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06-18
双向噪声抑制技术和清晰语音引擎可实现清晰的语音通信。
影响语音通话质量的噪声干扰通常包括近端本地外部环境噪声干扰和远端与语音混合的无线传输噪声干扰。
外界环境噪声的影响包括两个方面：由于声音的屏蔽作用，周围的环境噪声会对本地听者产生影响。
当噪音足够大时，甚至听不清对方的声音；环境噪声混杂在语音中，并通过无线方式传输到对方的接收器中，使对方难以理解。
针对这些干扰，需要相应的技术来抑制噪声，增强语音，实现清晰的语音通信。
富迪科技推出的FM31系列芯片是基于公司专利阵列麦克风（SAM）技术、全数字接口和数字处理，专门针对手机市场推出的清晰语音处理芯片。
数字阵列麦克风技术采用空间滤波和DSP处理技术，实现心形试听区域，定向固定距离拾取本地声音信号，抑制环境噪声，消除声学回声，提高上行通话质量，使对方能够以获得清晰的语音。
。
清晰语音引擎（BVE）技术可以根据环境噪声水平和频谱特征，自动调整听筒中下行语音的音量和频谱能量，使本地用户听得清楚。
同时对对方发出的语音进行降噪处理，减少本地噪声。
FM31系列芯片主要功能及特点 专为手持设备设计，采用nm优化设计技术，超低功耗，数字和核心工作电压1.2V，输入输出电源1.8V，输入/输出输出引脚可承受3.3V；典型功耗为 25mW。
采用24引脚QFN封装，引脚间距0.5mm，整体尺寸4mm×4mm。
它具有内置锁相环（PLL）并支持多种时钟输入。
FM31系列芯片是全数字接口和数字处理芯片，外围元件极少。
独特的数字麦克风（PDM）接口支持一两个全向ECM或MEMS数字麦克风阵列。
双通道数字音频信号接口可配置为内部集成电路声音 (I2S) 或脉冲编解码器 (PCM) 接口。
普通处理模式支持8kHz或16kHz音频数字信号，直通模式支持48kHz多媒体音乐信号。
主机通过串行主机接口（SHI）总线下载参数并控制芯片。
手持模式支持定向、定距离近场拾音，抑制外界环境噪声，上行噪声抑制可达35dB；清晰语音引擎（BVE）可以根据当地环境噪声强度和频谱特征，改善手机下行接收的音量和频率。
实现清晰语音频谱功能。
免提模式支持远距离语音拾取，动态范围控制可以提高语音清晰度并增强全双工性能。
FM31在手机平台的设计与应用 系统连接：根据手机平台的模拟基带与数字基带之间的数字音频接口格式、是否有CODEC芯片等，采用连接方式。
例如，爱立信移动平台 (EMP) 有两个 I2S 接口，将 FM31 置于模拟基带和数字基带之间（见图 1）。
使用模拟阵列麦克风时，两路信号经过模拟基带芯片放大、滤波、模数转换后，分别通过I2S的左右通道输出到FM31的I2S输入引脚RxDc。
使用数字麦克风时，拾取的近端信号经过阵列数字麦克风放大并转换为PDM信号，从FM31的PDM输入引脚输入。
经过数字信号处理器的时域和频域的回声消除和噪声抑制后，从TxDp发送到数字基带，通过无线网络传输给对方。
下行信号从数字基带I2S输入到FM31的RxDp，作为回声消除的参考信号。
同时经过噪声抑制和清晰语音引擎处理，从TxDc发送到模拟基带。
模拟基带在模数安装后进行放大和推送。
。
使用外部音频编解码器时，请使用图2所示的连接方法。
图1 FM31系列芯片在EMP手机平台的典型应用 图2 FM31系列芯片在包含COEDC芯片的手机平台的典型应用 电源：采用单独可控的1.2V低压降直流稳压器，FM31核心和锁相环电路采用磁珠和电容供电和滤波。
数字输入输出引脚电源VDDIO可根据外部系统的电压进行选择，范围为1.8～3.3V。
数字麦克风电源可以使用VDDIO。
数字麦克风接口：FM31为数字麦克风提供1.MHz时钟信号。
麦克风拾取的声音信号以 64kHz 进行过采样，并转换为脉冲密度调制 (PDM) 数据流并发送到 FM31。
其内置数字滤波器将数据流降低为16kHz采样率和16位脉冲编码调制接口（PCM）信号（见图3）。
主麦克风（MIC0）和参考麦克风（MIC1）的数据位于低电平时段（A0→B0→C0→D0→E0...）和高电平时段（V1→W1→X1→Y1→Z1）。
..）分别是时钟信号。
图3 FM31数字麦克风接口信号 I2S接口：FM31两路数字音频信号接口，可通过参数配置为内部集成电路声音接口（I2S）。
正常处理模式支持8kHz或16kHz音频数字信号。
共享时钟和同步信号直通模式支持48kHz多媒体音乐信号。
I2S接口可以配置为主机模式，提供外设时钟和帧同步信号，也可以配置为从机模式，从主机获取时钟和帧同步信号，在帧同步期间提供左或右声道音频数据。
同步性高。
数据可以零时钟延迟或一时钟延迟进行计时，并且可以在时钟的上升沿或下降沿锁存。
图4是I2S格式示例：I2S下降沿锁定数据，数据延迟一个时钟，帧同步高电平为左通道数据。
I2S接口可配置为单通道脉冲编码调制接口（PCM），支持8位A律、μ律、13位PCM符号扩展、13位PCM零扩展和16位位线性 PCM 格式。
