一种适用于远场噪声抑制的电台话音采集装置

摘  要： 为降低远场噪声对机载超短波电台话音采集的影响，基于麦克风阵列放大器LMV1090和单片机AT89C51重新设计了电台的话音采集装置，在其控制器内增加了模拟的话音增强电路。相比较数字语音增强技术，模拟技术省去了传统的信号放大和A/D、D/A转换电路，对电台硬件改动更少。软件采用单片机控制采集放大器的增益，具备较大的灵活性。试用结果表明，该话音采集装置对远场噪声有较好的抑制效果。
关键词： 超短波电台；话音采集；远场噪声抑制

　机载超短波电台在战斗机中承担着与地面塔台及友机之间的通话任务，其通话质量的高低直接影响飞行员的作战与训练质量。目前在飞机上大量使用的还是老式的模拟话音电台，此种电台缺少语音增强装置，对于战斗机座舱内强烈的噪声缺少针对性的抑制措施。随着新阶段飞行任务的增大，低清晰度的通话质量势必会对飞行任务的完成及飞行员的身心健康造成较大的影响。本文拟通过新型的模拟语音处理方法，重新设计话音采集及控制部分，提高采集语音的信噪比，改善机载超短波电台的通信质量。
1 机载电台话音采集装置
    某型飞机超短波电台由控制器、收发机、功率附加器、射频转换器及通信天线构成。该电台的话音采集装置主要包括麦克风和控制器，其中控制器通过座椅连接器与飞行帽上的耳机及话筒相连。在控制器上，设有静噪开关，对噪音有一定的抑制。但此装置只是通过话音激活检测（VAD）对无话音时的信号进行大幅度衰减，降低强烈噪声在无声段时对飞行员的影响。而在有通话进行时则无法降噪。此方法处理的结果是：在采集语音的同时伴随有强烈的发动机、按钮开关等噪声，大大降低了通信语音的质量。飞行员长时间处于强噪声环境中，也易出现身心疲惫、精力分散等现象，影响飞行的安全。在一些借助数字信号处理技术改善通信质量的方案[1]中，由于需要较为大量的改动，如增加A/D和D/A电路，以及面临供电问题，所以在飞机座舱内难以实现。本文拟通过NS公司新推出的双输入麦克风阵列模拟放大器，提高采集语音的信噪比，改善机载超短波电台的通信质量，同时对座舱环境改变较少，不影响飞机正常任务的完成。
2 改进型噪声抑制话音采集方案
    图1是本方案的总体设计图。该方案在原有控制器基础上增加了语音增强的能，构成增强控制器。控制器内增强部分电路设计如图2所示，其中，LMV1090是核心芯片。话音的采集使用两个并列放置的麦克风，其间保持2 cm左右的间距，对现有话音采集设备的影响不大。根据LMV1090系列芯片的特点，要求采集语音的麦克风距离飞行员头部不超过4 cm，两个麦克风与声音位置源最好保持在同一条直线上，确保近场语音的保留。同时，麦克风距离座舱内最大的噪声源需超过50 cm，削弱远场噪声。由于飞机内最大的噪声源来自发动机，因此，该要求一般可以满足。

    控制器中关于增强采集语音信号的电路设计如图2所示，Mic1和Mic2为两个并列麦克风，J1为输出的近场语音信号接口。电路的核心为模拟双输入麦克风阵列放大器LMV1090，其控制接口通过其内置的I2C总线与AT89C51单片机相连。
2.1 LMV1090芯片介绍
    LMV1090芯片是美国国家半导体（NS）公司新推出的一款双输入麦克风阵列放大器。该芯片采用美国国家半导体的远场噪声抑制技术，完全采用模拟处理可以减少输出频率失真及其他音频假信号，令传送的声音更自然、更真实。相比采用子频带频率处理抑制噪声的算法，该模拟处理技术不仅噪声低、音效好，而且功耗极低（仅0.5 mA），仅为数字信号处理器或微处理器搭配软件的音频系统的5%，对供电的要求大大降低。
    另外，该放大器芯片非常易用，由于其完全采用模拟处理，减少了A/D及D/A转换的环节，系统设计工程师无需修改原有设计便可迅速将这种噪声抑制功能内置到现有设备中，基本不需要额外花费时间为处理器编写和测试语音处理程序的代码。该芯片采用25焊球的microSMD封装，尺寸为2 mm×2 mm×0.6 mm，两个麦克风之间也只需保持在15 mm～25 mm的直线距离，相比传统的麦克风阵列增强器，要求更低，更易实现。
2.2 单片机控制
    LMV1090内置有麦克风前置放大器和后置放大器。两个放大器的增益可根据具体应用进行调整，调整方法是通过芯片内置的I2C总线[2]由控制器完成。本方案使用8051单片机进行设置，如图3所示，使用P0口的两个IO脚分别作为时钟信号和数据信号。

