FM31系列數(shù)字語音處理芯片在雙向降噪手機中的應用

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字語音處理技術(shù)越來越成為發(fā)展的潮流。一方面，移動設備向輕薄小型化發(fā)展；另一方面，設備包含的功能單元越來越多，如GSM和TD-SCDMA雙模制式，藍牙和WiFi，設備對抗擾的要求越來越高。數(shù)字麥克風拾音技術(shù)可以消除系統(tǒng)各種射頻干擾對語音通信產(chǎn)生的噪聲。在各種應用場合，手機用戶期望在嘈雜的環(huán)境內(nèi)，能使本方的語音清晰地傳送給對方，同時可以聽清楚對方的聲音。雙向噪聲抑制技術(shù)和清晰語音引擎可以實現(xiàn)清晰語音通信。

影響語音通話質(zhì)量的噪聲干擾，通常包含近端本地的外在環(huán)境噪聲干擾和遠端無線傳輸夾雜在語音中的噪聲干擾。外在環(huán)境噪聲影響包含兩個方面：由于聲音的遮蔽效應，周圍環(huán)境噪聲會影響本地聽者，當噪聲足夠大時，甚至無法聽清對方的聲音；環(huán)境噪聲混雜在語音中，經(jīng)過無線傳輸?shù)綄Ψ降穆犕仓校箤Ψ诫y以聽懂。針對這些干擾，需要相應的技術(shù)來抑制噪聲，增強語音，實現(xiàn)清晰語音通信。富迪科技（Fortemedia）公司推出的FM31系列芯片是專門針對手機市場推出的基于公司陣列麥克風(SAM)專利技術(shù)，全數(shù)字接口和數(shù)字處理的清晰語音處理芯片。數(shù)字陣列麥克風技術(shù)采用空間濾波、DSP處理技術(shù)，實現(xiàn)心形的試音區(qū)域，定向、定距拾取本地聲音信號，抑制了周圍環(huán)境噪聲，消除聲學回聲，提升上行通話質(zhì)，使對方獲得清晰的語音。清晰語音引擎（BVE）技術(shù)，可以根據(jù)環(huán)境噪聲大小，頻譜特性，自動調(diào)節(jié)聽筒中的下行語音的音量和頻譜能量，使本地用戶能夠聽清楚。同時，對于對方送過來的語音進行消噪，減小本地噪聲。

FM31系列芯片主要功能及特點
專門針對手持設備設計，采用130nm優(yōu)化設計技術(shù)，超低功耗，數(shù)字和核工作電壓1.2V，輸入輸出電源1.8V，輸入/輸出引腳可以承受3.3V；典型功耗25mW，采用24個引腳的QFN封裝，引腳間距0.5mm，外形尺寸4mm×4mm；內(nèi)建鎖相環(huán)（PLL），支持多種時鐘輸入。

FM31系列芯片是全數(shù)字接口和數(shù)字處理芯片，外圍元器件非常少。獨有的數(shù)字麥克風（PDM）接口支持一個或兩個全指向的ECM或MEMS數(shù)字麥克風陣列。兩路數(shù)字音頻信號接口可以配置成內(nèi)部集成電路聲音（I2S）或脈沖編解碼（PCM）接口，正常處理模式支持8kHz或16kHz的音頻數(shù)字信號，直通模式支持48kHz的多媒體音樂信號。主機通過串行主機接口（SHI）總線下載參數(shù)，控制芯片。手持模式支持定向，定距近場拾音，抑制外在環(huán)境噪聲，上行噪聲抑制最大可達35dB；清晰語音引擎（BVE）可以根據(jù)本地環(huán)境噪聲強度和頻譜特性，提升手機下行接收器的音量和頻譜，實現(xiàn)清晰語音功能。免提模式支持遠距離拾音，動態(tài)范圍控制可以改善語音可懂度，提升全雙工性能。

FM31在手機平臺中的設計和應用
系統(tǒng)連接：根據(jù)手機平臺模擬基帶和數(shù)字基帶之間的數(shù)字音頻接口格式，是否有CODEC芯片等，采用相應的連接方式。例如，愛立信手機平臺（EMP）有兩個I2S接口，可以將FM31置于模擬基帶和數(shù)字基帶之間（見圖1）。當使用模擬陣列麥克風時，兩路信號經(jīng)過模擬基帶芯片放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理以后，分別在I2S的左右通道輸出到FM31的I2S輸入引腳RxDc。當使用數(shù)字麥克風時，拾取的近端信號經(jīng)過陣列數(shù)字麥克風放大并轉(zhuǎn)換成PDM信號，從FM31的PDM輸入引腳輸入。經(jīng)過數(shù)字信號處理器時域和頻域的回聲消除和噪聲抑制，從TxDp送到數(shù)字基帶，通過無線網(wǎng)絡傳送到對方。下行信號從數(shù)字基帶I2S輸入到FM31的RxDp，作為回聲消除的參考信號，同時，經(jīng)過噪聲抑制和清晰語音引擎得處理，從TxDc送到模擬基帶，模擬基帶模數(shù)裝換后放大推動聽筒或喇叭。當使用外置音頻編解碼器時，使用圖2所示的連接方式。

