深入了解一下耳機(jī)接口

3.5mm接口的誕生

上個世紀(jì)80、90年代滿大街隨身聽的耳機(jī)接口仍是千差萬別的，其中就有3.5mm的耳機(jī)接口。追溯歷史，這種接口最早誕生于19世紀(jì)。那時電話剛剛誕生不久，受技術(shù)限制還沒有程控交換機(jī)。接通對方電話完全靠人工插拔交換機(jī)上的插頭，這種插頭就是現(xiàn)在3.5mm耳機(jī)接口的前輩。不過當(dāng)時這種插頭大部分是四分之一英寸的直徑，也就是6.35mm。

后來隨著這種插頭的廣泛應(yīng)用，各種尺寸、變異的型號被開發(fā)出來。常見的有3.5mm接口，還有更迷你的2.5mm接口。

四段3.5mm接口（TRRS）作為標(biāo)準(zhǔn)被廣泛接受，是由日本JEITA制訂的EIAJ RC-5325A（下圖左上）完成的，出版于1993年5月。這是目前最常見的耳麥接口（下次抵制日貨時，大家路過注意撿耳機(jī)）。認(rèn)真的讀者如果去檢索這個標(biāo)準(zhǔn)，會發(fā)現(xiàn)它參考了IEC 60130-8這個標(biāo)準(zhǔn)（下圖右）。這個IEC 60130-8標(biāo)準(zhǔn)更老，首版制訂于1976年。它的1986年修訂版，被中國信產(chǎn)部的通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YD-T 1885-2009 移動通信手持機(jī)有線耳機(jī)接口技術(shù)要求和測試方法》（下圖左下）所引用，這個信產(chǎn)部標(biāo)準(zhǔn)生效于2009年。比較這三個標(biāo)準(zhǔn)的制訂年代，我們國家的信息產(chǎn)業(yè)落后程度可見一斑。

這里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(fēng)，通常譯作耳機(jī)。后者包含麥克風(fēng)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(chǎn)的筆記本電腦，一般只有一個3.5mm耳麥二合一接口了，而不是像以前那樣有兩個3.5mm接口，一個是耳機(jī)接口，一個是麥克風(fēng)接口。這從一個側(cè)面說明，手機(jī)的普及導(dǎo)致耳麥一體的耳機(jī)越來越普及了，甚至影響到了筆記本電腦音頻接口的選用。

（從耳機(jī)、麥克風(fēng)分離接口走向耳麥合一接口的聯(lián)想筆記本）

近距離看接口

在正式的標(biāo)準(zhǔn)文檔中，這種耳機(jī)接口被稱作3.5mm同心連接器。顧名思義，接口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接口，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(huán)，可以有一個或多個R，S（Sleeve）表示末端環(huán)套。有了簡稱，就可以很方便地去命名接口。例如下圖中的四種接口分別命名為：TS、TRS、TRRS、TRRRS。每兩個導(dǎo)電觸點之間有一個絕緣環(huán)套。

（各種耳機(jī)接口：TS、TRS、TRRS、TRRRS）

現(xiàn)在最為常見的應(yīng)該是TRS、TRRS這兩種接口。TRS就是三觸點的耳機(jī)接口，左右聲道加一個地。耳麥?zhǔn)褂玫腡RRS比耳機(jī)接口多一個觸點，用來傳輸麥克風(fēng)信號。

（最常見的耳機(jī)接口類型：上為TRRS、下為TRS）

因為麥克風(fēng)信號的引入，TRRS陣營分裂成了三大派，事實上有三個標(biāo)準(zhǔn)。分別是OMTP、CTIA（也叫AHJ）以及特立獨行的蘋果“派”。OMTP和CTIA的區(qū)別就在于麥克風(fēng)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(fēng)，那么OMTP的TRRS是LRMG，CTIA的TRRS是LRGM。

中國的標(biāo)準(zhǔn)采用了OMTP的方式。這是標(biāo)準(zhǔn)制訂時（2008年前后）的國內(nèi)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采用了類似CTIA的方式，但是并不完全相同。讓我們先看看安卓手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)做法。安卓系統(tǒng)要求支持CTIA方式，但是在法規(guī)特殊的地區(qū)例外，比如在中國上市的安卓設(shè)備需要支持信產(chǎn)部規(guī)定的OMTP標(biāo)準(zhǔn)。

