細說耳機介面變遷

OFweek電子工程網訊 這篇音頻介面相關的小文，部分來自於一個工作項目的背景調查。背景知識的搜集整理是一件瑣碎的事情，小編只能儘力讓行文組織的富有邏輯性，同時也儘可能的具有趣味性。

3.5mm介面的誕生

在小編的印象中，上個世紀80、90年代滿大街隨身聽的耳機介面仍是千差萬別的，其中就有3.5mm的耳機介面。追溯歷史，這種介面最早誕生於19世紀。那時電話剛剛誕生不久，受技術限制還沒有程式控制交換機。接通對方電話完全靠人工插拔交換機上的插頭，這種插頭就是現在3.5mm耳機介面的前輩。不過當時這種插頭大部分是四分之一英寸的直徑，也就是6.35mm。

（接線員，圖片來自網路）

後來隨著這種插頭的廣泛應用，各種尺寸、變異的型號被開發出來。常見的有3.5mm介面，還有更迷你的2.5mm介面。

四段3.5mm介面（TRRS）作為標準被廣泛接受，是由日本JEITA制訂的EIAJ RC-5325A（下圖左上）完成的，出版於1993年5月。這是目前最常見的耳麥介面（下次抵制日貨時，大家路過注意撿耳機）。認真的讀者如果去檢索這個標準，會發現它參考了IEC 60130-8這個標準（下圖右）。這個IEC 60130-8標準更老，首版制訂於1976年。它的1986年修訂版，被信產部的通信行業標準《YD-T 1885-2009 移動通信手持機有線耳機介面技術要求和測試方法》（下圖左下）所引用，這個信產部標準生效於2009年。比較這三個標準的制訂年代，我們國家的信息產業落後程度可見一斑。

（標準文檔截圖）

這裡不得不提兩個容易混淆的英文單詞，headphone和headset。前者不包含麥克風，通常譯作耳機。後者包含麥克風甚至線控按鍵，通常譯作耳麥。大家可能也注意到了，近些年生產的筆記本電腦，一般只有一個3.5mm耳麥二合一介面了，而不是像以前那樣有兩個3.5mm介面，一個是耳機介面，一個是麥克風介面。這從一個側面說明，手機的普及導致耳麥一體的耳機越來越普及了，甚至影響到了筆記本電腦音頻介面的選用。

近距離看介面

在正式的標準文檔中，這種耳機介面被稱作3.5mm同心連接器。顧名思義，介面的橫截面是一個個的同心圓。從下面這張圖片可以看到常見的四種介面，分別具有2、3、4、5個觸點。這些觸點也有約定俗成的名字，分別用T、R、S三個字母表示。T（Tip）表示尖端，R（Ring）表示中環，可以有一個或多個R，S（Sleeve）表示末端環套。有了簡稱，就可以很方便地去命名介面。例如下圖中的四種介面分別命名為：TS、TRS、TRRS、TRRRS。每兩個導電觸點之間有一個絕緣環套。

（各種耳機介面：TS、TRS、TRRS、TRRRS）

現在最為常見的應該是TRS、TRRS這兩種介面。TRS就是三觸點的耳機介面，左右聲道加一個地。耳麥使用的TRRS比耳機介面多一個觸點，用來傳輸麥克風信號。

（最常見的耳機介面類型：上為TRRS、下為TRS）

因為麥克風信號的引入，TRRS陣營分裂成了三大派，事實上有三個標準。分別是OMTP、CTIA（也叫AHJ）以及特立獨行的蘋果「派」。OMTP和CTIA的區別就在於麥克風和地的順序。如果用L表示左聲道，R表示右聲道，G表示地，M表示麥克風，那麼OMTP的TRRS是LRMG，CTIA的TRRS是LRGM。

的標準採用了OMTP的方式。這是標準制訂時（2008年前後）的國內主流市場決定的，無可非議。

兼容OMTP和CTIA

然而特立獨行的蘋果採用了類似CTIA的方式，但是並不完全相同。讓我們先看看安卓手機的標準做法。安卓系統要求支持CTIA方式，但是在法規特殊的地區例外，比如在上市的安卓設備需要支持信產部規定的OMTP標準。

