基于FM1083的免提通信產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)

來(lái)源：今日電子 作者：富迪科技(南京)有限公司 衛(wèi)強(qiáng) 俞小虎 上海交通大學(xué)電子工程系 戎蒙恬

摘要：介紹了基于FM1083的低功率免提通信產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，低功率免提芯片F(xiàn)M1083在全雙工USB、藍(lán)牙、手機(jī)、電話免提通信中的典型應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：免提通信；聲學(xué)回聲消除；遠(yuǎn)端拾?。辉肼曇种?；語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)

引言
---隨著通信產(chǎn)品的不斷小型化，對(duì)系統(tǒng)的成本和空間限制也越來(lái)越多。揚(yáng)聲器的體積變得越來(lái)越小，麥克風(fēng)與揚(yáng)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(fù)雜的使用環(huán)境中，環(huán)境噪聲嚴(yán)重影響了通話質(zhì)量。如何在PDA、筆記本電腦、免提手機(jī)等小型系統(tǒng)中實(shí)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(guó)富迪科技(Fortemedia)公司推出的用于回聲消除、噪聲抑制、遠(yuǎn)端拾取聲音信號(hào)的低功率芯片，本文將介紹小型免提通信產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、FM1083主要功能和典型應(yīng)用。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

---模具外殼、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的免提性能?；芈暤漠a(chǎn)生有聲學(xué)傳播和機(jī)械振動(dòng)兩種方式，從頻譜的連續(xù)性來(lái)看，回聲又分線性和非線性兩種。在模具設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮要盡量減小麥克風(fēng)拾取的線性回聲，減小揚(yáng)聲器和外殼的非線性振動(dòng)。麥克風(fēng)應(yīng)該設(shè)計(jì)獨(dú)立的腔體，注意外殼的前后蓋的配合，否則回聲會(huì)增大。揚(yáng)聲器應(yīng)充分固定，在揚(yáng)聲器與外殼之間加減振墊圈。
---FM1083支持一個(gè)單指向或全指向麥克風(fēng)和兩個(gè)陣列麥克風(fēng)，陣列麥克風(fēng)由全指向和單指向麥克風(fēng)組合而成。在使用一個(gè)麥克風(fēng)的應(yīng)用中，應(yīng)該使麥克風(fēng)拾取遠(yuǎn)端(FE)的聲音即回聲與近端(NE)講話的信號(hào)差值盡量小。設(shè)定麥克風(fēng)拾取的近端講話信號(hào)(signal of near end)SN為10mVpp時(shí)，麥克風(fēng)拾取的回聲信號(hào)(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(dá)400mVpp，根本無(wú)法通信。為了消除回聲，至少要使回聲比有用信號(hào)小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，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(hào)。采用FM1083和兩個(gè)陣列麥克風(fēng)的系統(tǒng)最大可以消除65dB的回聲，使通信清晰流暢。對(duì)于兩個(gè)麥克風(fēng)的應(yīng)用，應(yīng)該使主麥克風(fēng)M1、參考麥克風(fēng)M2所拾取遠(yuǎn)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(hào)有一定的差值，M1、M2所拾取的近端(NE)講話的信號(hào)差值應(yīng)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(diǎn)
---FM1083專為移動(dòng)手持設(shè)備設(shè)計(jì)，內(nèi)置的兩個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器分別為CODEC和DSP提供電源，1.8V工作時(shí)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(dòng)揚(yáng)聲器。多媒體編解碼接口(CODEC Host Interface)直接與藍(lán)牙1.1和1.2接口連接。具有兩個(gè)麥克風(fēng)輸入，內(nèi)置可編程增益輸入輸出放大器(-6dB～+26dB)，適應(yīng)不同靈敏度的麥克風(fēng)。遠(yuǎn)端拾取時(shí)，麥克風(fēng)與使用者的距離是0.6m，最大可以達(dá)到5m。模擬信號(hào)支持直通模式，以提高保真度?；芈曄秶鸀?5～60dB，支持動(dòng)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(shí)的過(guò)載。麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器之間最小距離可以達(dá)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(shí)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(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)傳送音頻數(shù)據(jù)，做為語(yǔ)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(shí)鐘源，當(dāng)選擇內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，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(duì)EEPROM編程或微控制器直接控制FM1083，在4.096MHz時(shí)的接口波特率為300～230400b/s，13MHz時(shí)為9600～38400b/s。FM1083的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