（Android系統(tǒng)對于耳機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定）

早期的蘋果手機(jī)也采用類似的做法，即國內(nèi)行貨和水貨的蘋果設(shè)備采用了不同的標(biāo)準(zhǔn)。但是創(chuàng)新的蘋果為了節(jié)省成本，統(tǒng)一制造工藝，從iPhone 4S開始采用了兼容OMTP和CTIA的耳機(jī)接口。在手機(jī)內(nèi)部安裝了自動檢測電路來判斷插入的耳機(jī)是OMTP還是CTIA。這種提升用戶體驗的創(chuàng)新做法非常值得贊賞，引起了ic強(qiáng)烈的研究興趣。但是因為蘋果手機(jī)的內(nèi)部資料難以獲得，ic在網(wǎng)上尋覓良久，找到了一種接近的替代實現(xiàn)方案供大家參考。核心就是大名鼎鼎的仙童公司（飛兆）的一款芯片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(fēng)要工作，需要手機(jī)給它加載一個偏置電壓。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(nèi)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(jié)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(qiáng)大的芯片研發(fā)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么難事，高集成度帶來的成本基本可以忽略不計，卻減小了地區(qū)法規(guī)帶來的產(chǎn)品差異性。

線控原理

耳麥上的線控按鍵也是有一些標(biāo)準(zhǔn)的。例如安卓系統(tǒng)的耳麥按鍵線控原理如下。

（Android耳麥按鍵原理）

當(dāng)一個按鍵被按下時，對應(yīng)的電阻接地導(dǎo)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(tǒng)對這種按鍵序列的部分規(guī)定如下。

（Android系統(tǒng)耳麥按鍵的定義）

在如今購買手機(jī)一般不再附送耳機(jī)的時代，這種標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)的做法和各個按鍵阻值有別于CTIA標(biāo)準(zhǔn)而自成一派。所以把蘋果耳機(jī)插到安卓手機(jī)上，麥克風(fēng)和線控功能有可能是不正常的。

隨風(fēng)而逝？

iPhone 7的推出，是否意味著3.5mm耳機(jī)接口從此走向末日，這是個見仁見智的問題。不過蘋果對于數(shù)碼潮流的引領(lǐng)是毋庸置疑的。就像3.5寸軟驅(qū)的取消、光驅(qū)的取消，都是在蘋果產(chǎn)品上首先實現(xiàn)的。例如聯(lián)想最近推出的Moto Z，也取消了3.5mm耳機(jī)接口，復(fù)用到了Type C接口上。

然而蘋果對于配件控制的加強(qiáng)，也是毋庸置疑的。MFi認(rèn)證價格不菲，現(xiàn)在連耳機(jī)產(chǎn)品蘋果都要吃上一口，眾耳機(jī)廠商能答應(yīng)嗎？眾耳機(jī)發(fā)燒友能答應(yīng)嗎？

拋開這些不談，用Lightning或者Type C接口代替?zhèn)鹘y(tǒng)的3.5mm耳機(jī)接口，在技術(shù)實現(xiàn)上會帶來哪些問題呢？我們知道3.5mm接口傳輸?shù)氖?a href="http://srfitnesspt.com/analog/" target="_blank">模擬信號，現(xiàn)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(shù)字接口，耳機(jī)接收到的是音頻數(shù)字信號。耳機(jī)內(nèi)部電路首先需要對數(shù)字信號做解碼（考慮MFi或者將來做版權(quán)保護(hù)加密這些數(shù)字音頻，還需要解密），然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC）生成模擬信號，才能送給耳機(jī)內(nèi)的喇叭，驅(qū)動喇叭振膜產(chǎn)生聲壓，人耳才能聽到?？梢钥吹剑啾葌鹘y(tǒng)耳機(jī)，這種數(shù)字耳機(jī)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(chǎn)品的耳機(jī)，還需要過MFi認(rèn)證，又是一筆開銷。可以預(yù)見，數(shù)字耳機(jī)的價格短時間內(nèi)將高企不下。

從另一個角度，數(shù)字音頻的傳輸將不再受限于TRRS等有限的通道個數(shù)，也許耳機(jī)內(nèi)置的多個發(fā)聲單元將獨立接收各自的數(shù)字音頻，產(chǎn)生出更加豐富的音頻效果，會非常有利于AR/VR的沉浸式應(yīng)用。耳麥也將可以配備多個麥克風(fēng)甚至麥克風(fēng)陣列，以實現(xiàn)降噪、回聲消除、音源定位等高階的音頻應(yīng)用。想想這些美好的應(yīng)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(tǒng)模擬耳機(jī)接口會不會隨風(fēng)而逝？數(shù)字接口的耳機(jī)耳麥會帶來哪些令人耳目一新的應(yīng)用？