一種智能對講終端的音頻電路設計方法

霍麗丹　孫劍宇　許聰聰　張少偉

摘要：智能對講終端主要應用于應急日常管理，自然災害、事故災難、公共衛生等應急突發公共安全領域，救援隊伍之間需要音視頻通信來進行協作，同時也需要把現場情況回傳給指揮中心，指揮中心根據現場情況進行統一指揮調度。介紹了一種智能對講終端的音頻電路的設計方法，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，同時提供了設計電路的實驗測試數據。

關鍵詞：智能對講終端;應急領域;音頻電路設計;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用于應急日常管理、自然災害、事故災難及公共衛生等應急突發公共安全領域，救援隊伍之間需要音視頻通信來進行協作，同時也需要把現場情況回傳給現場指揮中心，指揮中心根據現場情況進行統一指揮調度。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，也可以根據使用環境、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。根據以上3種模式，麥克風共有3個頂部麥克風、底部麥克風和背側的降噪麥克風;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;降噪麥克風作為聽筒模式和外放模式的輔助輸入，來消除環境噪音。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用于音頻信號的數模、模數轉換和編解碼;降噪芯片用于抑制極端環境噪聲，同時保留語音質量以提高清晰度;音頻功放用于實現對模擬音頻信號的放大;處理器模塊用于實現對數字音頻信號的處理并和射頻模塊進行通信。射頻模塊用于實現數字音頻信號的收發工作。

接收語音呼叫時，射頻模塊接收下來的數字音頻信號先發送給處理器模塊，再經過CODEC的D/A轉換后輸出到智能對講終端的揚聲器發音，數據流向如圖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動揚聲器，功率在1W左右;耳機輸出一般用于驅動耳機，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。

輸出設計連接關系如下：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，麥克風會收錄到揚聲器的聲音，并通過麥克風進入音頻通路使遠端談話者能聽到自己的聲音，產生回聲。另外麥克風和揚聲器的同時使用，當揚聲器發出的聲音較大，而麥克風靈敏度較高時，會產生嘯叫。

在應急場景下，通常環境噪聲大，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境噪聲，同時保留語音質量，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，麥克風輸入后首先進入到降噪芯片，經降噪芯片處理后，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送給處理器模塊，處理器模塊發送給CODEC進行D/A轉換，之后經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

根據噪聲較大的實際應用場景對以上設計電路進行了以下2組實驗。

實驗1：使用音頻分析儀產生一個正弦波信號，信號經過一段較長的導線輸送到設計電路的麥克風輸入端，在輸出端對信號進行測量，得到如圖5所示的波形數據，圖5（a）為輸入正弦波時域圖，正弦波信號在經過一段較長的導線后，通過導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，當信號經過設計電路的降噪后，波形已經變得較為光滑。

實驗2：使用2個智能對講終端進行通信，將終端A放置在嘈雜的環境中，在麥克風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，降噪功能關閉情況下接收到的聲音波形上疊加了環境噪聲，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，音質清晰，環境噪聲基本被去除。

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結束語

介紹了一種音頻電路的設計方法，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，同時提供了設計電路的實驗測試數據。本文介紹的音頻電路的設計方法對智能對講終端的設計具有一定的參考意義，采用本方案設計的終端設備在應急通信等公共安全領域內有著廣泛的應用。