隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)的發(fā)展，數字語(yǔ)音處理技術(shù)越來(lái)越成為發(fā)展的潮流。一方面，移動(dòng)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(lái)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(lái)越高。數字麥克風(fēng)拾音技術(shù)可以消除系統各種射頻干擾對語(yǔ)音通信產(chǎn)生的噪聲。在各種應用場(chǎng)合，手機用戶(hù)期望在嘈雜的環(huán)境內，能使本方的語(yǔ)音清晰地傳送給對方，同時(shí)可以聽(tīng)清楚對方的聲音。雙向噪聲抑制技術(shù)和清晰語(yǔ)音引擎可以實(shí)現清晰語(yǔ)音通信。

　　影響語(yǔ)音通話(huà)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(wú)線(xiàn)傳輸夾雜在語(yǔ)音中的噪聲干擾。外在環(huán)境噪聲影響包含兩個(gè)方面：由于聲音的遮蔽效應，周?chē)�環(huán)境噪聲會(huì )影響本地聽(tīng)者，當噪聲足夠大時(shí)，甚至無(wú)法聽(tīng)清對方的聲音；環(huán)境噪聲混雜在語(yǔ)音中，經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸到對方的聽(tīng)筒中，使對方難以聽(tīng)懂。針對這些干擾，需要相應的技術(shù)來(lái)抑制噪聲，增強語(yǔ)音，實(shí)現清晰語(yǔ)音通信。富迪科技（Fortemedia）公司推出的FM31系列芯片是專(zhuān)門(mén)針對手機市場(chǎng)推出的基于公司陣列麥克風(fēng)(SAM)專(zhuān)利技術(shù)，全數字接口和數字處理的清晰語(yǔ)音處理芯片。數字陣列麥克風(fēng)技術(shù)采用空間濾波、DSP處理技術(shù)，實(shí)現心形的試音區域，定向、定距拾取本地聲音信號，抑制了周?chē)�環(huán)境噪聲，消除聲學(xué)回聲，提升上行通話(huà)質(zhì)，使對方獲得清晰的語(yǔ)音。清晰語(yǔ)音引擎（BVE）技術(shù)，可以根據環(huán)境噪聲大小，頻譜特性，自動(dòng)調節聽(tīng)筒中的下行語(yǔ)音的音量和頻譜能量，使本地用戶(hù)能夠聽(tīng)清楚。同時(shí)，對于對方送過(guò)來(lái)的語(yǔ)音進(jìn)行消噪，減小本地噪聲。

　　FM31系列芯片主要功能及特點(diǎn)

　　專(zhuān)門(mén)針對手持設備設計，采用130nm優(yōu)化設計技術(shù)，超低功耗，數字和核工作電壓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(gè)引腳的QFN封裝，引腳間距0.5mm，外形尺寸4mm×4mm；內建鎖相環(huán)（PLL），支持多種時(shí)鐘輸入。

　　FM31系列芯片是全數字接口和數字處理芯片，外圍元器件非常少。獨有的數字麥克風(fēng)（PDM）接口支持一個(gè)或兩個(gè)全指向的ECM或MEMS數字麥克風(fēng)陣列。兩路數字音頻信號接口可以配置成內部集成電路聲音（I2S）或脈沖編解碼（PCM）接口，正常處理模式支持8kHz或16kHz的音頻數字信號，直通模式支持48kHz的多媒體音樂(lè )信號。主機通過(guò)串行主機接口（SHI）總線(xiàn)下載參數，控制芯片。手持模式支持定向，定距近場(chǎng)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(yǔ)音引擎（BVE）可以根據本地環(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(shí)現清晰語(yǔ)音功能。免提模式支持遠距離拾音，動(dòng)態(tài)范圍控制可以改善語(yǔ)音可懂度，提升全雙工性能。

