隨著數字信號處理技術的發展，數字語音處理技術越來越成為發展的潮流。一方面，移動設備向輕薄小型化發展；另一方面，設備包含的功能單元越來越多，如GSM和TD-SCDMA雙模制式，藍牙和WiFi，設備對抗擾的要求越來越高。數字麥克風拾音技術可以消除系統各種射頻干擾對語音通信產生的噪聲。在各種應用場合，手機用戶期望在嘈雜的環境內，能使本方的語音清晰地傳送給對方，同時可以聽清楚對方的聲音。雙向噪聲抑制技術和清晰語音引擎可以實現清晰語音通信。
影響語音通話質量的噪聲干擾，通常包含近端本地的外在環境噪聲干擾和遠端無線傳輸夾雜在語音中的噪聲干擾。外在環境噪聲影響包含兩個方面：由于聲音的遮蔽效應，周圍環境噪聲會影響本地聽者，當噪聲足夠大時，甚至無法聽清對方的聲音；環境噪聲混雜在語音中，經過無線傳輸到對方的聽筒中，使對方難以聽懂。針對這些干擾，需要相應的技術來抑制噪聲，增強語音，實現清晰語音通信。富迪科技（Fortemedia）公司推出的FM31系列芯片是專門針對手機市場推出的基于公司陣列麥克風(SAM)專利技術，全數字接口和數字處理的清晰語音處理芯片。數字陣列麥克風技術采用空間濾波、DSP處理技術，實現心形的試音區域，定向、定距拾取本地聲音信號，抑制了周圍環境噪聲，消除聲學回聲，提升上行通話質，使對方獲得清晰的語音。清晰語音引擎（BVE）技術，可以根據環境噪聲大小，頻譜特性，自動調節聽筒中的下行語音的音量和頻譜能量，使本地用戶能夠聽清楚。同時，對于對方送過來的語音進行消噪，減小本地噪聲。
FM31系列芯片主要功能及特點
專門針對手持設備設計，采用130nm優化設計技術，超低功耗，數字和核工作電壓1.2V，輸入輸出電源1.8V，輸入/輸出引腳可以承受3.3V；典型功耗25mW，采用24個引腳的QFN封裝，引腳間距0.5mm，外形尺寸4mm×4mm；內建鎖相環（PLL），支持多種時鐘輸入。
FM31系列芯片是全數字接口和數字處理芯片，外圍元器件非常少。獨有的數字麥克風（PDM）接口支持一個或兩個全指向的ECM或MEMS數字麥克風陣列。兩路數字音頻信號接口可以配置成內部集成電路聲音（I2S）或脈沖編解碼（PCM）接口，正常處理模式支持8kHz或16kHz的音頻數字信號，直通模式支持48kHz的多媒體音樂信號。主機通過串行主機接口（SHI）總線下載參數，控制芯片。手持模式支持定向，定距近場拾音，抑制外在環境噪聲，上行噪聲抑制最大可達35dB；清晰語音引擎（BVE）可以根據本地環境噪聲強度和頻譜特性，提升手機下行接收器的音量和頻譜，實現清晰語音功能。免提模式支持遠距離拾音，動態范圍控制可以改善語音可懂度，提升全雙工性能。
FM31在手機平臺中的設計和應用
系統連接：根據手機平臺模擬基帶和數字基帶之間的數字音頻接口格式，是否有CODEC芯片等，采用相應的連接方式。例如，愛立信手機平臺（EMP）有兩個 I2S接口，可以將FM31置于模擬基帶和數字基帶之間（見圖1）。當使用模擬陣列麥克風時，兩路信號經過模擬基帶芯片放大、濾波、模數轉換處理以后，分別在I2S的左右通道輸出到FM31的I2S輸入引腳RxDc。當使用數字麥克風時，拾取的近端信號經過陣列數字麥克風放大并轉換成PDM信號，從 FM31的PDM輸入引腳輸入。經過數字信號處理器時域和頻域的回聲消除和噪聲抑制，從TxDp送到數字基帶，通過無線網絡傳送到對方。下行信號從數字基帶I2S輸入到FM31的RxDp，作為回聲消除的參考信號，同時，經過噪聲抑制和清晰語音引擎得處理，從TxDc送到模擬基帶，模擬基帶模數裝換后放大推動聽筒或喇叭。當使用外置音頻編解碼器時，使用圖2所示的連接方式。
