CN107396251A - 支持移动应用中的平衡耳机和耳麦操作的可切换四极插头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及支持移动应用中的平衡耳机和耳麦操作的可切换四极插头。公开了一种方法，用于通过经由标准尺寸耳机连接器在“平衡”或“差分”模式驱动兼容耳机，从移动“高保真”播放设备获得提高的音质同时保留完全符合传统插头的连接，并允许使用麦克风。当耳机连接时，智能手机可以确定耳机是否是能够接受平衡音频信号的耳机，或者是否是使用常规的4极CTIA或OMTP插头的耳机。对于接受平衡音频信号的耳机，4极插头的四个极用来驱动左音频声道和右音频声道和反相左音频声道和反相右音频声道。对于常规的4极插头，智能手机中的开关使音频输出信号适于耳机的期望配置，并允许智能手机接收来自麦克风的输入。使用开关以在平衡与常规CTIA或OMTP模式之间交替。

Description

支持移动应用中的平衡耳机和耳麦操作的可切换四极插头

技术领域

本发明总体上涉及移动设备，并且更具体地涉及通过这样的移动设备中的模拟输出端口来驱动耳机。

背景技术

如今，人们使用例如智能电话或其他移动媒体播放器(统称为“智能电话”)的移动设备来听音乐是常见的。用户已经迅速地习惯于通过这样的设备来播放音乐，并且通常用户倾向于使其智能电话与他们一直在一起。这些用户中的至少许多(即使不是绝大多数)用户想要能够听具有高声音品质的音乐。智能电话制造商已经意识到这一点，并且许多智能电话制造商已经引入了“高保真”智能电话，并且甚至使其许多市场策略基于其传送与先前可用的声音再现相比更好的品质的声音再现的能力。

虽然智能电话具有通常用于进行电话呼叫和“扬声电话”呼叫的小扬声器，并且可以替代地连接至一些外部扬声器，但是许多(即使不是绝大多数)用户通过耳机来听来自其智能电话的音乐。要用于智能电话的典型耳机为模拟输出设备，该模拟输出设备包括配合至智能电话上的模拟端口中的插件以及包含通过来自智能电话的信号来激活并且向用户产生声音的换能器的一个或更多个听筒。术语“耳机(headphone)”包括通常称为“耳机”的耳罩式设备以及通常称为“耳塞(ear bud)”的入耳式设备。

由智能电话中的音频子系统将输出音频信号从智能电话发送至耳机中的(一个或多个)听筒，并且输出音频信号激活换能器以产生声音，使得用户可以倾听音频输出。模拟端口通常包含在本领域中称为“左”和“右”(并且一般地意在分别通到用户的左耳和右耳)的两个输出声道，以便能够提供立体声音频输出。如果耳机包括两个听筒并且源材料已被以成立体声格式记录，则一个声道将通到每个听筒并且用户将听到立体声音频输出。例如一些经典扬声器和放大器的其他设备还可以具有配合到模拟端口中以接收立体声的输出音频的插入件。

虽然当前的智能电话能够再现具有高声音品质的立体声音乐，但是它们通常与往往具有普通的甚至差的品质的内含耳机一起被销售，因此限制了用户的音乐体验。因此，新的智能电话的购买者通常不会几乎立即丢弃内含耳机而购买一套与那些内含耳机相比更高品质的后市耳机以充分利用智能电话播放具有高的声音品质的音乐的能力。

然而，同等的高品质耳机的性能通常受限于从智能电话上的音频输出端口到耳机换能器的连接的性能以及音频信号如何被提供给耳机。

用于从智能电话输出音频的工业标准模拟端口通常具有称为“插口”的接受插入元件的接受器，大多数接受器通常为3.5毫米(mm)“插头”或插入件。(不太常见的替选者为接受2.5mm插头的端口)。工作标准插头的一个版本在图1a中示出。插头102具有三个段或者极，所述三个段或者极彼此电隔离并且连接至单独的电线或耳机部件或者被插入到模拟端口中的其他设备中。三个极在本领域中通常已知为顶端(Tip)、环(Ring)和套筒(Sleeve)。模拟端口插口类似地具有三个段(未示出)，当插头102的三个极被完全插入插口中时所述三个段匹配并且连接至插头102的三个极，并且所述三个段也彼此电隔离并且连接至智能电话的各个部件。

图2示出了从智能电话的模拟端口输出到三极插头例如图1的三极插头102的立体声信号。特别地，用在标准耳机连接中的插头和插口配置将左信号路径和右信号路径分离到单独的电线上。标记为LP的左声道音频信号通过插头102的顶端部分被馈送，而标记为RP的右声道音频信道通过插头102的环被馈送。

然而，由于插头102仅具有三极连接，并且极中的两个极用于左输出和右输出，因此该配置要求通过插头的套筒，然后通过到智能电话的插口连接并且跨内部设备电路板来共享被标记为LGnd和RGnd的针对两个声道的地回路(ground return)信号路径。

声道的该共同接地通过该共享信号地回路的寄生电阻产生串扰和信号损失。虽然存在一些已经尝试以缓解这些问题的具体电路实现，例如其中与插头共同接地点尽可能靠近地取放大器的反馈的电路实现，但是最终无法避免三极连接器中的左信号回路和右信号回路的共同接地。

返回图1b，示出了工作标准插头的另一版本，在该版本中，插头104当前包含4个极。极中的两个极以与图1a的三极插头102中的那两个极即顶端和套筒相同的方式被指定。称为三极插头中的环的第三极现在称为第一环以将其与第四极区分开，第四极位于第一环与套筒之间并且在本领域中称为第二环。模拟端口插口(未示出)类似地包含第四段，第四段与第二环对应并且在插头102完全被插入到插口中时与第二环连接。

