En effektivare aktiv brusreducering kräver att information från hörlurarna kan skickas tillbaka till mobiltelefonen via den vanliga analoga ljudkontakten. Alex Costa och Helmut Theiler från AMS beskriver här hur det kan göras.

ANC-tekniken (Active Noise Cancellation) har rönt stora framgångar hos konsumenterna. Hittills har den i huvudsak implementerats i fristående ANC-hörlurar. Konsumenterna har varit beredda att betala ett premiumpris för hörlurar som ger möjlighet att lyssna på musik utan störningar från omgivande buller.

Idag tittar mobiltelefontillverkare på ANC som ett sätt att differentiera sina produkter och ge en överlägsen ljudupplevelse vid både röstsamtal och mediekonsumtion. Det smidigaste och mest ekonomiska sättet för dem att implementera brusreducering är att placera brusreduceringskretsarna inuti själva mobiltelefonen. Men omgivande störningar måste samplas vid hörlurarna, inte vid telefonen (som kan befinna sig inuti användarens ficka och vara isolerad från bullerkällorna).

Ett betydande problem uppstår då – dels att få två (vänster och höger) samplade brussignaler från hörlurarna till telefonen, och den inverterade (brusreducerande) signalen tillbaka från telefonen till hörlurarna via den vanliga 3,5 mm-ljudkontakten som återfinns på praktiskt taget alla hörlurar.

Den här analoga standardljudkontakten har i regel fyra poler. De fyra kabelledarna används för vänster och höger hörlurshögtalare, en enda mikrofonutsignal, samt jord. Mikrofonkabelledaren (mikrofonkabeln) bär i regel också matningen till mikrofonens förstärkare i hörlurarna. I dagens mobiltelefonsystem används den enda mikrofonkanalen till att bära användarens röstsignaler vid normalt röstuppringningsläge.
När 3,5 mm-ljudkontakten används i konventionellt analogt läge finns ingen väg för de två uppsättningarna brussamplingssignaler att överföras från hörlurarna till mobiltelefonen för signalbehandling.

En nyutvecklad digital multiplexeringsteknik från ams skapar i praktiken extra kanaler i mikrofonkabelns ledare. Dessa kanaler kan användas i ANC-system för att bära brussamplingssignalerna från två eller fyra ytterligare mikrofoner på vänster och höger sida i hörlurarna, till mobiltelefonen.

I andra tillämpningar kan de extra kanalerna användas för överföring av låg- eller mellanregisterdata till ljudutrustning, till exempel för att förstärka sådan utrustning med datavisning, sensordata eller andra extrafunktioner. De konventionella analoga funktionerna i ljudkontakten kan självfallet upprätthållas ändå och därmed kan standardhörlurar fortfarande användas, men de stöder inte de utökade funktionerna.
Den här artikeln beskriver implementeringen av den nya tekniken för strömning av data med full duplex via 3,5 mm-ljudkontakten.

Samtidig spännings- och strömmodulering
De digitala mikrofoner som används i stor utsträckning idag matar fram ljudsignalen som en seriell Σ-Δ-modulerad bitström, baserat på en översamplingsklocka. Detta resulterar i en digital teknik för multiplexeringssignaler som möjliggör kommunikation med full duplex längs mikrofonkabeln.

Utmaningen är att undvika störningar mellan upplänks- och nedlänkssignalerna på samma ledare, och samtidigt ge en tillräckligt hög bithastighet för att uppfylla konsumenternas krav på hög ljudkvalitet. Vid den framgångsrika metod som ams har utvecklat kombineras spännings- och strömmodulering på mikrofonkabeln: den ena ger upplänken och den andra ger nedlänken.

Ett demonstrationssystem från ams med fullständig funktion bevisar teknikens effektivitet. Systemet innehåller ANC-funktioner och kan länkas till en mobiltelefon eller MP3-spelare med en vanlig 3,5 mm-ljudkontakt. Det ger datahastigheter på cirka 2 Mbits/sek i upplänken och 12 Mbits/sek i nedlänken.

Demonstrationssystemet består av en huvudkrets och en kringutrustningskrets (se figur 1 och 2). (I en faktisk slutproduktkonstruktion kommer huvudkretsen att vara inbäddad i mobilenheten och kringutrustningskretsen i hörlurarnas manöverenhet.)

Fig 1. Blockschema över demonstrationssystemet för digital multiplexering (klicka för större bild )

Fig 2. Demonstrationssystemet från ams med huvudkretskortet (nederst), kringutrustningskretsen (överst) med knappar för volymhöjning, läge samt volymsänkning, plus ett par hörlurar

Batteriet är anslutet till huvudkretskortet i syfte att använda en enda strömförsörjningskälla. Från huvudkretskortet kan olika spänningsnivåer genereras. Kringutrustningskortet matas via mikrofonkabelns från 3,5 mm-kontakten, och denna kabel bär även de modulerade mikrofonsignalerna. En huvudklocka genereras på huvudkretskortet, och kringutrustningskortet är synkroniserat med klockan.
Funktionsblockens partitionering visas i figur 3. Både huvudkretsen och kringutrustningskretsen består av två kort i en sandwichkonstruktion. Huvudkretskortet A innehåller strömförsörjningen, klockgenerering via en PLL, digitala kretsar för datapreparering, låsningsavkänning och – i kärnblocket – den kombinerade datamodulatorn/-demodulatorn. Kretskortet innehåller alltså huvudfunktionerna i dataöverföringssystemet.