　　FM31在手機平臺中的設計和應用

　　系統連接：根據手機平臺模擬基帶和數字基帶之間的數字音頻接口格式，是否有CODEC芯片等，采用相應的連接方式。例如，愛(ài)立信手機平臺（EMP）有兩個(gè) I2S接口，可以將FM31置于模擬基帶和數字基帶之間（見(jiàn)圖1）。當使用模擬陣列麥克風(fēng)時(shí)，兩路信號經(jīng)過(guò)模擬基帶芯片放大、濾波、模數轉換處理以后，分別在I2S的左右通道輸出到FM31的I2S輸入引腳RxDc。當使用數字麥克風(fēng)時(shí)，拾取的近端信號經(jīng)過(guò)陣列數字麥克風(fēng)放大并轉換成PDM信號，從 FM31的PDM輸入引腳輸入。經(jīng)過(guò)數字信號處理器時(shí)域和頻域的回聲消除和噪聲抑制，從TxDp送到數字基帶，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送到對方。下行信號從數字基帶I2S輸入到FM31的RxDp，作為回聲消除的參考信號，同時(shí)，經(jīng)過(guò)噪聲抑制和清晰語(yǔ)音引擎得處理，從TxDc送到模擬基帶，模擬基帶模數裝換后放大推動(dòng)聽(tīng)筒或喇叭。當使用外置音頻編解碼器時(shí)，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

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。數字輸入輸出引腳電源VDDIO可以根據外部系統的電壓來(lái)選擇，范圍為1.8～3.3V。數字麥克風(fēng)電源可以使用VDDIO。

　　數字麥克風(fēng)接口：FM31提供給數字麥克風(fēng)1.024MHz的時(shí)鐘信號。麥克風(fēng)拾取聲音信號64kHz過(guò)采樣轉換成脈沖密度調制（PDM）的數據流送給 FM31，其內置數字濾波器將數據流降低成16kHz采樣率16位的脈沖編碼調制接口（PCM）信號（見(jiàn)圖3）。主麥克風(fēng)（MIC0）和參考麥克風(fēng) (MIC1)的數據分別位于時(shí)鐘信號的低周期（A0→B0→C0→D0→E0…）和高周期（V1→W1→X1→Y1→Z1…）。

圖3 FM31數字麥克風(fēng)接口信號

I2S接口：FM31兩路數字音頻信號接口，通過(guò)參數可以配置成內部集成電路聲音接口（I2S），正常處理模式支持8kHz或16kHz的音頻數字信號，共享時(shí)鐘和同步信號直通模式支持48kHz的多媒體音樂(lè )信號。I2S接口可以配置成主模式，提供外設時(shí)鐘和幀同步信號，或者配置成從模式，時(shí)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據，數據可以是零時(shí)鐘延時(shí)或一個(gè)時(shí)鐘延時(shí)，可在時(shí)鐘上升沿或下降沿被鎖定。圖4為I2S格式舉例：I2S下降沿鎖定數據，數據一個(gè)時(shí)鐘延時(shí)，幀同步高為左聲道數據。

　　I2S接口可以配置成單聲道的脈沖編碼調制接口（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(xiàn)性PCM格式。

圖4 I2S格式舉例

　　控制接口和時(shí)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(lái)配置 FM31的參數，最大支持400kHz的時(shí)鐘信號，SHI上拉電阻使用2.2kΩ。FM31內建鎖相環(huán)，可以支持多種時(shí)鐘輸入：在3～32MHz之間按 1MHz步長(cháng)增加，或在4.096～32.768MHz之間按2.048MHz步長(cháng)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(shí)鐘開(kāi)始產(chǎn)生并輸入到MCLK，打開(kāi)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(kāi)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(guò)串行主機接口下載FM31初始化參數，完成初始化配置，將省電控制置低，FM31進(jìn)入到省電模式，關(guān)閉主時(shí)鐘MCK。當有電話(huà)進(jìn)或出，或錄音、播放音樂(lè )時(shí)，打開(kāi)主時(shí)鐘，將省電控制置高，喚醒FM31，復位控制為低電平超過(guò)100μs，再將復位控制設置成高電平，等待10ms以后完成復位，主控制器根據工作模式通過(guò)串行主機接口下載相應參數。手持和免提模式切換時(shí)，將復位控制設置為低電平超過(guò)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。通話(huà)完成以后，等待一段時(shí)間以后將省電控制置低，FM31便會(huì )關(guān)閉主時(shí)鐘MCK，進(jìn)入到省電模式。