图4 I2S格式示例 控制接口和时钟信号接口：控制端口包括复位控制（RST#）、省电控制（PWDN#）、直通控制（BP#）和串行主机接口（石）。
SHI接口用于配置FM31的参数。
它支持最大 kHz 的时钟信号。
SHI上拉电阻采用2.2kΩ。
FM31具有内置锁相环，可以支持多种时钟输入：在3和32MHz之间以1MHz的步长增加，或者在4和32MHz之间以2.MHz的步长增加。
软件控制及工作模式切换：FM31工作模式包括开机初始化配置、省电模式、唤醒模式、手持模式、免提模式和直通模式。
上电初始配置：外部??时钟开始产生并输入到MCLK，VDDIO打开，省电控制和直通控制设置为高电平，复位控制为低电平，等待1ms，打开 VDDC/P，并等待 1ms。
将复位控制置为高电平，等待10ms完成复位。
通过串行主机接口下载FM31初始化参数，完成初始配置，将省电控制设置为低电平，FM31进入省电模式，并关闭主时钟MCK。
当有电话打入或打出，或者录音或播放音乐时，打开主时钟，将省电控制设置为高电平，唤醒FM31，将复位控制设置为低电平超过μs，然后将复位控制设置为高电平。
高电平，等待10ms。
完成复位后，主控制器根据工作模式通过串行主机接口下载相应的参数。
手持与免提模式切换时，将复位控制置于低电平超过μs，然后将复位控制置于高电平，等待10ms完成复位，下载免提或手持的参数模式。
通话完毕后，等待一段时间，然后将省电控制设为低电平。
FM31将关闭主时钟MCK并进入省电模式。
参数调试：包括系统参数配置和性能参数调试。
系统参数配置包括时钟频率配置、芯片接口配置和系统增益配置。
根据主时钟频率设置锁相环分频系数；根据基带芯片连接方式和数字接口格式，配置两个I2S或PCM接口的格式和上下行信号路径；根据系统信号大小合理分配模拟域和数字域的增益，满足发射和接收响度和失真度的要求。
性能参数调试包括清晰语音引擎参数、噪声抑制和回声消除参数的调试。
噪声抑制调试分为上行降噪参数调试和下行稳态噪声抑制参数调试。
调节上行噪声抑制时，测量近距离讲话和远距离噪声两个麦克风的信号差异，根据差异设置麦克风自动校准参数；通过主动语音检测指令调整时域噪声抑制参数，调整频域噪声抑制参数和残余噪声平滑参数，使得在语音质量条件下噪声抑制性能达到最佳。
调整下行稳态噪声抑制参数，设置噪声抑制分贝数，调整低频和高频频段的噪声增益。
Clear Voice Engine（BVE）参数调试，测试正常情况下听筒输出信号的大小，并根据听筒扬声器的功率余量（见表1）和划分设置各频段提升幅度清晰语音引擎的每个频段。
通常，由于扬声器功率的限制，可增加的总音频功率较小。
既要保证效果好，又要整体语音功率提升不大。
语音能量集中在低频，而人耳对高频敏感。
利用这些特性，低频语音（频段1、2）可以不加改善，而频段3可以少量改善，频段4、5可以全面改善。
在模拟不同强度的噪声环境中，调整麦克风拾取的各频段的噪声触发阈值和扬声器各频段的最大输出，使清晰语音引擎在安静的环境下不被触发。
调整扬声器输出的动态范围控制参数，使最大增益处出现最大语音峰值时，扬声器不破音。
图5展示了实际测试的清晰语音引擎（BVE）效果。
下频率曲线是安静环境下的语音，上频率曲线是环境噪声达到90dB时BVE引擎启动后的效果。
实测安静条件下总有效语音功率为-38.65dB。
BVE激活后，总有效语音功率为-33.81dB，总功率增加4.84dB。
对比实际频率特性，低频段语音幅度相同，而中高频则提升了10dB左右，保证在嘈杂环境下也能听得更清楚。
图5 实际测试BVE效果 对于回声消除参数，免提模式和手持模式需要分别调试。
手持模式只需调整线性回声消除参数，而免提模式则需要调整线性回声和非线性回声参数。
通过时域和频域的参数调整，可以优化回声消除性能和双工性能。
图6 FM31 系列芯片典型应用原理图 FM31 系列芯片典型应用原理图： 图6 为FM31 芯片典型应用原理图。
两个数字麦克风使用相同的电源。
根据外部控制系统的输入/输出接口电压，数字麦克风电源与FM31的VDDIO使用相同的电源电压，以匹配数字信号电平。
通过将L/R选择引脚设置为低电平来选择主麦克风（MAIN MIC），即靠近用户嘴部的麦克风；将L/R选择引脚设置为高电平作为参考麦克风（REF MIC），即靠近用户嘴耳麦克风的麦克风。
两个麦克风信号在时钟的高低周期发送到FM31，并被转换和解调为两个麦克风信号。
C4和C5用于稳定1.2V的核心电压，需要靠近芯片引脚。
磁珠B1、C2、C3组成低通滤波器，滤除电源的干扰，防止锁相环的噪声从电源回流。
电源VDD1.2V的引线应尽可能短并靠近电源引脚。
电阻R3和R4用于调试。
当没有主机控制FM31时，可以将R3和R4断开，连接到串行主机接口转接板上，通过计算机调试工具实时调试和优化FM31的参数。
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