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引言 隨著(zhù)通信產(chǎn)品的不斷小型化，對系統的成本和空間限制也越來(lái)越多。揚聲器的體積變得越來(lái)越小，麥克風(fēng)與揚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、汽車(chē)內、地鐵等復雜的使用環(huán)境中，環(huán)境噪聲嚴重影響了通話(huà)質(zhì)量。如何在PDA、筆記本電腦、免提手機等小型系統中實(shí)現全雙工免提功能，并保證足夠大的音量，已經(jīng)成為難題。 FM1083是美國富迪科技(Fortemedia)公司推出的用于回聲消除、噪聲抑制、遠端拾取聲音信號的低功率芯片，本文將介紹小型免提通信產(chǎn)品的設計要點(diǎn)、FM1083主要功能和典型應用。 設計要點(diǎn) 模具外殼、麥克風(fēng)和揚聲器關(guān)系到整個(gè)系統的免提性能�；芈暤漠a(chǎn)生有聲學(xué)傳播和機械振動(dòng)兩種方式，從頻譜的連續性來(lái)看，回聲又分線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)煞N。在模具設計階段，應考慮要盡量減小麥克風(fēng)拾取的線(xiàn)性回聲，減小揚聲器和外殼的非線(xiàn)性振動(dòng)。麥克風(fēng)應該設計獨立的腔體，注意外殼的前后蓋的配合，否則回聲會(huì )增大。揚聲器應充分固定，在揚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)的應用中，應該使麥克風(fēng)拾取遠端(FE)的聲音即回聲與近端(NE)講話(huà)的信號差值盡量小。設定麥克風(fēng)拾取的近端講話(huà)信號(signal of near end)SN為10mVpp時(shí)，麥克風(fēng)拾取的回聲信號(signal of echo)SE為40mVpp，回路增益為20dB，線(xiàn)路輸出的幅度為100mVpp，在沒(méi)有回聲消除的情況下回聲將達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小兩個(gè)數量級，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。采用FM1083和兩個(gè)陣列麥克風(fēng)的系統最大可以消除65dB的回聲，使通信清晰流暢。對于兩個(gè)麥克風(fēng)的應用，應該使主麥克風(fēng)M1、參考麥克風(fēng)M2所拾取遠端(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(huà)的信號有一定的差值，M1、M2所拾取的近端(NE)講話(huà)的信號差值應盡量小。M1和M2拾取的回聲的頻譜在帶內不能重合。 FM1083的主要功能及特點(diǎn) FM1083專(zhuān)為移動(dòng)手持設備設計，內置的兩個(gè)DC/DC轉換器分別為CODEC和DSP提供電源，1.8V工作時(shí)的功耗小于30mW，數字電路部分支持1.8～3.6V的寬電壓，內置D類(lèi)功放，差分輸出可直接驅動(dòng)揚聲器。多媒體編解碼接口(CODEC Host Interface)直接與藍牙1.1和1.2接口連接。具有兩個(gè)麥克風(fēng)輸入，內置可編程增益輸入輸出放大器(-6dB～+26dB)，適應不同靈敏度的麥克風(fēng)。遠端拾取時(shí)，麥克風(fēng)與使用者的距離是0.6m，最大可以達到5m。模擬信號支持直通模式，以提高保真度�；芈曄秶鸀�45～60dB，支持動(dòng)態(tài)范圍壓縮和非線(xiàn)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)和揚聲器之間最小距離可以達到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接口與計算機傳送音頻數據，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(méi)有微控制器的情況下，可以存放FM1083的大部分可變參數。 