高深度混合主動(dòng)降噪、數(shù)字對(duì)講立體聲耳機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

【摘 要】傳統(tǒng)的模擬對(duì)講機(jī)在高噪聲的環(huán)境下無法正常的送話和受話，噪聲將人聲覆蓋，以至于產(chǎn)品無法正常使用。本設(shè)計(jì)研究采用主動(dòng)降噪技術(shù)，通過降噪MIC接收罩框系統(tǒng)沒有濾掉的噪音信號(hào)，或者前腔因腔體因素產(chǎn)生的噪音，通過降噪模塊產(chǎn)生反向的信號(hào)驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)出反向的聲波抵消噪聲；同時(shí)將數(shù)字對(duì)講技術(shù)與主動(dòng)降噪技術(shù)相結(jié)合，利用數(shù)字對(duì)講功耗低，通訊距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，可跳頻工作的優(yōu)勢，外置3dB的天線就可以在1公里內(nèi)的范圍內(nèi)實(shí)時(shí)對(duì)講，本產(chǎn)品可在強(qiáng)噪聲的環(huán)境下，戴上耳機(jī)保護(hù)聽力，解放雙手，實(shí)時(shí)全雙工對(duì)講，給特定場合（飛機(jī)地勤、開大車、炮兵、建筑施工等）的作業(yè)人員帶來極大的便利

【關(guān)鍵詞】主動(dòng)降噪；數(shù)字對(duì)講

一、項(xiàng)目簡介

本項(xiàng)目的核心為主動(dòng)降噪技術(shù)和數(shù)字對(duì)講技術(shù)，主動(dòng)降噪技術(shù)包括上行降噪和下行降噪，通常說的手機(jī)通話降噪是指對(duì)MIC拾聲的降噪，就屬于上行降噪的一種；上行降噪是指對(duì)MIC拾聲的降噪處理，而下行降噪就是指對(duì)在聲音輸出端SPK的降噪處理，下行降噪實(shí)現(xiàn)方式有很多種，目前在市場上賣的降噪耳機(jī)有前饋降噪，反饋降噪，前饋和反饋同時(shí)工作的混合降噪。本項(xiàng)目有上行降噪也有下行降噪，下行降噪采用混合降噪。數(shù)字對(duì)講技術(shù)相比較傳統(tǒng)的模擬對(duì)講機(jī)，在功耗上有明顯的優(yōu)勢，功耗只有模擬的5分之一，可以讓電池續(xù)航能力大大提升，并且在433MHz到2.4G的頻段內(nèi)可以靈活設(shè)置工作頻率，抗干擾能力大大強(qiáng)于模擬對(duì)講，另外在通信距離上有著更遠(yuǎn)的應(yīng)用，外置3dB的天線就可以在1公里內(nèi)的范圍內(nèi)實(shí)時(shí)對(duì)講，本產(chǎn)品可在強(qiáng)噪聲的環(huán)境下，戴上耳機(jī)保護(hù)聽力，解放雙手，實(shí)時(shí)全雙工對(duì)講，給特定場合（飛機(jī)地勤、開大車、炮兵、建筑施工等）的作業(yè)人員帶來極大的便利。

二、項(xiàng)目主要研究內(nèi)容

1、混合主動(dòng)降噪技術(shù)的研究；2、全雙工數(shù)字對(duì)講技術(shù)的研究；3、模擬的混合降噪音頻和數(shù)字對(duì)講音頻相結(jié)合的音頻系統(tǒng)的技術(shù)研究；