圖1 FM31系列芯片在EMP手機平臺典型應用
圖2 FM31系列芯片在含有COEDC芯片的手機平臺典型應用
電源：使用單獨可控的1.2V低壓降直流穩壓器給FM31的核和鎖相環電路供電，并使用磁珠和電容濾波。數字輸入輸出引腳電源VDDIO可以根據外部系統的電壓來選擇，范圍為1.8～3.3V。數字麥克風電源可以使用VDDIO。
數字麥克風接口：FM31提供給數字麥克風1.024MHz的時鐘信號。麥克風拾取聲音信號64kHz過采樣轉換成脈沖密度調制（PDM）的數據流送給 FM31，其內置數字濾波器將數據流降低成16kHz采樣率16位的脈沖編碼調制接口（PCM）信號（見圖3）。主麥克風（MIC0）和參考麥克風 (MIC1)的數據分別位于時鐘信號的低周期（A0→B0→C0→D0→E0…）和高周期（V1→W1→X1→Y1→Z1…）。
圖3 FM31數字麥克風接口信號
I2S接口：FM31兩路數字音頻信號接口，通過參數可以配置成內部集成電路聲音接口（I2S），正常處理模式支持8kHz或16kHz的音頻數字信號，共享時鐘和同步信號直通模式支持48kHz的多媒體音樂信號。I2S接口可以配置成主模式，提供外設時鐘和幀同步信號，或者配置成從模式，時鐘和幀同步信號從主機獲得，在幀同步為高的周期為左聲道或右聲道音頻數據，數據可以是零時鐘延時或一個時鐘延時，可在時鐘上升沿或下降沿被鎖定。圖4為I2S格式舉例：I2S下降沿鎖定數據，數據一個時鐘延時，幀同步高為左聲道數據。
I2S接口可以配置成單聲道的脈沖編碼調制接口（PCM），支持8位A律、μ律，13位PCM符號擴展，13位PCM零擴充和16位線性PCM格式。
圖4 I2S格式舉例
控制接口和時鐘信號接口：控制端口包含復位控制（RST#），省電控制（PWDN#），直通控制（BP#）和串行主機接口（SHI）。SHI接口用來配置 FM31的參數，最大支持400kHz的時鐘信號，SHI上拉電阻使用2.2kΩ。FM31內建鎖相環，可以支持多種時鐘輸入：在3～32MHz之間按 1MHz步長增加，或在4.096～32.768MHz之間按2.048MHz步長增加。
軟件控制和工作模式切換：FM31工作模式包含上電的初始化配置，省電模式，喚醒模式，手持模式，免提模式和直通模式。上電的初始化配置：外部時鐘開始產生并輸入到MCLK，打開VDDIO，省電控制和直通控制設置高電平，復位控制為低電平，等待1ms以后，打開VDDC/P，再等待1ms以后，復位控制設置成高電平，最后等待10ms以后完成復位。通過串行主機接口下載FM31初始化參數，完成初始化配置，將省電控制置低，FM31進入到省電模式，關閉主時鐘MCK。當有電話進或出，或錄音、播放音樂時，打開主時鐘，將省電控制置高，喚醒FM31，復位控制為低電平超過100μs，再將復位控制設置成高電平，等待10ms以后完成復位，主控制器根據工作模式通過串行主機接口下載相應參數。手持和免提模式切換時，將復位控制設置為低電平超過100μs，然后將復位控制設置成高電平，等待10ms以后完成復位，下載免提或手持模式的參數。通話完成以后，等待一段時間以后將省電控制置低，FM31便會關閉主時鐘MCK，進入到省電模式。
