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Handfree System Design Base on FM1083
摘 要:介绍了基于FM1083的低功率免提通信产品系统设计要点,低功率免提芯片FM1083在全双工USB、蓝牙、手机、电话免提通信中的典型应用。
关键词:免提通信;声学回声消除;远端拾取;噪声抑制;语音活动检测
引言
随着通信产品的不断小型化,对系统的成本和空间限制也越来越多。扬声器的体积变得越来越小,麦克风与扬声器之间的距离不断缩短,使得回声愈发难以消除。在商业区、汽车内、地铁等复杂的使用环境中,环境噪声严重影响了通话质量。如何在PDA、笔记本电脑、免提手机等小型系统中实现全双工免提功能,并保证足够大的音量,已经成为难题。
FM1083是美国富迪科技(Fortemedia)公司推出的用于回声消除、噪声抑制、远端拾取声音信号的低功率芯片,本文将介绍小型免提通信产品的设计要点、FM1083主要功能和典型应用。
设计要点

模具外壳、麦克风和扬声器关系到整个系统的免提性能。回声的产生有声学传播和机械振动两种方式,从频谱的连续性来看,回声又分线性和非线性两种。在模具设计阶段,应考虑要尽量减小麦克风拾取的线性回声,减小扬声器和外壳的非线性振动。麦克风应该设计独立的腔体,注意外壳的前后盖的配合,否则回声会增大。扬声器应充分固定,在扬声器与外壳之间加减振垫圈。
FM1083支持一个单指向或全指向麦克风和两个阵列麦克风,阵列麦克风由全指向和单指向麦克风组合而成。在使用一个麦克风的应用中,应该使麦克风拾取远端(FE)的声音即回声与近端(NE)讲话的信号差值尽量小。设定麦克风拾取的近端讲话信号(signal of near end)SN为10mVpp时,麦克风拾取的回声信号(signal of echo)SE为40mVpp,回路增益为20dB,线路输出的幅度为100mVpp,在没有回声消除的情况下回声将达400mVpp,根本无法通信。为了消除回声,至少要使回声比有用信号小两个数量级,即要将回声减小40dB以上(回声将小于4mVpp),才能不影响有用信号。采用FM1083和两个阵列麦克风的系统最大可以消除65dB的回声,使通信清晰流畅。对于两个麦克风的应用,应该使主麦克风M1、参考麦克风M2所拾取远端(FE)的声音即回声保持一定差值,M1、M2拾取回声与近端(NE)讲话的信号有一定的差值,M1、M2所拾取的近端(NE)讲话的信号差值应尽量小。M1和M2拾取的回声的频谱在带内不能重合。

FM1083的主要功能及特点
FM1083专为移动手持设备设计,内置的两个DC/DC转换器分别为CODEC和DSP提供电源,1.8V工作时的功耗小于30mW,数字电路部分支持1.8~3.6V的宽电压,内置D类功放,差分输出可直接驱动扬声器。多媒体编解码接口(CODEC Host Interface)直接与蓝牙1.1和1.2接口连接。具有两个麦克风输入,内置可编程增益输入输出放大器(-6dB~+26dB),适应不同灵敏度的麦克风。远端拾取时,麦克风与使用者的距离是0.6m,最大可以达到5m。模拟信号支持直通模式,以提高保真度。回声消除范围为45~60dB,支持动态范围压缩和非线性回声消除,适合于小型喇叭在大功率输出时的过载。麦克风和扬声器之间最小距离可以达到40mm,噪声抑制为13~18dB,可适用于嘈杂的环境。采样速率为8kHz,支持4.096MHz和13MHz时钟,具有缺省/EEPROM/UART微处理器控制三种工作方式。
FM1083接口
FM1083支持USB1.1从模式,可通过USB接口与计算机传送音频数据,做为语音通信的USB免提器件。
EEPROM接口支持256B~1KB的低电压EEPROM,在没有微控制器的情况下,可以存放FM1083的大部分可变参数。
音频数据编解码接口支持主模式和从模式,可以选择内部和外部时钟源,当选择内部时钟时,帧频为8kHz,数据编码格式为16位线性PCM(Pulse Code Modulation,脉冲编码调制)或13位零位填充PCM,或8位μ律或A律编码。
URAT接口用于对EEPROM编程或微控制器直接控制FM1083,在4.096MHz时的接口波特率为300~230400b/s,13MHz时为9600~38400b/s。FM1083的系统结构如图1所示。

信号流程
主麦克风1和参考麦克风2拾取的信号经可编程增益放大器放大、模数转换和高通滤波后,送语音处理器处理(线性回声消除,非线性回声消除,VAD检测,噪声抑制处理,然后进行麦克风自动增益控制,消侧音和麦克风音量设定),输出的16位语音数据经数模转换后将麦克风信号从线路输出端进行单端输出。
远端话音信号从线路输入端单端输入,经模数转换和高通滤波后转换成16位语音数据,送语音处理器处理(消侧音,自动增益控制,回声参考信号提取,动态范围控制),输出信号经数模转换后推动内置的D类功放,用差分方式直接驱动扬声器。
在USB应用时,USB的输入信号作为线路输入的信号,经语音处理器处理后直接驱动扬声器。麦克风输入信号经语音处理器处理后,通过USB送计算机,过程与模拟信

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