细说耳机接口变迁

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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
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在小编的印象中，上个世纪80、90年代满大街随身听的仍是千差万别的，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。


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: S) C' ], U$ \7 x% W9 b9 Y（接线员，图片来自网络）

+ Z2 g1 K" n' r2 h2 v5 T. K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。
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（标准文档截图）
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3 i. _) v. P  a6 V. t" ]4 _+ J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。



2 m3 \, d, E  L9 J3 Q$ J) K  j（从耳机、麦克风分离接口走向耳麦合一接口的联想笔记本）
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" E7 S- ~8 Q/ ]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。
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5 z5 M5 L0 `# t0 g3 G（各种耳机接口：TS、TRS、TRRS、TRRRS）
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0 Y  z* V& V2 ?8 D" ^1 q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。
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7 d$ ?+ S) z$ l5 X; N（最常见的耳机接口类型：上为TRRS、下为TRS）

0 a) l6 b* `6 k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。
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+ ~! r' c9 t3 {, s4 T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。

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兼容OMTP和CTIA
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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。


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2 R: x) g- l5 J4 v1 e3 e（Android系统对于耳机接口标准的规定）

5 y& @2 ?0 ]4 [* v- [1 |  }8 L1 d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。
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（FSA8049原理图）
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8 E, t/ F7 ]. u/ U: k+ D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。
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1 h5 o3 M0 T2 c0 L线控原理
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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。


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（Android耳麦按键原理）
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6 N, [0 M* d! u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。

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9 d# L; w% G5 w1 @（Android系统耳麦按键的定义）
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4 [1 o5 r6 V- n7 r! F, x# V# Y+ C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。

5 j' e. `8 V3 O7 q随风而逝？
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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。

4 p; i- ~$ u  u: F2 Y2 q7 G" f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？
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9 c2 g1 d8 q4 F% p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。
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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？
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1 W+ D$ F; D, f% e; S. s2 m+ L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？ic将与您一起密切关注！

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