一種適用于遠場噪聲抑制的電臺話音采集裝置

趙漢武，楊佳，惠景麗，張明

（空軍第一航空學院，河南信陽464000）

機載超短波電臺在戰斗機中承擔著與地面塔臺及友機之間的通話任務，其通話質量的高低直接影響飛行員的作戰與訓練質量。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，對于戰斗機座艙內強烈的噪聲缺少針對性的抑制措施。隨著新階段飛行任務的增大，低清晰度的通話質量勢必會對飛行任務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、收發機、功率附加器、射頻轉換器及通信天線構成。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，設有靜噪開關，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。此方法處理的結果是：在采集語音的同時伴隨有強烈的發動機、按鈕開關等噪聲，大大降低了通信語音的質量。飛行員長時間處于強噪聲環境中，也易出現身心疲憊、精力分散等現象，影響飛行的安全。在一些借助數字信號處理技術改善通信質量的方案[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，所以在飛機座艙內難以實現。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量，同時對座艙環境改變較少，不影響飛機正常任務的完成。

2 改進型噪聲抑制話音采集方案

圖1是本方案的總體設計圖。該方案在原有控制器基礎上增加了語音增強的能，構成增強控制器?？刂破鲀仍鰪姴糠蛛娐吩O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，對現有話音采集設備的影響不大。根據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，麥克風距離座艙內最大的噪聲源需超過50 cm，削弱遠場噪聲。由于飛機內最大的噪聲源來自發動機，因此，該要求一般可以滿足。

圖1 某型機載超短波電臺組成

控制器中關于增強采集語音信號的電路設計如圖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，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，該模擬處理技術不僅噪聲低、音效好，而且功耗極低（僅0.5 mA），僅為數字信號處理器或微處理器搭配軟件的音頻系統的5%，對供電的要求大大降低。

圖2 語音采集及增強部分電路設計

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轉換的環節，系統設計工程師無需修改原有設計便可迅速將這種噪聲抑制功能內置到現有設備中，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，相比傳統的麥克風陣列增強器，要求更低，更易實現。

2.2 單片機控制

LMV1090內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具體應用進行調整，調整方法是通過芯片內置的I2C總線[2]由控制器完成。本方案使用8051單片機進行設置，如圖3所示，使用P0口的兩個IO腳分別作為時鐘信號和數據信號。

圖3 單片機和LMV1090之間的I2C總線連接

在串行通信中，AT89C51作為主機，LMV1090只能作為從機，被寫入關于放大器增益配置的數據。在向從機寄存器寫數據時必須遵守I2C通信協議中對時序的嚴格規定，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。

圖4 單片機控制前置放大器增益時的I2C通信時序

在上述時序圖中，在SCL為高時，SDA出現下降沿，表示啟動一次數據通信；在SCL的時鐘控制下，SDA傳出8位數據，高位在前，低位在后，該數據表示從機寄存器A，即LMV1090芯片內置放大器增益寄存器的地址11001110，地址發送結束后需要一個從機應答，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成功。之后，主機再次發送8位數據，表示該寄存器內應寫入的實際值，這里的數據為11110000，即將前置放大器增益設置為36 dB，后置放大器增益設置為6 dB[3]。接收該字節后，從機給出應答，表示接收成功。經歷兩次寫入操作后，該寄存器的寫入任務完成，可以結束I2C通信，結束的方法是在SCL為高電平時，向SDA送上升沿信號。

2.3 其他問題

由于戰斗機座艙環境的特殊性，對設備的體積、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)，圍繞其設計的增強采集電路也可以大大縮小體積。經過對控制器的精簡，基本可以將該部分電路放置在控制器內。

(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過優化也不會超過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)放大器增益調節按鈕

LMV1090的兩個內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。設計時需注意放大器的增益設計要合理，根據麥克風自身的最大輸出，以及芯片后級對輸入電壓的要求，設置一個合適的調節范圍在面板上供手動調整。

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

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范圍為6 dB～36 dB，所以可設置其為最大值36 dB，后放的增益在可調范圍6 dB～18 dB內設置最小值6 dB。

依據上述方案設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置過大，否則可能會有較大的削峰現象，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量客觀評估系統[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18 dB。

[1]郭寶強.軍用通信電臺前置語音增強系統的研究與實現[D].大連理工大學，2006.

[2]來清民.傳感器與單片機接口及實例[M].北京：航空航天大學出版社，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語音質量評估的研究與實現[D].中南大學，2008.

[6]秦明宏.PIC單片機基礎與傳感器應用[M].北京：科學出版社，2005.