Fig 3. Blockschema som visar funktionspartitionen mellan huvudkretsen (mobiltelefonen i en slutproduktkonstruktion) och kringutrustningsenhet (hörlurarnas manöverenhet i en slutproduktkonstruktion) (klicka för större bild )

Huvudkretskortet B innehåller tillämpningens kretsar: en DA-omvandlare som omvandlar digitala mikrofonsignaler till ljudsignaler, ljudförstärkare, ANC-chipset AS3430, filter, en mikrostyrenhet samt en LCD-skärm.

Kringutrustningskortet A innehåller strömförsörjningskretsens LDO, synkroniserings- och dataextraktionsenheten, datamodulatorn, manöverknapparna samt huvudmikrofonen (för avkänning av användarens röst). Kringutrustningskortet B innehåller PLL-enheten och manöverlogiken för datamanipulering. Ett par hörlurar ansluts sedan till kringutrustningskortet: hörlurarna har två ytterligare mikrofoner som tar upp omgivande brus som ska undertryckas.

Huvudklockfrekvensen som genereras på huvudkretskortet är 2 MHz. Detta används för att modulera en sågtandsspänning runt mikrofonkabelns 3 V-matning till kringutrustningskortet. På kringutrustningskortet extraheras en intern matning på 2,2 V. De fallande kanterna i sågtandsspänningen används för att rekonstruera 2 MHz-klockan. (För att säkerställa att de digitala komponenterna arbetar korrekt vid den låga 2,2 V-matningen tas TTL-grindarna på kringutrustningskorten från LV/LVC-serien.) Sågtandsspänningens frekvens styr en PLL som genererar huvudklockan hos kringutrustningskretsen. Eftersom samma PLL-krets implementeras på huvudkretskortet arbetar båda enheterna synkront – därmed undviks problem med sampling av överförda data.

Fig 4. Tidsschema för spänningsmodulering (klicka för större bild )

När data ska överföras från huvudkretskortet till kringutrustningskortet är sågtandsstegen tillräckligt stora för den kodning som krävs (se figur 4). Det räcker med två nivåer för hög respektive låg signal. En tredje nivå kan användas för synkronisering. En uppströms datahastighet på 2 Mbits/sek är möjlig med de valda klockfrekvenserna.

Uppströms överföring uppnås genom spänningsmodulering och nedströms dataöverföring från kringutrustningskortet till huvudkretskortet realiseras genom strömmodulering. Vi använder samma mikrofonkabelledare, men upplänks- och nedlänksdataströmmarna stör inte varandra om kretsen har konstruerats noggrant. Kretsen som injekterar sågtandsrippelsignalen till likspänningen (DC) på huvudkretskortet måste först och främst ha låg impedans, för att säkerställa att strömmoduleringen inte stör spänningssignalen. Strömdemodulatorn på huvudkretskortet måste dessutom vara okänslig för spänningsvariationer i mikrofonkabelns ledare. Dessutom måste strömförbrukningen hos kringutrustningskortet vara mer eller mindre konstant (minst inom en dataframe), eftersom informationen nedströms är kodad i strömmen genom mikrofonkabelns ledare som samtidigt matar strömmen till kringutrustningskortet.

Under en dataframe mellan två 2 MHz-pulser hos huvudklockan överförs åtta bitar från kringutrustningskortet till huvudkretskortet (se figur 5). Detta stöder ANC-tillämpningen som har implementerats i det här demonstrationssystemet:

* de första tre bitarna beskriver vilka av de tre manöverknapparna som har tryckts in i kringutrustningskretsen
* nästa tre bitar representerar de tre digitala mikrofonerna (den primära röstmikrofonen och de två brusavkännande mikrofonerna)
* de sista två bitarna är alltid 0 och 1. Detta är nödvändigt för att justera demoduleringsnivån i huvudkretskortet automatiskt. Dessa två bitar används dessutom för avkänning av låsning och för att bevisa att dataöverföringen är stabil.

Datahastigheten i nedlänken är 6 x 2 Mbits/sek = 12 Mbits/sek.

Fig 5. Tidsschema för strömmodulering (klicka för större bild )

Vid strömmodulering behöver inga parasitiska kondensatorer laddas och den parasitiska induktansen är ganska låg, varför högfrekventa datapulser kan realiseras utan problem. Figur 6 visar en mätning av den analoga utsignalen från strömdemodulatorn (cyan) och de rekonstruerade digitala datapulserna (magenta) på huvudkretskortet, i en skala på 50 ns/delning. Den gula signalen visar nedlänkens 2 MHz-dataframe. Mätningarna visar att fördröjningen under hela överföringen – från den digitala mikrofonen vid kringutrustningskortets ingång inklusive sändning, mottagning, demodulering och rekonstruktion, tills att signalen når mottagarens utgång, är cirka 530 ns. Den här korta fördröjningen bevisar att systemet passar för ANC-tillämpningar där latency-värdet måste vara så litet som möjligt så att den brusreducerande signalen hålls synkroniserad med det omgivande bruset.

Fig 6. Demodulerad (analog) nedlänkssignal

Multiplexering i digitala mikrofoner: efter experimentsteget
Demonstrationssystemet som beskrives i den här artikeln bevisar att ett digitalt multiplexeringssystem kan realiseras via en vanlig 3,5 mm-ljudkontakt. På kort sikt kommer den här nya tekniken att göra det lättare för mobiltelefontillverkare att implementera ANC. Produkter som genomgår utveckling hos ams gör det möjligt att integrera en del av kretsen i mikrofoner och knappar i hörlurarna, och den andra delen, inklusive ANC-kretsarna, kan integreras i mobilenheten.

I framtiden kan en digital länk genom 3,5 mm-ljudkontakter också användas för diverse tillbehör som kan sända och ta emot data vid låga och medelhöga datahastigheter.
Alex Costa och Helmut Theiler. konstruktionsingenjörer, ams AG

Filed under: Embedded