一種適用于遠(yuǎn)場噪聲抑制的電臺話音采集裝置

機(jī)載超短波電臺在戰(zhàn)斗機(jī)中承擔(dān)著與地面塔臺及友機(jī)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(xùn)練質(zhì)量。目前在飛機(jī)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(qiáng)裝置，對于戰(zhàn)斗機(jī)座艙內(nèi)強(qiáng)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(jī)載超短波電臺的通信質(zhì)量。
1 機(jī)載電臺話音采集裝置
某型飛機(jī)超短波電臺由控制器、收發(fā)機(jī)、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(fēng)和控制器，其中控制器通過座椅連接器與飛行帽上的耳機(jī)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(jìn)行大幅度衰減，降低強(qiáng)烈噪聲在無聲段時對飛行員的影響。而在有通話進(jìn)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(qiáng)烈的發(fā)動機(jī)、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(qiáng)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(jī)座艙內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。本文擬通過NS公司新推出的雙輸入麥克風(fēng)陣列模擬放大器，提高采集語音的信噪比，改善機(jī)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(jī)正常任務(wù)的完成。
2 改進(jìn)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(qiáng)的能，構(gòu)成增強(qiáng)控制器?？刂破鲀?nèi)增強(qiáng)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(fēng)，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(diǎn)，要求采集語音的麥克風(fēng)距離飛行員頭部不超過4 cm，兩個麥克風(fēng)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(fēng)距離座艙內(nèi)最大的噪聲源需超過50 cm，削弱遠(yuǎn)場噪聲。由于飛機(jī)內(nèi)最大的噪聲源來自發(fā)動機(jī)，因此，該要求一般可以滿足。

控制器中關(guān)于增強(qiáng)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(fēng)，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(fēng)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(jī)相連。
2.1 LMV1090芯片介紹
LMV1090芯片是美國國家半導(dǎo)體（NS）公司新推出的一款雙輸入麥克風(fēng)陣列放大器。該芯片采用美國國家半導(dǎo)體的遠(yuǎn)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(shí)。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(fèi)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(fēng)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(fēng)陣列增強(qiáng)器，要求更低，更易實(shí)現(xiàn)。
2.2 單片機(jī)控制
LMV1090內(nèi)置有麥克風(fēng)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(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方法是通過芯片內(nèi)置的I2C總線[2]由控制器完成。本方案使用8051單片機(jī)進(jìn)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(jī)，LMV1090只能作為從機(jī)，被寫入關(guān)于放大器增益配置的數(shù)據(jù)。在向從機(jī)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(yán)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(jī)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(jī)應(yīng)答，即從機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)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(yán)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(jī)通過I2C進(jìn)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(fēng)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(jī)所用電臺為例，其話音采集的麥克風(fēng)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(dāng)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(fēng)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(shí)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(jī)載超短波電臺上進(jìn)行了試用，在試用過程中考慮了以下事項[4]：(1)麥克風(fēng)陣列的相對位置對實(shí)際噪聲抑制的效果影響較大，要求兩個麥克風(fēng)并列排列，與采集話音源成一條直線。當(dāng)不滿足此條件時，話音損失較大。(2)遠(yuǎn)程噪聲衰減較大，當(dāng)噪聲源距離麥克風(fēng)超過50 cm時，通話的背景噪聲水平有明顯的降低。(3)麥克風(fēng)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(yuǎn)場噪聲源距離麥克風(fēng)陣列在50 cm之外，話音源在麥克風(fēng)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)[5]，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(dá)18 dB。
參考文獻(xiàn)
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