一種耳機、相應的音源設備以及控制方法

2023-04-30 15:28:16

專利名稱：一種耳機、相應的音源設備以及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種耳機、相應的音源設備以及控制方法。
背景技術：
現在，隨著技術的發展，越來越多的音源設備如MP3、DVD播放器、電視機、收音機、 電話、手機等出現在人們的生活中，給人們的生活增添了樂趣。在使用這些設備的時候，一 般有兩種方法輸出音頻，一種是揚聲器，一種是耳機。在使用耳機作為音頻輸出裝置的時 候，耳機一般分為有線耳機以及無線耳機；此外，按照聲道來分，耳機又被分為單聲道耳機、 雙聲道耳機(又稱立體聲耳機)、以及多聲道耳機(又稱為環繞聲耳機)。從市場上出售的耳 機來看，不同的廠家生產的耳機都各不相同，接口標準也不是特別統一；尤其是高端耳機產 品，產品的通用性比較差。此外，不同設備之間的耳機之間通用性也比較差，手機上使用的 耳機就不能很好的在其它音源設備上使用。此外，不同品牌的手機耳機也不能很好兼容，相 同品牌不同型號的手機耳機也不能很好兼容。這樣，造成了耳機資源的極大浪費。在通用性耳機的發展過程中，接口統一是從物理上讓耳機實現了統一，但只有接 口的統一併不能讓耳機的功能全面發揮，耳機的控制也必須做到統一才能全面發揮耳機的 功能，並促進耳機技術的不斷更新。圖1是現有耳機與的連接圖，兩者之間一般有三條線，即左聲道、右聲道以及地 線。但是音源設備與耳機之間只是簡單的連接，音源設備不能根據耳機的特性改變輸出信號。

發明內容
本發明的目的是提供一種耳機、相應的音源設備以及控制方法，使耳機與音源設 備之間不僅接口兼容，而且在功能上也能相互兼容。本發明是這樣實現的
一種耳機，所述耳機包括耳機功能特性存儲器，用於存儲耳機的功能參數。更進一步，所述功能參數包括耳機的阻抗。更進一步，所述功能參數包括耳機是否帶有音頻解碼單元及支持格式。更進一步，所述功能參數包括耳機的聲道數。更進一步，所述功能參數包括耳機的頻率響應曲線。更進一步，所述耳機包括音頻信號通道、控制信號通道以及電源通道。更進一步，所述存儲器是E2PR0M存儲器。本發明還提供一種音源設備，所述音源設備包括耳機功能參數讀取模塊，當所述 音源設備與耳機連接後，所述耳機功能參數讀取模塊讀取耳機功能參數，所述音源設備根 據所述讀取的功能參數來調整自身的工作方式以適應所述耳機的工作。本發明還提供一種耳機與音源設備的控制方法，所述方法包括，所述音源設備讀 取所述耳機功能特性存儲器上存儲的功能特性數據；所述音源設備根據功能特性數據調整所述音源設備的音頻輸出控制參數，並輸出音頻信號。本發明還提供一種耳機與音源設備的控制方法，所述方法包括，開機時，首先開啟 耳機電源，然後在Tl時間開啟音源設備與耳機之間的控制信號通路，在T2時間開啟音頻信 號通路；在T3時間關閉所述音頻信號通路，在T4時間關閉所述控制信號通路，在T5時間關 閉所述耳機電源。更進一步，T3=T4=T5。採用上面的方法後，音源設備與耳機不僅在接口上能統一，而且在功能上也能統 一，同一音源設備可以適應不同性能的耳機，在功能上相互支持、合理擴展，支持更多選擇， 並保持最佳輸出。


圖1是現有耳機與的連接圖； 圖2是本發明的實施例示意圖； 圖3是耳機的頻率響應曲線；
