高深度混合主動降噪、數字對講立體聲耳機系統的設計研究

【摘 要】傳統的模擬對講機在高噪聲的環境下無法正常的送話和受話，噪聲將人聲覆蓋，以至于產品無法正常使用。本設計研究采用主動降噪技術，通過降噪MIC接收罩框系統沒有濾掉的噪音信號，或者前腔因腔體因素產生的噪音，通過降噪模塊產生反向的信號驅動喇叭發出反向的聲波抵消噪聲；同時將數字對講技術與主動降噪技術相結合，利用數字對講功耗低，通訊距離遠，抗干擾能力強，可跳頻工作的優勢，外置3dB的天線就可以在1公里內的范圍內實時對講，本產品可在強噪聲的環境下，戴上耳機保護聽力，解放雙手，實時全雙工對講，給特定場合（飛機地勤、開大車、炮兵、建筑施工等）的作業人員帶來極大的便利

【關鍵詞】主動降噪；數字對講

一、項目簡介

本項目的核心為主動降噪技術和數字對講技術，主動降噪技術包括上行降噪和下行降噪，通常說的手機通話降噪是指對MIC拾聲的降噪，就屬于上行降噪的一種；上行降噪是指對MIC拾聲的降噪處理，而下行降噪就是指對在聲音輸出端SPK的降噪處理，下行降噪實現方式有很多種，目前在市場上賣的降噪耳機有前饋降噪，反饋降噪，前饋和反饋同時工作的混合降噪。本項目有上行降噪也有下行降噪，下行降噪采用混合降噪。數字對講技術相比較傳統的模擬對講機，在功耗上有明顯的優勢，功耗只有模擬的5分之一，可以讓電池續航能力大大提升，并且在433MHz到2.4G的頻段內可以靈活設置工作頻率，抗干擾能力大大強于模擬對講，另外在通信距離上有著更遠的應用，外置3dB的天線就可以在1公里內的范圍內實時對講，本產品可在強噪聲的環境下，戴上耳機保護聽力，解放雙手，實時全雙工對講，給特定場合（飛機地勤、開大車、炮兵、建筑施工等）的作業人員帶來極大的便利。

二、項目主要研究內容

1、混合主動降噪技術的研究；2、全雙工數字對講技術的研究；3、模擬的混合降噪音頻和數字對講音頻相結合的音頻系統的技術研究；

三、系統設計

1、系統組成

無線收發主機主要由無線收發模塊組成：MIC和SPK信號通過屏蔽線纜接入地勤接口，實現機內的通信受話傳輸至無線收發主機中；無線收發主機采用1500mAH電池組供電；無線收發模塊內部包括片上處理系統、DSP、功放以及射頻天線單元；片上系統主要處理外部IO接口動作的輸入輸出，開關機按鍵，音量配對按鍵，電池的電壓監測，功放的開關等；DSP則實時處理通話MIC拾取的信號，通過采用低靈敏度消噪型MIC，在DSP上運行MIC降噪算法實現高達18dB的上行通話降噪，來保證在高噪環境下的正常清晰通話；射頻天線單元收發的數字信號通過DSP音頻解碼轉換成語音信號，無線收發模塊內置2瓦的功放，可驅動150歐姆直徑40mm的動圈式喇叭。

無線收發受話器組主要由無線收發模組（從機）和降噪處理單元組成：

受話器組采用1500mAH電池組供電；無線收發模組包括片上處理系統、音頻處理芯片、DSP、功放以及射頻天線單元；片上系統主要處理外部IO接口動作的輸入輸出，開關機按鍵，音量配對按鍵，電池的電壓監測，降噪芯片的開啟關閉，功放的開關等；DSP則實時處理通話MIC拾取的信號，通過采用低靈敏度的消噪型MIC，在DSP上運行MIC降噪算法實現實現高達18dB的上行通話降噪，來保證在高噪環境下的正常清晰通話；射頻天線單元收發的數據通過DSP音頻解碼轉換成語音信號，無線收發模塊內置2瓦的功放，可驅動150歐姆直徑40mm的動圈式喇叭；無線收發模組還內置了一顆音頻處理芯片，實時處理通話MIC對環境聲音拾取的信號，經由DSP輸出至SPK，無線收發模組音頻輸出進入降噪處理單元的有線音頻輸入通道。降噪處理單元包括兩顆AMS3435芯片和濾波電路和負壓的電路，通過混合降噪技術產生反向的頻響曲線將原環境噪聲部分抵消，將中低頻的噪聲消減26-30dB

