一种适用于远场噪声抑制的电台话音采集装置

摘  要： 为降低远场噪声对机载超短波电台话音采集的影响，基于麦克风阵列放大器LMV1090和单片机AT89C51重新设计了电台的话音采集装置，在其控制器内增加了模拟的话音增强电路。相比较数字语音增强技术，模拟技术省去了传统的信号放大和A/D、D/A转换电路，对电台硬件改动更少。软件采用单片机控制采集放大器的增益，具备较大的灵活性。试用结果表明，该话音采集装置对远场噪声有较好的抑制效果。
关键词： 超短波电台；话音采集；远场噪声抑制
   　机载超短波电台在战斗机中承担着与地面塔台及友机之间的通话任务，其通话质量的高低直接影响飞行员的作战与训练质量。目前在飞机上大量使用的还是老式的模拟话音电台，此种电台缺少语音增强装置，对于战斗机座舱内强烈的噪声缺少针对性的抑制措施。随着新阶段飞行任务的增大，低清晰度的通话质量势必会对飞行任务的完成及飞行员的身心健康造成较大的影响。本文拟通过新型的模拟语音处理方法，重新设计话音采集及控制部分，提高采集语音的信噪比，改善机载超短波电台的通信质量。
1 机载电台话音采集装置
     某型飞机超短波电台由控制器、收发机、功率附加器、射频转换器及通信天线构成。该电台的话音采集装置主要包括麦克风和控制器，其中控制器通过座椅连接器与飞行帽上的耳机及话筒相连。在控制器上，设有静噪开关，对噪音有一定的抑制。但此装置只是通过话音激活检测（VAD）对无话音时的信号进行大幅度衰减，降低强烈噪声在无声段时对飞行员的影响。而在有通话进行时则无法降噪。此方法处理的结果是：在采集语音的同时伴随有强烈的发动机、按钮开关等噪声，大大降低了通信语音的质量。飞行员长时间处于强噪声环境中，也易出现身心疲惫、精力分散等现象，影响飞行的安全。在一些借助数字信号处理技术改善通信质量的方案[1]中，由于需要较为大量的改动，如增加A/D和D/A电路，以及面临供电问题，所以在飞机座舱内难以实现。本文拟通过NS公司新推出的双输入麦克风阵列模拟放大器，提高采集语音的信噪比，改善机载超短波电台的通信质量，同时对座舱环境改变较少，不影响飞机正常任务的完成。
2 改进型噪声抑制话音采集方案
     图1是本方案的总体设计图。该方案在原有控制器基础上增加了语音增强的能，构成增强控制器。控制器内增强部分电路设计如图2所示，其中，LMV1090是核心芯片。话音的采集使用两个并列放置的麦克风，其间保持2 cm左右的间距，对现有话音采集设备的影响不大。根据LMV1090系列芯片的特点，要求采集语音的麦克风距离飞行员头部不超过4 cm，两个麦克风与声音位置源最好保持在同一条直线上，确保近场语音的保留。同时，麦克风距离座舱内最大的噪声源需超过50 cm，削弱远场噪声。由于飞机内最大的噪声源来自发动机，因此，该要求一般可以满足。
   
   
       控制器中关于增强采集语音信号的电路设计如图2所示，Mic1和Mic2为两个并列麦克风，J1为输出的近场语音信号接口。电路的核心为模拟双输入麦克风阵列放大器LMV1090，其控制接口通过其内置的I2C总线与AT89C51单片机相连。
2.1 LMV1090芯片介绍
     LMV1090芯片是美国国家半导体（NS）公司新推出的一款双输入麦克风阵列放大器。该芯片采用美国国家半导体的远场噪声抑制技术，完全采用模拟处理可以减少输出频率失真及其他音频假信号，令传送的声音更自然、更真实。相比采用子频带频率处理抑制噪声的算法，该模拟处理技术不仅噪声低、音效好，而且功耗极低（仅0.5 mA），仅为数字信号处理器或微处理器搭配软件的音频系统的5%，对供电的要求大大降低。
     另外，该放大器芯片非常易用，由于其完全采用模拟处理，减少了A/D及D/A转换的环节，系统设计工程师无需修改原有设计便可迅速将这种噪声抑制功能内置到现有设备中，基本不需要额外花费时间为处理器编写和测试语音处理程序的代码。该芯片采用25焊球的microSMD封装，尺寸为2 mm×2 mm×0.6 mm，两个麦克风之间也只需保持在15 mm～25 mm的直线距离，相比传统的麦克风阵列增强器，要求更低，更易实现。
2.2 单片机控制
     LMV1090内置有麦克风前置放大器和后置放大器。两个放大器的增益可根据具体应用进行调整，调整方法是通过芯片内置的I2C总线[2]由控制器完成。本方案使用8051单片机进行设置，如图3所示，使用P0口的两个IO脚分别作为时钟信号和数据信号。
   
       在串行通信中，AT89C51作为主机，LMV1090只能作为从机，被写入关于放大器增益配置的数据。在向从机寄存器写数据时必须遵守I2C通信协议中对时序的严格规定，如在SCL为高时，SDA从高到低变化表示启动通信，在SCL为高时SDA从低到高变化表示停止通信。图4即是在写入前置放大器增益值时所用的时序。