采用LMV1090放大器和AT89C51單片機改進型噪聲抑制話音采集方案

機載超短波電臺在戰(zhàn)斗機中承擔著與地面塔臺及友機之間的通話任務(wù)，其通話質(zhì)量的高低直接影響飛行員的作戰(zhàn)與訓練質(zhì)量。目前在飛機上大量使用的還是老式的模擬話音電臺，此種電臺缺少語音增強裝置，對于戰(zhàn)斗機座艙內(nèi)強烈的噪聲缺少針對性的抑制措施。隨著新階段飛行任務(wù)的增大，低清晰度的通話質(zhì)量勢必會對飛行任務(wù)的完成及飛行員的身心健康造成較大的影響。本文擬通過新型的模擬語音處理方法，重新設(shè)計話音采集及控制部分，提高采集語音的信噪比，改善機載超短波電臺的通信質(zhì)量。

1、 機載電臺話音采集裝置

某型飛機超短波電臺由控制器、收發(fā)機、功率附加器、射頻轉(zhuǎn)換器及通信天線構(gòu)成。該電臺的話音采集裝置主要包括麥克風和控制器，其中控制器通過座椅連接器與飛行帽上的耳機及話筒相連。在控制器上，設(shè)有靜噪開關(guān)，對噪音有一定的抑制。但此裝置只是通過話音激活檢測（VAD）對無話音時的信號進行大幅度衰減，降低強烈噪聲在無聲段時對飛行員的影響。而在有通話進行時則無法降噪。此方法處理的結(jié)果是：在采集語音的同時伴隨有強烈的發(fā)動機、按鈕開關(guān)等噪聲，大大降低了通信語音的質(zhì)量。飛行員長時間處于強噪聲環(huán)境中，也易出現(xiàn)身心疲憊、精力分散等現(xiàn)象，影響飛行的安全。在一些借助數(shù)字信號處理技術(shù)改善通信質(zhì)量的方案［1］中，由于需要較為大量的改動，如增加A/D和D/A電路，以及面臨供電問題，所以在飛機座艙內(nèi)難以實現(xiàn)。本文擬通過NS公司新推出的雙輸入麥克風陣列模擬放大器，提高采集語音的信噪比，改善機載超短波電臺的通信質(zhì)量，同時對座艙環(huán)境改變較少，不影響飛機正常任務(wù)的完成。

2 、改進型噪聲抑制話音采集方案

圖1是本方案的總體設(shè)計圖。該方案在原有控制器基礎(chǔ)上增加了語音增強的能，構(gòu)成增強控制器。控制器內(nèi)增強部分電路設(shè)計如圖2所示，其中，LMV1090是核心芯片。話音的采集使用兩個并列放置的麥克風，其間保持2 cm左右的間距，對現(xiàn)有話音采集設(shè)備的影響不大。根據(jù)LMV1090系列芯片的特點，要求采集語音的麥克風距離飛行員頭部不超過4 cm，兩個麥克風與聲音位置源最好保持在同一條直線上，確保近場語音的保留。同時，麥克風距離座艙內(nèi)最大的噪聲源需超過50 cm，削弱遠場噪聲。由于飛機內(nèi)最大的噪聲源來自發(fā)動機，因此，該要求一般可以滿足。

控制器中關(guān)于增強采集語音信號的電路設(shè)計如圖2所示，Mic1和Mic2為兩個并列麥克風，J1為輸出的近場語音信號接口。電路的核心為模擬雙輸入麥克風陣列放大器LMV1090，其控制接口通過其內(nèi)置的I2C總線與AT89C51單片機相連。

2.1 LMV1090芯片介紹

LMV1090芯片是美國國家半導體（NS）公司新推出的一款雙輸入麥克風陣列放大器。該芯片采用美國國家半導體的遠場噪聲抑制技術(shù)，完全采用模擬處理可以減少輸出頻率失真及其他音頻假信號，令傳送的聲音更自然、更真實。相比采用子頻帶頻率處理抑制噪聲的算法，該模擬處理技術(shù)不僅噪聲低、音效好，而且功耗極低（僅0.5 mA），僅為數(shù)字信號處理器或微處理器搭配軟件的音頻系統(tǒng)的5%，對供電的要求大大降低。

另外，該放大器芯片非常易用，由于其完全采用模擬處理，減少了A/D及D/A轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)計工程師無需修改原有設(shè)計便可迅速將這種噪聲抑制功能內(nèi)置到現(xiàn)有設(shè)備中，基本不需要額外花費時間為處理器編寫和測試語音處理程序的代碼。該芯片采用25焊球的microSMD封裝，尺寸為2 mm×2 mm×0.6 mm，兩個麥克風之間也只需保持在15 mm～25 mm的直線距離，相比傳統(tǒng)的麥克風陣列增強器，要求更低，更易實現(xiàn)。

