手機(jī)的整個(gè)音頻通路原理

早期的3.5mm耳機(jī)只有GND、左、右聲道3個(gè)引腳，這種耳機(jī)接口簡(jiǎn)單，使用范圍廣，常見在電腦等大型設(shè)備音頻接口上，這種接口有個(gè)顯而易見的缺點(diǎn)，即：沒有MIC，不能錄音打電話。在電腦上可以單獨(dú)增加MIC接口，但是在手機(jī)這種集成度高的移動(dòng)設(shè)備上，單獨(dú)增加MIC接口顯然不是個(gè)高性價(jià)比的方案，因此出現(xiàn)了帶有MIC的耳機(jī)接口。早期各手機(jī)廠商都是自由發(fā)揮，出現(xiàn)了五花八門的耳機(jī)接口，各家廠商的耳機(jī)接口又互不兼容，耳機(jī)不能共用給消費(fèi)者帶來非常多的苦惱，天下苦雜耳機(jī)接口久矣。于是，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)接口亟待出現(xiàn)。

后來就出現(xiàn)了OMTP標(biāo)準(zhǔn)和CTIA標(biāo)準(zhǔn)，二者在鏈路上主要有MIC和GND的區(qū)別，見圖5-62。當(dāng)年遵循OMTP的有鼎鼎大名的諾基亞，我國(guó)也選擇了OMTP，但一些手機(jī)廠商依然選用CTIA，正因?yàn)槿绱耍?dāng)年很多同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)一些3.5mm耳機(jī)不兼容。

上圖右圖是耳機(jī)線的鏈路示意圖，耳機(jī)有兩個(gè)小的揚(yáng)聲器作為左、右聲道，連接到接頭的L和R，耳機(jī)上還有MIC可以錄音，此外還有3個(gè)功能按鍵，分別是暫停、上一曲和下一曲的功能，不同的按鍵有不同的串聯(lián)電阻，可以通過檢測(cè)電阻來判斷具體是哪個(gè)按鍵按下去的，比如當(dāng)K1按下時(shí)，MIC和GND之間是短路的，當(dāng)K2按下時(shí)，MIC和GND之間的電阻是R1。

OMTP和CTIA耳機(jī)接口有不匹配的問題，科技的進(jìn)步一直服務(wù)于用戶的需求，為了解決OMTP、CTIA的兼容性問題，音頻開關(guān)開始進(jìn)入人們的視野，很多手機(jī)都會(huì)加入音頻開關(guān)，通路原理見下圖(a)和(b)。當(dāng)耳機(jī)插入時(shí)，音頻開關(guān)會(huì)檢測(cè)MIC和GND的順序然后自動(dòng)切換MIC和GND通路，不管用什么標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)，不管怎么插，都能夠?qū)崿F(xiàn)二者的兼容。

怎么實(shí)現(xiàn)耳機(jī)插入檢測(cè)呢?耳機(jī)插座起了重要作用，耳機(jī)插座也是分兩種，NC(NORMAL CLOSE)和NO(NORMAL OPEN)。NC是常閉，上圖(c)中的插座左聲道L和DET平時(shí)是閉合短接的，如果插入耳機(jī)后L和DET就會(huì)斷開，DET為高電平，以此實(shí)現(xiàn)耳機(jī)插入檢測(cè)。NO是常開，(d)中，通常狀態(tài)下L和DET是斷開的，插入耳機(jī)后L和DET短接，DET為低電平。手機(jī)軟件需要根據(jù)手機(jī)使用的耳機(jī)插座進(jìn)行軟硬件配置，來識(shí)別耳機(jī)插入狀態(tài)。

現(xiàn)在高端的手機(jī)越來越薄，3.5mm耳機(jī)接口會(huì)占據(jù)很大空間，高端手機(jī)一般都取消了3.5mm耳機(jī)接口，通過TYPE-C口實(shí)現(xiàn)耳機(jī)、USB和充電功能。用戶在使用時(shí)有兩種耳機(jī)可選擇，一種是3.5mm傳統(tǒng)耳機(jī)搭配個(gè)3.5mm轉(zhuǎn)TYPE-C的轉(zhuǎn)接頭，另一種是直接使用TYPE-C頭的耳機(jī)。下圖左側(cè)是耳機(jī)的插座轉(zhuǎn)TYPE-C接口的連接圖，其中由于TYPE-C接口支持正反插，因此左右聲道不用切換，直接根據(jù)TYPE-C D+、D-正反插功能就可以實(shí)現(xiàn)。不同標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)MIC和GND順序不同，手機(jī)同時(shí)還要兼容TYPE-C接口中MIC和GND的正反插，MIC和GND的切換邏輯就比較復(fù)雜，篇幅有限，本文不詳細(xì)介紹。

TYPE-C口的數(shù)據(jù)流分兩種，一種是音頻的，包括左、右聲道、MIC和地，另一種是USB的通路，其中左右聲道占用了USB的D+、D-引腳，因此需要加入模擬開關(guān)對(duì)D+、D-和耳機(jī)的左右聲道進(jìn)行切換，TYPE-C的CC引腳具有非常重要的功能，可以進(jìn)行設(shè)備識(shí)別。上圖右側(cè)中，當(dāng)插入U(xiǎn)SB數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，模擬開關(guān)內(nèi)部切換到DP和DN，USB與AP(CPU)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;當(dāng)插入耳機(jī)時(shí)，模擬開關(guān)切換到L、R，CODEC通過模擬開關(guān)來驅(qū)動(dòng)耳機(jī)。

