基于FM1182芯片的便携消噪麦克风系统研制

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　　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。

李小路

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