基于FM31系列数字语音芯片在双向降噪手机中的应用

图4 I2S格式举例

控制接口和时钟信号接口：控制端口包含复位控制（RST#），省电控制（PWDN#），直通控制（BP#）和串行主机接口（SHI）。SHI接口用来配置FM31的参数，最大支持400kHz的时钟信号，SHI上拉电阻使用2.2kΩ。FM31内建锁相环，可以支持多种时钟输入：在3～32MHz之间按1MHz步长增加，或在4.096～32.768MHz之间按2.048MHz步长增加。

软件控制和工作模式切换：FM31工作模式包含上电的初始化配置，省电模式，唤醒模式，手持模式，免提模式和直通模式。上电的初始化配置：外部时钟开始产生并输入到MCLK，打开VDDIO，省电控制和直通控制设置高电平，复位控制为低电平，等待1ms以后，打开VDDC/P，再等待1ms以后，复位控制设置成高电平，最后等待10ms以后完成复位。通过串行主机接口下载FM31初始化参数，完成初始化配置，将省电控制置低，FM31进入到省电模式，关闭主时钟MCK。当有电话进或出，或录音、播放音乐时，打开主时钟，将省电控制置高，唤醒FM31，复位控制为低电平超过100μs，再将复位控制设置成高电平，等待10ms以后完成复位，主控制器根据工作模式通过串行主机接口下载相应参数。手持和免提模式切换时，将复位控制设置为低电平超过100μs，然后将复位控制设置成高电平，等待10ms以后完成复位，下载免提或手持模式的参数。通话完成以后，等待一段时间以后将省电控制置低，FM31便会关闭主时钟MCK，进入到省电模式。

参数调试：包含系统参数配置和性能参数调试。系统参数配置包含时钟频率配置，芯片接口配置和系统增益分配。根据主时钟频率，设置锁相环分频系数；根据基带芯片连接方式和数字接口格式配置两路I2S或PCM接口的格式和上下行信号路径；根据系统信号大小，合理分配模拟和数字域的增益，满足发送和接受响度、失真度的要求。性能参数调试包含清晰语音引擎参数，噪声抑制和回声消除参数的调试。噪声抑制调试分为上行降噪参数调试，下行稳态噪声抑制参数调试。调整上行噪声抑制时，分别测量两个麦克风近距离讲话和远距离噪声的信号差别，根据差异设置麦克风自动校准参数；通过活动语音检测指示调整时域噪声抑制参数，调整频域噪声抑制参数和残余噪声平滑参数，使在语音质量的情况下，噪声抑制性能达到最优。调试下行稳态噪声抑制参数，设定噪声抑制的分贝数，调整低频和高频段的噪声增益。

清晰语音引擎（BVE）参数调试，测试正常情况下听筒输出信号的大小，根据听筒喇叭的功率余量，设定各个频段提升的幅度（见表1）和清晰语音引擎各个频段的划分。通常，因为喇叭功率的限制，可以提升的音频总功率较小，要保证好的效果且语音总体功率增大不多。语音能量集中在低频，而人耳对高频敏感，利用这些特性，可以将低频段语音（频段1,2）不做提升，而少部分提升频段3，充分提高频段4,5。在模拟的不同强度噪声环境下，调整麦克风拾取的各个频段噪声触发阈值，喇叭各个频段的最大输出，使安静环境下清晰语音引擎不被触发。调整喇叭输出的动态范围控制参数，最大增益时使最大语音峰值出现时，喇叭不破音。图5为实际测试的清晰语音引擎（BVE）效果，下方的频率曲线是安静环境下的语音，上方的频率曲线是环境噪声达到90dB时候，BVE引擎启动后的效果。实际测量安静时语音总有效功率为-38.65dB，BVE启动以后语音总有效功率-33.81dB，总功率提升了4.84dB。实际的频率特性比较，低频段语音幅度一样，而中高频被提升了10dB左右，这样保证在嘈杂环境下可以听得更清楚。

图5 实际测试的BVE效果

对于回声消除参数，免提模式和手持模式需要分别调试。手持模式只需要调整线性回声消除的参数，免提模式需要调整线性回声和非线性回声参数，通过时域和频域的参数调整，使回声消除性能和双工性能达到最优。

图6 FM31系列芯片的典型应用原理图

FM31系列芯片典型应用原理图：图6为FM31芯片的典型应用原理图。两个数字麦克风使用同一组电源，根据外部控制系统的输入/输出的接口电压，数字麦克电源和FM31的VDDIO使用相同电源电压，以使数字信号电平匹配。通过L/R选择引脚设定为低来选定主麦克风（MAIN MIC），即靠近使用者嘴部的麦克风；L/R选择引脚设定为高作为参考麦克风（REF MIC），即靠近耳朵的麦克风。两路麦克风信号在时钟的高低周期送到FM31，转换解调为两路麦克风信号。C4,C5用来稳定1.2V的核电压，需要靠近芯片引脚。磁珠B1和C2,C3组成低通滤波器，滤除电源的干扰，同时防止锁相环的噪声从电源反串，电源VDD1.2V的引线应尽量短并靠近电源引脚。电阻R3,R4调试用，当没有主机控制FM31时，可以断开R3,R4，连接到串行主机接口转接板，通过电脑的使用调试工具实时调试和优化FM31的参数。