有的手機(jī)會(huì)在TYPE-C的SBU引腳上拉出一根線到CPU串口上，用于研發(fā)調(diào)試使用，比如可以通過串口抓取手機(jī)開機(jī)LOG，識(shí)別手機(jī)狀態(tài)、快速定位手機(jī)異常模塊。這個(gè)UART串口線如果和MIC共用SBU引腳的話，MIC和UART串口可以通過一個(gè)0歐姆的電阻進(jìn)行區(qū)分，在用耳機(jī)錄音時(shí)可能會(huì)錄進(jìn)去滋滋的電流音，或者耳機(jī)喇叭也有滋滋的電流音，這都是串口引起的，因此在研發(fā)階段要選一些斷開UART與SBU(MIC)的手機(jī)來測(cè)試耳機(jī)音頻相關(guān)內(nèi)容，并且在量產(chǎn)時(shí)刪除電阻(把UART和MIC斷開)，而且這UART走線也需要注意，UART和MIC連接點(diǎn)距離電阻這一段走線一定要短，見左圖中“×”位置，如果這段走線很長(zhǎng)，那么即使摘除了電阻，這段長(zhǎng)長(zhǎng)的走線也會(huì)由于天線效應(yīng)拾取電路上的噪聲，容易降低MIC音頻性能。

首先是語(yǔ)音信號(hào)采集，當(dāng)你用手機(jī)進(jìn)行通話時(shí)，手機(jī)內(nèi)置的麥克風(fēng)會(huì)將你的聲音轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音信號(hào)，這個(gè)過程就是聲音的采集。采集到的語(yǔ)音信號(hào)被傳輸?shù)绞謾C(jī)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)進(jìn)行處理。DSP可以根據(jù)編碼規(guī)則將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，這個(gè)過程就是編碼。

接下來是數(shù)字信號(hào)的傳輸。數(shù)字信號(hào)是通過手機(jī)內(nèi)置的無線電模塊轉(zhuǎn)化為無線電波信號(hào)，并通過天線發(fā)射出去。無線電波信號(hào)可以傳播到幾千米的范圍內(nèi)，信號(hào)的強(qiáng)弱取決于通訊設(shè)備的發(fā)射功率和天線的接收靈敏度。

當(dāng)無線電波信號(hào)到達(dá)接收端的手機(jī)時(shí)，經(jīng)過天線捕捉和放大后，被傳輸?shù)紻SP進(jìn)行解碼。解碼將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音信號(hào)，這個(gè)過程就是將數(shù)字信號(hào)還原成語(yǔ)音信號(hào)。解碼后的語(yǔ)音信號(hào)被傳輸?shù)綋P(yáng)聲器，播放出來，完成了整個(gè)通話的過程。

值得注意的是，手機(jī)通話所使用的電磁波是一個(gè)特定的頻段，一般為800MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz等。這些頻段是由電信運(yùn)營(yíng)商分配的，不同的運(yùn)營(yíng)商使用的頻段不同。因此，如果你使用的手機(jī)不支持某個(gè)頻段，你就無法在該頻段的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通話。

總之，手機(jī)通話的原理是利用了電磁波傳輸信號(hào)的特性，將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過無線電波進(jìn)行傳輸，再將數(shù)字信號(hào)還原成語(yǔ)音信號(hào)。這個(gè)過程需要手機(jī)內(nèi)置的麥克風(fēng)、數(shù)字信號(hào)處理器、天線、揚(yáng)聲器等多個(gè)部件，才能完成一次通話。在手機(jī)通話的過程中，涉及到一系列復(fù)雜的技術(shù)和科學(xué)原理。接下來，我們將逐步解釋手機(jī)通話的運(yùn)作機(jī)制。

首先，手機(jī)通過無線電波進(jìn)行通信。這些無線電波在頻率和振幅上受到調(diào)制，以傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息。調(diào)制的過程就是將信息編碼到無線電波中，使其可以在傳輸過程中被接收并解碼。

手機(jī)通過無線電信號(hào)連接到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)由一系列稱為基站的設(shè)施構(gòu)成，這些設(shè)施負(fù)責(zé)管理無線通信，并在必要時(shí)將信號(hào)從一個(gè)基站傳遞到另一個(gè)基站。這種傳遞過程被稱為蜂窩通信，它使得手機(jī)可以在不同區(qū)域之間無縫通信。

在通話過程中，語(yǔ)音信息被手機(jī)麥克風(fēng)捕捉，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這些電信號(hào)然后經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片的編碼，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這個(gè)過程被稱為模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

然后，這些數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被送入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。在網(wǎng)絡(luò)中，這些數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過各種設(shè)備的處理和轉(zhuǎn)發(fā)，直到它們到達(dá)接收手機(jī)。接收手機(jī)的DSP芯片將接收到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼，將其還原為模擬信號(hào)。這些模擬信號(hào)再被送到手機(jī)聽筒，轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)，從而被我們聽到。

同時(shí)，手機(jī)之間也可以通過短信、數(shù)據(jù)流和互聯(lián)網(wǎng)連接進(jìn)行通信。這些通信方式同樣依賴于無線電信號(hào)的傳輸和數(shù)字信號(hào)的處理。

以上就是手機(jī)通話的基本原理。在這個(gè)過程中，科技的進(jìn)步和精確的信號(hào)處理技術(shù)使得我們可以輕松地進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信。無論身處何處，只要有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，我們就可以使用手機(jī)進(jìn)行通話和通信。