在例如智能电话的大多数移动设备中，标准3.5mm插头上的额外极以及插口的相应部分用于支持耳麦中的麦克风的连接以用于语音通信。包括麦克风的耳机有时称为“耳麦(headset)”，如本文所使用的，“耳机”包括耳麦。如本领域中公知的，许多耳麦包括有时称为“接收器(dongle)”的设备，该接收器包括一个或更多个按钮，用户可以按下所述一个或更多个按钮以从智能电话中的音频子系统中选择某些功能，例如应答电话呼叫、暂停或播放音频或者增大或减小耳麦中的换能器的音量。该设备通常位于从耳机的听筒到插头的绳上。通常，耳麦具有位于接收器或其他地方的简单按钮，该按钮将麦克风信号短路接地，以作为接收用户输入的方式；用户输入通常是呼叫或应答某人，以及/或者增加或减小去往耳麦的音量和来自耳麦的音量。对于本领域中公知的其他功能，可以包括其他按钮。

将明显的是，虽然插头和插口布置现在为四极插头，但是仍只有一个极可用于左音频声道和右音频声道的地回路信号并且现在也用于麦克风。

存在当前用于智能电话的四极插头的两个工业标准配置。图3是一个配置的四极插头302的图。该配置称为用于采用该配置的组织(原本称为蜂窝电话工业协会)的CTIA标准，或者替代地为美国耳机插头(AHJ)标准。

在CTIA标准中，与图2的三极配置一样，左音频声道信号LP和右音频声道信号RP分别通过插头302的顶端和第一环被传递至耳机。另外，未出现在三极配置中的麦克风输出通过插头302的套筒部分传递。针对左音频声道信号和右音频声道信号的地连接器现在还包括麦克风信号并且连接至第二环。

第二常用配置为OMTP标准(来自开放移动终端平台)。图4是该配置的四极插头402的图。与CTIA配置和三极配置一样，左音频声道信号LP和右音频声道信号RP分别通过插头402的顶端和第一环传递至耳机。

然而，与CTIA配置相比，OMTP配置将麦克风和地的连接颠倒，使得再次用于两个音频声道的地信号回路以及麦克风信号通过套筒，同时麦克风信号通过第二环传递至耳机。

然而，与其中使用四极插头的图2的三极插头202一样，不论四极插头使用CTIA标准还是使用OMTP标准，在每种情况下，音频品质的水平受限于针对左声道信号回路和右声道信号回路使用共同的地以及在存在麦克风的情况下的麦克风信号。因此，以上三极插头102的串扰和信号损失问题仍然存在，并且实际上上述问题由于共同地信号回路现在包括麦克风信号以及左音频声道信号和右音频声道信号这一事实而被加剧。

所有的已知智能电话或其他移动音频设备使用被配置成接受工业标准三极插头或者CTIA或OMTP四极插头的音频输出插口。因此，所有这样的已知设备提供共同地信号回路，并且因此也承受所描述的那些音频信号品质问题。将会有利的是，能够以使得避免对左声道音频信号和右声道音频信道的公共地回路的需求的方式来将高品质耳机连接至移动设备。还将有利的是，能够在不必从插口机械地移除插头的情况下在具有公共地回路的配置与不具有公共地回路的配置之间切换，以允许使用具有麦克风的耳麦。

发明内容

描述了一种装置和方法，借此，在保持遵从遗留的插头连接和传统耳机的同时，通过在“平衡”或“差分”模式下经由设备上的标准尺寸耳机连接器驱动兼容的耳机，来从移动“高保真”播放设备实现改进的语音质量。还描述了一种用于确定连接到播放设备的耳机或其他再现设备的类型并且将播放设备配置成产生适合于所连接的设备的音频输出的装置和方法。还描述了一种用于在平衡模式与共模接地模式之间切换以允许使用具有麦克风的耳麦而不必将耳麦从设备机械地断开的装置和方法。

一个实施方式公开了一种用于产生平衡立体声信号的移动音频设备，包括：模拟音频输出插口，其具有4个极并且被配置成接收与CTIA或OMTP标准对应的4极插头；第一放大器，其用于向输出插口的与插头的顶端对应的第一极提供左声道音频信号；第二放大器，其用于向输出插口的与插头的第一环对应的第二极提供右声道音频信号；第三放大器，其用于向输出插口的第三极提供与左声道音频信号相位相反的反相左声道音频信号；以及第四放大器，其用于向输出插口的第四极提供与右声道音频信号相位相反的反相右声道音频信号。

另一实施方式公开了一种从移动音频设备产生平衡立体声信号的方法，该移动音频设备具有带4个极并且被配置成接收与CTIA或OMTP标准对应的4极插头的模拟音频输出插口，该方法包括：向输出插口的与插头的顶端对应的第一极提供左声道音频信号；向输出插口的与插头的第一环对应的第二极提供右声道音频信号；向输出插口的第三极提供与左声道音频信号相位相反的反相左声道音频信号；以及向输出插口的第四极提供与右声道音频信号相位相反的反相右声道音频信号。

另一实施方式公开了一种用于产生平衡立体声信号的移动音频设备，包括：模拟音频输出插口，其具有4个极并且被配置成接收与CTIA或OMTP标准对应的4极插头；第一放大器，其用于提供左声道音频信号；第二放大器，其用于提供右声道音频信号；第三放大器，其用于提供与左声道音频信号相位相反的反相左声道音频信号；第四放大器，其用于提供与右声道音频信号相位相反的反相右声道音频信号；以及控制器，其被配置成：测量插口的第一极与插口的第二极之间的阻抗、插口的第一极与插口的第三极之间的阻抗、插口的第四极与插口的第二极之间的阻抗以及插口的第四极与插口的第三极之间的阻抗；将所测量的阻抗与用于使用3极插头的设备的期望值、使用与CTIA或OMTP标准对应的4极插头的设备的期望值以及能够接收平衡立体声信号的使用4极插头的设备的期望值进行比较；确定哪些设备由所测量的阻抗指示，并且如果设备是能够接收平衡立体声信号的设备，则使左声道音频信号提供至输出插口的与插头的顶端对应的第一极，使右声道音频信号提供至输出插口的与插头的第一环对应的第二极，使反相左声道音频信号提供至输出插口的第三极，并且使反相右声道音频信号提供至输出插口的第四极。