信號(hào)流程
---主麥克風(fēng)1和參考麥克風(fēng)2拾取的信號(hào)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(yǔ)音處理器處理(線性回聲消除，非線性回聲消除，VAD檢測(cè)，噪聲抑制處理，然后進(jìn)行麥克風(fēng)自動(dòng)增益控制，消側(cè)音和麥克風(fēng)音量設(shè)定)，輸出的16位語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后將麥克風(fēng)信號(hào)從線路輸出端進(jìn)行單端輸出。
---遠(yuǎn)端話音信號(hào)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(yǔ)音數(shù)據(jù)，送語(yǔ)音處理器處理(消側(cè)音，自動(dòng)增益控制，回聲參考信號(hào)提取，動(dòng)態(tài)范圍控制)，輸出信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后推動(dòng)內(nèi)置的D類功放，用差分方式直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。
---在USB應(yīng)用時(shí)，USB的輸入信號(hào)作為線路輸入的信號(hào)，經(jīng)語(yǔ)音處理器處理后直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。麥克風(fēng)輸入信號(hào)經(jīng)語(yǔ)音處理器處理后，通過(guò)USB送計(jì)算機(jī)，過(guò)程與模擬信號(hào)輸入/輸出相同。
---藍(lán)牙應(yīng)用時(shí)，麥克風(fēng)的信號(hào)經(jīng)處理后通過(guò)音頻數(shù)據(jù)接口以13位或16位線性PCM的格式送給藍(lán)牙芯片，藍(lán)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(guò)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(diǎn)是線路簡(jiǎn)單、功能通用、攜帶方便，整個(gè)系統(tǒng)只占80mm×55mm的空間。系統(tǒng)以FM1083和CSR MBT-4107藍(lán)牙模塊為核心，內(nèi)置600mA鋰電池和USB 200mA充電電路，典型應(yīng)用如圖2所示。
---整個(gè)系統(tǒng)有5種工作模式：關(guān)機(jī)、省電、模擬免提、USB免提和藍(lán)牙免提。對(duì)于不同的語(yǔ)音信號(hào)接口，需要三組參數(shù)去控制FM1083，使其工作在最佳狀態(tài)。藍(lán)牙模塊通過(guò)UART口與FM1083通信，對(duì)系統(tǒng)工作模式進(jìn)行檢測(cè)和參數(shù)控制。系統(tǒng)的缺省工作方式是省電模式，當(dāng)USB電纜插入時(shí)，藍(lán)牙模塊檢測(cè)到USB_IN信號(hào)，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(hào)，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(jìn)入U(xiǎn)SB免提工作模式。模擬信號(hào)插頭插入J1，藍(lán)牙模塊檢測(cè)到ANA_IN信號(hào)，喚醒并送模擬工作參數(shù)給FM1083，系統(tǒng)進(jìn)入模擬免提工作模式。藍(lán)牙模塊工作時(shí)，首先要和其他藍(lán)牙設(shè)備配對(duì)，當(dāng)藍(lán)牙手機(jī)來(lái)電或打電話時(shí)自動(dòng)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(lán)牙低壓檢測(cè)，在電池電壓過(guò)低時(shí)(小于3.3V)，系統(tǒng)告警并自動(dòng)進(jìn)入省電模式。在藍(lán)牙模式工作時(shí)，總電流小于100mA，1個(gè)600mAH的鋰電池可以通話6小時(shí)，省電模式的電流為3～5mA，可以待機(jī)120小時(shí)。
---參數(shù)ft_flag(地址是0x1E46)可以設(shè)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(shè)定ft_flag為0135時(shí)是13位零位填充PCM，ft_flag為0075時(shí)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(lán)牙接口，13位零位填充PCM是惟一能通過(guò)藍(lán)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(zhǎng)幀，在主模式下支持短幀。根據(jù)幀信號(hào)和數(shù)據(jù)的時(shí)序，可設(shè)定零時(shí)鐘延遲和1個(gè)時(shí)鐘延遲，如圖3所示。