圖1 FM31系列芯片在EMP手機平臺典型應用[!--empirenews.page--]

圖2 FM31系列芯片在含有COEDC芯片的手機平臺典型應用

電源：使用單獨可控的1.2V低壓降直流穩(wěn)壓器給FM31的核和鎖相環(huán)電路供電，并使用磁珠和電容濾波。數(shù)字輸入輸出引腳電源VDDIO可以根據(jù)外部系統(tǒng)的電壓來選擇，范圍為1.8～3.3V。數(shù)字麥克風電源可以使用VDDIO。

數(shù)字麥克風接口：FM31提供給數(shù)字麥克風1.024MHz的時鐘信號。麥克風拾取聲音信號64kHz過采樣轉(zhuǎn)換成脈沖密度調(diào)制（PDM）的數(shù)據(jù)流送給FM31，其內(nèi)置數(shù)字濾波器將數(shù)據(jù)流降低成16kHz采樣率16位的脈沖編碼調(diào)制接口（PCM）信號（見圖3）。主麥克風（MIC0）和參考麥克風(MIC1)的數(shù)據(jù)分別位于時鐘信號的低周期（A0→B0→C0→D0→E0…）和高周期（V1→W1→X1→Y1→Z1…）。

圖3 FM31數(shù)字麥克風接口信號

I2S接口：FM31兩路數(shù)字音頻信號接口，通過參數(shù)可以配置成內(nèi)部集成電路聲音接口（I2S），正常處理模式支持8kHz或16kHz的音頻數(shù)字信號，共享時鐘和同步信號直通模式支持48kHz的多媒體音樂信號。I2S接口可以配置成主模式，提供外設時鐘和幀同步信號，或者配置成從模式，時鐘和幀同步信號從主機獲得，在幀同步為高的周期為左聲道或右聲道音頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以是零時鐘延時或一個時鐘延時，可在時鐘上升沿或下降沿被鎖定。圖4為I2S格式舉例：I2S下降沿鎖定數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一個時鐘延時，幀同步高為左聲道數(shù)據(jù)。
I2S接口可以配置成單聲道的脈沖編碼調(diào)制接口（PCM），支持8位A律、μ律，13位PCM符號擴展，13位PCM零擴充和16位線性PCM格式。

圖4 I2S格式舉例

控制接口和時鐘信號接口：控制端口包含復位控制（RST#），省電控制（PWDN#），直通控制（BP#）和串行主機接口（SHI）。SHI接口用來配置FM31的參數(shù)，最大支持400kHz的時鐘信號，SHI上拉電阻使用2.2kΩ。FM31內(nèi)建鎖相環(huán)，可以支持多種時鐘輸入：在3～32MHz之間按1MHz步長增加，或在4.096～32.768MHz之間按2.048MHz步長增加。

軟件控制和工作模式切換：FM31工作模式包含上電的初始化配置，省電模式，喚醒模式，手持模式，免提模式和直通模式。上電的初始化配置：外部時鐘開始產(chǎn)生并輸入到MCLK，打開VDDIO，省電控制和直通控制設置高電平，復位控制為低電平，等待1ms以后，打開VDDC/P，再等待1ms以后，復位控制設置成高電平，最后等待10ms以后完成復位。通過串行主機接口下載FM31初始化參數(shù)，完成初始化配置，將省電控制置低，F(xiàn)M31進入到省電模式，關(guān)閉主時鐘MCK。當有電話進或出，或錄音、播放音樂時，打開主時鐘，將省電控制置高，喚醒FM31，復位控制為低電平超過100μs，再將復位控制設置成高電平，等待10ms以后完成復位，主控制器根據(jù)工作模式通過串行主機接口下載相應參數(shù)。手持和免提模式切換時，將復位控制設置為低電平超過100μs，然后將復位控制設置成高電平，等待10ms以后完成復位，下載免提或手持模式的參數(shù)。通話完成以后，等待一段時間以后將省電控制置低，F(xiàn)M31便會關(guān)閉主時鐘MCK，進入到省電模式。