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)組成

無線收發(fā)主機(jī)主要由無線收發(fā)模塊組成：MIC和SPK信號(hào)通過屏蔽線纜接入地勤接口，實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)的通信受話傳輸至無線收發(fā)主機(jī)中；無線收發(fā)主機(jī)采用1500mAH電池組供電；無線收發(fā)模塊內(nèi)部包括片上處理系統(tǒng)、DSP、功放以及射頻天線單元；片上系統(tǒng)主要處理外部IO接口動(dòng)作的輸入輸出，開關(guān)機(jī)按鍵，音量配對(duì)按鍵，電池的電壓監(jiān)測，功放的開關(guān)等；DSP則實(shí)時(shí)處理通話MIC拾取的信號(hào)，通過采用低靈敏度消噪型MIC，在DSP上運(yùn)行MIC降噪算法實(shí)現(xiàn)高達(dá)18dB的上行通話降噪，來保證在高噪環(huán)境下的正常清晰通話；射頻天線單元收發(fā)的數(shù)字信號(hào)通過DSP音頻解碼轉(zhuǎn)換成語音信號(hào)，無線收發(fā)模塊內(nèi)置2瓦的功放，可驅(qū)動(dòng)150歐姆直徑40mm的動(dòng)圈式喇叭。

無線收發(fā)受話器組主要由無線收發(fā)模組（從機(jī)）和降噪處理單元組成：

受話器組采用1500mAH電池組供電；無線收發(fā)模組包括片上處理系統(tǒng)、音頻處理芯片、DSP、功放以及射頻天線單元；片上系統(tǒng)主要處理外部IO接口動(dòng)作的輸入輸出，開關(guān)機(jī)按鍵，音量配對(duì)按鍵，電池的電壓監(jiān)測，降噪芯片的開啟關(guān)閉，功放的開關(guān)等；DSP則實(shí)時(shí)處理通話MIC拾取的信號(hào)，通過采用低靈敏度的消噪型MIC，在DSP上運(yùn)行MIC降噪算法實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)高達(dá)18dB的上行通話降噪，來保證在高噪環(huán)境下的正常清晰通話；射頻天線單元收發(fā)的數(shù)據(jù)通過DSP音頻解碼轉(zhuǎn)換成語音信號(hào)，無線收發(fā)模塊內(nèi)置2瓦的功放，可驅(qū)動(dòng)150歐姆直徑40mm的動(dòng)圈式喇叭；無線收發(fā)模組還內(nèi)置了一顆音頻處理芯片，實(shí)時(shí)處理通話MIC對(duì)環(huán)境聲音拾取的信號(hào)，經(jīng)由DSP輸出至SPK，無線收發(fā)模組音頻輸出進(jìn)入降噪處理單元的有線音頻輸入通道。降噪處理單元包括兩顆AMS3435芯片和濾波電路和負(fù)壓的電路，通過混合降噪技術(shù)產(chǎn)生反向的頻響曲線將原環(huán)境噪聲部分抵消，將中低頻的噪聲消減26-30dB

2、混合主動(dòng)降噪聲學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主動(dòng)降噪的原理：通過降噪MIC接收罩框系統(tǒng)沒有濾掉的噪音信號(hào)，或者前腔因腔體因素產(chǎn)生的噪音，然后通過降噪模塊產(chǎn)生反向的信號(hào)，再通過喇叭發(fā)出反向的聲波抵消噪聲；接收信號(hào)反饋到從喇叭發(fā)聲的時(shí)間延遲必須控制非常好，才能讓發(fā)出的聲音和噪聲抵消，如果延遲過大，相位不一致往往會(huì)有相反效果。

主動(dòng)降噪又分為前饋（FF）和后饋（FB）、混合降噪（FF 和FB），降噪MIC在罩框表面的叫FF，而MIC在前腔里面的叫FB，其實(shí)FF就是被動(dòng)沒整完的FF過濾一輪，F(xiàn)B的 MIC 采集了正常播放的音樂信號(hào)與殘留噪音混合的信號(hào)，把正常播放的音樂信號(hào)減去后，就得到殘留的噪音。通過恰當(dāng)?shù)姆答侂娐罚寶埩舻脑胍粜盘?hào)盡可能的小，可理解為噪聲的再過濾。

本設(shè)計(jì)采用混合降噪，通過聲學(xué)測試設(shè)備（AP，B&K仿真人頭）可以測得聲音在各個(gè)途徑的頻響曲線和相位曲線，進(jìn)行疊加仿真計(jì)算得到降噪的濾波器電路模型，再運(yùn)用仿真工具得到濾波器電路的框架和具體參數(shù)?；旌辖翟雽⑶梆伜头答伣翟爰夹g(shù)相結(jié)合，汲取了前饋降噪頻帶寬、反饋降噪幅度深的優(yōu)點(diǎn)。

