基于FM1182芯片的便攜消噪麥克風(fēng)系統(tǒng)研制

　　0 引言

　　在通信過程中語音信號不可避免地受到來自周圍環(huán)境、傳輸媒介等引入的噪聲影響。在語音信號處理中， 背景噪聲降低語音質(zhì)量的現(xiàn)象是非常普遍的。因此， 設(shè)法從噪聲污染的語音信號中濾除噪聲， 提高語音信號的信噪比就成為語音消噪研究中的一個重要方向。現(xiàn)在大量技術(shù)被用于抑制信道中的噪聲干擾， 以提高通信的質(zhì)量。背景噪聲的混入不但使通話質(zhì)量明顯下降， 還會增加移動設(shè)備的電耗。該系統(tǒng)主要是用于對信源部分的背景噪聲進(jìn)行處理。采用了美國富迪公司的FM1182 為核心芯片， 以MAXIM 公司MAX9812L 芯片為輔助芯片。電路采用雙麥克風(fēng)作為輸入， 分別用于拾取純噪聲和混有背景噪聲的語音信號。兩路信號最終在FM1182 內(nèi)部的DSP 芯片處進(jìn)行處理， 得到消噪之后的信號。DSP 芯片具有穩(wěn)定性好，精度高的特點(diǎn)， 16 位處理器可以達(dá)到10- 5 的精度。

　　此系統(tǒng)的供電電壓在3 V 左右， 功耗低， 可以采用一對7 號電池進(jìn)行供電， 充分地體現(xiàn)了便攜性的特點(diǎn)。

　　1 消噪方案的選擇

　　對于消噪麥克風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計， 曾考慮過3 種方案。

　　方案1: 采用麥克風(fēng)陣列技術(shù)。采用延時累加波束法， 通過延時控制補(bǔ)償從聲源到每個麥克風(fēng)的延時，對每個麥克風(fēng)接收到的信號進(jìn)行校正。此方法分為3 個部分， 即時間延遲估計、時間延遲補(bǔ)償及累加部分。但實際應(yīng)用中信噪比的增加與麥克風(fēng)的關(guān)系為10log10 M( M 為麥克風(fēng)數(shù)量)， 需要較多的麥克風(fēng)以獲得較高的消噪性能， 在便攜性以及能耗、成本等方面均不符合本設(shè)計的要求。

　　方案2: 采用雙麥克風(fēng)反向消噪原理。用麥克風(fēng)分別拾取帶有背景噪聲的語音信號和純噪聲信號， 2 個麥克風(fēng)相距1 m 以內(nèi)， 以保證噪聲的高相干性。先對信號分別進(jìn)行300~ 3 400 Hz 的前置濾波， 然后通過減法器電路， 做相消處理得到降噪信號。該系統(tǒng)采用 ±5 V穩(wěn)壓電源。但在測試中發(fā)現(xiàn)， 由于較低的集成度， 過多的器件與走線， 導(dǎo)致內(nèi)部自激噪聲， 線路串?dāng)_噪聲等相互疊加， 最終使信號的質(zhì)量變得很差。 ±5 V 的供電使系統(tǒng)能耗較大， 并降低了靈活性。

　　方案3: 該方案由方案2 的改進(jìn)而來。為了提高電路的集成度， 采用較少的元件實現(xiàn)消噪功能。經(jīng)過對比性能以及價格、體積、能耗的綜合指標(biāo)， 最終選擇了FM1182 作為電路的核心芯片。同時在前置放大電路中， 采用了高信噪比、低能耗的MAX9812L 芯片。元件集成度的提高， 以及總體數(shù)量的減少， 大大提高了電路的可靠性， 減小了電路的體積， 增加了便攜性。同時采用低能耗的芯片， 使電路可采用3 V 左右的小電源低電流驅(qū)動， 使用時間更長， 靈活性大大提高。故最終選擇了方案3。