圖4是圖3所示的耳機頻率響應曲線各個頻率點所對應的幅度； 圖5為本發明的耳機的典型架構圖之一； 圖6是不同耳機佩戴形式的顯示示意圖； 圖7為耳機幾種通訊方式的顯示示意圖； 圖8是音源設備與耳機之間各個通路的開關順序； 圖9是音源設備與耳機之間各個通路開關時序圖； 圖10是採用本發明方案的音源設備和耳機連接之後的控制方法； 圖11為本發明的耳機的一種簡化版架構圖； 圖12為本發明的有線/無線耳機的架構圖。
具體實施例方式本發明的主要原理是在耳機中加入耳機功能特性存儲器，音源設備與耳機之間具 有電源接口、控制信號接口與音頻信號接口。圖2是本發明的實施例示意圖。音源設備與耳機之間具有電源接口、控制信號接 口與音頻信號接口，其中，電源接口用於給耳機供電，音頻信號接口用於給耳機提供音頻信 號，控制信號接口用於音源設備與耳機之間進行通信交互。通過控制接口，音源設備與耳機 之間不僅能進行功能上的相互操作，如通過耳機上的按鍵來控制音源設備，如音量調節、曲 目選擇等，而且音源設備能夠通過控制接口讀取耳機中耳機功能特性存儲器中存儲的耳機 功能特性數據，音源設備根據獲得的功能特性數據改變輸出的音頻信號格式或者根據獲得 的功能特性數據對音頻信號進行音效處理後輸出。需要指出的是，本發明所說的接口，可以 是有線接口，也可以是無線接口。這些接口可以是分離的，也可以是合併的。典型的，USB (Universal Serial Bus，通用串行總線)可以很好的適應本發明的需要，它既可以作為充電 接口，也可以作為控制接口，還可以作為音頻接口。對於耳機，有一些重要的參數，如下所示
1)耳機的阻抗，即電阻與電抗在向量上的和。在臺式機或功放、VCD、DVD電視等有耳機插孔輸出的機器上，一般使用中高阻抗的耳機比較適宜。如果使用低阻耳機，一定先要把音 量調低再插上耳機，再一點點把音量調上去，阻止耳機過載將耳機燒壞或是音圈變形錯位 造成破音，阻抗的耳機一般比較容易推動，因此隨身聽等便攜、省電的機器應選擇低阻抗耳 機，同時還要注意靈敏度要高，對隨身聽來說靈敏度指標更加重要。2)耳機的靈敏度，指向耳機輸入1毫瓦的功率時耳機所能發出的聲壓級(聲壓的 單位是分貝，聲壓越大音量越大)，所以一般靈敏度越高、阻抗越小，耳機越容易出聲、越容 易驅動。通俗的講，耳機的靈敏度就是指在同樣的在這裡的情況下，需要輸入的功率的大 小，靈敏度越高所需要的輸入功率越小。對於隨身聽等便攜設備來說，靈敏度是一個很值得 重視的指標。3)耳機的換能方式根據其換能方式，主要分為動圈方式、靜電式和等磁式。4)耳機的佩帶形式根據其佩戴方式，主要分為耳塞式，掛耳式和頭帶式。5)耳機是模擬還是數字傳統的耳機為模擬的，如圖1所示。音頻信號以模擬的 方式進入，直接輸出到耳機並驅動耳機的線圈。數字式耳機接收數字音頻信號，在耳機內進 行數模轉換後驅動耳機的線圈。更高級的數字式耳機還包括音頻解碼單元，用於對輸入信 號進行解碼，以及音頻處理單元，用於對數字音頻進行音效處理。6)如果是數字耳機，是否帶有音頻解碼單元。音頻解碼單元可以對傳輸過來的不 同格式的音頻數位訊號流進行解碼，如PCM(Pulse Code Modulation，脈衝編碼調製)格式、 MP3 格式、WMA (Windows Media Audio)格式、RA (RealAudio)格式、等等。7)如果帶有音頻解碼單元，支持哪些格式，如PCM (Pulse Code Modulation，脈衝 編碼調製)格式、MP3 格式、WMA (Windows Media Audio)格式、RA (RealAudio)格式、等等。8)是否帶有音效處理單元。9)耳機通訊方式有線耳機、無線耳機、還是有線/無線耳機，其中，有線/無線耳 機是指耳機既可以作為有線耳機、也可以作為無線耳機，取決於用戶的選擇。