剖析3.5mm音频口

2018-03-12 16:07:21 Hardware Audio

3.5mm音频口可以说是我们日常生活中最常使用的接口之一了。但是，你真的了解它吗？

Motivation

万事总有起因。我在暑假的时候（对，你没看错就是暑假，这篇晚了大半年的博客），当时在无锡，由于只带了一个耳麦，而我实验室和宾馆都需要话筒，又不想来回带，就很尴尬。至于为什么实验室需要话筒，那是因为宾馆实在太过无聊，有时候就在实验室待到晚上十一二点再回去，干一天活实在需要调节一下，偶尔就会玩会游戏。于是我就在淘宝上几块钱买了个话筒。然而，神奇的事情发生了。

我在跟老友语音的时候，会出现一种奇怪的现象：他们能在耳机中听到自己的声音！更准确地说，是他们能够听到我电脑上发出的声音！

这就很奇怪了，我又没有把自己电脑上的声音外放出来，也就是说，我的话筒是接收不到我耳机里的声音的，那他们怎么会“听”到声音的呢？

要解答这个疑问，我们还要从3.5mm接口的基本原理说起。

接口结构

3.5mm接口结构的学名叫TRS端子，有多种尺寸，主要有6.35mm、3.5mm、2.5mm等，这里的尺寸指的是接口的直径。至于它为什么叫TRS，它其实是Tip（尖）、Ring（环）、Sleeve（套）的缩写，上面是尖，下面是套，中间是环，如图所示：

尖和套是一定要有的，但环可以根据需要加，常见的有0-2个环的，也就是TS、TRS和TRRS。环越多，可以传输的信号数量越多。

因此，普通双声道耳机需要3个信号，即TRS；而如果是带麦克风的耳机，就需要4个信号了，即TRRS。注意，这里除了左声道(L)、右声道(R)以及带麦耳机所需的麦克风(MIC)信号，必须还要有地线(GND)，因为没有绝对电压而只有相对电压。

在3.5mm接口上传输的是模拟信号，使用电压模拟声波。

常见设备

通常，手机上的耳机插口都是TRRS，而电脑上通常是两个TRS，一个传声音的左右声道，一个传话筒的左右声道。

而为了使得双TRS的耳麦可以插到手机上，产生了转接头，也就是图中的第二个设备。不过我们考虑一下会发现，两个TRS都是3个信号，合并到一个TRRS接口上，信号变成了4个，减少了两个。除去一个共地的GND，还少了一个信号，去哪了呢？其实这是因为它会把LMIC和RMIC合并成一个MIC，而且TRRS本身就是只能传输一个MIC信号的，不存在左右声道。

当然了，也有反过来将TRRS转接成两个TRS接口的转接头。

此外，还有TS麦克风，如图中的第四个设备。如果话筒采用的这种接口，就默认了MIC只有一个声道，这种一般是用在小蜜蜂扩音器上。

解决疑惑

现在，我们可以解答这个“神奇的问题”了。事实上，我买到的话筒是图中的第四个设备。也就是说，它实际上是个TS接口，我把它接到了电脑的TRS母口上。那为什么这样就会导致对方听到我电脑的声音呢？

我们先看一看公口和母口的接口顺序，公口是LMIC和GND，母口是LMIC、RMIC和GND，而一旦我将TS接到TRS上，由于TS的S比较长，它会将母口的RMIC和GND导通，也就是话筒口的RMIC与GND导通，而我们知道话筒口的GND与耳机口的GND是有电路连接起来的，因此耳机口的GND的变化，会影响到RMIC。我们注意这样一个事实，虽然GND是地线，但地线的绝对电压值却不是恒定的，我们保证的只是数据线与地线的电压差。因此存在L、R与GND同时变化带动RMIC的可能性，而这一变化正好与L、R中的声音有关。

经过一番头脑风暴之后，觉得好像还挺有道理！再稍加思考，我们可以得到以下推论：

耳机和TS话筒同插机箱后面板与同插前面板将取得相同的效果。
由于前后面板是不同的电路，耳机和TS话筒一个插前面板一个插后面板不会产生回声。
拔掉耳机而只留下TS话筒会导致回声消失。
将耳机插上之后，用导线导通话筒口的RMIC和GND，则会产生回声。并且，导通LMIC和GND，也会产生相同的效果。
在同一面板插入TS话筒和耳机后，在Realtek驱动中将RMIC调到最大，即只输入RMIC信号，会导致回声增强，若将LMIC调到最大，则几乎没有回声。同理，若不用TS话筒而是用导线导通LMIC和GND，则是LMIC最大时回声最大。

我对于上述推论进行了逐一验证，每一条都是正确的。至于怎么导通面板上话筒口的RMIC和GND，我是剪了一根TRS线，剥开导线进行导通的。其中，黑线是GND，红线是LMIC，黄线是RMIC。

不过，你可能会问一个问题，既然RMIC跟GND导通了，那RMIC就应该没有信号才对啊！这的确也有道理，要是真想把这里面的原因完全搞清楚，可能还得去看板子的电路原理图，我也没有找到很好的资料去研究。但至少我们知道，这里面的电路相对比较复杂，并且L、R的确通过GND影响到了RMIC。

还有什么

为了研究这个问题，我还在淘宝上买了一些其他的设备，只不过都很便宜就是了。具体来说，除了一开始买的TS话筒，我还买了TRS话筒和TRRS话筒。分别是给单声道扩音器、电脑音频接口和手机音频接口使用的。它们分别对应前面图中的4、3、1号设备。可以验证出，它们只能在自己对应的设备上正常工作，而其他都不行。

在买TRRS话筒的过程中，有个有意思的事情。通常淘宝卖家都是训练有素的，尤其是卖电子、电气元器件的，你可以去套取各种信息，不论是商品本身还是相关技术、资料等。于是我问卖家这个TRRS话筒能不能给PC使用，卖家信誓旦旦地跟我说，只要把该话筒插入分线器（图中设备2）的话筒口，再将分线器插入PC话筒口，就能用了。我思考了半天，觉得理论上不可能，因为这线连得都不对嘛。但我还是把它买回来了，还是想亲手试一下。结果不出所料，真的不能用。所以说，有的卖家还是不靠谱啊！

还有另外一个值得说一下的话题，就是TRRS耳机的两种标准的问题。TRRS耳机目前主要有两种标准，分别是OMTP和CTIA。它们的区别只有MIC和GND的顺序（图中设备1、2）早期诺基亚等厂商采用OMTP标准，苹果采用CTIA标准。由于诺基亚等厂商势力强大导致OMTP广泛使用，同时，国家把当时最广泛使用的OMTP纳入了国标。但是这两个标准并不总是一家独大，因此耳机制造商通常会附一个转接线，用于这两个接口的转换。混用（CTIA耳机插到OMTP或者OMTP耳机插到CTIA）可能会导致消音/不出声的结果。不过人民群众发现按住线控可以使得耳机可以正常出声，这是为什么呢？其实是因为按住线控会导致MIC与GND接通，这时MIC和GND的位置关系就没有影响了，都是GND了。不过这也就导致耳机的MIC没用了。

另外，现在的手机都可以自己识别并转换CTIA和OMTP，因此耳机是什么标准也就不重要了，也不会附一个转接线了。

2018-04-01 UPDATE: 今天WXC告诉我他悟道了一条推论：TRRS孔的笔记本电脑插TRS耳机不会屏蔽笔记本自带的话筒，因为MIC接地了。