音頻數據編解碼接口支持主模式和從模式，可以選擇內部和外部時(shí)鐘源，當選擇內部時(shí)鐘時(shí)，幀頻為8kHz，數據編碼格式為16位線(xiàn)性PCM(Pulse Code Modulation，脈沖編碼調制)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的系統結構如圖1所示。 信號流程 主麥克風(fēng)1和參考麥克風(fēng)2拾取的信號經(jīng)可編程增益放大器放大、模數轉換和高通濾波后，送語(yǔ)音處理器處理(線(xiàn)性回聲消除，非線(xiàn)性回聲消除，VAD檢測，噪聲抑制處理，然后進(jìn)行麥克風(fēng)自動(dòng)增益控制，消側音和麥克風(fēng)音量設定)，輸出的16位語(yǔ)音數據經(jīng)數模轉換后將麥克風(fēng)信號從線(xiàn)路輸出端進(jìn)行單端輸出。 遠端話(huà)音信號從線(xiàn)路輸入端單端輸入，經(jīng)模數轉換和高通濾波后轉換成16位語(yǔ)音數據，送語(yǔ)音處理器處理(消側音，自動(dòng)增益控制，回聲參考信號提取，動(dòng)態(tài)范圍控制)，輸出信號經(jīng)數模轉換后推動(dòng)內置的D類(lèi)功放，用差分方式直接驅動(dòng)揚聲器。 在USB應用時(shí)，USB的輸入信號作為線(xiàn)路輸入的信號，經(jīng)語(yǔ)音處理器處理后直接驅動(dòng)揚聲器。麥克風(fēng)輸入信號經(jīng)語(yǔ)音處理器處理后，通過(guò)USB送計算機，過(guò)程與模擬信號輸入/輸出相同。 藍牙應用時(shí)，麥克風(fēng)的信號經(jīng)處理后通過(guò)音頻數據接口以13位或16位線(xiàn)性PCM的格式送給藍牙芯片，藍牙芯片將接受到的聲音數據以同樣的格式送給FM1083，最后經(jīng)過(guò)功放后輸出。 小型免提系統 做為小型一體化免提系統，其特點(diǎn)是線(xiàn)路簡(jiǎn)單、功能通用、攜帶方便，整個(gè)系統只占80mm×55mm的空間。系統以FM1083和CSR MBT-4107藍牙模塊為核心，內置600mA鋰電池和USB 200mA充電電路，典型應用如圖2所示。 整個(gè)系統有5種工作模式：關(guān)機、省電、模擬免提、USB免提和藍牙免提。對于不同的語(yǔ)音信號接口，需要三組參數去控制FM1083，使其工作在最佳狀態(tài)。藍牙模塊通過(guò)UART口與FM1083通信，對系統工作模式進(jìn)行檢測和參數控制。系統的缺省工作方式是省電模式，當USB電纜插入時(shí)，藍牙模塊檢測到USB_IN信號，喚醒并送USB參數給FM1083，FM1083在USB配置完成后輸出控制信號，使電池充電電路工作，并且切斷電池供電，系統使用USB電源，進(jìn)入USB免提工作模式。模擬信號插頭插入J1，藍牙模塊檢測到ANA_IN信號，喚醒并送模擬工作參數給FM1083，系統進(jìn)入模擬免提工作模式。藍牙模塊工作時(shí)，首先要和其他藍牙設備配對，當藍牙手機來(lái)電或打電話(huà)時(shí)自動(dòng)與免提系統連接。 系統采用內置電池或USB供電，充電電流為200mA，具有充電指示、充滿(mǎn)指示、藍牙低壓檢測，在電池電壓過(guò)低時(shí)(小于3.3V)，系統告警并自動(dòng)進(jìn)入省電模式。在藍牙模式工作時(shí)，總電流小于100mA，1個(gè)600mAH的鋰電池可以通話(huà)6小時(shí)，省電模式的電流為3～5mA，可以待機120小時(shí)。 參數ft_flag(地址是0x1E46)可以設定FM1083與MBT-4107的音頻數據接口的數據編解碼格式。例如設定ft_flag為0135時(shí)是13位零位填充PCM，ft_flag為0075時(shí)是16位線(xiàn)性PCM。其中16位線(xiàn)性PCM或13位零位填充PCM適用于藍牙接口，13位零位填充PCM是惟一能通過(guò)藍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，FM1083支持短幀和長(cháng)幀，在主模式下支持短幀。