又一实施方式公开了一种从移动音频设备产生平衡立体声信号的方法，该移动音频设备具有带有4极且被配置成接收与CTIA或OMTP标准对应的3极插头或4极插头的拟音频输出插口，该方法包括：测量插口的第一极与插口的第二极之间的阻抗、插口的第一极与插口的第三极之间的阻抗、插口的第四极与插口的第二极之间的阻抗以及插口的第四极与插口的第三极之间的阻抗；将所测量的阻抗与用于附接的使用3极插头的声音再现设备的期望值、使用与CTIA或OMTP标准对应的4极插头的设备的期望值以及能够接收平衡立体声信号的使用4极插头的设备的期望值进行比较；确定哪些附接的声音再现设备由所测量的阻抗指示，并且如果附接的声音再现设备是能够接收平衡立体声信号的设备，则向插口的与插头的顶端对应的第一极提供左声道音频信号；向插口的与插头的第一环对应的第二极提供右声道音频信号；向插口的第三极提供与左声道音频信号相位相反的反相左声道音频信号；并且向插口的第四极提供与右声道音频信号相位相反的反相右声道音频信号。

附图说明

图1a和图1b是用于与移动设备例如智能电话上的标准模拟端口一起使用的现有技术行业标准3极和4极插头的配置的图示。

图2是信号如何通过用于与移动设备上的模拟端口一起使用的现有技术行业标准3极插头的图示。

图3是信号如何通过用于与移动设备上的模拟端口一起使用的使用CTIA标准配置的现有技术行业标准4极插头的图。

图4是信号如何通过用于与移动设备上的模拟端口一起使用的使用OMTP标准配置的现有技术行业标准4极插头的图。

图5示出了能够在使用标准尺寸的4极插头的同时向高质量耳机产生平衡输出的智能电话的音频子系统的一个实施方式的一些部件。

图6示出了如图5所示的智能电话的音频子系统可以用于向具有CTIA配置的耳机和标准4极插头提供音频的实施方式。

图7示出了如图5所示的智能电话的音频子系统可以用于向具有OMTP配置的耳机和标准4极插头提供音频的实施方式。

图8示出了如图5所示的智能电话的音频子系统可以用于向不具有麦克风的耳机和标准3极插头提供音频的实施方式。

图9是根据一个实施方式的用于操作能够支持平衡耳机的智能手机的音频子系统的方法的流程图。

图10示出了能够在使用标准尺寸的4极插头的同时将耳麦从接收平衡信号切换到以支持麦克风的标准OMTP配置操作的实施方式。

具体实施方式

本文描述了一种装置和方法，借此，可以通过在保留完全遵从遗留的插头连接和传统耳机同时采用以下方式驱动兼容的耳机来从移动“高保真”播放设备实现改进的声音质量：左声道信号和右声道信号经由设备上的标准尺寸的耳机连接器具有分开的接地返回路径而不是具有公共的接地返回路径。连接至播放设备的耳机或其他再现设备的类型可以由控制器来确定，并且播放设备可以被配置成产生适合于所连接的设备的音频输出。

用于除移动设备以外的应用的一些高质量耳机具有分开的左声道信号返回路径和右声道信号返回路径而非如在移动设备中被共同地连接。音频装备专业人士通常将分开的信号返回路径的使用称为“平衡”或“差分”连接；本文中将这样的具有分开的信号返回路径的高质量耳机称为“平衡耳机”。

平衡耳机通过消除由如上所述的公共信号返回路径引起的串扰和信号损失来为用户提高声音质量。此外，可以以与左声道信号和右声道信号相反的相位来主动地驱动返回信号；这有时也被称为“全平衡”连接，仅作为与分开的信号返回路径的区分。如本文中所使用的那样，平衡连接也包括全平衡连接。

这样的现有技术的平衡耳机意在用于与非便携式立体声系统一起使用，并且使用所谓的XLR式连接器。然而，在第一实例中，XLR连接器与智能电话(或其他移动设备)物理上不兼容。此外，用于与平衡耳机一起使用的插口专用于该目的，并且不提供由CTIA或OMTP耳机使用的信号或者不从CTIA或OMTP耳机接收麦克风信号。

从而可以看出，将平衡耳机连接至能够提供分开的信号返回路径的移动设备可以为用户提高声音质量。此外，但是所需的信号与由被设计用于与移动设备一起使用的常规耳机所使用的信号不同并且至少部分地不兼容。

因为按照定义4极插头具有4个可用的独立信号路径，所以这样的插头可以被配置成将期望的“平衡”左信号和右信号对完全独立地驱动到耳机中，从而提供比常规CTIA或OMTP配置更高质量的声音。为了支持该连接，耳机必须包括匹配的4极插头。因为存在4个极，所以3.5mm和2.5mm的4极插头二者以及插口配置可以支持该连接，虽然在常规CTIA或OMTP配置中不可以。

此外，为实现具有平衡连接和麦克风二者的耳麦，将需要六个连接，其中四个用于平衡连接，还有两个用于麦克风(一个用于来自麦克风的音频，另一个用于至地的回路)。如果仅使用常规的4极插头，并且所有四个极均用于提供平衡连接，而没有一些其他修改，则将不存在可用于向麦克风提供连接的极。

图5示出了在使用标准大小的4极插头502的同时能够向高质量耳机产生平衡输出的智能手机的音频子系统的一个实施方式的一些部件。如在上文所讨论的现有技术中，左音频声道信号LP连接至插头502的顶端，右音频声道信号RP连接至第一环。这些音频声道信号LP和RP以与现有技术中的方式相同的方式被产生。

另外，智能电话中的音频生成子系统还具有反相器504，该反相器504使左音频声道信号LP和右音频声道信号RP反相并且生成“反相”的左声道音频信号LN和右声道音频信号RN，即分别与左音频声道信号LP和右音频声道信号RP反相的信号。反相的左音频声道信号LN连接至插头502的第二环，反相的右音频声道信号RN连接至套筒。

反相器504通过开关506连接至第二环和套筒，其中，因为开关506处于闭合位置，所以它们在图5中不可见。它们的功能将于下文进一步说明。

在图5中的上文所述的“完全平衡”的配置中，反相的音频声道信号LN和RN还充当左声道信号LP的通过第二环的以及右声道信号RP通过套筒的地回路径。因此，可以看出，虽然图5的插头502的配置允许使用标准的4极插头和插口，但是音频源和耳机二者均未被设计在CTIA或OMTP配置中或均未在CTIA或OMTP配置中操作，而是被设计在所述的平衡配置中或在所述平衡配置中操作。