2.2 單片機控制

LMV1090內(nèi)置有麥克風前置放大器和后置放大器。兩個放大器的增益可根據(jù)具體應(yīng)用進行調(diào)整，調(diào)整方法是通過芯片內(nèi)置的I2C總線由控制器完成。本方案使用8051單片機進行設(shè)置，如圖3所示，使用P0口的兩個IO腳分別作為時鐘信號和數(shù)據(jù)信號。

在串行通信中，AT89C51作為主機，LMV1090只能作為從機，被寫入關(guān)于放大器增益配置的數(shù)據(jù)。在向從機寄存器寫數(shù)據(jù)時必須遵守I2C通信協(xié)議中對時序的嚴格規(guī)定，如在SCL為高時，SDA從高到低變化表示啟動通信，在SCL為高時SDA從低到高變化表示停止通信。圖4即是在寫入前置放大器增益值時所用的時序。

在上述時序圖中，在SCL為高時，SDA出現(xiàn)下降沿，表示啟動一次數(shù)據(jù)通信；在SCL的時鐘控制下，SDA傳出8位數(shù)據(jù)，高位在前，低位在后，該數(shù)據(jù)表示從機寄存器A，即LMV1090芯片內(nèi)置放大器增益寄存器的地址11001110，地址發(fā)送結(jié)束后需要一個從機應(yīng)答，即從機在第8個時鐘脈沖后將SDA拉到低電平，表示接收第一個字節(jié)成功。之后，主機再次發(fā)送8位數(shù)據(jù)，表示該寄存器內(nèi)應(yīng)寫入的實際值，這里的數(shù)據(jù)為11110000，即將前置放大器增益設(shè)置為36 dB，后置放大器增益設(shè)置為6 dB［3］。接收該字節(jié)后，從機給出應(yīng)答，表示接收成功。經(jīng)歷兩次寫入操作后，該寄存器的寫入任務(wù)完成，可以結(jié)束I2C通信，結(jié)束的方法是在SCL為高電平時，向SDA送上升沿信號。

2.3 其他問題

由于戰(zhàn)斗機座艙環(huán)境的特殊性，對設(shè)備的體積、重量和耗電量都有非常嚴格的要求，在使用中還需注意以下問題。

（1）安裝位置

得益于LMV1090極小的體積（2 mm×2 mm×0.6 mm），圍繞其設(shè)計的增強采集電路也可以大大縮小體積。經(jīng)過對控制器的精簡，基本可以將該部分電路放置在控制器內(nèi)。

（2）供電

LMV1090的耗電量僅有0.5 mA，整個增強采集部分的耗電量經(jīng)過優(yōu)化也不會超過2 mA。因此，完全可以借用控制器部分的電源對其進行供電。

（3）放大器增益調(diào)節(jié)按鈕

LMV1090的兩個內(nèi)置放大器的增益可以由單片機通過I2C進行控制，可將其控制的按鈕引到面板。設(shè)計時需注意放大器的增益設(shè)計要合理，根據(jù)麥克風自身的最大輸出，以及芯片后級對輸入電壓的要求，設(shè)置一個合適的調(diào)節(jié)范圍在面板上供手動調(diào)整。

以某型戰(zhàn)斗機所用電臺為例，其話音采集的麥克風最大輸出為10 mV，經(jīng)過LMV1090處理后，再送到控制器內(nèi)的處理芯片，該芯片要求LMV1090的最大輸出不能超過3.3 V。據(jù)此可選擇的增益范圍應(yīng)按如下方法確定。

首先確定后級放大器的增益，一般使其保持最低值6 dB，以使前級放大器處于較大值，可提高采集時的信噪比。當后級放大器增益為6 dB時，前放的輸出則應(yīng)為： 3.3 V-6 dB=1.65 V

由于麥克風的最大輸出為10 mV，因此，可確定的最大增益為：

20log（1.65 V/10 mV）=44 dB

因為LMV1090前放增益的實際可調(diào)范圍為6 dB～36 dB，所以可設(shè)置其為最大值36 dB，后放的增益在可調(diào)范圍6 dB～18 dB內(nèi)設(shè)置最小值6 dB。

依據(jù)上述方案設(shè)計的噪聲抑制話音采集裝置在某機載超短波電臺上進行了試用，在試用過程中考慮了以下事項［4］：（1）麥克風陣列的相對位置對實際噪聲抑制的效果影響較大，要求兩個麥克風并列排列，與采集話音源成一條直線。當不滿足此條件時，話音損失較大。（2）遠程噪聲衰減較大，當噪聲源距離麥克風超過50 cm時，通話的背景噪聲水平有明顯的降低。（3）麥克風前置放大器的增益不能設(shè)置過大，否則可能會有較大的削峰現(xiàn)象，一般可采用比理論最大值低5 dB左右的增益。

另外在測試過程中，保持遠場噪聲源距離麥克風陣列在50 cm之外，話音源在麥克風陣列線上且相距不超過5 cm，測量的信號送至語音質(zhì)量客觀評估系統(tǒng)，在噪聲抑制模式使用前后各采集測試10次，平均噪聲抑制效果可達18 dB。

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