根據幀信號和數據的時(shí)序，可設定零時(shí)鐘延遲和1個(gè)時(shí)鐘延遲，如圖3所示。 FM1083通過(guò)UART接口與MBT-4107藍牙模塊交換控制命令，通過(guò)UART接口，藍牙模塊可以讀FM1083寄存器的值，也可以在不同的工作模式時(shí)送相應參數給FM1083。其接口協(xié)議框圖如圖4所示，數據包由一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)、8位數據和一個(gè)停止狀態(tài)組成。由于需要USB應用，所以采用13MHz的晶振，支持9600bps、19200bps和38400bps的波特率。其讀寫(xiě)命令有5種類(lèi)型：存儲器寫(xiě)、存儲器讀、短寄存器寫(xiě)、長(cháng)寄存器寫(xiě)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，并且注意區分存儲器讀和寄存器讀，存儲器讀僅是將存儲器的內容讀到寄存器0X25和0X26，還需要讀寄存器，然后才將數據送到UART接口。下面舉例說(shuō)明具體的讀寫(xiě)操作。 (1)存儲器讀 FC F3 37 1E 34；37是存儲器命令字，1E 34是存儲器地址，盡管發(fā)出一個(gè)讀命令給FM1083，但是UART口并沒(méi)有輸出。 (2) 存儲器寫(xiě)傳輸 FC F3 3B 1E 34 32 23：FCF3是同步字，3B是存儲器寫(xiě)命令字，1E 34是存儲器地址，這條指令把值32 23送到地址1E 34 (3)短寄存器寫(xiě) FC F3 68 2C 00：FCF3是同步字，68是短寄存器寫(xiě)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(cháng)寄存器寫(xiě) FC F3 6A 2A 00 00：6A是長(cháng)寄存器寫(xiě)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內的8位數據從UART口輸出。 (6)讀出存儲器1E34的內容 FC F3 37 1E 34：此時(shí)1E 34內的值被傳輸到IDMA數據寄存器。 FC F3 60 26：存儲器1E 34內容的高有效位字節從UART口輸出。 FC F3 60 25：存儲器1E 34內容的低有效位字節從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大20～30dB，而且如果模殼設計不好，回聲可能會(huì )更大，FM1083麥克風(fēng)輸入信號的最大峰峰值是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(huà)，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象，必須根據麥克風(fēng)的信號幅度設置麥克風(fēng)可編程增益放大器的增益和麥克風(fēng)的音量等參數，否則回聲將很難消除干凈。FM1083線(xiàn)路輸入的動(dòng)態(tài)范圍是0.7Vp-p，所以輸入信號太大應該衰減，并且根據輸入信號設置線(xiàn)路輸入可編程增益放大器的增益，回聲消除參考增益，使信號不飽和。線(xiàn)路輸出的最大幅度為1.4Vp-p，如果不能滿(mǎn)足幅度要求，就要增加放大器。FM1083可以輸出300mW的功率，驅動(dòng)4Ω的揚聲器負載，也可以不用內置D類(lèi)功放，通過(guò)外加功放來(lái)滿(mǎn)足相應的輸出功率要求，此時(shí)，可以設置參數關(guān)掉內置功放，輸出阻抗大于600Ω，最大差分輸出為2.8Vp-p。 針對基于FM1083的免提系統，FMTuner1083參數調整軟件可以很方便地調整各個(gè)參數，并且計算系統各部分的信號大小，提供參數模板和EEPROM編程，系統測試時(shí)可以采用富迪科技AMBIN錄音分析系統。 結束語(yǔ) FM1083可以單獨設計特定應用的免提系統，例如電話(huà)免提、手機免提、藍牙手機免提和USB免提(VoIP免提)系統，USB免提系統可以與Skype、MSN等語(yǔ)音聊天和網(wǎng)絡(luò )電話(huà)軟件配合使用，也可以將各種免提系統組合成新的應用。 |
