一種智能對(duì)講終端的音頻電路設(shè)計(jì)方法

霍麗丹　孫劍宇　許聰聰　張少偉

摘要：智能對(duì)講終端主要應(yīng)用于應(yīng)急日常管理，自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生等應(yīng)急突發(fā)公共安全領(lǐng)域，救援隊(duì)伍之間需要音視頻通信來(lái)進(jìn)行協(xié)作，同時(shí)也需要把現(xiàn)場(chǎng)情況回傳給指揮中心，指揮中心根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行統(tǒng)一指揮調(diào)度。介紹了一種智能對(duì)講終端的音頻電路的設(shè)計(jì)方法，從總體方案、輸入電路、輸出電路、回聲消除和噪聲抑制方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，同時(shí)提供了設(shè)計(jì)電路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：智能對(duì)講終端;應(yīng)急領(lǐng)域;音頻電路設(shè)計(jì);噪聲抑制

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-1739（2021）14-57-4

0引言

智能對(duì)講終端主要應(yīng)用于應(yīng)急日常管理、自然災(zāi)害、事故災(zāi)難及公共衛(wèi)生等應(yīng)急突發(fā)公共安全領(lǐng)域，救援隊(duì)伍之間需要音視頻通信來(lái)進(jìn)行協(xié)作，同時(shí)也需要把現(xiàn)場(chǎng)情況回傳給現(xiàn)場(chǎng)指揮中心，指揮中心根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行統(tǒng)一指揮調(diào)度。智能對(duì)講終端通信制式可以是PDT、LTE等，同一種通信終端可以支持單模式，也可以根據(jù)使用環(huán)境、場(chǎng)景進(jìn)行各種工作模式的切換。無(wú)論哪種工作模式，均離不開(kāi)使用語(yǔ)音或者視頻進(jìn)行通信。

1總體設(shè)計(jì)

智能對(duì)講終端通常有3種音頻的使用場(chǎng)景：聽(tīng)筒模式、外放模式和耳機(jī)模式。聽(tīng)筒模式和耳機(jī)模式用于私密講話，外放模式用于對(duì)講。根據(jù)以上3種模式，麥克風(fēng)共有3個(gè)頂部麥克風(fēng)、底部麥克風(fēng)和背側(cè)的降噪麥克風(fēng);揚(yáng)聲器有2個(gè)：頂部功率約0.5W的聽(tīng)筒和底部約3W的揚(yáng)聲器。另外在頂部有一個(gè)耳機(jī)插孔，耳機(jī)包含麥克風(fēng)和約0.5W的揚(yáng)聲器。

智能對(duì)講終端的音頻電路示意圖如圖1所示。在聽(tīng)筒模式下，由智能對(duì)講終端底部的麥克風(fēng)收音，射頻模塊接收來(lái)的聲音通過(guò)智能對(duì)講終端頂部的聽(tīng)筒進(jìn)行放音。外放模式下，由智能對(duì)講終端頂部的麥克風(fēng)收音，射頻模塊接收來(lái)的聲音通過(guò)智能對(duì)講終端底部的揚(yáng)聲器進(jìn)行放音;降噪麥克風(fēng)作為聽(tīng)筒模式和外放模式的輔助輸入，來(lái)消除環(huán)境噪音。耳機(jī)模式下，收音和放音位置均位于耳機(jī)上。

除麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器外，音頻電路主要還包括CODEC、降噪芯片、音頻功放、處理器模塊和射頻模塊。CODEC用于音頻信號(hào)的數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換和編解碼;降噪芯片用于抑制極端環(huán)境噪聲，同時(shí)保留語(yǔ)音質(zhì)量以提高清晰度;音頻功放用于實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬音頻信號(hào)的放大;處理器模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)的處理并和射頻模塊進(jìn)行通信。射頻模塊用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻信號(hào)的收發(fā)工作。

接收語(yǔ)音呼叫時(shí)，射頻模塊接收下來(lái)的數(shù)字音頻信號(hào)先發(fā)送給處理器模塊，再經(jīng)過(guò)CODEC的D/A轉(zhuǎn)換后輸出到智能對(duì)講終端的揚(yáng)聲器發(fā)音，數(shù)據(jù)流向如圖3的②虛線箭頭所示。

圖中CODEC共有3路輸出通道，分別是揚(yáng)聲器輸出、耳機(jī)輸出和立體聲輸出。揚(yáng)聲器輸出一般用于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，功率在1W左右;耳機(jī)輸出一般用于驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，功率一般在50mW左右;立體聲輸出為左右聲道的混合輸出，常用于接聽(tīng)筒使用，功率一般在50mW左右。

輸出設(shè)計(jì)連接關(guān)系如下：耳機(jī)可以直接連接CODEC的耳機(jī)輸出通道。聽(tīng)筒連接CODEC的立體聲輸出通道。使用1W左右的揚(yáng)聲器時(shí)，可以直接連接CODEC的揚(yáng)聲器輸出通道。當(dāng)需要使用更大功率的揚(yáng)聲器時(shí)，將揚(yáng)聲器輸出端的信號(hào)先經(jīng)過(guò)低通濾波器的濾波接入音頻功放，然后再接揚(yáng)聲器。