在所示实施方式中，开关508和510还被设置成如下文所述进行使用。当使用平衡式耳机并且生成音频输出时，开关508和510如所示的断开，使得反相的音频声道信号LN和RN不连接至地，而是被传递至上文所述的插头502。

注意，虽然图5的配置保留了左声道音频信号LP至顶端的以及右声道音频信号RP至第一环的标准连接，但是以下所述是任意的：反相的左声道信号LN连接至第二环以及反相的右声道信号RN连接至套筒，还是反相的左声道信号LN连接至套筒以及反相的右声道信号RN连接至第二环。如所示的，图5示出“LRLR”配置，这是因为左声道信号和右声道信号交替沿着插头502。将清楚的是，对反相的左声道信号LN至套筒以及反相的右声道信号RN至第二环的连接进行切换，将以相同方式运行；这样的配置可以被认为是“LRRL”配置，这是因为两个右声道信号将位于插头的相邻的第一环和第二环部分上。

正如用于非智能手机应用中的平衡式耳机，从智能手机向平衡式耳机提供这些音频信号将向用户产生比常规耳机提供的音频质量更好的音频质量。如上所述，这是由于减小了因上文讨论的寄生电阻而引起的信号损失和串扰。

然而，即使智能手机被制造成具有提供平衡音频信号的能力，但是预期的是一些用户将选择使用常规的耳机而不是高质量平衡式耳机。这可能是由于平衡式耳机与常规耳机相比成本增加，或者替选地是由于在不存在下文讨论的进一步的改进的情况下平衡式耳机不支持麦克风这样的事实。

因此，明显的是，还将期望的是使得能够提供平衡式音频信号的智能手机还能够以上述常规方式与其他标准的非平衡式耳机一起操作。为实现这一点，智能手机的音频生成子系统可以被设计成通过配置至插口的连接以使得向每个不同类型的耳机馈送合适的信号来允许关于任意标准的耳机进行合适的操作。

图6示出了图5中所示的智能电话的音频子系统的部件可以用于向具有以上图3中所示的CTIA配置的耳机和标准4极插头602提供音频的实施方式。如图3的配置中那样，在图6中，如以上描述的现有技术中那样，左音频声道信号LP连接至插头602的顶端，以及右音频声道信号RP连接至第一环。

然而，在该实例中，开关506断开，使得来自反相器504的反相的信号未被分别提供至第二环和套筒，这是因为反相的信号并非由CTIA耳机使用。而是，如图3中所示的标准CTIA配置中那样，通过套筒提供麦克风信号MIC，以及用于左音频声道和右音频声道二者以及麦克风的回地信号通过第二环被传递并且通过闭合的开关508被传递至地。开关510断开，使得麦克风信号连接至套筒而非连接至地。

以这种方式，图6的连接允许具有向高质量耳机产生平衡信号的能力的智能电话还能够提供适于耳机的信号，包括如以上在CTIA标准中阐述的麦克风的使用。

图7示出了如图5中所示的智能电话的音频子系统可以类似地用于向具有以上图4中所示的OMTP配置的耳机和标准4极插头702提供音频的实施方式。如图4的OMTP配置中那样，在图7中，仍如上文论述的现有技术中那样，左音频声道信号LP连接至插头702的顶端，以及右音频声道信号RP连接至第一环。

正如图6中的CTIA耳机和插头的使用，开关506断开，使得无来自反相器504的反相的信号被分别提供至第二环和套筒。现在，如图4中所示的标准OMTP配置中那样，通过第二环提供了麦克风信号MIC，以及针对左音频声道和右音频声道和麦克风的回地信号通过套筒被传递并且通过闭合的开关510被传递至地。开关508断开，使得麦克风信号连接至第二环而非连接至地。

以这种方式，图7的连接允许具有向高质量耳机产生平衡信号的能力的智能电话还能够提供适于耳机的信号，包括如以上在OMTP标准中阐述的麦克风的使用。

正如以上图3和图4的CTIA配置和OMTP配置，将看出图6和图7的配置类似，其中至第二环和套筒的连接被对换，以及对应的开关视情况而定断开而非闭合，反之亦然。

图8示出了图5所示的智能电话的音频子系统可以类似地用于向标准3极插头802以及不具有麦克风的相应耳机提供音频的实施方式。如在图3的现有技术配置中那样，在图8中，左音频声道信号LP连接至插头802的顶端，并且右音频声道信号RP连接至第一环。

与使用上面的现有技术CTIA和OMTP耳机那样，断开开关506，使得无来自反相器504的反相的信号被分别提供给第二环和套筒。由于仅存在3极插头802，左声道地回信号和右声道地回信号二者穿过插头802的套筒，由此开关508和510都闭合以提供用于这两种信号到地的连接。

以该方式，图8的连接允许具有向高质量耳机产生平衡信号的能力的智能电话还提供适用于不包括麦克风的3极耳机的信号。

因此可以看出，智能电话中的适当设计的音频子系统能够经由设备上的标准大小耳机连接器以“平衡”或“差分”模式来驱动兼容耳机，以及与遗留的插头连接和常规耳机保持完全兼容并且向这样的耳机提供适当的信号。

期望用户能够将任何耳机插入智能电话的音频端口插口，并且在用户未对所连接的耳机的类型进行任何选择的情况下收听音频输出。因此，优选地，音频子系统应能够自动检测插头已插入插口，并且确定已连接什么类型的耳机。

音频子系统首先必须能够检测耳机已经连接，即插头已插入音频输出插口。该检测是现有技术已知的，并且通常是通过使用一个或更多个“插头检测引脚”完成的。插头检测引脚是插口内的额外接触件，其充当开关。引脚仅感测插头被插入，并且不意在用于音频信号。

