一種適用于遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲抑制的電臺(tái)話音采集裝置

趙漢武，楊佳，惠景麗，張明

（空軍第一航空學(xué)院，河南信陽(yáng)464000）

機(jī)載超短波電臺(tái)在戰(zhàn)斗機(jī)中承擔(dān)著與地面塔臺(tái)及友機(jī)之間的通話任務(wù)，其通話質(zhì)量的高低直接影響飛行員的作戰(zhàn)與訓(xùn)練質(zhì)量。目前在飛機(jī)上大量使用的還是老式的模擬話音電臺(tái)，此種電臺(tái)缺少語(yǔ)音增強(qiáng)裝置，對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)座艙內(nèi)強(qiáng)烈的噪聲缺少針對(duì)性的抑制措施。隨著新階段飛行任務(wù)的增大，低清晰度的通話質(zhì)量勢(shì)必會(huì)對(duì)飛行任務(wù)的完成及飛行員的身心健康造成較大的影響。本文擬通過(guò)新型的模擬語(yǔ)音處理方法，重新設(shè)計(jì)話音采集及控制部分，提高采集語(yǔ)音的信噪比，改善機(jī)載超短波電臺(tái)的通信質(zhì)量。

1 機(jī)載電臺(tái)話音采集裝置

某型飛機(jī)超短波電臺(tái)由控制器、收發(fā)機(jī)、功率附加器、射頻轉(zhuǎn)換器及通信天線構(gòu)成。該電臺(tái)的話音采集裝置主要包括麥克風(fēng)和控制器，其中控制器通過(guò)座椅連接器與飛行帽上的耳機(jī)及話筒相連。在控制器上，設(shè)有靜噪開(kāi)關(guān)，對(duì)噪音有一定的抑制。但此裝置只是通過(guò)話音激活檢測(cè)（VAD）對(duì)無(wú)話音時(shí)的信號(hào)進(jìn)行大幅度衰減，降低強(qiáng)烈噪聲在無(wú)聲段時(shí)對(duì)飛行員的影響。而在有通話進(jìn)行時(shí)則無(wú)法降噪。此方法處理的結(jié)果是：在采集語(yǔ)音的同時(shí)伴隨有強(qiáng)烈的發(fā)動(dòng)機(jī)、按鈕開(kāi)關(guān)等噪聲，大大降低了通信語(yǔ)音的質(zhì)量。飛行員長(zhǎng)時(shí)間處于強(qiáng)噪聲環(huán)境中，也易出現(xiàn)身心疲憊、精力分散等現(xiàn)象，影響飛行的安全。在一些借助數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)改善通信質(zhì)量的方案[1]中，由于需要較為大量的改動(dòng)，如增加A/D和D/A電路，以及面臨供電問(wèn)題，所以在飛機(jī)座艙內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。本文擬通過(guò)NS公司新推出的雙輸入麥克風(fēng)陣列模擬放大器，提高采集語(yǔ)音的信噪比，改善機(jī)載超短波電臺(tái)的通信質(zhì)量，同時(shí)對(duì)座艙環(huán)境改變較少，不影響飛機(jī)正常任務(wù)的完成。

2 改進(jìn)型噪聲抑制話音采集方案

圖1是本方案的總體設(shè)計(jì)圖。該方案在原有控制器基礎(chǔ)上增加了語(yǔ)音增強(qiáng)的能，構(gòu)成增強(qiáng)控制器。控制器內(nèi)增強(qiáng)部分電路設(shè)計(jì)如圖2所示，其中，LMV1090是核心芯片。話音的采集使用兩個(gè)并列放置的麥克風(fēng)，其間保持2 cm左右的間距，對(duì)現(xiàn)有話音采集設(shè)備的影響不大。根據(jù)LMV1090系列芯片的特點(diǎn)，要求采集語(yǔ)音的麥克風(fēng)距離飛行員頭部不超過(guò)4 cm，兩個(gè)麥克風(fēng)與聲音位置源最好保持在同一條直線上，確保近場(chǎng)語(yǔ)音的保留。同時(shí)，麥克風(fēng)距離座艙內(nèi)最大的噪聲源需超過(guò)50 cm，削弱遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲。由于飛機(jī)內(nèi)最大的噪聲源來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，該要求一般可以滿足。

