基于FM1083的免提通信產(chǎn)品系統(tǒng)設計
關鍵詞：免提通信；聲學回聲消除；遠端拾取；噪聲抑制；語音活動檢測
引言
---隨著通信產(chǎn)品的不斷小型化，對系統(tǒng)的成本和空間限制也越來越多。揚聲器的體積變得越來越小，麥克風與揚聲器之間的距離不斷縮短，使得回聲愈發(fā)難以消除。在商業(yè)區(qū)、汽車內(nèi)、地鐵等復雜的使用環(huán)境中，環(huán)境噪聲嚴重影響了通話質(zhì)量。如何在PDA、筆記本電腦、免提手機等小型系統(tǒng)中實現(xiàn)全雙工免提功能，并保證足夠大的音量，已經(jīng)成為難題。
---FM1083是美國富迪科技(Fortemedia)公司推出的用于回聲消除、噪聲抑制、遠端拾取聲音信號的低功率芯片，本文將介紹小型免提通信產(chǎn)品的設計要點、FM1083主要功能和典型應用。
設計要點
---模具外殼、麥克風和揚聲器關系到整個系統(tǒng)的免提性能?；芈暤漠a(chǎn)生有聲學傳播和機械振動兩種方式，從頻譜的連續(xù)性來看，回聲又分線性和非線性兩種。在模具設計階段，應考慮要盡量減小麥克風拾取的線性回聲，減小揚聲器和外殼的非線性振動。麥克風應該設計獨立的腔體，注意外殼的前后蓋的配合，否則回聲會增大。揚聲器應充分固定，在揚聲器與外殼之間加減振墊圈。
---FM1083支持一個單指向或全指向麥克風和兩個陣列麥克風，陣列麥克風由全指向和單指向麥克風組合而成。在使用一個麥克風的應用中，應該使麥克風拾取遠端(FE)的聲音即回聲與近端(NE)講話的信號差值盡量小。設定麥克風拾取的近端講話信號(signal of near end)SN為10mVpp時，麥克風拾取的回聲信號(signal of echo)SE為40mVpp，回路增益為20dB，線路輸出的幅度為100mVpp，在沒有回聲消除的情況下回聲將達400mVpp，根本無法通信。為了消除回聲，至少要使回聲比有用信號小兩個數(shù)量級，即要將回聲減小40dB以上(回聲將小于4mVpp)，才能不影響有用信號。采用FM1083和兩個陣列麥克風的系統(tǒng)最大可以消除65dB的回聲，使通信清晰流暢。對于兩個麥克風的應用，應該使主麥克風M1、參考麥克風M2所拾取遠端(FE)的聲音即回聲保持一定差值，M1、M2拾取回聲與近端(NE)講話的信號有一定的差值，M1、M2所拾取的近端(NE)講話的信號差值應盡量小。M1和M2拾取的回聲的頻譜在帶內(nèi)不能重合。
FM1083的主要功能及特點
---FM1083專為移動手持設備設計，內(nèi)置的兩個DC/DC轉(zhuǎn)換器分別為CODEC和DSP提供電源，1.8V工作時的功耗小于30mW，數(shù)字電路部分支持1.8～3.6V的寬電壓，內(nèi)置D類功放，差分輸出可直接驅(qū)動揚聲器。多媒體編解碼接口(CODEC Host Interface)直接與藍牙1.1和1.2接口連接。具有兩個麥克風輸入，內(nèi)置可編程增益輸入輸出放大器(-6dB～+26dB)，適應不同靈敏度的麥克風。遠端拾取時，麥克風與使用者的距離是0.6m，最大可以達到5m。模擬信號支持直通模式，以提高保真度。回聲消除范圍為45～60dB，支持動態(tài)范圍壓縮和非線性回聲消除，適合于小型喇叭在大功率輸出時的過載。麥克風和揚聲器之間最小距離可以達到40mm，噪聲抑制為13～18dB，可適用于嘈雜的環(huán)境。采樣速率為8kHz，支持4.096MHz和13MHz時鐘，具有缺省/EEPROM/UART微處理器控制三種工作方式。
FM1083接口
---FM1083支持USB1.1從模式，可通過USB接口與計算機傳送音頻數(shù)據(jù)，做為語音通信的USB免提器件。
---EEPROM接口支持256B～1KB的低電壓EEPROM，在沒有微控制器的情況下，可以存放FM1083的大部分可變參數(shù)。
---音頻數(shù)據(jù)編解碼接口支持主模式和從模式，可以選擇內(nèi)部和外部時鐘源，當選擇內(nèi)部時鐘時，幀頻為8kHz，數(shù)據(jù)編碼格式為16位線性PCM(Pulse Code Modulation，脈沖編碼調(diào)制)或13位零位填充PCM，或8位μ律或A律編碼。