10)耳機聲道單聲道、雙聲道、多聲道環繞聲，等等。11)耳機的頻率響應曲線。圖3是耳機的頻率響應曲線，即頻率所對應的靈 敏度數值就是頻率響應，繪製成圖像就是頻率響應曲線，人類聽覺所能達到的範圍大約 在20Hz-20000Hz，目前成熟的耳機工藝都已達到了這種要求。優秀的耳機頻響寬度可達 5Hz-40000Hz。從圖中可以看到，該耳機的頻響寬度為20Hz_20000Hz，在200Hz到15000Hz 之間具有較好的頻響特性。圖4以列表的形式給出了圖3所示的耳機頻率響應曲線各個頻 率點所對應的幅度。圖5為本發明的耳機的典型架構圖之一。音頻信號從音源設備輸出，通過音頻信 號接口進入耳機，音頻解碼單元對輸入的音頻信號數據流進行解碼，音頻處理單元對解碼 後的音頻信號進行音效處理，如低音增強、人聲清晰、等等，在現有技術中有很多音效處理 的方式。經過音效處理的信號經過數模轉換後就可以輸出到耳機驅動單元，如線圈。控制 信號用於耳機與音源設備交互，輸出給耳機的主控單元，主控單元不僅可以對內部各個單 元進行控制，而且還可以與音源設備通信，傳遞控制信號。耳機功能特性存儲器存儲上面所 提到的耳機參數，典型的是E2PR0M存儲器或者FLASH存儲器。另外，存儲器可以是單獨的， 也可以與控制程序在一起，作為程序的數據，音源設備通過與耳機通信獲取該數據。另外， 數據也可以是單獨的E2PR0M，當音源設備與耳機連接後，該存儲器作為音源設備的一部分，但其物理上位於耳機內，音源設備只要採用普通E2PR0M的操作方式就可以讀取該數據，這 種方式原理與顯示器中的DDC (DISPLAY DATA CHNNEL，顯示數據通道)協議中基本相同。 當耳機音源設備讀取到這些參數後，就可以根據這些參數來改變自身的配置，優化內部控 制及調整音頻輸出的方式。液晶顯示單元用於耳機的重要信息的顯示。按鍵單元即用於耳 機自身的控制，也作為線控設備控制音源設備。電源輸入到耳機後，電源分配單元就為各個 單元分配電力，以支持各部分正常功能的運作。為了更好的說明本發明，耳機功能特性存儲器存儲的數據如下
1)耳機的阻抗200歐姆；
2)耳機的靈敏度65db；
3)耳機的換能方式動圈方式；
4)耳機的佩帶形式耳塞式；
5)耳機是模擬還是數字數字；
6)帶有音頻解碼單元；
7)支持格式PCM、MP3、WMA；
8)帶有音效處理單元；
9)耳機通訊方式有線耳機；
10)耳機的聲道雙聲道；
11)耳機的頻率響應曲線數據如圖4所示。通過上面存儲的數據，音源設備就知道耳機的功能特性，從而根據耳機的功能特 性來改變其自身的控制以及音頻信號和控制信號的輸出，下面分別說明。1)耳機的阻抗當音源設備獲取耳機的阻抗後，根據阻抗的大小，來自動調節耳 機的輸出音量。耳機的阻抗按照高中低來劃分，如果耳機的阻抗低於16歐姆，則屬於低阻 抗；如果高於16歐姆且小於100歐姆，則屬於中阻抗；如果高於100歐姆，則屬於高阻抗。 如果音源設備讀取耳機的阻抗後，判斷其為低阻抗，則音源設備不應當輸出過大的音量，以 免燒壞耳機，或者損傷用戶的耳朵，尤其是在用戶插入耳機的瞬間。舉例來說，對於低阻抗 耳機，如果接通耳機時音源設備輸出音量值較大，則音源設備會自動將音量輸出調整到一 個合適的較低的值，此後再讓用戶自己根據自己需要去調節，避免在插入耳機瞬間損壞耳 機；同樣，對於動態範圍較大的樂曲，在高音區域，如果此時輸出音量值比較大，也有可能損 壞耳機，當遇到高音的情況，如果此時輸出音量比較高，則系統自動降低音量到一個合適的 值，避免燒壞耳機。