霍麗丹　孫劍宇　許聰聰　張少偉

摘要：智能對講終端主要應(yīng)用于應(yīng)急日常管理，自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生等應(yīng)急突發(fā)公共安全領(lǐng)域，救援隊伍之間需要音視頻通信來進行協(xié)作，同時也需要把現(xiàn)場情況回傳給指揮中心，指揮中心根據(jù)現(xiàn)場情況進行統(tǒng)一指揮調(diào)度。介紹了一種智能對講終端的音頻電路的設(shè)計方法，從總體方案、輸入電路、輸出電路、回聲消除和噪聲抑制方面進行了詳細闡述，同時提供了設(shè)計電路的實驗測試數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：智能對講終端;應(yīng)急領(lǐng)域;音頻電路設(shè)計;噪聲抑制

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1008-1739（2021）14-57-4

0引言

智能對講終端主要應(yīng)用于應(yīng)急日常管理、自然災(zāi)害、事故災(zāi)難及公共衛(wèi)生等應(yīng)急突發(fā)公共安全領(lǐng)域，救援隊伍之間需要音視頻通信來進行協(xié)作，同時也需要把現(xiàn)場情況回傳給現(xiàn)場指揮中心，指揮中心根據(jù)現(xiàn)場情況進行統(tǒng)一指揮調(diào)度。智能對講終端通信制式可以是PDT、LTE等，同一種通信終端可以支持單模式，也可以根據(jù)使用環(huán)境、場景進行各種工作模式的切換。無論哪種工作模式，均離不開使用語音或者視頻進行通信。

1總體設(shè)計

智能對講終端通常有3種音頻的使用場景：聽筒模式、外放模式和耳機模式。聽筒模式和耳機模式用于私密講話，外放模式用于對講。根據(jù)以上3種模式，麥克風(fēng)共有3個頂部麥克風(fēng)、底部麥克風(fēng)和背側(cè)的降噪麥克風(fēng);揚聲器有2個：頂部功率約0.5W的聽筒和底部約3W的揚聲器。另外在頂部有一個耳機插孔，耳機包含麥克風(fēng)和約0.5W的揚聲器。

智能對講終端的音頻電路示意圖如圖1所示。在聽筒模式下，由智能對講終端底部的麥克風(fēng)收音，射頻模塊接收來的聲音通過智能對講終端頂部的聽筒進行放音。外放模式下，由智能對講終端頂部的麥克風(fēng)收音，射頻模塊接收來的聲音通過智能對講終端底部的揚聲器進行放音;降噪麥克風(fēng)作為聽筒模式和外放模式的輔助輸入，來消除環(huán)境噪音。耳機模式下，收音和放音位置均位于耳機上。

除麥克風(fēng)和揚聲器外，音頻電路主要還包括CODEC、降噪芯片、音頻功放、處理器模塊和射頻模塊。CODEC用于音頻信號的數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換和編解碼;降噪芯片用于抑制極端環(huán)境噪聲，同時保留語音質(zhì)量以提高清晰度;音頻功放用于實現(xiàn)對模擬音頻信號的放大;處理器模塊用于實現(xiàn)對數(shù)字音頻信號的處理并和射頻模塊進行通信。射頻模塊用于實現(xiàn)數(shù)字音頻信號的收發(fā)工作。

接收語音呼叫時，射頻模塊接收下來的數(shù)字音頻信號先發(fā)送給處理器模塊，再經(jīng)過CODEC的D/A轉(zhuǎn)換后輸出到智能對講終端的揚聲器發(fā)音，數(shù)據(jù)流向如圖3的②虛線箭頭所示。

圖中CODEC共有3路輸出通道，分別是揚聲器輸出、耳機輸出和立體聲輸出。揚聲器輸出一般用于驅(qū)動揚聲器，功率在1W左右;耳機輸出一般用于驅(qū)動耳機，功率一般在50mW左右;立體聲輸出為左右聲道的混合輸出，常用于接聽筒使用，功率一般在50mW左右。

輸出設(shè)計連接關(guān)系如下：耳機可以直接連接CODEC的耳機輸出通道。聽筒連接CODEC的立體聲輸出通道。使用1W左右的揚聲器時，可以直接連接CODEC的揚聲器輸出通道。當需要使用更大功率的揚聲器時，將揚聲器輸出端的信號先經(jīng)過低通濾波器的濾波接入音頻功放，然后再接揚聲器。

