统对这种按键序列的部分规定如下。

(Android系统耳麦按键的定义)

在如今购买手机一般不再附送耳机的时代,这种标准大大增加了耳麦的通用程度。前面提到的TRRS三大派之一的苹果“派”,就是麦克风的做法和各个按键阻值有别于CTIA标准而自成一派。所以把苹果耳机插到安卓手机上,麦克风和线控功能有可能是不正常的。

随风而逝?

iPhone 7的推出,是否意味着3.5mm耳机接口从此走向末日,这是个见仁见智的问题。不过苹果对于数码潮流的引领是毋庸置疑的。就像3.5寸软驱的取消、光驱的取消,都是在苹果产品上首先实现的。例如联想最近推出的Moto Z,也取消了3.5mm耳机接口,复用到了Type C接口上。

然而苹果对于配件控制的加强,也是毋庸置疑的。MFi认证价格不菲,现在连耳机产品苹果都要吃上一口,众耳机厂商能答应吗?众耳机发烧友能答应吗?

抛开这些不谈,用Lightning或者Type C接口代替传统的3.5mm耳机接口,在技术实现上会带来哪些问题呢?我们知道3.5mm接口传输的是模拟信号,现有的TRRS方式最多传输一左一右两个声道的模拟信号。如果用Lightning或者Type C这种数字接口,耳机接收到的是音频数字信号。耳机内部电路首先需要对数字信号做解码(考虑MFi或者将来做版权保护加密这些数字音频,还需要解密),然后通过模数转换器(DAC)生成模拟信号,才能送给耳机内的喇叭,驱动喇叭振膜产生声压,人耳才能听到。可以看到,相比传统耳机,这种数字耳机多出了解码模块、DAC模块、放大器,成本一下子高了不少。如果是适配苹果产品的耳机,还需要过MFi认证,又是一笔开销。可以预见,数字耳机的价格短时间内将高企不下。

从另一个角度,数字音频的传输将不再受限于TRRS等有限的通道个数,也许耳机内置的多个发声单元将独立接收各自的数字音频,产生出更加丰富的音频效果,会非常有利于AR/VR的沉浸式应用。耳麦也将可以配备多个麦克风甚至麦克风阵列,以实现降噪、回声消除、音源定位等高阶的音频应用。想想这些美好的应用,是不是感觉高高在上的价格也可以默默承受呢?

具有上百年历史的传统模拟耳机接口会不会随风而逝?数字接口的耳机耳麦会带来哪些令人耳目一新的应用?

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