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FM1083通過(guò)UART接口與MBT-4107藍(lán)牙模塊交換控制命令，通過(guò)UART接口，藍(lán)牙模塊可以讀FM1083寄存器的值，也可以在不同的工作模式時(shí)送相應(yīng)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(gè)開始狀態(tài)、8位數(shù)據(jù)和一個(gè)停止?fàn)顟B(tài)組成。由于需要USB應(yīng)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(chǔ)器寫、存儲(chǔ)器讀、短寄存器寫、長(zhǎng)寄存器寫和寄存器讀，如表1所示。
---在每個(gè)UART接口命令前必須加同步字FCF3，并且注意區(qū)分存儲(chǔ)器讀和寄存器讀，存儲(chǔ)器讀僅是將存儲(chǔ)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(shuō)明具體的讀寫操作。
---(1)存儲(chǔ)器讀
---FC F3 37 1E 34；37是存儲(chǔ)器命令字，1E 34是存儲(chǔ)器地址，盡管發(fā)出一個(gè)讀命令給FM1083，但是UART口并沒有輸出。
---(2) 存儲(chǔ)器寫傳輸
---FC F3 3B 1E 34 32 23：FCF3是同步字，3B是存儲(chǔ)器寫命令字，1E 34是存儲(chǔ)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(zhǎng)寄存器寫
---FC F3 6A 2A 00 00：6A是長(zhǎng)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(chǔ)器1E34的內(nèi)容
---FC F3 37 1E 34：此時(shí)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(chǔ)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(chǔ)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(gè)麥克風(fēng)，而且比較理想的情況下參考麥克風(fēng)拾取的回聲將比信號(hào)大20～30dB，而且如果模殼設(shè)計(jì)不好，回聲可能會(huì)更大，F(xiàn)M1083麥克風(fēng)輸入信號(hào)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(fēng)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(shí)麥克風(fēng)可能已經(jīng)飽和，靈敏度太低則信噪比會(huì)下降，建議采用靈敏度為-44～47dB的麥克風(fēng)。而且，整個(gè)處理通路不能有飽和現(xiàn)象，必須根據(jù)麥克風(fēng)的信號(hào)幅度設(shè)置麥克風(fēng)可編程增益放大器的增益和麥克風(fēng)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(dòng)態(tài)范圍是0.7Vp-p，所以輸入信號(hào)太大應(yīng)該衰減，并且根據(jù)輸入信號(hào)設(shè)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(hào)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(dòng)4Ω的揚(yáng)聲器負(fù)載，也可以不用內(nèi)置D類功放，通過(guò)外加功放來(lái)滿足相應(yīng)的輸出功率要求，此時(shí)，可以設(shè)置參數(shù)關(guān)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(duì)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(gè)參數(shù)，并且計(jì)算系統(tǒng)各部分的信號(hào)大小，提供參數(shù)模板和EEPROM編程，系統(tǒng)測(cè)試時(shí)可以采用富迪科技AMBIN錄音分析系統(tǒng)。

結(jié)束語(yǔ)
---FM1083可以單獨(dú)設(shè)計(jì)特定應(yīng)用的免提系統(tǒng)，例如電話免提、手機(jī)免提、藍(lán)牙手機(jī)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(yǔ)音聊天和網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用。