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标题: 基于FM1182芯片的便携消噪麦克风系统研制 [打印本页]

作者: admin 时间: 2015-5-1 19:14
标题: 基于FM1182芯片的便携消噪麦克风系统研制
　　摘要：为了提高语音信号的质量，降低在语音拾取过程中背景噪声的干扰，设计了以FM1182 为核心芯片的系统，该系统使用了双麦克风拾音技术。拾取到的两路信号，分别为混有背景噪声的语音信号和纯噪声信号，经过低噪的前置放大后，进入DSP 芯片进行消噪运算，芯片采用AMBIN 算法。通过实际电路的测试结果表明，湮没在噪声信号中的语音信号被成功提取。该系统具有集成度高，便携，成本低的特点，在保证有较高噪声处理效率的同时维持超低功耗，消噪效果十分明显，并具有较宽的噪声处理范围。　　0 引言
　　在通信过程中语音信号不可避免地受到来自周围环境、传输媒介等引入的噪声影响。在语音信号处理中，背景噪声降低语音质量的现象是非常普遍的。因此，设法从噪声污染的语音信号中滤除噪声，提高语音信号的信噪比就成为语音消噪研究中的一个重要方向。现在大量技术被用于抑制信道中的噪声干扰，以提高通信的质量。背景噪声的混入不但使通话质量明显下降，还会增加移动设备的电耗。该系统主要是用于对信源部分的背景噪声进行处理。采用了美国富迪公司的FM1182 为核心芯片，以MAXIM 公司MAX9812L 芯片为辅助芯片。电路采用双麦克风作为输入，分别用于拾取纯噪声和混有背景噪声的语音信号。两路信号最终在FM1182 内部的DSP 芯片处进行处理，得到消噪之后的信号。DSP 芯片具有稳定性好，精度高的特点， 16 位处理器可以达到10- 5 的精度。
　　此系统的供电电压在3 V 左右，功耗低，可以采用一对7 号电池进行供电，充分地体现了便携性的特点。
　　1 消噪方案的选择
　　对于消噪麦克风系统的设计，曾考虑过3 种方案。
　　方案1: 采用麦克风阵列技术。采用延时累加波束法，通过延时控制补偿从声源到每个麦克风的延时，对每个麦克风接收到的信号进行校正。此方法分为3 个部分，即时间延迟估计、时间延迟补偿及累加部分。但实际应用中信噪比的增加与麦克风的关系为10log10 M（ M 为麦克风数量），需要较多的麦克风以获得较高的消噪性能，在便携性以及能耗、成本等方面均不符合本设计的要求。
　　方案2: 采用双麦克风反向消噪原理。用麦克风分别拾取带有背景噪声的语音信号和纯噪声信号， 2 个麦克风相距1 m 以内，以保证噪声的高相干性。先对信号分别进行300~ 3 400 Hz 的前置滤波，然后通过减法器电路，做相消处理得到降噪信号。该系统采用 ±5 V稳压电源。但在测试中发现，由于较低的集成度，过多的器件与走线，导致内部自激噪声，线路串扰噪声等相互叠加，最终使信号的质量变得很差。 ±5 V 的供电使系统能耗较大，并降低了灵活性。
　　方案3: 该方案由方案2 的改进而来。为了提高电路的集成度，采用较少的元件实现消噪功能。经过对比性能以及价格、体积、能耗的综合指标，最终选择了FM1182 作为电路的核心芯片。同时在前置放大电路中，采用了高信噪比、低能耗的MAX9812L 芯片。元件集成度的提高，以及总体数量的减少，大大提高了电路的可靠性，减小了电路的体积，增加了便携性。同时采用低能耗的芯片，使电路可采用3 V 左右的小电源低电流驱动，使用时间更长，灵活性大大提高。故最终选择了方案3。
　　2 硬件系统设计
　　FM1182 是美国富迪科技公司最新推出的低功耗高性能的芯片。FM1182 为语音接口市场提供了一个最优化的方案。应用包括车载具有典型应用时30~35 mW的极低功耗。通过两条途径达到低功耗：首先，集成硬件加速器帮助主数字信号处理器卸载高强度处理，允许芯片工作在最佳的速度；其次， FM1182 采用富迪科技的专利AMBIN 语音处理算法，确保最高的效率。对于功率有限的便携设备， FM1182 提供一个合适的有回声消除和噪声抑制的方案，它具有高度集成度单芯片，极低功耗（ 30~ 35 mW） , 强大的AEC （声学回声消除）（ 60 dB） , 出色的全双工性能，差分输入/ 输出减少射频（ RF）干扰，提高抗扰能力，动态范围控制（ DRC）提高声音的可懂度，侧音消除25~ 35 dB, 消除声学回声尾长度覆盖： 64~ 100 ms, 小尺寸的特点。因此非常符合本电路便携、低耗、高性能、低价的设计初衷。
　　一般数字消噪过程分为：拾音、放大、抗混叠滤波、模/ 数转换， DSP 处理。此设计采用FM1182 为核心处理芯片， MAX9812L 作为辅助芯片。整个工作过程：
　　首先，含有背景噪声的语音信号由Mic0 拾取，经过由MAX9812L 芯片构成的高信噪比低功耗放大电路之后，通过Line_In 接口被输送给FM1182 芯片。而纯噪声信号由Mic1 吸取，通过Mic_In 接口进入FM1182 芯片，两路信号通过模/ 数转换之后进入DSP 芯片。消噪算法的代码存储在内部存储器中， DSP 芯片由存储器中的消噪算法代码控制进行运算。经过硬件加速器的助推后，能够在较小能耗的代价下使DSP 芯片运算速度大幅度提高。经过DSP 芯片处理后的信号为最终信号，通过数/ 模转化芯片输出，以供后续使用，可用于有线或者用于无线通信。便携消噪麦克风系统结构图如图1 所示。