---URAT接口用于對EEPROM編程或微控制器直接控制FM1083，在4.096MHz時的接口波特率為300～230400b/s，13MHz時為9600～38400b/s。FM1083的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
信號流程
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主麥克風1和參考麥克風2拾取的信號經(jīng)可編程增益放大器放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和高通濾波后，送語音處理器處理(線性回聲消除，非線性回聲消除，VAD檢測，噪聲抑制處理，然后進行麥克風自動增益控制，消側(cè)音和麥克風音量設定)，輸出的16位語音數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后將麥克風信號從線路輸出端進行單端輸出。
---遠端話音信號從線路輸入端單端輸入，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和高通濾波后轉(zhuǎn)換成16位語音數(shù)據(jù)，送語音處理器處理(消側(cè)音，自動增益控制，回聲參考信號提取，動態(tài)范圍控制)，輸出信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后推動內(nèi)置的D類功放，用差分方式直接驅(qū)動揚聲器。
---在USB應用時，USB的輸入信號作為線路輸入的信號，經(jīng)語音處理器處理后直接驅(qū)動揚聲器。麥克風輸入信號經(jīng)語音處理器處理后，通過USB送計算機，過程與模擬信號輸入/輸出相同。
---藍牙應用時，麥克風的信號經(jīng)處理后通過音頻數(shù)據(jù)接口以13位或16位線性PCM的格式送給藍牙芯片，藍牙芯片將接受到的聲音數(shù)據(jù)以同樣的格式送給FM1083，最后經(jīng)過功放后輸出。
小型免提系統(tǒng)
---做為小型一體化免提系統(tǒng)，其特點是線路簡單、功能通用、攜帶方便，整個系統(tǒng)只占80mm×55mm的空間。系統(tǒng)以FM1083和CSR MBT-4107藍牙模塊為核心，內(nèi)置600mA鋰電池和USB 200mA充電電路，典型應用如圖2所示。
---整個系統(tǒng)有5種工作模式：關機、省電、模擬免提、USB免提和藍牙免提。對于不同的語音信號接口，需要三組參數(shù)去控制FM1083，使其工作在最佳狀態(tài)。藍牙模塊通過UART口與FM1083通信，對系統(tǒng)工作模式進行檢測和參數(shù)控制。系統(tǒng)的缺省工作方式是省電模式，當USB電纜插入時，藍牙模塊檢測到USB_IN信號，喚醒并送USB參數(shù)給FM1083，F(xiàn)M1083在USB配置完成后輸出控制信號，使電池充電電路工作，并且切斷電池供電，系統(tǒng)使用USB電源，進入USB免提工作模式。模擬信號插頭插入J1，藍牙模塊檢測到ANA_IN信號，喚醒并送模擬工作參數(shù)給FM1083，系統(tǒng)進入模擬免提工作模式。藍牙模塊工作時，首先要和其他藍牙設備配對，當藍牙手機來電或打電話時自動與免提系統(tǒng)連接。
---系統(tǒng)采用內(nèi)置電池或USB供電，充電電流為200mA，具有充電指示、充滿指示、藍牙低壓檢測，在電池電壓過低時(小于3.3V)，系統(tǒng)告警并自動進入省電模式。在藍牙模式工作時，總電流小于100mA，1個600mAH的鋰電池可以通話6小時，省電模式的電流為3～5mA，可以待機120小時。
---參數(shù)ft_flag(地址是0x1E46)可以設定FM1083與MBT-4107的音頻數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)編解碼格式。例如設定ft_flag為0135時是13位零位填充PCM，ft_flag為0075時是16位線性PCM。其中16位線性PCM或13位零位填充PCM適用于藍牙接口，13位零位填充PCM是惟一能通過藍牙免提模式控制音量的格式，低3位用于控制音量。在從模式下，F(xiàn)M1083支持短幀和長幀，在主模式下支持短幀。根據(jù)幀信號和數(shù)據(jù)的時序，可設定零時鐘延遲和1個時鐘延遲，如圖3所示。