当不存在插头时，插头检测引脚或开关是闭合的；当插头被插入时，插头使插头检测引脚中的一些插头检测引脚弯曲，并且它们断开与插头检测引脚中的其他插头检测引脚的接触，使得断开开关。系统取决于插头检测引脚的机械变形，以断开插头检测引脚之间的连接并且断开开关。因此，例如，3.5mm塑料棒可以被插入插口且仍断开接触件，并且智能电话会认为耳机被插入。

当已经检测到插头的插入，如上所述，存在智能电话将优选地能够检测的几种类型的设备。在本领域中公知的用于检测所连接的设备的一种方式是通过测量连接至插头的插口的各个部分之间的阻抗。这可以通过以下方式来实现：使用检测引脚(未示出)将已知电压的信号施加至插口的各个部分并且测量响应于该信号流动的电流。本领域的技术人员将认识到，如果信号处于低于或高于人类听力的正常范围的频率，则该信号对于用户而言是不可听的。

第一类型的设备是如上所述使用3极插头的标准立体式耳机。这些设备通常从顶端到套筒具有6欧姆与600欧姆之间的阻抗，并且从第一环至套筒也是如此。此外，在3极插头中不存在单独的第二环，试图测量从顶端或第一环至第二环的阻抗将导致测量从顶端或第一环至套筒的阻抗，并且再次为6欧姆至600欧姆的值。这样的耳机的通常阻抗值为32欧姆。

第二类型的设备是具有使用处于标准CTIA配置或OMTP配置下的4极插头的麦克风(即，耳麦)的耳机。再次，从顶端至地以及从第一环至地的阻抗将通常处于6欧姆与600欧姆之间，而从麦克风接触件至地的阻抗通常处于1000欧姆与5000欧姆之间。如上所述，麦克风和地中的哪个连接至第二环以及哪个连接至套筒取决于耳机是使用CTIA配置还是使用OMTP配置。

因此，在第二环是地连接的CTIA配置下，从顶端(左声道)至第二环(地)的阻抗和从第一环(右声道)至第二环(地)的阻抗将为6欧姆至600欧姆。由于麦克风连接至套筒而不是接地，因此从顶端至套筒的阻抗和从第一环至套筒的阻抗看起来像断开的开关，并且因此为高(实际无限的)阻抗。

在OMTP配置下，再次将麦克风和地连接颠倒，因此从顶端至套筒(现在为地)的阻抗和从第一环至套筒的阻抗将为6欧姆至600欧姆，而从顶端至第二环(现在为麦克风)的阻抗以及从第一环至第二环的阻抗将为高或断开。

要检测的第三种类型的设备是平衡耳机。在图5所示的本申请的“LRLR”实施方式中，每个声道信号与其返回信号地之间(即，顶端至第二环以及第一环至套筒)的阻抗将类似地处于6欧姆至600欧姆之间。顶端与套筒以及第一环和第二环之间的其他阻抗将为高或断开。(将看出，如果第二环和套筒连接被颠倒以使得与插头的连接处于上述“LRRL”配置下，则将类似地颠倒阻抗测量。)

因此，可以看出，通过测量这些阻抗，即顶端至第二环的阻抗、顶端至套筒的阻抗、第一环至第二环的阻抗以及第一环至套筒的阻抗，可以区分开这些各种类型的耳机。表1概述了哪些测量结果指示哪些耳机(Hi Z表示高阻抗或开路)：

表1

当前，智能电话能够通过包括对插头的各部分之间的各种阻抗进行测量的电路来区分常规的3极插头和4极插头及其相关联设备以及区分CTIA设备和OMTP设备。可以并入智能电话中的具有这样的能力的商业产品的一个示例是来自德克萨斯仪器公司的TS3A227E自动音频辅助件检测和配置开关。

对于本领域技术人员而言明显的是，如何修改德克萨斯仪器公司的芯片的电路以检测不同的阻抗也将确定平衡耳机是否已连接至模拟端口插口，以及如何修改现有技术的常规3极和4极CTIA与OMTP插头。以相同的方式测量阻抗，但是当如上进行阻抗测量时检测平衡耳机而不是常规耳机。

图9是对可以支持如上所述的平衡耳机的智能电话的音频子系统进行操作的方法的简化流程图。最初，音频子系统的输出端口插口是空闲的。(注意，例如，如果用户在没有耳机的情况下正在打电话、但插口未被激活直至插头被插入，则智能电话的扬声器可能正在使用中。)

在步骤902中，音频子系统通常通过使用如上所述的插头检测插脚来确定插头是否已插入输出端口插口中。

当检测到插头时，在步骤904中，音频子系统对如上所述的插头的各部分之间的阻抗进行测量。此外，这通常是通过利用低于或高于人类听觉的标称频率限值的信号驱动连接来完成的，以使得在用户佩戴着耳机的情况下用户不会听到测试信号。

当阻抗是已知的时，在步骤906中，音频子系统进行检查以查看耳机的类型是否已被确定。这通过对所测量出的阻抗与如上面的表1中所示的每种类型的期望值进行比较来完成。期望值例如可以存储在查找表中。

如果未发现与所测量的阻抗的匹配，则音频子系统返回至插头检测步骤902(或者替选地，返回至测量阻抗步骤904)，以再次尝试对已插入插口中的插头的类型进行识别。

如果存在匹配并且已识别所连接的耳机的类型，则在步骤908中，分别根据耳机是平衡耳机、CTIA耳机、OMTP耳机还是具有3极插头的立体声耳机，音频子系统通过如达到上面的图5、图6、图7或图8所示的适当配置所需要的那样断开和/或闭合开关来配置开关。

在步骤910中，音频子系统确定是否检测到麦克风，即，耳机是否是包括麦克风的CTIA或OMTP耳机。如果检测到麦克风，则在步骤912中，启动音频子系统的下述部分(未示出)，该部分检测来自可以包括在耳机线中的设备或“加密锁(dongle)”的任何信号。这在本领域中是公知的，并且通常通过感测因在按下按钮时对附加的负载电阻器的切换而引起的、麦克风阻抗的改变来完成。