　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　FM1182 是美國富迪科技公司最新推出的低功耗高性能的芯片。FM1182 為語音接口市場提供了一個最優(yōu)化的方案。應(yīng)用包括車載具有典型應(yīng)用時30~35 mW的極低功耗。通過兩條途徑達(dá)到低功耗： 首先，集成硬件加速器幫助主數(shù)字信號處理器卸載高強(qiáng)度處理， 允許芯片工作在最佳的速度; 其次， FM1182 采用富迪科技的專利AMBIN 語音處理算法， 確保最高的效率。對于功率有限的便攜設(shè)備， FM1182 提供一個合適的有回聲消除和噪聲抑制的方案， 它具有高度集成度單芯片， 極低功耗( 30~ 35 mW) , 強(qiáng)大的AEC ( 聲學(xué)回聲消除) ( 60 dB) , 出色的全雙工性能， 差分輸入/ 輸出減少射頻( RF) 干擾， 提高抗擾能力， 動態(tài)范圍控制( DRC) 提高聲音的可懂度， 側(cè)音消除25~ 35 dB, 消除聲學(xué)回聲尾長度覆蓋： 64~ 100 ms, 小尺寸的特點(diǎn)。因此非常符合本電路便攜、低耗、高性能、低價的設(shè)計初衷。

　　一般數(shù)字消噪過程分為： 拾音、放大、抗混疊濾波、模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換， DSP 處理。此設(shè)計采用FM1182 為核心處理芯片， MAX9812L 作為輔助芯片。整個工作過程：

　　首先， 含有背景噪聲的語音信號由Mic0 拾取，經(jīng)過由MAX9812L 芯片構(gòu)成的高信噪比低功耗放大電路之后， 通過Line_In 接口被輸送給FM1182 芯片。而純噪聲信號由Mic1 吸取， 通過Mic_In 接口進(jìn)入FM1182 芯片， 兩路信號通過模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入DSP 芯片。消噪算法的代碼存儲在內(nèi)部存儲器中， DSP 芯片由存儲器中的消噪算法代碼控制進(jìn)行運(yùn)算。經(jīng)過硬件加速器的助推后， 能夠在較小能耗的代價下使DSP 芯片運(yùn)算速度大幅度提高。經(jīng)過DSP 芯片處理后的信號為最終信號， 通過數(shù)/ 模轉(zhuǎn)化芯片輸出， 以供后續(xù)使用， 可用于有線或者用于無線通信。便攜消噪麥克風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

　　圖1 便攜消噪麥克風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2. 1 前置麥克風(fēng)放大電路

　　麥克風(fēng)前置放大電路采用MAX9812L 芯片制作，內(nèi)置單個20 dB 固定增益放大器， 尺寸小， 具有業(yè)界頂級水平的100 dB 電源抑制比， 極低的THD + N( 0. 015% ) , 230μ A 工作電流。處于關(guān)閉模式時， 可將電源電流及偏置電流總和降低至100 nA，并且可以在2. 7~ 3. 6 V的電壓范圍下工作， 為本產(chǎn)品提供了高信噪比、低能耗、便攜的解決方案。IN 引腳是信號輸入引腳， 聲音通過迷你麥克風(fēng)轉(zhuǎn)變成微弱的電流， 芯片通過IN 引腳接收。BIAS 引腳為電壓補(bǔ)償引腳， 能確保在多種供電電壓下正常驅(qū)動麥克風(fēng)工作， 并降低電壓的波動對信號處理的影響。

引腳用來控制控制電路的運(yùn)行狀態(tài)， 當(dāng)將

引腳與VCC 連接時， 電路正常工作; 當(dāng)將

與GND 連接時， 電路處于關(guān)閉狀態(tài)。此處， 將

接到電源置高電平。OUT 為輸出引腳， 經(jīng)過MAX9812L 放大的信號， 由此接口輸出， 供下一級電路處理。此處連接到FM1182 芯片。麥克風(fēng)前置放大電路如圖2 所示。

