高深度混合主动降噪、数字对讲立体声耳机系统的设计研究

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　　【摘 要】传统的模拟对讲机在高噪声的环境下无法正常的送话和受话，噪声将人声覆盖，以至于产品无法正常使用。本设计研究采用主动降噪技术，通过降噪MIC接收罩框系统没有滤掉的噪音信号，或者前腔因腔体因素产生的噪音，通过降噪模块产生反向的信号驱动喇叭发出反向的声波抵消噪声；同时将数字对讲技术与主动降噪技术相结合，利用数字对讲功耗低，通讯距离远，抗干扰能力强，可跳频工作的优势，外置3dB的天线就可以在1公里内的范围内实时对讲，本产品可在强噪声的环境下，戴上耳机保护听力，解放双手，实时全双工对讲，给特定场合（飞机地勤、开大车、炮兵、建筑施工等）的作业人员带来极大的便利
　　【关键词】主动降噪；数字对讲
　　一、项目简介
　　本项目的核心为主动降噪技术和数字对讲技术，主动降噪技术包括上行降噪和下行降噪，通常说的手机通话降噪是指对MIC拾声的降噪，就属于上行降噪的一种；上行降噪是指对MIC拾声的降噪处理，而下行降噪就是指对在声音输出端SPK的降噪处理，下行降噪实现方式有很多种，目前在市场上卖的降噪耳机有前馈降噪，反馈降噪，前馈和反馈同时工作的混合降噪。本项目有上行降噪也有下行降噪，下行降噪采用混合降噪。数字对讲技术相比较传统的模拟对讲机，在功耗上有明显的优势，功耗只有模拟的5分之一，可以让电池续航能力大大提升，并且在433MHz到2.4G的频段内可以灵活设置工作频率，抗干扰能力大大强于模拟对讲，另外在通信距离上有着更远的应用，外置3dB的天线就可以在1公里内的范围内实时对讲，本产品可在强噪声的环境下，戴上耳机保护听力，解放双手，实时全双工对讲，给特定场合（飞机地勤、开大车、炮兵、建筑施工等）的作业人员带来极大的便利。
　　二、项目主要研究内容
　　1、混合主动降噪技术的研究；2、全双工数字对讲技术的研究；3、模拟的混合降噪音频和数字对讲音频相结合的音频系统的技术研究；
　　三、系统设计
　　1、系统组成
　　无线收发主机主要由无线收发模块组成：MIC和SPK信号通过屏蔽线缆接入地勤接口，实现机内的通信受话传输至无线收发主机中；无线收发主机采用1500mAH电池组供电；无线收发模块内部包括片上处理系统、DSP、功放以及射频天线单元；片上系统主要处理外部IO接口动作的输入输出，开关机按键，音量配对按键，电池的电压监测，功放的开关等；DSP则实时处理通话MIC拾取的信号，通过采用低灵敏度消噪型MIC，在DSP上运行MIC降噪算法實现高达18dB的上行通话降噪，来保证在高噪环境下的正常清晰通话；射频天线单元收发的数字信号通过DSP音频解码转换成语音信号，无线收发模块内置2瓦的功放，可驱动150欧姆直径40mm的动圈式喇叭。
　　无线收发受话器组主要由无线收发模组（从机）和降噪处理单元组成：
　　受话器组采用1500mAH电池组供电；无线收发模组包括片上处理系统、音频处理芯片、DSP、功放以及射频天线单元；片上系统主要处理外部IO接口动作的输入输出，开关机按键，音量配对按键，电池的电压监测，降噪芯片的开启关闭，功放的开关等；DSP则实时处理通话MIC拾取的信号，通过采用低灵敏度的消噪型MIC，在DSP上运行MIC降噪算法实现实现高达18dB的上行通话降噪，来保证在高噪环境下的正常清晰通话；射频天线单元收发的数据通过DSP音频解码转换成语音信号，无线收发模块内置2瓦的功放，可驱动150欧姆直径40mm的动圈式喇叭；无线收发模组还内置了一颗音频处理芯片，实时处理通话MIC对环境声音拾取的信号，经由DSP输出至SPK，无线收发模组音频输出进入降噪处理单元的有线音频输入通道。降噪处理单元包括两颗AMS3435芯片和滤波电路和负压的电路，通过混合降噪技术产生反向的频响曲线将原环境噪声部分抵消，将中低频的噪声消减26-30dB
