基于SAM技术的语音处理芯片

于FM2018-380芯片的抗噪声手持通讯产品设计
作者：美国富迪科技公司上海分公司 俞小虎    来源:电子设计应用2009年第3期

      

引言
手机用户数量的空前增长，以及使用场合的复杂性，使得环境噪声抑制技术已经成为移动通讯的迫切需求。环境噪声通常包含点噪声和弥散噪声两部分或两者的中和。点噪声距离使用者较近，其幅度和频率的变化较快；弥散噪声则距离使用者较远，而且幅度和频率变化缓慢，如背景噪声。弥散噪声用一个麦克风的技术就可以抑制，而点噪声由于其变化快，需要快速捕捉和抑制，通常需要用两个麦克风阵列进行快速定位，形成空间滤波器快速收敛，并进行噪声抑制(见图1)。本文将以MTK平台为例，介绍FM2018-380在抗噪声手机中的设计要点。

图1         手持模式的抗噪声空间滤波器极性示意图

SAM技术设计要点
和一个麦克风的手持应用不一样，阵列麦克风需要考虑两个麦克风之间的灵敏度差异和摆放位置(见图2)。两个麦克风之间的距离大于60mm。对于近场信号，主麦克风(靠近使用者嘴)拾取的近场语音信号比参考麦克风(靠近使用者耳)大6dB以上，对于远场信号(超过0.5m的噪声)，主麦克风和参考麦克风拾取的信号基本一致。根据阵列麦克风之间的差异，通过芯片处理，区别对待近场和远场信号，保留近场有用信号，对远场所有方向的噪声进行抑制。

图2         直板手机麦克风的摆放位置
结构设计使两个麦克风的开孔大小一致，保证麦克风腔体的气密性，若有免提通话功能，还需要更多考虑喇叭、麦克风减振等问题。

图3         FM2018-380在手机的典型应用原理图

抗噪声手机的设计
以MTK的手机平台(MT6225、 MT6318、MT6319)为例(见图3)，主麦克风(MIC0)和参考麦克风(MIC1)分别需要单独的偏置电路，使用差分信号输入到芯片，麦克风偏置电路需要增加小电容以滤除射频干扰。阵列麦克风信号经FM2018-380处理后，经线路输出(LINE_OUT)，采用假差分电路送到MT6225的麦克风输入端(MICP0，MICN0)，假差分电路可以减少射频干扰和本地噪声。手机免提喇叭的输出差分信号送到芯片回声消除的参考信号输入端(LINE_IN_P，LINE_IN_N)，用于在免提模式下消除回声。
通常需要使用的控制信号包含复位控制(RESET)、省电控制(PWD_LED)和串行主机接口(SHI)。FM2018-380的所有数字引脚可以承受3.3V的电压，可以和MT6225的通用输入输出口(GPIO)直接连接而不需要电压转换。使用通用输入输出口来模拟SHI接口，控制FM2018-380，SHI接口最大支持400kHz的时钟信号，根据时钟速率选择合适的上拉电阻，时钟速率100kHz时电阻R5、R6使用10KΩ，时钟速率400kHz时电阻R5、R6使用2.2KΩ，电阻需要上拉到基带芯片的2.8V电源。

图4        FM2018-380控制状态转换图
在手机开机以后，复位控制(RESET)保持为低，1.8V稳定以后，省电控制(PWD_LED)为高，MT6225时钟输入到芯片，在省电控制保持5ms以后，复位控制(RESET)变成高，等待10ms使FM2018-380的PLL稳定以后，基带芯片通过SHI口送参数初始化FM2018-380，完成初始化以后108ms，省电控制(PWD_LED)为低，使芯片进入到省电状态(参见图4)。当来电或拨打电话时，基带芯片通过省电控制(PWD_LED)置高唤醒FM2018-380，根据参数0x1E51第12位的值来设定唤醒以后是否要重新下载参数。当值为0时，保存参数，自动恢复到省电之前的工作模式；当值为1时，软件复位，重新下载参数。手持和免提模式切换，需要复位芯片，切换免提或手持模式的参数。
测量手持模式近场语音信号主麦克风(MIC0)和参考麦克风(MIC1)的差别，远场噪声信号主麦克风(MIC0)和参考麦克风(MIC1)的差别，根据两个差别的差值计算空间滤波器的声学模型参数，调整活动语音检测(VAD)的阈值。当近场讲话时VAD1被触发(判断是否存在近场拾音球内语音), 当远场有噪声时VAD2被触发(判断是否存在拾音球外部远场噪声)，当同时存在近场语音和远场造声时，噪声为主导信号，VAD2被触发，而有近场语音时，VAD2不被触发。在模拟嘈杂环境下调整频域的噪声频谱，使主通道参考通道噪声频谱平行，调整频域噪声抑制参数。调整自动音量控制(AVC)功能。通过SHI接口，读取FM2018-380根据噪声情况提供的参考扬声器音量，改变下行链路的增益，如果扬声器音量已经达到最大值，则读取音调参数改变下行通路的高频段的音调，改善接收器端的可懂度。

图5          FM2018-380点噪声抑制实际测试效果图

性能测试
在MTK的工程模式音频增强项目里面，将基带的噪声抑制和回声消除关闭，以免影响声音品质和噪声回声抑制效果。采用ITU-T推荐标准P.835主观测试方法评估包含噪声抑制算法的语音通讯系统，根据标准，对FM2018-380处理的语音质量进行测试。噪声等级分别等同于标准麦克风处信噪比在0dB~12dB之间，通过语音质量评判系统(VJS)对噪声下的语音质量进行评分。图5是实际测试的对单点噪声的抑制能力，测试距离分别从0.3m到1.5m，间隔0.15m，测试角度0度、90度、180度、270度，可以得到各个角度和距离抑制噪声的数值。

结语
FM2018-380以定向定距离阵列麦克风(SAM)拾音技术为基础，专门针对抗噪声移动通讯手持设备设计，非常适合GSM、CDMA、3G等抗噪声设计和应用。本文基于这款芯片，以MTK手机平台为例介绍了抗噪声手机的设计要点，有很强的实用价值。