100多年前，?”耳機插孔的發(fā)明使人們通過一種稱為“電話”的新發(fā)明而互相聯(lián)系。如今，這種發(fā)明的現(xiàn)代化變體 - 3.5mm耳機插孔 – 得到了廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)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(chǎn)品設(shè)計師正在淘汰3.5mm插孔。

在設(shè)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(xié)議。本文介紹最新USB音頻設(shè)備類別 (ADC) 3.0規(guī)范的特性和優(yōu)點，幫助整個行業(yè)采用一種標準化協(xié)議，并加快消費者采用這種協(xié)議。ADC 3.0通過用于提供高級功能的本地數(shù)字信號處理器 (DSP) 而幫助設(shè)計高質(zhì)量數(shù)字耳機，例如自適應(yīng)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(guī)范的實施顯著降低了系統(tǒng)功耗，這對于低功耗移動應(yīng)用至關(guān)重要。ADC 3.0預(yù)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(jīng)針對音頻播放實施了比圖中顯示的方式更優(yōu)化的功率分布方式。

USB音頻功率挑戰(zhàn)

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(xiàn)的。支持USB耳機的功耗分布如圖2所示。系統(tǒng)包括兩個新的功能塊（USB主機和USB設(shè)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(yīng)用程序的CPU持續(xù)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(xù)處理來自麥克風的樣本。

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(guān)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(chǎn)品中的3.5mm插孔，因為這些產(chǎn)品會很快將電池耗盡。

USB音頻節(jié)電解決方案

對于全速USB，老式USB音頻的等時傳輸每1ms發(fā)生一次?？偩€在兩次傳輸?shù)倪^程中處于待機狀態(tài)，但無法進入Suspend L2。USB 2.0 LPM L1規(guī)范為高速USB定義了新的電源狀態(tài)：連接電源管理 (LPM L1)。高速USB脈沖和LPM L1 Suspend的結(jié)合提供了顯著節(jié)電的能力。圖3顯示新音頻規(guī)范隨時間變化的節(jié)電事件。

ADC 3.0概念證明

ADC 3.0規(guī)范的進步需要進行概念證明。然而，證明ADC 3.0的節(jié)電能力極具挑戰(zhàn)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(fā)送LPM請求的主機，這一請求由設(shè)備接收。數(shù)據(jù)包81813顯示電源掛起3.5ms的狀態(tài)下的總線。數(shù)據(jù)包81814顯示恢復(fù)設(shè)備運行的主機。在本例中，假設(shè)信令持續(xù)86us，而且該值可以配置，將不同設(shè)備喚醒時間考慮在內(nèi)。數(shù)據(jù)包81815和81816是兩個計時器刻度。傳輸6194顯示從設(shè)備讀取等時數(shù)據(jù)的主機。數(shù)據(jù)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(fù)循環(huán)過程中，在數(shù)據(jù)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。

USB音頻設(shè)備分類3.0節(jié)電解決方案

基于概念證明系統(tǒng)的最終功率分布如圖5所示。該系統(tǒng)的LPM L1 Suspend駐留率是87.8%（4ms服務(wù)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(jié)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。

此外，設(shè)計師可以在USB脈沖過程中將CPU和/或DSP系統(tǒng)置于深度休眠模式而實現(xiàn)節(jié)能。另外，與實施方法相關(guān)的優(yōu)化可通過提前約定多次音頻脈沖而實現(xiàn)。這使得CPU或DSP子系統(tǒng)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(jù)應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)品中實施ADC 3.0，例如電話、平板電腦或筆記本電腦，設(shè)計師需要一種滿足ADC 3.0規(guī)范的主機控制器，而且該設(shè)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(guī)范描述了針對ADC 3.0耳機實施設(shè)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(shè)計還需要具有LPM L1能力的PHY。在主機的高級工藝節(jié)點和耳機的成熟、低功耗工藝節(jié)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(lǐng)先客戶已經(jīng)開始采用我們業(yè)界領(lǐng)先的具有LPM能力的USB IP，用于設(shè)計符合ADC 3.0規(guī)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(zhì)量受到電話、平板電腦等設(shè)備中所選的ADC、DAC和音頻處理方式的限制。設(shè)備制造商必須精心平衡成本、功率和質(zhì)量。設(shè)備制造商的任何選擇都無法取消，而且更好的質(zhì)量、更多特性、更低功耗或更低成本只能通過選擇另一種產(chǎn)品而實現(xiàn)。在設(shè)備制造商實施ADC 3.0時，設(shè)備中沒有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器或者數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。設(shè)備制造商可以集中精力優(yōu)化功耗，因為特性、成本和質(zhì)量已經(jīng)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(zhì)量。耳機制造商可以增加一個本地數(shù)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。

為實現(xiàn)便捷性和高質(zhì)量而設(shè)計的多用途耳機能夠得以實現(xiàn)；制造商可以設(shè)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(jié)

USB ADC 3.0有助于設(shè)計高功效、包含豐富特性、針對成本和質(zhì)量而優(yōu)化，并且最終可以取代3.5mm插孔的數(shù)字耳機。