　　2、混合主动降噪声学系统设计
　　主动降噪的原理：通过降噪MIC接收罩框系统没有滤掉的噪音信号，或者前腔因腔体因素产生的噪音，然后通过降噪模块产生反向的信号，再通过喇叭发出反向的声波抵消噪声；接收信号反馈到从喇叭发声的时间延迟必须控制非常好，才能让发出的声音和噪声抵消，如果延迟过大，相位不一致往往会有相反效果。
　　主动降噪又分为前馈（FF）和后馈（FB）、混合降噪（FF 和FB），降噪MIC在罩框表面的叫FF，而MIC在前腔里面的叫FB，其实FF就是被动没整完的FF过滤一轮，FB的 MIC 采集了正常播放的音乐信号与残留噪音混合的信号，把正常播放的音乐信号减去后，就得到残留的噪音。通过恰当的反馈电路，让残留的噪音信号尽可能的小，可理解为噪声的再过滤。
　　本设计采用混合降噪，通过声学测试设备（AP，B&K仿真人头）可以测得声音在各个途径的频响曲线和相位曲线，进行叠加仿真计算得到降噪的滤波器电路模型，再运用仿真工具得到滤波器电路的框架和具体参数。混合降噪将前馈和反馈降噪技术相结合，汲取了前馈降噪频带宽、反馈降噪幅度深的优点。
　　3、项目解决关键技术：
　　1、通话MIC的降噪技术
　　对MIC的降噪算法不断的深入研究和开发，在高噪环境下，在低功耗的DSP上运行降噪算法，实现18bB的降噪来保证对讲时的清晰通话
　　2、环境监听（侧音）技术
　　增加音频处理芯片对通话MIC实时拾音处理，经DSP音频解码输出至SPK，保证在开启降噪功能时，还能听到环境声音，保持使用者环境感知能力，能够辨别机器、车辆、警报等各种声音的特征、距离和方向。同时还能在高噪环境时在SPK中听到自己所说的话；本人有实测140bB环境噪声下，普通耳机完全听不到自己说了什么
　　3、混合降噪（主动下行降噪）技术
　　采用AMS模拟降噪芯片（两颗AMS3435芯片组）实现混合降噪技术，在不同场景高噪环境下，在50-1K Hz 的频段内实现28-36dB的主动降噪，给使用者提供极佳的听力保护
　　4、对讲语音增强技术
　　混合降噪技术将对讲通话语音和环境噪声都减弱了23-30dB，我们特定研发了对讲语音补偿电路，且定制开发专用SPK，在开启降噪和对讲模式时，将人声部分的频响曲线抬高，在保证不失真的情况下，做到人声饱满
　　5、物理降噪技术
　　对于1KHz以后的高频噪声，主要通过物理降噪来实现，通过对耳套材料深入研究，在耳套上形成独立腔体，在耳机腔体表面以蛋白真皮包高密度吸音棉来吸收高频能量，在高频段也实现了高达25dB的降噪
　　6、抗电磁干扰技术
　　在软件算法上实现跳频技术，在10个信道上任意切换，有检测其它的电磁波占用信道时，立即切换到另外一个信道上通信，并且软件算法上传输数据有进行算法加密，保证数据的完整性。
　　7、低功耗技术
　　通过软件算法的优化，最大程度的开启和关闭产品的功能，让软件控制硬件的正常运转来做到省电。
　　四、与同类技术产品相比的优势
　　目前国内市场的数字对讲机，底噪大，噪声大，并时经常有高频噪声输出，并且都没有采用降噪技术，本项目可填补这一空白，在国外此类产品有，但产品种类少，成本高。进口的更是价格昂贵，性价比很低。
　　该技术在国际上属于领先地位，将数字对讲和降噪技术完全结合，研制出可抵抗强噪声的数字对讲降噪耳机。
　　作者简介：
　　罗育培，男，1986年4月出生，籍贯湖南株洲，民族汉族，闽南师范大学电气工程及其自动化本科毕业，高级工程师
　　（作者单位：深圳市升弘创新科技有限公司）
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