對於阻抗為中、高級別耳機，遇到上述情況時，則可以將需要調節的音量 門限值設置的高一些，或者簡單一點，音源設備對音量輸出不進行任何處理。2)耳機的靈敏度靈敏度通常與耳機的阻抗相關聯，一般阻抗低，靈敏度會高；阻 抗高，靈敏度低。音源設備獲取該參數用於參數顯示，即將參數在音源設備的顯示單元上顯 示出來，或者用於適應將來音源設備的某種需要。3)耳機的換能方式這裡用於適應將來音源設備的某種需要。4)耳機的佩帶形式音源設備根據耳機的佩戴形式，以不同的圖形來顯示不同的 耳機佩戴形式，如圖6所示，其中A為耳塞式，B為掛耳式，C為頭帶式。5)耳機是模擬還是數字如果耳機是模擬的，則系統直接輸出模擬的音頻信號，如 果耳機是數字的，則輸出數位訊號，但具體格式要根據後面的參數來定。
6)帶有音頻解碼單元如果帶有音頻解碼單元，則可以輸出經過編碼的數字音頻 信號，編碼格式參照後面的支持格式參數。如果沒有音頻解碼單元，則必須輸出經過解碼後 的音頻數位訊號，經過解碼後的數字音頻信號以PCM格式輸出到耳機，然後經過數模轉換 後輸出。7)支持格式支持格式表明耳機解碼單元能夠解碼的格式。當音源設備和耳機 解碼單元都支持某種音頻格式的時候，音源設備可以解碼後輸出也可以不解碼輸出。當音 源設備支持某種音頻格式的時候而耳機解碼單元不支持時，音源設備解碼該音頻格式後以 PCM格式輸出到耳機；當音源設備不支持某種音頻格式，而耳機解碼單元支持該音頻格式， 則音源設備輸出未解碼的音頻數據給耳機，供耳機解碼輸出。當音源設備和耳機解碼單元 都不支持某種音頻格式的時候，音源設備就顯示不支持該音頻格式。這樣，當耳機未與音源 設備連接的時候，音源設備對外顯示其自身所具有的解碼能力，即其能解碼的格式；當耳機 與音源設備連接的時候，音源設備對外顯示其自身所具有的解碼能力以及耳機所具備的解 碼能力。8)如果耳機帶有音效處理單元，則音源設備的音效處理能力就是音源設備的音效 處理能力以及耳機音效處理能力的總和，系統可以選擇是單獨由耳機或者音源設備進行音 效處理，還是一起來進行音效處理，或者都不進行音效處理而直接輸出。9)耳機通訊方式音源設備根據耳機的通訊方式，以不同的圖形來顯示不同的耳 機通訊方式，也就是耳機所支持的通訊方式。音源設備即顯示耳機所支持的通訊方式，也顯 示耳機當前的工作方式，尤其對於有線/無線耳機，系統會根據當前通訊方式來顯示其工 作方式為有線還是無線，同時顯示耳機所支持的通訊方式。圖7為耳機幾種通訊方式的顯 示示意圖，其中A為有線耳機，B為無線耳機，C為有線/無線耳機，且當前工作方式為有線 方式，D為有線/無線耳機，且當前工作方式為無線方式。10)耳機的聲道根據耳機的聲道信息，以及當前所播放節目的聲音通道來提供不 同的輸出。如果節目是單聲道，則不管耳機是何類型，都只輸出單聲道。如果節目是雙聲道， 對於單聲道耳機，就有三種選擇左聲道、右聲道、以及左右聲道的合成；對於雙聲道耳機， 則直接輸出；對於多聲道耳機，也只輸出左右聲道。如果節目是多聲道，對於單聲道耳機，及 雙聲道耳機，都可以有多種組合形式輸出；對於多聲道耳機，則直接輸出多聲道音頻信號。11)耳機的頻率響應曲線音源設備讀取頻率響應曲線各個頻率點以及相應的幅 度後，則根據該曲線對輸出音頻信號進行處理。以下是幾種常見的處理方式。A方式音源設備根據耳機的頻率響應曲線，獲取表現最佳的頻率範圍，對於圖4， 最佳頻率範圍為200Hz至15000Hz，則音源設備只對該範圍的音頻信號進行處理，對超出該 範圍的則可以忽略不處理，從而提高系統的處理速度。