在步骤914中，音频子系统确定用户是否已选择期望的音频输出。期望的音频输出可以具有下述形式：电话呼叫、存储在智能电话上的音乐(或类似地存储的视频的一部分)或来自互联网的音频流。如果已做出音频选择，则在步骤916中，音频子系统向耳机传送所选音频；如果尚未做出音频选择，则音频子系统等待选择。

对于本领域技术人员而言明显的是，实践中的图9的方法的所述步骤中的某些步骤实际上可能需要要在智能电话中实现多个子步骤。本领域技术人员还将理解的是，在各种实施方式中，所描述的步骤可以按稍微不同的顺序来执行或在一些情况下同时执行。

利用上述系统和方法，为了从平衡耳机切换到具有麦克风的耳麦，或者从具有麦克风的耳麦切换到平衡耳机，用户必须通过拔出插头来物理地将连接到移动设备的任何耳机断开连接，然后，通过将其他耳机的插头插入到插口中来将其他耳机连接至移动设备。另一方面，如上所述，将麦克风包括在能够接受平衡信号的耳机中通常将需要六个极，因此将不与标准的4极插头兼容。

在另一个实施方式中，通过添加使得用户能够在现有技术的平衡信号模式与公共接地模式之间进行选择的“模式开关”来解决这个问题。模式开关可以包括在耳机中或者可以是单独的部件。如果移动设备可以检测到何时触发(throw)模式开关并且根据需要重新配置开关，则将是进一步有利的。如果移动设备不能识别何时触发模式开关，则将需要物理地断开耳机，触发开关，然后重新插入插头，使得移动设备可以检测如上所述的耳机的配置。

如上所述，为了从图5的平衡信号配置改变为图7的现有技术的OMTP公共接地配置，开关506断开，使得来自反相器504的反相信号没有被分别提供至第二环和套筒。开关508断开，使得麦克风信号MIC连接至第二环而不是接地，并且用于左音频声道和右音频声道二者以及麦克风的返回接地信号通过套筒并且通过闭合的开关510接地。这导致耳机至移动设备的连接等同于如以上图4所示的标准OMTP配置中的连接。

这可以通过提供具有麦克风的平衡耳机来实现(由于耳机是具有麦克风的耳机，因此这可以被认为是“平衡耳麦”)。添加了开关，例如双联双极单掷开关，其以允许耳机在开关处于一个位置的平衡模式下进行操作、以及作为开关在另一位置的常规OMTP或CTIA耳麦进行操作的方式改变从耳机至移动设备的连接。

图10示出了具有耳麦的实施方式，当对移动设备进行适当的连接时，该耳麦可以接收和使用平衡信号，并且该耳麦还具有当对移动设备进行其他连接时可以使用的麦克风；可以通过标准的4极插头对移动设备进行两种类型的连接。可以通过使用开关1002将耳麦从平衡信号配置切换至支持麦克风的标准OMTP配置。

将会看到，当开关1002处于一个位置，即如图10所示的“上”位置时，耳麦处于平衡模式并且可以接收和再现平衡信号。在这种情况下，图10所示的配置是所谓的“LRRL”，即左侧换能器的一侧连接至套筒且另一侧连接至顶端，而右侧换能器连接至R1且通过开关1002连接至R2(注意，这不同于图5所示的“LRLR”配置)。麦克风的一侧连接至套筒，但麦克风的另一侧没有连接至插头，因此麦克风没有激活。

当用户期望使用麦克风时，开关1002置于另一位置，即如图10所示的“下”位置。这使得右侧换能器的一侧与R2断开连接并且将其连接至套筒，同时将麦克风连接至R2。用于左侧换能器和右侧换能器二者以及麦克风的返回路径经过套筒，因此耳麦现在处于如上所述的“公共接地”OMTP配置。然后，可以启用麦克风偏置(bias)，而没有在耳机中引起直流电流“弹出”。本领域技术人员将理解，在另一实施方式中，通过如上所述那样调节至R2和套筒的连接，公共接地模式可以是CTIA配置。

明显的是，因为在插头上只有4个极，所以在使用麦克风时不可能使耳机以平衡模式接收音频。然而，本领域技术人员将理解，这不是显著的限制，因为与将充分利用平衡耳机提高质量的全部益处的音乐相比，可能是使用麦克风的最常见应用的电话呼叫具有低音频质量。

为了使用户获得该实施方式的全部益处，移动设备应当能够检测用户何时期望将耳机从平衡模式该变为公共接地模式，或反之亦然，即，用户何时翻转模式开关。在一些实施方式中，移动设备可以检测何时触发模式开关，然后，检测指示耳机现在是处于平衡信号模式还是公共接地模式的阻抗变化。

在其他实施方式中，移动设备可以连续地监测由耳机呈现的阻抗，以确定向移动设备呈现的耳机的阻抗何时改变并且因而耳机当前正在以何种模式进行操作。监测阻抗变化的一种方式是监测耳机驱动放大器上的负载阻抗；当开关被触发时(或者反之亦然，根据首先存在哪种模式)，第二环上的阻抗负载将从扬声器型负载变为麦克风型负载。在一些实施方式中，开关可以是所谓的“先断后合”开关，在这种情况下，放大器将知道也可以用于检测切换的高阻抗的时刻。

在其他实施方式中，如果用户正在以平衡模式收听音乐并且接收到电话呼叫，则用户可以发起应答呼叫的动作(例如按下加密锁上的适当按钮)。响应于用户的动作，移动设备自身可以引起开关被触发，以便将耳机置于公共接地模式并允许用户接受呼叫，并且通过麦克风与呼叫者通话。

可以包括附加的开关以支持有时在使用Android操作系统的智能手机中使用的远程耳机按钮。这些开关在通过用户按下按钮而被激活时可以连接麦克风与地之间的负载电阻。这些可以例如产生诸如启用电话呼叫、增加或减小音量、改变正在播放的音频节目的曲目等功能。

本领域技术人员将理解，该实施例的许多变型是可以的。例如，开关1002(或任何附加开关)可以是电气的或机械的；例如，集成电路可以连接至4端子音频连接器并且被预编程为如本文所述那样进行切换。如果开关是电气的，则其可以由用户操作，或者在如上所述的一些情况下，在没有用户输入的情况下进行操作。各种按钮可以被配置成以平衡模式和公共接地模式中的任一种或两种进行操作。可以对阻抗变化进行滤波以使其在所限制的可听范围或频带之外以便最小化它们对音频质量的影响。