圖1 某型機(jī)載超短波電臺(tái)組成

控制器中關(guān)于增強(qiáng)采集語(yǔ)音信號(hào)的電路設(shè)計(jì)如圖2所示，Mic1和Mic2為兩個(gè)并列麥克風(fēng)，J1為輸出的近場(chǎng)語(yǔ)音信號(hào)接口。電路的核心為模擬雙輸入麥克風(fēng)陣列放大器LMV1090，其控制接口通過(guò)其內(nèi)置的I2C總線與AT89C51單片機(jī)相連。

2.1 LMV1090芯片介紹

LMV1090芯片是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體（NS）公司新推出的一款雙輸入麥克風(fēng)陣列放大器。該芯片采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲抑制技術(shù)，完全采用模擬處理可以減少輸出頻率失真及其他音頻假信號(hào)，令傳送的聲音更自然、更真實(shí)。相比采用子頻帶頻率處理抑制噪聲的算法，該模擬處理技術(shù)不僅噪聲低、音效好，而且功耗極低（僅0.5 mA），僅為數(shù)字信號(hào)處理器或微處理器搭配軟件的音頻系統(tǒng)的5%，對(duì)供電的要求大大降低。

圖2 語(yǔ)音采集及增強(qiáng)部分電路設(shè)計(jì)

另外，該放大器芯片非常易用，由于其完全采用模擬處理，減少了A/D及D/A轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師無(wú)需修改原有設(shè)計(jì)便可迅速將這種噪聲抑制功能內(nèi)置到現(xiàn)有設(shè)備中，基本不需要額外花費(fèi)時(shí)間為處理器編寫(xiě)和測(cè)試語(yǔ)音處理程序的代碼。該芯片采用25焊球的microSMD封裝，尺寸為2 mm×2 mm×0.6 mm，兩個(gè)麥克風(fēng)之間也只需保持在15 mm～25 mm的直線距離，相比傳統(tǒng)的麥克風(fēng)陣列增強(qiáng)器，要求更低，更易實(shí)現(xiàn)。

2.2 單片機(jī)控制

LMV1090內(nèi)置有麥克風(fēng)前置放大器和后置放大器。兩個(gè)放大器的增益可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方法是通過(guò)芯片內(nèi)置的I2C總線[2]由控制器完成。本方案使用8051單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置，如圖3所示，使用P0口的兩個(gè)IO腳分別作為時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。

圖3 單片機(jī)和LMV1090之間的I2C總線連接

在串行通信中，AT89C51作為主機(jī)，LMV1090只能作為從機(jī)，被寫(xiě)入關(guān)于放大器增益配置的數(shù)據(jù)。在向從機(jī)寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)必須遵守I2C通信協(xié)議中對(duì)時(shí)序的嚴(yán)格規(guī)定，如在SCL為高時(shí)，SDA從高到低變化表示啟動(dòng)通信，在SCL為高時(shí)SDA從低到高變化表示停止通信。圖4即是在寫(xiě)入前置放大器增益值時(shí)所用的時(shí)序。

圖4 單片機(jī)控制前置放大器增益時(shí)的I2C通信時(shí)序

在上述時(shí)序圖中，在SCL為高時(shí)，SDA出現(xiàn)下降沿，表示啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)通信；在SCL的時(shí)鐘控制下，SDA傳出8位數(shù)據(jù)，高位在前，低位在后，該數(shù)據(jù)表示從機(jī)寄存器A，即LMV1090芯片內(nèi)置放大器增益寄存器的地址11001110，地址發(fā)送結(jié)束后需要一個(gè)從機(jī)應(yīng)答，即從機(jī)在第8個(gè)時(shí)鐘脈沖后將SDA拉到低電平，表示接收第一個(gè)字節(jié)成功。之后，主機(jī)再次發(fā)送8位數(shù)據(jù)，表示該寄存器內(nèi)應(yīng)寫(xiě)入的實(shí)際值，這里的數(shù)據(jù)為11110000，即將前置放大器增益設(shè)置為36 dB，后置放大器增益設(shè)置為6 dB[3]。接收該字節(jié)后，從機(jī)給出應(yīng)答，表示接收成功。經(jīng)歷兩次寫(xiě)入操作后，該寄存器的寫(xiě)入任務(wù)完成，可以結(jié)束I2C通信，結(jié)束的方法是在SCL為高電平時(shí)，向SDA送上升沿信號(hào)。

2.3 其他問(wèn)題

由于戰(zhàn)斗機(jī)座艙環(huán)境的特殊性，對(duì)設(shè)備的體積、重量和耗電量都有非常嚴(yán)格的要求，在使用中還需注意以下問(wèn)題。