图1 便携消噪麦克风系统结构图

　　2. 1 前置麦克风放大电路

　　麦克风前置放大电路采用MAX9812L 芯片制作，内置单个20 dB 固定增益放大器，尺寸小，具有业界顶级水平的100 dB 电源抑制比，极低的THD + N（ 0. 015% ） , 230μ A 工作电流。处于关闭模式时，可将电源电流及偏置电流总和降低至100 nA，并且可以在2. 7~ 3. 6 V的电压范围下工作，为本产品提供了高信噪比、低能耗、便携的解决方案。IN 引脚是信号输入引脚，声音通过迷你麦克风转变成微弱的电流，芯片通过IN 引脚接收。BIAS 引脚为电压补偿引脚，能确保在多种供电电压下正常驱动麦克风工作，并降低电压的波动对信号处理的影响。

引脚用来控制控制电路的运行状态，当将

引脚与VCC 连接时，电路正常工作；当将

与GND 连接时，电路处于关闭状态。此处，将

接到电源置高电平。OUT 为输出引脚，经过MAX9812L 放大的信号，由此接口输出，供下一级电路处理。此处连接到FM1182 芯片。麦克风前置放大电路如图2 所示。

图2 麦克风前置放大电路

　　2. 2 消噪运算电路
　　2. 2. 1 FM1182
　　芯片电路作为核心电路部分，运算电路采用美国富迪公司的FM1182 芯片，该芯片具有低功耗、高效率的特点，适合本电路的便携型设计的要求。该芯片一共有48 个引脚，其中真正作用的引脚为44 个。SPK_OU T _N, SPK_OUT _P: 作为扬声器输出接口。EP/ SCL: 接到3. 3 V 的电源处置高电平。XTAL _ IN, XTAL _OU T: 在相同数量的ALU 的条件下，为了获得更高的性能，高速DSP 是关键。所以电路采用13 MHz 的晶振。VOL+ : V OL - : 用于调节输出的音量，这里使用默认值，故通过1 k Ω的电阻接地。RESET : 用于电路的复位。芯片允许使用内置SAM 微型麦克风阵列技术以提高拾音的方向性。但此电路为了使获得的噪声具有更高的相干性，且背景噪声等弥散噪声频率幅度变化缓慢，采用单麦克风输入。故将MIC0_P, MIC0_N 接麦克风。MIC1_P, MIC1_N 接地。LINE_IN: 接收前置麦克风放大电路的信号输入。LINE _OUT : 输出模拟信号。FM1182 芯片电路原理图如图3 所示。

图3 FM1182 芯片电路原理图

　　2. 2. 2 E2 PROM 芯片24LC02B　　电路中使用了24LC02B 芯片来同步时钟信号。当时钟线SCL 为高电平时，数据线SDA 由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当SCL 线为低电平时， SDA线发生低电平到高电平的跳变为“结束”信号。分别接FM1182 的SCL 和SDA 引脚。因为不需要外部片选，所以A0, A1, A 2 三个引脚接地。
　　2. 3 供电电源
　　该系统采用3 V 的电压供电，使用一对7 号的干电池。经测试使用一对南孚聚能环7 号电池，在默认状态下可以续航20 h 之久。
　　3 实验数据
　　在测试过程中，用播放录制的汽车噪音来模拟汽车噪声现场。采用了一个对照组和一个实验组。对照组只使用MA X9812L 芯片电路，实验组使用MAX9812L芯片电路和FM1182 电路，分别将两路信号输入到计算机中，用WaveCN2. 0. 0. 5 软件将信号捕捉录制下来，以图形的形式展示出来。图4 为无噪声下语音信号。
　　默认音量下，对捕捉到的3 条曲线，分别取同时段的1 s, 近似处理后，计算曲线面积来分别作为信号功率S1= 11. 2 mW, S2= 20. 4 mW, S 3= 12. 1 W, 图5 中噪声功率N 1 = S 2 - S1 = 9. 2 mW, 图6 中噪声功率为N2 = S3 - S 2= 0. 9 mW。所以未处理前性信噪SN R=10lg （ S1 / N1 ） = 0. 85 dB, 处理之后输出信噪比为SNR= 10lg（ S1 / N 2 ） = 10. 9 dB。通过对录制的音频以及波形信号计算分析发现，当无消噪电路时，语音信号淹没在汽车噪音之中，叠加的结果致使接收者只能勉强识别其中一小部分的信息。当使用了消噪系统以后，大部分的汽车噪声已被削减。语音信号可以轻易被接收者识别。

图4 无噪声下的语音信号

图5 汽车背景噪声下拾取到的语音信号

图6 经过消噪电路或获得的语音信号

　　4 结语
　　该电路实现了高效，便携，低耗能的特点。可以广泛的应用于车载免提功能（例如前装车载免提，后装市场车载免提） , 手持移动设备（例如：智能电话，个人数字助理） , 个人计算机/ VoIP。该降噪系统亦可用于无线通信的收发端。在对噪声要求越来越高的今天，低价便携高效的降噪设备将具有越来越大的市场。

作者: 李小路 时间: 2020-10-1 19:56
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