（Android系統對於耳機介面標準的規定）

早期的蘋果手機也採用類似的做法，即國內行貨和水貨的蘋果設備採用了不同的標準。但是創新的蘋果為了節省成本，統一製造工藝，從iPhone 4S開始採用了兼容OMTP和CTIA的耳機介面。在手機內部安裝了自動檢測電路來判斷插入的耳機是OMTP還是CTIA。這種提升用戶體驗的創新做法非常值得讚賞，引起了ic強烈的研究興趣。但是因為蘋果手機的內部資料難以獲得，ic在網上尋覓良久，找到了一種接近的替代實現方案供大家參考。核心就是大名鼎鼎的仙童公司（飛兆）的一款晶元FSA8049。

（FSA8049原理圖）

原理大概是這樣的（不感興趣的直接跳到下一段），我們知道耳麥上的麥克風要工作，需要手機給它載入一個偏置電壓。FSA8049同時檢測GND和MIC這兩個管腳上的電壓。MIC因為有一定的內阻，因而其上的電壓肯定不是0，而GND直接接地，檢測到的一定是0電壓。再結合一些其它的控制邏輯，就可以判斷哪個是GND，哪個是MIC了。這個檢測電路原理還是挺簡單的，考慮到蘋果自身具備的強大的晶元研發能力，在A系列處理器上集成這樣的檢測電路想必也不是什麼難事，高集成度帶來的成本基本可以忽略不計，卻減小了地區法規帶來的產品差異性。

線控原理

耳麥上的線控按鍵也是有一些標準的。例如安卓系統的耳麥按鍵線控原理如下。

（Android耳麥按鍵原理）

當一個按鍵被按下時，對應的電阻接地導通。不同按鍵的對地電阻阻值不同，因而其上的分壓也不同。這樣通過檢測電阻上的電壓值，就可以知道是哪個按鍵被按下了。再加上時間檢測，就可以支持短按、長按還是快速按幾下等等按鍵序列。安卓系統對這種按鍵序列的部分規定如下。

（Android系統耳麥按鍵的定義）

在如今購買手機一般不再附送耳機的時代，這種標準大大增加了耳麥的通用程度。前面提到的TRRS三大派之一的蘋果「派」，就是麥克風的做法和各個按鍵阻值有別於CTIA標準而自成一派。所以把蘋果耳機插到安卓手機上，麥克風和線控功能有可能是不正常的。

隨風而逝？

iPhone 7的推出，是否意味著3.5mm耳機介面從此走向末日，這是個見仁見智的問題。不過蘋果對於數碼潮流的引領是毋庸置疑的。就像3.5寸軟碟機的取消、光碟機的取消，都是在蘋果產品上首先實現的。例如聯想最近推出的Moto Z，也取消了3.5mm耳機介面，復用到了Type C介面上。

然而蘋果對於配件控制的加強，也是毋庸置疑的。MFi認證價格不菲，現在連耳機產品蘋果都要吃上一口，眾耳機廠商能答應嗎？眾耳機發燒友能答應嗎？

拋開這些不談，用Lightning或者Type C介面代替傳統的3.5mm耳機介面，在技術實現上會帶來哪些問題呢？我們知道3.5mm介面傳輸的是模擬信號，現有的TRRS方式最多傳輸一左一右兩個聲道的模擬信號。如果用Lightning或者Type C這種數字介面，耳機接收到的是音頻數字信號。耳機內部電路首先需要對數字信號做解碼（考慮MFi或者將來做版權保護加密這些數字音頻，還需要解密），然後通過模數轉換器（DAC）生成模擬信號，才能送給耳機內的喇叭，驅動喇叭振膜產生聲壓，人耳才能聽到。可以看到，相比傳統耳機，這種數字耳機多出了解碼模塊、DAC模塊、放大器，成本一下子高了不少。如果是適配蘋果產品的耳機，還需要過MFi認證，又是一筆開銷。可以預見，數字耳機的價格短時間內將高企不下。

從另一個角度，數字音頻的傳輸將不再受限於TRRS等有限的通道個數，也許耳機內置的多個發聲單元將獨立接收各自的數字音頻，產生出更加豐富的音頻效果，會非常有利於AR/VR的沉浸式應用。耳麥也將可以配備多個麥克風甚至麥克風陣列，以實現降噪、回聲消除、音源定位等高階的音頻應用。想想這些美好的應用，是不是感覺高高在上的價格也可以默默承受呢？

具有上百年歷史的傳統模擬耳機介面會不會隨風而逝？數字介面的耳機耳麥會帶來哪些令人耳目一新的應用？ic將與您一起密切關注！