以这种方式，平衡耳机可以并入具有麦克风的耳麦中，并且当需要使用麦克风时，在音频信号具有较高质量的平衡模式与现有技术的OMTP配置的标准模式之间切换，同时仍使用标准的4极插头。不需要重置连接或者去除和重新插入插头，从而使得改变容易且方便。

以上已经参考若干实施方式解释了所公开的系统和方法。根据本公开，其他实施方式对于本领域技术人员将是明显的。可以使用除了上述实施方式中描述的那些实施方式之外的配置或步骤，或者结合除了上述那些之外或与之不同的元件来容易地实现所描述的方法和装置的某些方面。

例如，所描述的本发明也可以与USB-C连接器一起使用。如本领域中已知的，USB-C连接器(未示出)使用具有2排×12插脚配置的24个插脚，并且支持使用USB 3.1或USB 2.0协议的数字接口的连接，以及包括电源连接。连接器被设计为可逆的，使得任一排中的插脚具有在另一排中沿对角线相对的对应复制件。在USB连接器的中心的四个插脚用于音频信号，其中被指定为A6和B6的插脚承载右音频声道，并且插脚A7和B7二者承载左音频声道。如图其它现有技术的连接器一样，两个声道的返回路径是公共接地路径。

根据本文的教导，对于本领域技术人员来说明显的是，由于存在承载音频信号的四个插脚，而不是具有各自承载重复信号的两个插脚为一对的两对，所以替选地，两个插脚可以承载正常的左音频声道信号和右音频声道信号，而另两个插脚可以承载如上所述的相反相位的左声道信号和右声道信号。在这种情况下，连接器将不是完全可反转的，但是反转连接器将仅导致所有四个音频信号在相位上反转，很少有用户将能够注意到这点。

在其他实施方式中，智能电话的模拟输出端口还可以连接至另一设备(例如外部立体声系统的放大器)的线路输入。在这种情况下，针对左声道信号和右声道信号的负载阻抗通常可以为从约10,000欧姆至100,000欧姆，其中22,000欧姆是常见的。类似地，连接的耳机可能是降噪耳机，在这种情况下，连接将与上面讨论的3极或4极CTIA或OMTP耳机相同，但左声道和右声道上的负载阻抗由于集成在耳机中的放大器而更高，通常为10,000欧姆。

在其他实施方式中，在使用不具有麦克风的平衡耳机并且期望拨打或接收电话呼叫的情况下，开关可以替选地被配置为允许耳机保持平衡模式并且激活移动设备中的麦克风。因此，用户可以在平衡模式下通过耳机听到呼叫，并且通过移动设备中的麦克风通话。这与当前使用不能支持麦克风的3极插头的耳机实现的效果类似。

在元件被示为连接的情况下，在一些实施方式中，这些元件可以通过另一元件或部件彼此耦接。本领域技术人员还将理解的是，如何根据智能手机或移动设备中的其他部件来确定部件的参数。

根据实施方式的这些变型和其他变型旨在被本公开内容覆盖，本公开内容仅由所附权利要求限制。

Claims (19)

1.一种用于产生平衡立体声信号的移动音频设备，包括：

模拟音频输出插口，其具有4个极并且被配置成容纳与CTIA或OMTP标准对应的4极插头；

第一放大器，其被配置成提供左声道音频信号；

第二放大器，其被配置成提供右声道音频信号；

第三放大器，其被配置成提供与所述左声道音频信号相反相位的反相左声道音频信号；

第四放大器，其被配置成提供与所述右声道音频信号相反相位的反相右声道音频信号；

麦克风输入端，其被配置成接收来自麦克风的输入；以及

控制器，其被配置成：

测量所述插口的第一极与所述插口的第二极、所述第一极与所述插口的第三极、所述插口的第四极与所述第二极以及所述第四极与所述第三极之间的阻抗以及所述阻抗的变化；

通过将所测量的阻抗与使用3极插头的设备的期望值、使用对应于CTIA或OMTP标准的4极插头的设备的期望值以及使用能够接受平衡立体声信号的4极插头的设备的期望值进行比较，来确定连接到所述插口的声音再现设备的类型；

如果所连接的声音再现设备被确定为是能够接受平衡立体声信号的设备，则使所述左声道音频信号被提供到所述输出插口的与所述插头的顶端对应的第一极，使所述右声道音频信号被提供到所述输出插口的与所述插头的第一环对应的第二极，使所述反相左声道音频信号被提供到所述输出插口的第三极，并且使所述反相右声道音频信号被提供到所述输出插口的第四极；

如果基于所测量的阻抗的变化来将所连接的声音再现设备确定为不再是能够接受平衡立体声信号的设备，则将所述反相左音频信号和所述反相右音频信号从所述输出插口的第三极和第四极断开连接，并且使所述麦克风输入端被提供到所述输出插口的第三极以及使左声道和右声道的公共返回路径和所述麦克风输入端被提供到所述输出插口的第四极。

2.根据权利要求1所述的移动音频设备，其中，所述插口的尺寸被设置成容纳标准3.5mm插头。

3.根据权利要求1所述的移动音频设备，其中，所述插口的尺寸被设置成容纳标准2.5mm插头。

4.根据权利要求1所述的移动音频设备，其中，所述模拟输出插口被配置成容纳与CTIA标准对应的4极插头，并且所述插口的第三极对应于所述插头的第二环以及所述插口的第四极对应于所述插头的套筒。

5.根据权利要求1所述的移动音频设备，其中，所述模拟输出插口被配置成容纳与OMTP标准对应的4极插头，并且所述插口的第三极对应于所述插头的套筒以及所述插口的第四极对应于所述插头的第二环。

6.根据权利要求4所述的移动音频设备，其中，所述控制器还被配置成：如果所连接的声音再现设备被确定为是CTIA设备，则断开开关以将所述第三放大器和所述第四放大器的输出从所述插口的第三极和第四极断开连接，闭合开关以将所述插口的与所述插头的第二环对应的极接地，并且将所述插口的与所述插头的套筒对应的极连接至所述麦克风。