B方式對於理想耳機的頻率響應曲線，其曲線應該是一條水平線，即對各個頻率 的響應都是一樣的，但實際很難做到。為此，音源設備可以按照一定的算法對音頻信號進行 處理，從而獲得近似理想的效果。簡單的處理方式是獲取耳機最佳頻率範圍的平均響應幅 度，然後根據該平均響應幅度，對各個頻率的音頻信號，按照其實際響應幅度與平均響應幅 度的差值，高出平均響應幅度的，則音效處理時減小該頻率的輸出強度，低於平均響應幅度 的，則音效處理時增加該頻率的輸出強度，最後合成後輸出。以圖4為例，200Hz至15000Hz 為最佳頻率範圍，其平均響應幅度為
7((-5)+ (-3)+ (-0. 5) +0+3+ (-3)+2+ (-5))/8 = -1. 43 (dBr) 從上面的計算可以看出，其取特徵頻率的響應幅度的平均值。對於200Hz，其實際響應 幅度為-5，未達到-1. 43，則音效處理單元可以提高該頻率分量3. 57dBr後再輸出。對於 10000Hz，其實際響應幅度為2，超過-1. 43，則音效處理單元可以降低該頻率分量3. 43dBr 後再輸出。實際的處理可能各有差異，但基本原理都基本相同或近似。上面描述了如何通過存儲的耳機的功能特性數據，音源設備根據耳機的功能特性 來改變其自身的控制以及音頻信號和控制信號的輸出。下面從整體來描述音源設備與耳機 如何協同工作的。圖8是音源設備與耳機之間各個通路的開關順序。在音源設備開機時，首先接通 耳機電源，然後打開音源設備與耳機之間的控制信號通路，接下來，開啟音頻信號通路。這 時，系統開始正常工作。當關閉系統時，首先，關閉音頻信號通路，然後關閉控制信號通路， 最後關閉連接音源設備與耳機之間的電源通路或者關閉耳機電源(在耳機獨立供電時)。圖9是音源設備與耳機之間各個通路開關時序圖。耳機電源開啟後，在Tl時間打 開控制信號，T2時間打開音頻信號，T3時間關閉音頻信號，T4時間關閉控制信號，T5時間 關閉耳機電源。一般來說，T1<T2<T3<T4<T5，但T3，T4及T5可以相等。圖10是採用本發明方案的音源設備和耳機連接之後的控制方法。首先，音源設備 讀取耳機功能特性存儲器上存儲的功能特性數據，然後，音源設備根據功能特性數據調整 音源設備的音頻輸出控制參數，最後輸出音頻信號。對於不同的功能特性數據音源設備有 不同的做法，前面也有描述，這裡不再贅述。圖11為本發明的耳機的一種簡化版架構圖。音頻信號從音源設備輸出，通過音頻 信號接口進入耳機並輸出到喇叭。控制信號用於耳機與音源設備交互，輸出給耳機的主控 單元，主控單元不僅可以對內部各個單元進行控制，而且還可以與音源設備通信，傳遞控制 信號。耳機功能特性存儲器存儲上面所提到的耳機參數，典型的是E2PR0M存儲器。音源設 備讀取到這些參數後，就可以根據這些參數來改變自身的配置，優化內部控制及調整音頻 輸出的方式。電源輸入到耳機後，電源分配單元就為各個單元分配電力，以支持各部分正常 功能的運作。圖12為本發明的有線/無線耳機的架構圖。該耳機既包括了有線接口，也包括了 無線接口。從有線接口以及無線接口可以傳輸控制信號和音頻信號。分離出的音頻信號輸 送給喇叭，而分離出的控制信號輸出給耳機的主控單元，主控單元不僅可以對內部各個單 元進行控制，而且還可以與音源設備通信，傳遞控制信號。耳機功能特性存儲器存儲上面所 提到的耳機參數，典型的是E2PR0M存儲器。音源設備讀取到這些參數後，就可以根據這些 參數來改變自身的配置，優化內部控制及調整音頻輸出的方式。