    在串行通信中，AT89C51作为主机，LMV1090只能作为从机，被写入关于放大器增益配置的数据。在向从机寄存器写数据时必须遵守I2C通信协议中对时序的严格规定，如在SCL为高时，SDA从高到低变化表示启动通信，在SCL为高时SDA从低到高变化表示停止通信。图4即是在写入前置放大器增益值时所用的时序。

    在上述时序图中，在SCL为高时，SDA出现下降沿，表示启动一次数据通信；在SCL的时钟控制下，SDA传出8位数据，高位在前，低位在后，该数据表示从机寄存器A，即LMV1090芯片内置放大器增益寄存器的地址11001110，地址发送结束后需要一个从机应答，即从机在第8个时钟脉冲后将SDA拉到低电平，表示接收第一个字节成功。之后，主机再次发送8位数据，表示该寄存器内应写入的实际值，这里的数据为11110000，即将前置放大器增益设置为36 dB，后置放大器增益设置为6 dB[3]。接收该字节后，从机给出应答，表示接收成功。经历两次写入操作后，该寄存器的写入任务完成，可以结束I2C通信，结束的方法是在SCL为高电平时，向SDA送上升沿信号。
2.3 其他问题
    由于战斗机座舱环境的特殊性，对设备的体积、重量和耗电量都有非常严格的要求，在使用中还需注意以下问题。
    (1)安装位置
    得益于LMV1090极小的体积(2 mm×2 mm×0.6 mm)，围绕其设计的增强采集电路也可以大大缩小体积。经过对控制器的精简，基本可以将该部分电路放置在控制器内。
    (2)供电
    LMV1090的耗电量仅有0.5 mA，整个增强采集部分的耗电量经过优化也不会超过2 mA。因此，完全可以借用控制器部分的电源对其进行供电。
    (3)放大器增益调节按钮
    LMV1090的两个内置放大器的增益可以由单片机通过I2C进行控制，可将其控制的按钮引到面板。设计时需注意放大器的增益设计要合理，根据麦克风自身的最大输出，以及芯片后级对输入电压的要求，设置一个合适的调节范围在面板上供手动调整。
    以某型战斗机所用电台为例，其话音采集的麦克风最大输出为10 mV，经过LMV1090处理后，再送到控制器内的处理芯片，该芯片要求LMV1090的最大输出不能超过3.3 V。据此可选择的增益范围应按如下方法确定。
    首先确定后级放大器的增益，一般使其保持最低值6 dB，以使前级放大器处于较大值，可提高采集时的信噪比。当后级放大器增益为6 dB时，前放的输出则应为：    3.3 V-6 dB=1.65 V
      由于麦克风的最大输出为10 mV，因此，可确定的最大增益为：
      20log(1.65 V/10 mV)=44 dB
      因为LMV1090前放增益的实际可调范围为6 dB～36 dB，所以可设置其为最大值36 dB，后放的增益在可调范围6 dB～18 dB内设置最小值6 dB。
    依据上述方案设计的噪声抑制话音采集装置在某机载超短波电台上进行了试用，在试用过程中考虑了以下事项[4]：(1)麦克风阵列的相对位置对实际噪声抑制的效果影响较大，要求两个麦克风并列排列，与采集话音源成一条直线。当不满足此条件时，话音损失较大。(2)远程噪声衰减较大，当噪声源距离麦克风超过50 cm时，通话的背景噪声水平有明显的降低。(3)麦克风前置放大器的增益不能设置过大，否则可能会有较大的削峰现象，一般可采用比理论最大值低5 dB左右的增益。
    另外在测试过程中，保持远场噪声源距离麦克风阵列在50 cm之外，话音源在麦克风阵列线上且相距不超过5 cm，测量的信号送至语音质量客观评估系统[5]，在噪声抑制模式使用前后各采集测试10次，平均噪声抑制效果可达18 dB。
参考文献
[1] 郭宝强.军用通信电台前置语音增强系统的研究与实现[D].大连理工大学，2006.
[2] 来清民.传感器与单片机接口及实例[M].北京：航空航天大学出版社，2008.
[3] National Semiconductor.LMV1090 Dual Input，Far 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语音质量评估的研究与实现[D].中南大学，2008.
[6] 秦明宏.PIC单片机基础与传感器应用[M].北京：科学出版社，2005.