2、混合主動降噪聲學系統設計

主動降噪的原理：通過降噪MIC接收罩框系統沒有濾掉的噪音信號，或者前腔因腔體因素產生的噪音，然后通過降噪模塊產生反向的信號，再通過喇叭發出反向的聲波抵消噪聲；接收信號反饋到從喇叭發聲的時間延遲必須控制非常好，才能讓發出的聲音和噪聲抵消，如果延遲過大，相位不一致往往會有相反效果。

主動降噪又分為前饋（FF）和后饋（FB）、混合降噪（FF 和FB），降噪MIC在罩框表面的叫FF，而MIC在前腔里面的叫FB，其實FF就是被動沒整完的FF過濾一輪，FB的 MIC 采集了正常播放的音樂信號與殘留噪音混合的信號，把正常播放的音樂信號減去后，就得到殘留的噪音。通過恰當的反饋電路，讓殘留的噪音信號盡可能的小，可理解為噪聲的再過濾。

本設計采用混合降噪，通過聲學測試設備（AP，B&K仿真人頭）可以測得聲音在各個途徑的頻響曲線和相位曲線，進行疊加仿真計算得到降噪的濾波器電路模型，再運用仿真工具得到濾波器電路的框架和具體參數。混合降噪將前饋和反饋降噪技術相結合，汲取了前饋降噪頻帶寬、反饋降噪幅度深的優點。

3、項目解決關鍵技術：

1、通話MIC的降噪技術

對MIC的降噪算法不斷的深入研究和開發，在高噪環境下，在低功耗的DSP上運行降噪算法，實現18bB的降噪來保證對講時的清晰通話

2、環境監聽（側音）技術

增加音頻處理芯片對通話MIC實時拾音處理，經DSP音頻解碼輸出至SPK，保證在開啟降噪功能時，還能聽到環境聲音，保持使用者環境感知能力，能夠辨別機器、車輛、警報等各種聲音的特征、距離和方向。同時還能在高噪環境時在SPK中聽到自己所說的話；本人有實測140bB環境噪聲下，普通耳機完全聽不到自己說了什么

3、混合降噪（主動下行降噪）技術

采用AMS模擬降噪芯片（兩顆AMS3435芯片組）實現混合降噪技術，在不同場景高噪環境下，在50-1K Hz 的頻段內實現28-36dB的主動降噪，給使用者提供極佳的聽力保護

4、對講語音增強技術

混合降噪技術將對講通話語音和環境噪聲都減弱了23-30dB，我們特定研發了對講語音補償電路，且定制開發專用SPK，在開啟降噪和對講模式時，將人聲部分的頻響曲線抬高，在保證不失真的情況下，做到人聲飽滿

5、物理降噪技術

對于1KHz以后的高頻噪聲，主要通過物理降噪來實現，通過對耳套材料深入研究，在耳套上形成獨立腔體，在耳機腔體表面以蛋白真皮包高密度吸音棉來吸收高頻能量，在高頻段也實現了高達25dB的降噪

6、抗電磁干擾技術

在軟件算法上實現跳頻技術，在10個信道上任意切換，有檢測其它的電磁波占用信道時，立即切換到另外一個信道上通信，并且軟件算法上傳輸數據有進行算法加密，保證數據的完整性。

7、低功耗技術

通過軟件算法的優化，最大程度的開啟和關閉產品的功能，讓軟件控制硬件的正常運轉來做到省電。

四、與同類技術產品相比的優勢

目前國內市場的數字對講機，底噪大，噪聲大，并時經常有高頻噪聲輸出，并且都沒有采用降噪技術，本項目可填補這一空白，在國外此類產品有，但產品種類少，成本高。進口的更是價格昂貴，性價比很低。

該技術在國際上屬于領先地位，將數字對講和降噪技術完全結合，研制出可抵抗強噪聲的數字對講降噪耳機。

作者簡介：

羅育培，男，1986年4月出生，籍貫湖南株洲，民族漢族，閩南師范大學電氣工程及其自動化本科畢業，高級工程師

（作者單位：深圳市升弘創新科技有限公司）