　　參數調試：包含系統參數配置和性能參數調試。系統參數配置包含時(shí)鐘頻率配置，芯片接口配置和系統增益分配。根據主時(shí)鐘頻率，設置鎖相環(huán)分頻系數；根據基帶芯片連接方式和數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；根據系統信號大小，合理分配模擬和數字域的增益，滿(mǎn)足發(fā)送和接受響度、失真度的要求。性能參數調試包含清晰語(yǔ)音引擎參數，噪聲抑制和回聲消除參數的調試。噪聲抑制調試分為上行降噪參數調試，下行穩態(tài)噪聲抑制參數調試。調整上行噪聲抑制時(shí)，分別測量?jì)蓚�(gè)麥克風(fēng)近距離講話(huà)和遠距離噪聲的信號差別，根據差異設置麥克風(fēng)自動(dòng)校準參數；通過(guò)活動(dòng)語(yǔ)音檢測指示調整時(shí)域噪聲抑制參數，調整頻域噪聲抑制參數和殘余噪聲平滑參數，使在語(yǔ)音質(zhì)量的情況下，噪聲抑制性能達到最優(yōu)。調試下行穩態(tài)噪聲抑制參數，設定噪聲抑制的分貝數，調整低頻和高頻段的噪聲增益。

　　清晰語(yǔ)音引擎（BVE）參數調試，測試正常情況下聽(tīng)筒輸出信號的大小，根據聽(tīng)筒喇叭的功率余量，設定各個(gè)頻段提升的幅度（見(jiàn)表1）和清晰語(yǔ)音引擎各個(gè)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(yǔ)音總體功率增大不多。語(yǔ)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(yǔ)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，調整麥克風(fēng)拾取的各個(gè)頻段噪聲觸發(fā)閾值，喇叭各個(gè)頻段的最大輸出，使安靜環(huán)境下清晰語(yǔ)音引擎不被觸發(fā)。調整喇叭輸出的動(dòng)態(tài)范圍控制參數，最大增益時(shí)使最大語(yǔ)音峰值出現時(shí)，喇叭不破音。圖5為實(shí)際測試的清晰語(yǔ)音引擎（BVE）效果，下方的頻率曲線(xiàn)是安靜環(huán)境下的語(yǔ)音，上方的頻率曲線(xiàn)是環(huán)境噪聲達到90dB時(shí)候，BVE引擎啟動(dòng)后的效果。實(shí)際測量安靜時(shí)語(yǔ)音總有效功率為-38.65dB，BVE啟動(dòng)以后語(yǔ)音總有效功率-33.81dB，總功率提升了4.84dB。實(shí)際的頻率特性比較，低頻段語(yǔ)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(tīng)得更清楚。

圖5 實(shí)際測試的BVE效果

對于回聲消除參數，免提模式和手持模式需要分別調試。手持模式只需要調整線(xiàn)性回聲消除的參數，免提模式需要調整線(xiàn)性回聲和非線(xiàn)性回聲參數，通過(guò)時(shí)域和頻域的參數調整，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(gè)數字麥克風(fēng)使用同一組電源，根據外部控制系統的輸入/輸出的接口電壓，數字麥克電源和FM31的VDDIO使用相同電源電壓，以使數字信號電平匹配。通過(guò)L/R選擇引腳設定為低來(lái)選定主麥克風(fēng)（MAIN MIC），即靠近使用者嘴部的麥克風(fēng)；L/R選擇引腳設定為高作為參考麥克風(fēng)（REF MIC），即靠近耳朵的麥克風(fēng)。兩路麥克風(fēng)信號在時(shí)鐘的高低周期送到FM31，轉換解調為兩路麥克風(fēng)信號。C4,C5用來(lái)穩定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(shí)防止鎖相環(huán)的噪聲從電源反串，電源VDD1.2V的引線(xiàn)應盡量短并靠近電源引腳。電阻R3,R4調試用，當沒(méi)有主機控制FM31時(shí)，可以斷開(kāi)R3,R4，連接到串行主機接口轉接板，通過(guò)電腦的使用調試工具實(shí)時(shí)調試和優(yōu)化FM31的參數。