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FM1083通過UART接口與MBT-4107藍牙模塊交換控制命令，通過UART接口，藍牙模塊可以讀FM1083寄存器的值，也可以在不同的工作模式時送相應參數(shù)給FM1083。其接口協(xié)議框圖如圖4所示，數(shù)據(jù)包由一個開始狀態(tài)、8位數(shù)據(jù)和一個停止狀態(tài)組成。由于需要USB應用，所以采用13MHz的晶振，支持9600bps、19200bps和38400bps的波特率。其讀寫命令有5種類型：存儲器寫、存儲器讀、短寄存器寫、長寄存器寫和寄存器讀，如表1所示。
---在每個UART接口命令前必須加同步字FCF3，并且注意區(qū)分存儲器讀和寄存器讀，存儲器讀僅是將存儲器的內(nèi)容讀到寄存器0X25和0X26，還需要讀寄存器，然后才將數(shù)據(jù)送到UART接口。下面舉例說明具體的讀寫操作。
---(1)存儲器讀
---FC F3 37 1E 34；37是存儲器命令字，1E 34是存儲器地址，盡管發(fā)出一個讀命令給FM1083，但是UART口并沒有輸出。
---(2) 存儲器寫傳輸
---FC F3 3B 1E 34 32 23：FCF3是同步字，3B是存儲器寫命令字，1E 34是存儲器地址，這條指令把值32 23送到地址1E 34
---(3)短寄存器寫
---FC F3 68 2C 00：FCF3是同步字，68是短寄存器寫命令字，2C是寄存器地址，這條指令把值00送到寄存器2C。
---(4)長寄存器寫
---FC F3 6A 2A 00 00：6A是長寄存器寫命令字，2A是寄存器地址，這條指令把值0000送到寄存器2A。
---(5)寄存器讀
---FC F3 60 25：FCF3是同步字，60是寄存器讀命令字，這條指令把寄存器25內(nèi)的8位數(shù)據(jù)從UART口輸出。
---(6)讀出存儲器1E34的內(nèi)容
---FC F3 37 1E 34：此時1E 34內(nèi)的值被傳輸?shù)絀DMA數(shù)據(jù)寄存器。
---FC F3 60 26：存儲器1E 34內(nèi)容的高有效位字節(jié)從UART口輸出。
---FC F3 60 25：存儲器1E 34內(nèi)容的低有效位字節(jié)從UART口輸出。
---由于采用兩個麥克風，而且比較理想的情況下參考麥克風拾取的回聲將比信號大20～30dB，而且如果模殼設計不好，回聲可能會更大，F(xiàn)M1083麥克風輸入信號的最大峰峰值是0.7Vp-p(單端輸入)和1.4Vp-p(差分輸入)，所以麥克風的選擇很重要，靈敏度不可以太高或太低。靈敏度太高的話，在大回聲時麥克風可能已經(jīng)飽和，靈敏度太低則信噪比會下降，建議采用靈敏度為-44～47dB的麥克風。而且，整個處理通路不能有飽和現(xiàn)象，必須根據(jù)麥克風的信號幅度設置麥克風可編程增益放大器的增益和麥克風的音量等參數(shù)，否則回聲將很難消除干凈。FM1083線路輸入的動態(tài)范圍是0.7Vp-p，所以輸入信號太大應該衰減，并且根據(jù)輸入信號設置線路輸入可編程增益放大器的增益，回聲消除參考增益，使信號不飽和。線路輸出的最大幅度為1.4Vp-p，如果不能滿足幅度要求，就要增加放大器。FM1083可以輸出300mW的功率，驅(qū)動4Ω的揚聲器負載，也可以不用內(nèi)置D類功放，通過外加功放來滿足相應的輸出功率要求，此時，可以設置參數(shù)關掉內(nèi)置功放，輸出阻抗大于600Ω，最大差分輸出為2.8Vp-p。
---針對基于FM1083的免提系統(tǒng)，F(xiàn)MTuner1083參數(shù)調(diào)整軟件可以很方便地調(diào)整各個參數(shù)，并且計算系統(tǒng)各部分的信號大小，提供參數(shù)模板和EEPROM編程，系統(tǒng)測試時可以采用富迪科技AMBIN錄音分析系統(tǒng)。
結(jié)束語
---FM1083可以單獨設計特定應用的免提系統(tǒng)，例如電話免提、手機免提、藍牙手機免提和USB免提(VoIP免提)系統(tǒng)，USB免提系統(tǒng)可以與Skype、MSN等語音聊天和網(wǎng)絡電話軟件配合使用，也可以將各種免提系統(tǒng)組合成新的應用。
下載文檔
