基于FM31系列数字语音芯片在双向降噪手机中的应用

双向噪声抑制技术和清晰语音引擎可以实现清晰语音通信。影响语音通话质量的噪声干扰，通常包含近端本地的外在环境噪声干扰和远端无线传输夹杂在语音中的噪声干扰。外在环境噪声影响包含两个方面：由于声音的遮蔽效应，周围环境噪声会影响本地听者，当噪声足够大时，甚至无法听清对方的声音；环境噪声混杂在语音中，经过无线传输到对方的听筒中，使对方难以听懂。针对这些干扰，需要相应的技术来抑制噪声，增强语音，实现清晰语音通信。富迪科技（Fortemedia）公司推出的FM31系列芯片是专门针对手机市场推出的基于公司阵列麦克风(SAM)专利技术，全数字接口和数字处理的清晰语音处理芯片。数字阵列麦克风技术采用空间滤波、DSP处理技术，实现心形的试音区域，定向、定距拾取本地声音信号，抑制了周围环境噪声，消除声学回声，提升上行通话质，使对方获得清晰的语音。清晰语音引擎（BVE）技术，可以根据环境噪声大小，频谱特性，自动调节听筒中的下行语音的音量和频谱能量，使本地用户能够听清楚。同时，对于对方送过来的语音进行消噪，减小本地噪声。

FM31系列芯片主要功能及特点
专门针对手持设备设计，采用130nm优化设计技术，超低功耗，数字和核工作电压1.2V，输入输出电源1.8V，输入/输出引脚可以承受3.3V；典型功耗25mW，采用24个引脚的QFN封装，引脚间距0.5mm，外形尺寸4mm×4mm；内建锁相环（PLL），支持多种时钟输入。

FM31系列芯片是全数字接口和数字处理芯片，外围元器件非常少。独有的数字麦克风（PDM）接口支持一个或两个全指向的ECM或MEMS数字麦克风阵列。两路数字音频信号接口可以配置成内部集成电路声音（I2S）或脉冲编解码（PCM）接口，正常处理模式支持8kHz或16kHz的音频数字信号，直通模式支持48kHz的多媒体音乐信号。主机通过串行主机接口（SHI）总线下载参数，控制芯片。手持模式支持定向，定距近场拾音，抑制外在环境噪声，上行噪声抑制最大可达35dB；清晰语音引擎（BVE）可以根据本地环境噪声强度和频谱特性，提升手机下行接收器的音量和频谱，实现清晰语音功能。免提模式支持远距离拾音，动态范围控制可以改善语音可懂度，提升全双工性能。

FM31在手机平台中的设计和应用
系统连接：根据手机平台模拟基带和数字基带之间的数字音频接口格式，是否有CODEC芯片等，采用相应的连接方式。例如，爱立信手机平台（EMP）有两个I2S接口，可以将FM31置于模拟基带和数字基带之间（见图1）。当使用模拟阵列麦克风时，两路信号经过模拟基带芯片放大、滤波、模数转换处理以后，分别在I2S的左右通道输出到FM31的I2S输入引脚RxDc。当使用数字麦克风时，拾取的近端信号经过阵列数字麦克风放大并转换成PDM信号，从FM31的PDM输入引脚输入。经过数字信号处理器时域和频域的回声消除和噪声抑制，从TxDp送到数字基带，通过无线网络传送到对方。下行信号从数字基带I2S输入到FM31的RxDp，作为回声消除的参考信号，同时，经过噪声抑制和清晰语音引擎得处理，从TxDc送到模拟基带，模拟基带模数装换后放大推动听筒或喇叭。当使用外置音频编解码器时，使用图2所示的连接方式。

图1 FM31系列芯片在EMP手机平台典型应用

图2 FM31系列芯片在含有COEDC芯片的手机平台典型应用

电源：使用单独可控的1.2V低压降直流稳压器给FM31的核和锁相环电路供电，并使用磁珠和电容滤波。数字输入输出引脚电源VDDIO可以根据外部系统的电压来选择，范围为1.8～3.3V。数字麦克风电源可以使用VDDIO。

数字麦克风接口：FM31提供给数字麦克风1.024MHz的时钟信号。麦克风拾取声音信号64kHz过采样转换成脉冲密度调制（PDM）的数据流送给FM31，其内置数字滤波器将数据流降低成16kHz采样率16位的脉冲编码调制接口（PCM）信号（见图3）。主麦克风（MIC0）和参考麦克风(MIC1)的数据分别位于时钟信号的低周期（A0→B0→C0→D0→E0…）和高周期（V1→W1→X1→Y1→Z1…）。

图3 FM31数字麦克风接口信号

I2S接口：FM31两路数字音频信号接口，通过参数可以配置成内部集成电路声音接口（I2S），正常处理模式支持8kHz或16kHz的音频数字信号，共享时钟和同步信号直通模式支持48kHz的多媒体音乐信号。I2S接口可以配置成主模式，提供外设时钟和帧同步信号，或者配置成从模式，时钟和帧同步信号从主机获得，在帧同步为高的周期为左声道或右声道音频数据，数据可以是零时钟延时或一个时钟延时，可在时钟上升沿或下降沿被锁定。图4为I2S格式举例：I2S下降沿锁定数据，数据一个时钟延时，帧同步高为左声道数据。
I2S接口可以配置成单声道的脉冲编码调制接口（PCM），支持8位A律、μ律，13位PCM符号扩展，13位PCM零扩充和16位线性PCM格式。