參數(shù)調(diào)試：包含系統(tǒng)參數(shù)配置和性能參數(shù)調(diào)試。系統(tǒng)參數(shù)配置包含時鐘頻率配置，芯片接口配置和系統(tǒng)增益分配。根據(jù)主時鐘頻率，設置鎖相環(huán)分頻系數(shù)；根據(jù)基帶芯片連接方式和數(shù)字接口格式配置兩路I2S或PCM接口的格式和上下行信號路徑；根據(jù)系統(tǒng)信號大小，合理分配模擬和數(shù)字域的增益，滿足發(fā)送和接受響度、失真度的要求。性能參數(shù)調(diào)試包含清晰語音引擎參數(shù)，噪聲抑制和回聲消除參數(shù)的調(diào)試。噪聲抑制調(diào)試分為上行降噪參數(shù)調(diào)試，下行穩(wěn)態(tài)噪聲抑制參數(shù)調(diào)試。調(diào)整上行噪聲抑制時，分別測量兩個麥克風近距離講話和遠距離噪聲的信號差別，根據(jù)差異設置麥克風自動校準參數(shù)；通過活動語音檢測指示調(diào)整時域噪聲抑制參數(shù)，調(diào)整頻域噪聲抑制參數(shù)和殘余噪聲平滑參數(shù)，使在語音質(zhì)量的情況下，噪聲抑制性能達到最優(yōu)。調(diào)試下行穩(wěn)態(tài)噪聲抑制參數(shù)，設定噪聲抑制的分貝數(shù)，調(diào)整低頻和高頻段的噪聲增益。[!--empirenews.page--]

清晰語音引擎（BVE）參數(shù)調(diào)試，測試正常情況下聽筒輸出信號的大小，根據(jù)聽筒喇叭的功率余量，設定各個頻段提升的幅度（見表1）和清晰語音引擎各個頻段的劃分。通常，因為喇叭功率的限制，可以提升的音頻總功率較小，要保證好的效果且語音總體功率增大不多。語音能量集中在低頻，而人耳對高頻敏感，利用這些特性，可以將低頻段語音（頻段1,2）不做提升，而少部分提升頻段3，充分提高頻段4,5。在模擬的不同強度噪聲環(huán)境下，調(diào)整麥克風拾取的各個頻段噪聲觸發(fā)閾值，喇叭各個頻段的最大輸出，使安靜環(huán)境下清晰語音引擎不被觸發(fā)。調(diào)整喇叭輸出的動態(tài)范圍控制參數(shù)，最大增益時使最大語音峰值出現(xiàn)時，喇叭不破音。圖5為實際測試的清晰語音引擎（BVE）效果，下方的頻率曲線是安靜環(huán)境下的語音，上方的頻率曲線是環(huán)境噪聲達到90dB時候，BVE引擎啟動后的效果。實際測量安靜時語音總有效功率為-38.65dB，BVE啟動以后語音總有效功率-33.81dB，總功率提升了4.84dB。實際的頻率特性比較，低頻段語音幅度一樣，而中高頻被提升了10dB左右，這樣保證在嘈雜環(huán)境下可以聽得更清楚。

圖5 實際測試的BVE效果

對于回聲消除參數(shù)，免提模式和手持模式需要分別調(diào)試。手持模式只需要調(diào)整線性回聲消除的參數(shù)，免提模式需要調(diào)整線性回聲和非線性回聲參數(shù)，通過時域和頻域的參數(shù)調(diào)整，使回聲消除性能和雙工性能達到最優(yōu)。

圖6 FM31系列芯片的典型應用原理圖

FM31系列芯片典型應用原理圖：圖6為FM31芯片的典型應用原理圖。兩個數(shù)字麥克風使用同一組電源，根據(jù)外部控制系統(tǒng)的輸入/輸出的接口電壓，數(shù)字麥克電源和FM31的VDDIO使用相同電源電壓，以使數(shù)字信號電平匹配。通過L/R選擇引腳設定為低來選定主麥克風（MAIN MIC），即靠近使用者嘴部的麥克風；L/R選擇引腳設定為高作為參考麥克風（REF MIC），即靠近耳朵的麥克風。兩路麥克風信號在時鐘的高低周期送到FM31，轉(zhuǎn)換解調(diào)為兩路麥克風信號。C4,C5用來穩(wěn)定1.2V的核電壓，需要靠近芯片引腳。磁珠B1和C2,C3組成低通濾波器，濾除電源的干擾，同時防止鎖相環(huán)的噪聲從電源反串，電源VDD1.2V的引線應盡量短并靠近電源引腳。電阻R3,R4調(diào)試用，當沒有主機控制FM31時，可以斷開R3,R4，連接到串行主機接口轉(zhuǎn)接板，通過電腦的使用調(diào)試工具實時調(diào)試和優(yōu)化FM31的參數(shù)。