3、項(xiàng)目解決關(guān)鍵技術(shù)：

1、通話MIC的降噪技術(shù)

對(duì)MIC的降噪算法不斷的深入研究和開發(fā)，在高噪環(huán)境下，在低功耗的DSP上運(yùn)行降噪算法，實(shí)現(xiàn)18bB的降噪來保證對(duì)講時(shí)的清晰通話

2、環(huán)境監(jiān)聽（側(cè)音）技術(shù)

增加音頻處理芯片對(duì)通話MIC實(shí)時(shí)拾音處理，經(jīng)DSP音頻解碼輸出至SPK，保證在開啟降噪功能時(shí)，還能聽到環(huán)境聲音，保持使用者環(huán)境感知能力，能夠辨別機(jī)器、車輛、警報(bào)等各種聲音的特征、距離和方向。同時(shí)還能在高噪環(huán)境時(shí)在SPK中聽到自己所說的話；本人有實(shí)測140bB環(huán)境噪聲下，普通耳機(jī)完全聽不到自己說了什么

3、混合降噪（主動(dòng)下行降噪）技術(shù)

采用AMS模擬降噪芯片（兩顆AMS3435芯片組）實(shí)現(xiàn)混合降噪技術(shù)，在不同場景高噪環(huán)境下，在50-1K Hz 的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)28-36dB的主動(dòng)降噪，給使用者提供極佳的聽力保護(hù)

4、對(duì)講語音增強(qiáng)技術(shù)

混合降噪技術(shù)將對(duì)講通話語音和環(huán)境噪聲都減弱了23-30dB，我們特定研發(fā)了對(duì)講語音補(bǔ)償電路，且定制開發(fā)專用SPK，在開啟降噪和對(duì)講模式時(shí)，將人聲部分的頻響曲線抬高，在保證不失真的情況下，做到人聲飽滿

5、物理降噪技術(shù)

對(duì)于1KHz以后的高頻噪聲，主要通過物理降噪來實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)耳套材料深入研究，在耳套上形成獨(dú)立腔體，在耳機(jī)腔體表面以蛋白真皮包高密度吸音棉來吸收高頻能量，在高頻段也實(shí)現(xiàn)了高達(dá)25dB的降噪

6、抗電磁干擾技術(shù)

在軟件算法上實(shí)現(xiàn)跳頻技術(shù)，在10個(gè)信道上任意切換，有檢測其它的電磁波占用信道時(shí)，立即切換到另外一個(gè)信道上通信，并且軟件算法上傳輸數(shù)據(jù)有進(jìn)行算法加密，保證數(shù)據(jù)的完整性。

7、低功耗技術(shù)

通過軟件算法的優(yōu)化，最大程度的開啟和關(guān)閉產(chǎn)品的功能，讓軟件控制硬件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)來做到省電。

四、與同類技術(shù)產(chǎn)品相比的優(yōu)勢

目前國內(nèi)市場的數(shù)字對(duì)講機(jī)，底噪大，噪聲大，并時(shí)經(jīng)常有高頻噪聲輸出，并且都沒有采用降噪技術(shù)，本項(xiàng)目可填補(bǔ)這一空白，在國外此類產(chǎn)品有，但產(chǎn)品種類少，成本高。進(jìn)口的更是價(jià)格昂貴，性價(jià)比很低。

該技術(shù)在國際上屬于領(lǐng)先地位，將數(shù)字對(duì)講和降噪技術(shù)完全結(jié)合，研制出可抵抗強(qiáng)噪聲的數(shù)字對(duì)講降噪耳機(jī)。

作者簡介：

羅育培，男，1986年4月出生，籍貫湖南株洲，民族漢族，閩南師范大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化本科畢業(yè)，高級(jí)工程師

（作者單位：深圳市升弘創(chuàng)新科技有限公司）