2.3回聲消除和噪聲抑制

進行雙工通話時，麥克風(fēng)會收錄到揚聲器的聲音，并通過麥克風(fēng)進入音頻通路使遠端談話者能聽到自己的聲音，產(chǎn)生回聲。另外麥克風(fēng)和揚聲器的同時使用，當揚聲器發(fā)出的聲音較大，而麥克風(fēng)靈敏度較高時，會產(chǎn)生嘯叫。

在應(yīng)急場景下，通常環(huán)境噪聲大，一般使用較大功率的揚聲器。處理器模塊自帶的噪聲抑制算法在使用大功率揚聲器進行外放時，抑制效果差。

由于以上原因，音頻方案中需要進行回聲消除和噪聲抑制的處理。降噪芯片用于抑制極端環(huán)境噪聲，同時保留語音質(zhì)量，以提高清晰度。

音頻降噪如圖4所示。圖中的④和⑤線為降噪芯片的輸入，麥克風(fēng)輸入后首先進入到降噪芯片，經(jīng)降噪芯片處理后，以模擬音頻的形式輸入到CODEC芯片，通過射頻模塊發(fā)送出去。

圖中的⑥，⑦，⑧線為降噪芯片的反饋，射頻模塊接收來的信號先發(fā)送給處理器模塊，處理器模塊發(fā)送給CODEC進行D/A轉(zhuǎn)換，之后經(jīng)揚聲器和聽筒輸出聲音，輸出到揚聲器和聽筒的音頻均會輸入到降噪芯片作為反饋。

3實驗測試

根據(jù)噪聲較大的實際應(yīng)用場景對以上設(shè)計電路進行了以下2組實驗。

實驗1：使用音頻分析儀產(chǎn)生一個正弦波信號，信號經(jīng)過一段較長的導(dǎo)線輸送到設(shè)計電路的麥克風(fēng)輸入端，在輸出端對信號進行測量，得到如圖5所示的波形數(shù)據(jù)，圖5（a）為輸入正弦波時域圖，正弦波信號在經(jīng)過一段較長的導(dǎo)線后，通過導(dǎo)線引入了外部的干擾，信號上有較多的毛刺。圖5（b）為輸出正弦波時域圖，當信號經(jīng)過設(shè)計電路的降噪后，波形已經(jīng)變得較為光滑。

實驗2：使用2個智能對講終端進行通信，將終端A放置在嘈雜的環(huán)境中，在麥克風(fēng)前播放一段錄制好的音頻，原始音頻波形如圖6（a）所示。在終端B上使用錄音軟件分別對降噪功能打開和降噪功能關(guān)閉2種情況下接收到的聲音進行錄音，時域波形分別如圖6（b）和圖6（c）所示。

對比圖6（a）和圖6（b）可得，降噪功能關(guān)閉情況下接收到的聲音波形上疊加了環(huán)境噪聲，聲音嘈雜。

對比圖6（a）和圖6（c）可得，降噪功能打開情況下接收到的聲音波形與原始聲音波形基本一致，音質(zhì)清晰，環(huán)境噪聲基本被去除。

對上述音頻信號的某一時刻進行傅里葉變換，得到了如圖7所示的頻域圖。

由圖7（a）可得，環(huán)境噪聲的頻率范圍為0～17 kHz，最大幅度約為-24 dBV。由圖7（b）可得，原始音頻的頻率范圍約為0～12 kHz，有效音頻的幅度約為-36 dBV，信噪比為72 dB。

分析圖7（c）可得，降噪功能關(guān)閉時，音頻的最高頻率由12 kHz變寬到了噪聲頻率的最高頻率17 kHz，低凹部分的音頻幅度明顯上升，整個輪廓和圖7（a）相似，信噪比約為0 dB，已經(jīng)無法分辨語音和噪聲。

由圖7（d）可得，降噪功能打開時，降噪后的音頻去除了12～17 kHz的噪聲頻率，并且0～12 kHz的幅度也有選擇性地降低，大致輪廓如圖7（b）的原始音頻，信噪比為66 dB，比原始音頻略有降低。

4結(jié)束語

介紹了一種音頻電路的設(shè)計方法，從總體方案、輸入電路、輸出電路、回聲消除和噪聲抑制方面進行了詳細闡述，同時提供了設(shè)計電路的實驗測試數(shù)據(jù)。本文介紹的音頻電路的設(shè)計方法對智能對講終端的設(shè)計具有一定的參考意義，采用本方案設(shè)計的終端設(shè)備在應(yīng)急通信等公共安全領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。