基于FM1182芯片的便携消噪麦克风系统研制

　　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