7.根据权利要求5所述的移动音频设备，其中，所述控制器还被配置成：如果所连接的声音再现设备被确定为是OMTP设备，则断开开关以将所述第三放大器和所述第四放大器的输出从所述插口的第三极和第四极断开连接，闭合开关以将所述插口的与所述插头的套筒对应的极接地，并且将所述插口的与所述插头的第二环对应的极连接至所述麦克风。

8.根据权利要求4所述的移动音频设备，其中，所述控制器还被配置成：如果所连接的声音再现设备被确定为是3极设备，则断开开关以将所述第三放大器和所述第四放大器的输出从所述插口的第三极和第四极断开连接，并且闭合开关以将所述插口的与所述插头的第二环和套筒对应的极接地，使得所述音频设备通过3极插头传送立体声信号。

9.根据权利要求5所述的移动音频设备，其中，所述控制器还被配置成：如果所连接的声音再现设备被确定为是3极设备，则断开开关以将所述第三放大器和所述第四放大器的输出从所述插口的第三极和第四极断开连接，并且闭合开关以将所述插口的与所述插头的第二环和套筒对应的极接地，使得所述音频设备通过3极插头传送立体声信号。

10.一种从移动音频设备产生平衡立体声信号的方法，所述移动音频设备具有模拟音频输出插口，所述模拟音频输出插口具有4个极并且被配置成容纳与CTIA或OMTP标准对应的3极插头或4极插头，所述方法包括：

测量所述插口的第一极与所述插口的第二极、所述第一极与所述插口的第三极、所述插口的第四极与所述第二极以及所述第四极与所述第三极之间的阻抗以及所述阻抗的变化；

通过将所测量的阻抗与附接的使用3极插头的声音再现设备的期望值、使用对应于CTIA或OMTP标准的4极插头的设备的期望值以及使用能够接受平衡立体声信号的4极插头的设备的期望值进行比较，来确定连接到所述插口的声音再现设备的类型；

如果所附接的声音再现设备被确定为是能够接受平衡立体声信号的设备，则：

将左声道音频信号提供到所述插口的与所述插头的顶端对应的第一极；

将右声道音频信号提供到所述插口的与所述插头的第一环对应的第二极；

将与所述左声道音频信号相反相位的反相左声道音频信号提供到所述插口的第三极；并且

将与所述右声道音频信号相反相位的反相右声道音频信号提供给所述插口的第四极；以及

如果基于所测量的阻抗的变化来将所连接的声音再现设备确定为不再是能够接受平衡立体声信号的设备，则：

将所述反相左声道音频信号和所述反相右声道音频信号从所述输出插口的第三极和第四极断开连接；

将所述麦克风输入端提供到所述输出插口的第三极；并且

将左声道和右声道的公共返回路径和麦克风输入端提供到所述输出插口的第四极。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：如果所述插口被配置成容纳与CTIA标准对应的插头，则提供所述反相左声道音频信号还包括将所述反相左声道音频信号提供到所述输出插口的与所述插头的第二环对应的第三极，并且提供所述反相右声道音频信号还包括将所述反相右声道音频信号提供到所述输出插口的与所述插头的套筒对应的第四极。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括：如果所述插口被配置成容纳与OMTP标准对应的插头，则提供所述反相左声道音频信号还包括将所述反相左声道音频信号提供到所述输出插口的与所述插头的套筒对应的第三极，并且提供所述反相右声道音频信号还包括将所述反相右声道音频信号提供到所述输出插口的与所述插头的第二环对应的第四极。

13.根据权利要求10所述的方法，还包括：如果所附接的声音再现设备被确定为是CTIA设备，则将第三放大器和第四放大器的输出从所述插口的第三极和第四极断开连接，将所述插口的与所述插头的第二环对应的极接地，并且将所述插口的与所述插头的套筒对应的极连接至麦克风。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括：如果所附接的声音再现设备被确定为是OMTP设备，则将所述第三放大器和所述第四放大器的输出从所述插口的第三极和第四极断开连接，将所述插口的与所述插头的套筒对应的极接地，并且将所述插口的与所述插头的第二环对应的极连接至麦克风。

15.根据权利要求10所述的方法，还包括：如果所附接的声音再现设备被确定为是3极设备，则将所述第三放大器和所述第四放大器的输出从所述插口的第三极和第四极断开连接，并且将所述插口的与所述4极插头的第二环和套筒对应的极接地，使得所述音频设备通过3极插头传送立体声信号。

16.一种用于再现立体声音频信号的耳麦，包括：

4极插头；

第一换能器，其能够在平衡模式或非平衡模式下接收音频信号并且具有第一信号连接器和第二信号连接器，所述第一信号连接器连接到所述插头的第一极，并且所述第二信号连接器连接到所述插头的第二极；

第二换能器，其能够在平衡模式或非平衡模式下接收音频信号并且具有第三信号连接器和第四信号连接器，所述第三信号连接器连接到所述插头的第三极，并且所述第四信号连接器连接到开关的第一侧；以及

麦克风，其具有第五信号连接器和第六信号连接器，所述第五信号连接器连接到所述插头的第二极，并且所述第六信号连接器连接到所述开关的第一侧；

所述开关，其具有两个位置并且被配置成：当在第一位置时，将所述第四信号连接器连接到所述插头的第四极并且将所述第六信号连接器从所述插头断开，而当在第二位置时，将所述第四信号连接器连接到所述插头的第二极并且将所述第六信号连接器连接到所述插头的第四极。

17.根据权利要求16所述的耳麦，其中，所述开关还包括双联动两极单掷开关。

18.根据权利要求17所述的耳麦，其中，所述4极插头对应于CTIA标准，所述插头的第一极对应于顶端，所述第二极对应于套筒，所述第三极对应于第一环，并且所述第四极对应于第二环。

19.根据权利要求17所述的耳麦，其中，所述四极插头对应于OMTP标准，所述插头的第一极对应于顶端，所述第二极对应于第二环，所述第三极对应于第一环，并且所述第四极对应于套筒。