2.3回聲消除和噪聲抑制

進(jìn)行雙工通話時(shí)，麥克風(fēng)會(huì)收錄到揚(yáng)聲器的聲音，并通過(guò)麥克風(fēng)進(jìn)入音頻通路使遠(yuǎn)端談話者能聽(tīng)到自己的聲音，產(chǎn)生回聲。另外麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的同時(shí)使用，當(dāng)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音較大，而麥克風(fēng)靈敏度較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嘯叫。

在應(yīng)急場(chǎng)景下，通常環(huán)境噪聲大，一般使用較大功率的揚(yáng)聲器。處理器模塊自帶的噪聲抑制算法在使用大功率揚(yáng)聲器進(jìn)行外放時(shí)，抑制效果差。

由于以上原因，音頻方案中需要進(jìn)行回聲消除和噪聲抑制的處理。降噪芯片用于抑制極端環(huán)境噪聲，同時(shí)保留語(yǔ)音質(zhì)量，以提高清晰度。

音頻降噪如圖4所示。圖中的④和⑤線為降噪芯片的輸入，麥克風(fēng)輸入后首先進(jìn)入到降噪芯片，經(jīng)降噪芯片處理后，以模擬音頻的形式輸入到CODEC芯片，通過(guò)射頻模塊發(fā)送出去。

圖中的⑥，⑦，⑧線為降噪芯片的反饋，射頻模塊接收來(lái)的信號(hào)先發(fā)送給處理器模塊，處理器模塊發(fā)送給CODEC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，之后經(jīng)揚(yáng)聲器和聽(tīng)筒輸出聲音，輸出到揚(yáng)聲器和聽(tīng)筒的音頻均會(huì)輸入到降噪芯片作為反饋。

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)噪聲較大的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)以上設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了以下2組實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1：使用音頻分析儀產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的導(dǎo)線輸送到設(shè)計(jì)電路的麥克風(fēng)輸入端，在輸出端對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，得到如圖5所示的波形數(shù)據(jù)，圖5（a）為輸入正弦波時(shí)域圖，正弦波信號(hào)在經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的導(dǎo)線后，通過(guò)導(dǎo)線引入了外部的干擾，信號(hào)上有較多的毛刺。圖5（b）為輸出正弦波時(shí)域圖，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)電路的降噪后，波形已經(jīng)變得較為光滑。

實(shí)驗(yàn)2：使用2個(gè)智能對(duì)講終端進(jìn)行通信，將終端A放置在嘈雜的環(huán)境中，在麥克風(fēng)前播放一段錄制好的音頻，原始音頻波形如圖6（a）所示。在終端B上使用錄音軟件分別對(duì)降噪功能打開(kāi)和降噪功能關(guān)閉2種情況下接收到的聲音進(jìn)行錄音，時(shí)域波形分別如圖6（b）和圖6（c）所示。

對(duì)比圖6（a）和圖6（b）可得，降噪功能關(guān)閉情況下接收到的聲音波形上疊加了環(huán)境噪聲，聲音嘈雜。

對(duì)比圖6（a）和圖6（c）可得，降噪功能打開(kāi)情況下接收到的聲音波形與原始聲音波形基本一致，音質(zhì)清晰，環(huán)境噪聲基本被去除。

對(duì)上述音頻信號(hào)的某一時(shí)刻進(jìn)行傅里葉變換，得到了如圖7所示的頻域圖。

由圖7（a）可得，環(huán)境噪聲的頻率范圍為0～17 kHz，最大幅度約為-24 dBV。由圖7（b）可得，原始音頻的頻率范圍約為0～12 kHz，有效音頻的幅度約為-36 dBV，信噪比為72 dB。

分析圖7（c）可得，降噪功能關(guān)閉時(shí)，音頻的最高頻率由12 kHz變寬到了噪聲頻率的最高頻率17 kHz，低凹部分的音頻幅度明顯上升，整個(gè)輪廓和圖7（a）相似，信噪比約為0 dB，已經(jīng)無(wú)法分辨語(yǔ)音和噪聲。

由圖7（d）可得，降噪功能打開(kāi)時(shí)，降噪后的音頻去除了12～17 kHz的噪聲頻率，并且0～12 kHz的幅度也有選擇性地降低，大致輪廓如圖7（b）的原始音頻，信噪比為66 dB，比原始音頻略有降低。

4結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種音頻電路的設(shè)計(jì)方法，從總體方案、輸入電路、輸出電路、回聲消除和噪聲抑制方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，同時(shí)提供了設(shè)計(jì)電路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。本文介紹的音頻電路的設(shè)計(jì)方法對(duì)智能對(duì)講終端的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義，采用本方案設(shè)計(jì)的終端設(shè)備在應(yīng)急通信等公共安全領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。