　　圖2 麥克風(fēng)前置放大電路

　　2. 2 消噪運(yùn)算電路

　　2. 2. 1 FM1182

　　芯片電路作為核心電路部分， 運(yùn)算電路采用美國富迪公司的FM1182 芯片， 該芯片具有低功耗、高效率的特點(diǎn)， 適合本電路的便攜型設(shè)計的要求。該芯片一共有48 個引腳， 其中真正作用的引腳為44 個。SPK_OU T _N, SPK_OUT _P: 作為揚(yáng)聲器輸出接口。EP/ SCL: 接到3. 3 V 的電源處置高電平。XTAL _ IN, XTAL _OU T: 在相同數(shù)量的ALU 的條件下， 為了獲得更高的性能， 高速DSP 是關(guān)鍵。所以電路采用13 MHz 的晶振。VOL+ : V OL - : 用于調(diào)節(jié)輸出的音量， 這里使用默認(rèn)值， 故通過1 k Ω的電阻接地。RESET : 用于電路的復(fù)位。芯片允許使用內(nèi)置SAM 微型麥克風(fēng)陣列技術(shù)以提高拾音的方向性。但此電路為了使獲得的噪聲具有更高的相干性， 且背景噪聲等彌散噪聲頻率幅度變化緩慢， 采用單麥克風(fēng)輸入。故將MIC0_P, MIC0_N 接麥克風(fēng)。MIC1_P, MIC1_N 接地。LINE_IN: 接收前置麥克風(fēng)放大電路的信號輸入。LINE _OUT : 輸出模擬信號。FM1182 芯片電路原理圖如圖3 所示。[!--empirenews.page--]

　　圖3 FM1182 芯片電路原理圖

　　2. 2. 2 E2 PROM 芯片24LC02B

　　電路中使用了24LC02B 芯片來同步時鐘信號。當(dāng)時鐘線SCL 為高電平時， 數(shù)據(jù)線SDA 由高電平跳變?yōu)榈碗娖蕉x為“開始”信號; 當(dāng)SCL 線為低電平時， SDA線發(fā)生低電平到高電平的跳變?yōu)?ldquo;結(jié)束”信號。分別接FM1182 的SCL 和SDA 引腳。因為不需要外部片選，所以A0, A1, A 2 三個引腳接地。

　　2. 3 供電電源

　　該系統(tǒng)采用3 V 的電壓供電， 使用一對7 號的干電池。經(jīng)測試使用一對南孚聚能環(huán)7 號電池， 在默認(rèn)狀態(tài)下可以續(xù)航20 h 之久。

　　3 實驗數(shù)據(jù)

　　在測試過程中， 用播放錄制的汽車噪音來模擬汽車噪聲現(xiàn)場。采用了一個對照組和一個實驗組。對照組只使用MA X9812L 芯片電路， 實驗組使用MAX9812L芯片電路和FM1182 電路， 分別將兩路信號輸入到計算機(jī)中， 用WaveCN2. 0. 0. 5 軟件將信號捕捉錄制下來，以圖形的形式展示出來。圖4 為無噪聲下語音信號。

　　默認(rèn)音量下， 對捕捉到的3 條曲線， 分別取同時段的1 s, 近似處理后， 計算曲線面積來分別作為信號功率S1= 11. 2 mW, S2= 20. 4 mW, S 3= 12. 1 W, 圖5 中噪聲功率N 1 = S 2 - S1 = 9. 2 mW, 圖6 中噪聲功率為N2 = S3 - S 2= 0. 9 mW。所以未處理前性信噪SN R=10lg ( S1 / N1 ) = 0. 85 dB, 處理之后輸出信噪比為SNR= 10lg( S1 / N 2 ) = 10. 9 dB。通過對錄制的音頻以及波形信號計算分析發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)無消噪電路時， 語音信號淹沒在汽車噪音之中， 疊加的結(jié)果致使接收者只能勉強(qiáng)識別其中一小部分的信息。當(dāng)使用了消噪系統(tǒng)以后， 大部分的汽車噪聲已被削減。語音信號可以輕易被接收者識別。

　　圖4 無噪聲下的語音信號

　　圖5 汽車背景噪聲下拾取到的語音信號

　　圖6 經(jīng)過消噪電路或獲得的語音信號

　　4 結(jié) 語

　　該電路實現(xiàn)了高效， 便攜， 低耗能的特點(diǎn)。可以廣泛的應(yīng)用于車載免提功能( 例如前裝車載免提， 后裝市場車載免提) , 手持移動設(shè)備( 例如： 智能電話， 個人數(shù)字助理) , 個人計算機(jī)/ VoIP。該降噪系統(tǒng)亦可用于無線通信的收發(fā)端。在對噪聲要求越來越高的今天， 低價便攜高效的降噪設(shè)備將具有越來越大的市場。