(1)安裝位置

得益于LMV1090極小的體積(2 mm×2 mm×0.6 mm)，圍繞其設(shè)計(jì)的增強(qiáng)采集電路也可以大大縮小體積。經(jīng)過(guò)對(duì)控制器的精簡(jiǎn)，基本可以將該部分電路放置在控制器內(nèi)。

(2)供電

LMV1090的耗電量?jī)H有0.5 mA，整個(gè)增強(qiáng)采集部分的耗電量經(jīng)過(guò)優(yōu)化也不會(huì)超過(guò)2 mA。因此，完全可以借用控制器部分的電源對(duì)其進(jìn)行供電。

(3)放大器增益調(diào)節(jié)按鈕

LMV1090的兩個(gè)內(nèi)置放大器的增益可以由單片機(jī)通過(guò)I2C進(jìn)行控制，可將其控制的按鈕引到面板。設(shè)計(jì)時(shí)需注意放大器的增益設(shè)計(jì)要合理，根據(jù)麥克風(fēng)自身的最大輸出，以及芯片后級(jí)對(duì)輸入電壓的要求，設(shè)置一個(gè)合適的調(diào)節(jié)范圍在面板上供手動(dòng)調(diào)整。

以某型戰(zhàn)斗機(jī)所用電臺(tái)為例，其話音采集的麥克風(fēng)最大輸出為10 mV，經(jīng)過(guò)LMV1090處理后，再送到控制器內(nèi)的處理芯片，該芯片要求LMV1090的最大輸出不能超過(guò)3.3 V。據(jù)此可選擇的增益范圍應(yīng)按如下方法確定。

首先確定后級(jí)放大器的增益，一般使其保持最低值6 dB，以使前級(jí)放大器處于較大值，可提高采集時(shí)的信噪比。當(dāng)后級(jí)放大器增益為6 dB時(shí)，前放的輸出則應(yīng)為：

3.3 V-6 dB=1.65 V

由于麥克風(fēng)的最大輸出為10 mV，因此，可確定的最大增益為：20log(1.65 V/10 mV)=44 dB

因?yàn)長(zhǎng)MV1090前放增益的實(shí)際可調(diào)范圍為6 dB～36 dB，所以可設(shè)置其為最大值36 dB，后放的增益在可調(diào)范圍6 dB～18 dB內(nèi)設(shè)置最小值6 dB。

依據(jù)上述方案設(shè)計(jì)的噪聲抑制話音采集裝置在某機(jī)載超短波電臺(tái)上進(jìn)行了試用，在試用過(guò)程中考慮了以下事項(xiàng)[4]：(1)麥克風(fēng)陣列的相對(duì)位置對(duì)實(shí)際噪聲抑制的效果影響較大，要求兩個(gè)麥克風(fēng)并列排列，與采集話音源成一條直線。當(dāng)不滿足此條件時(shí)，話音損失較大。(2)遠(yuǎn)程噪聲衰減較大，當(dāng)噪聲源距離麥克風(fēng)超過(guò)50 cm時(shí)，通話的背景噪聲水平有明顯的降低。(3)麥克風(fēng)前置放大器的增益不能設(shè)置過(guò)大，否則可能會(huì)有較大的削峰現(xiàn)象，一般可采用比理論最大值低5 dB左右的增益。

另外在測(cè)試過(guò)程中，保持遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲源距離麥克風(fēng)陣列在50 cm之外，話音源在麥克風(fēng)陣列線上且相距不超過(guò)5 cm，測(cè)量的信號(hào)送至語(yǔ)音質(zhì)量客觀評(píng)估系統(tǒng)[5]，在噪聲抑制模式使用前后各采集測(cè)試10次，平均噪聲抑制效果可達(dá)18 dB。

[1]郭寶強(qiáng).軍用通信電臺(tái)前置語(yǔ)音增強(qiáng)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連理工大學(xué)，2006.

[2]來(lái)清民.傳感器與單片機(jī)接口及實(shí)例[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3]National Semiconductor.LMV1090 Dual Input，F(xiàn)ar field noise suppression microphone amplifier，2010(7).

[4]National Semiconductor.Application note 1948 LMV1090 noise suppression microphone amplifier evaluation kit User′s Guide，2009(7).

[5]何孝月.基于EPESQ的VoIP語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估的研究與實(shí)現(xiàn)[D].中南大學(xué)，2008.

[6]秦明宏.PIC單片機(jī)基礎(chǔ)與傳感器應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.