電源輸入到耳機後，電源分 配單元就為各個單元分配電力，以支持各部分正常功能的運作。需要指出的是，該實施例首 先是提供了一種兼容有線/無線的新型耳機，然後是提供了耳機功能特性存儲器。音頻信 號、控制信號的融合分離方法存在多樣性的選擇，並不限於本實施例，如音頻信號以及控制 信號的分離可以由主控單元來完成。對於有線/無線耳機，最大的好處是用戶可以選擇，有 線接口雖然不那麼用戶友好，但沒有輻射，而無線接口是具有較大的輻射的。如果音源設備 和耳機檢測到有線連接時，會終止無線接口的傳輸，反過來，如果檢測到有線斷開時，雙方 就會啟動無線接口。而且，在有線傳輸時，電源也是有線接口的一部分，可以對電源部分進，並為各個部分提供電力；當無線傳輸時，耳機內部電源開始工作，為各個部分提供 電力。 最後應說明的是以上實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案，本領域的 普通技術人員可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和範圍的任何 修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求保護範圍內。
權利要求
一種耳機，其特徵在於，所述耳機包括耳機功能特性存儲器，用於存儲耳機的功能參數。
2.如權利要求1所述的耳機，其特徵在於，所述功能參數包括耳機的阻抗。
3.如權利要求1所述的耳機，其特徵在於，所述功能參數包括耳機是否帶有音頻解碼 單元及支持格式。
4.如權利要求1所述的耳機，其特徵在於，所述功能參數包括耳機的聲道數。
5.如權利要求1所述的耳機，其特徵在於，所述功能參數包括耳機的頻率響應曲線。
6.如權利要求1至5中任意一項所述的耳機，其特徵在於，所述耳機包括音頻信號通 道、控制信號通道以及電源通道。
7.一種音源設備，其特徵在於，所述音源設備包括耳機功能參數讀取模塊，當所述音源 設備與耳機連接後，所述耳機功能參數讀取模塊讀取耳機功能參數，所述音源設備根據所 述讀取的功能參數來調整自身的工作方式以適應所述耳機的工作。
8.一種耳機與音源設備的控制方法，其特徵在於，所述方法包括，所述音源設備讀取所 述耳機功能特性存儲器上存儲的功能特性數據；所述音源設備根據功能特性數據調整所述 音源設備的音頻輸出控制參數，並輸出音頻信號。
9.一種耳機與音源設備的控制方法，其特徵在於，所述方法包括，開機時，首先開啟耳 機電源，然後在Tl時間開啟音源設備與耳機之間的控制信號通路，在T2時間開啟音頻信號 通路；在T3時間關閉所述音頻信號通路，在T4時間關閉所述控制信號通路，在T5時間關閉 所述耳機電源。
10.如權利要求9所述的控制方法，其特徵在於，T3=T4=T5。
全文摘要
一種耳機，所述耳機包括耳機功能特性存儲器，用於存儲耳機的功能參數。一種音源設備，所述音源設備包括耳機功能參數讀取模塊，當所述音源設備與耳機連接後，所述耳機功能參數讀取模塊讀取耳機功能參數，所述音源設備根據所述讀取的功能參數來調整自身的工作方式以適應所述耳機的工作。採用上面的方法後，音源設備與耳機不僅在接口上能統一，而且在功能上也能統一，同一音源設備可以適應不同性能的耳機，在功能上相互支持、合理擴展，支持更多選擇，並保持最佳輸出。
文檔編號H04R1/10GK101945314SQ201010298420
公開日2011年1月12日 申請日期2010年10月2日 優先權日2010年10月2日
發明者張沈平 申請人:張沈平