參數調試：包含系統參數配置和性能參數調試。系統參數配置包含時鐘頻率配置，芯片接口配置和系統增益分配。根據主時鐘頻率，設置鎖相環分頻系數；根據基帶芯片連接方式和數字接口格式配置兩路I2S或PCM接口的格式和上下行信號路徑；根據系統信號大小，合理分配模擬和數字域的增益，滿足發送和接受響度、失真度的要求。性能參數調試包含清晰語音引擎參數，噪聲抑制和回聲消除參數的調試。噪聲抑制調試分為上行降噪參數調試，下行穩態噪聲抑制參數調試。調整上行噪聲抑制時，分別測量兩個麥克風近距離講話和遠距離噪聲的信號差別，根據差異設置麥克風自動校準參數；通過活動語音檢測指示調整時域噪聲抑制參數，調整頻域噪聲抑制參數和殘余噪聲平滑參數，使在語音質量的情況下，噪聲抑制性能達到最優。調試下行穩態噪聲抑制參數，設定噪聲抑制的分貝數，調整低頻和高頻段的噪聲增益。
清晰語音引擎（BVE）參數調試，測試正常情況下聽筒輸出信號的大小，根據聽筒喇叭的功率余量，設定各個頻段提升的幅度（見表1）和清晰語音引擎各個頻段的劃分。通常，因為喇叭功率的限制，可以提升的音頻總功率較小，要保證好的效果且語音總體功率增大不多。語音能量集中在低頻，而人耳對高頻敏感，利用這些特性，可以將低頻段語音（頻段1,2）不做提升，而少部分提升頻段3，充分提高頻段4,5。在模擬的不同強度噪聲環境下，調整麥克風拾取的各個頻段噪聲觸發閾值，喇叭各個頻段的最大輸出，使安靜環境下清晰語音引擎不被觸發。調整喇叭輸出的動態范圍控制參數，最大增益時使最大語音峰值出現時，喇叭不破音。圖5為實際測試的清晰語音引擎（BVE）效果，下方的頻率曲線是安靜環境下的語音，上方的頻率曲線是環境噪聲達到90dB時候，BVE引擎啟動后的效果。實際測量安靜時語音總有效功率為-38.65dB，BVE啟動以后語音總有效功率-33.81dB，總功率提升了4.84dB。實際的頻率特性比較，低頻段語音幅度一樣，而中高頻被提升了10dB左右，這樣保證在嘈雜環境下可以聽得更清楚。
圖5 實際測試的BVE效果
對于回聲消除參數，免提模式和手持模式需要分別調試。手持模式只需要調整線性回聲消除的參數，免提模式需要調整線性回聲和非線性回聲參數，通過時域和頻域的參數調整，使回聲消除性能和雙工性能達到最優。
圖6 FM31系列芯片的典型應用原理圖
FM31系列芯片典型應用原理圖：圖6為FM31芯片的典型應用原理圖。兩個數字麥克風使用同一組電源，根據外部控制系統的輸入/輸出的接口電壓，數字麥克電源和FM31的VDDIO使用相同電源電壓，以使數字信號電平匹配。通過L/R選擇引腳設定為低來選定主麥克風（MAIN MIC），即靠近使用者嘴部的麥克風；L/R選擇引腳設定為高作為參考麥克風（REF MIC），即靠近耳朵的麥克風。兩路麥克風信號在時鐘的高低周期送到FM31，轉換解調為兩路麥克風信號。C4,C5用來穩定1.2V的核電壓，需要靠近芯片引腳。磁珠B1和C2,C3組成低通濾波器，濾除電源的干擾，同時防止鎖相環的噪聲從電源反串，電源VDD1.2V的引線應盡量短并靠近電源引腳。電阻R3,R4調試用，當沒有主機控制FM31時，可以斷開R3,R4，連接到串行主機接口轉接板，通過電腦的使用調試工具實時調試和優化FM31的參數。 |
