機(jī)載超短波電臺在戰(zhàn)斗機(jī)中承擔(dān)著與地面塔臺及友機(jī)之間的通話任務(wù)，其通話質(zhì)量的高低直接影響飛行員的作戰(zhàn)與訓(xùn)練質(zhì)量。目前在飛機(jī)上大量使用的還是老式的模擬話音電臺,，此種電臺缺少語音增強(qiáng)裝置,，對于戰(zhàn)斗機(jī)座艙內(nèi)強(qiáng)烈的噪聲缺少針對性的抑制措施。隨著新階段飛行任務(wù)的增大,，低清晰度的通話質(zhì)量勢必會對飛行任務(wù)的完成及飛行員的身心健康造成較大的影響,。本文擬通過新型的模擬語音處理方法，重新設(shè)計話音采集及控制部分,，提高采集語音的信噪比,，改善機(jī)載超短波電臺的通信質(zhì)量。
1 機(jī)載電臺話音采集裝置
    某型飛機(jī)超短波電臺由控制器,、收發(fā)機(jī),、功率附加器、射頻轉(zhuǎn)換器及通信天線構(gòu)成,。該電臺的話音采集裝置主要包括麥克風(fēng)和控制器,，其中控制器通過座椅連接器與飛行帽上的耳機(jī)及話筒相連。在控制器上,，設(shè)有靜噪開關(guān),，對噪音有一定的抑制。但此裝置只是通過話音激活檢測（VAD）對無話音時的信號進(jìn)行大幅度衰減,，降低強(qiáng)烈噪聲在無聲段時對飛行員的影響,。而在有通話進(jìn)行時則無法降噪。此方法處理的結(jié)果是：在采集語音的同時伴隨有強(qiáng)烈的發(fā)動機(jī),、按鈕開關(guān)等噪聲,，大大降低了通信語音的質(zhì)量。飛行員長時間處于強(qiáng)噪聲環(huán)境中,，也易出現(xiàn)身心疲憊,、精力分散等現(xiàn)象，影響飛行的安全,。在一些借助數(shù)字信號處理技術(shù)改善通信質(zhì)量的方案[1]中,，由于需要較為大量的改動，如增加A/D和D/A電路,，以及面臨供電問題,，所以在飛機(jī)座艙內(nèi)難以實現(xiàn)。本文擬通過NS公司新推出的雙輸入麥克風(fēng)陣列模擬放大器,，提高采集語音的信噪比,，改善機(jī)載超短波電臺的通信質(zhì)量，同時對座艙環(huán)境改變較少,，不影響飛機(jī)正常任務(wù)的完成,。
2 改進(jìn)型噪聲抑制話音采集方案
    圖1是本方案的總體設(shè)計圖。該方案在原有控制器基礎(chǔ)上增加了語音增強(qiáng)的能，構(gòu)成增強(qiáng)控制器,?？刂破鲀?nèi)增強(qiáng)部分電路設(shè)計如圖2所示，其中,，LMV1090是核心芯片,。話音的采集使用兩個并列放置的麥克風(fēng)，其間保持2 cm左右的間距,，對現(xiàn)有話音采集設(shè)備的影響不大,。根據(jù)LMV1090系列芯片的特點，要求采集語音的麥克風(fēng)距離飛行員頭部不超過4 cm,，兩個麥克風(fēng)與聲音位置源最好保持在同一條直線上,，確保近場語音的保留。同時,，麥克風(fēng)距離座艙內(nèi)最大的噪聲源需超過50 cm,，削弱遠(yuǎn)場噪聲。由于飛機(jī)內(nèi)最大的噪聲源來自發(fā)動機(jī),，因此,，該要求一般可以滿足。

    控制器中關(guān)于增強(qiáng)采集語音信號的電路設(shè)計如圖2所示,，Mic1和Mic2為兩個并列麥克風(fēng),，J1為輸出的近場語音信號接口。電路的核心為模擬雙輸入麥克風(fēng)陣列放大器LMV1090,，其控制接口通過其內(nèi)置的I2C總線與AT89C51單片機(jī)相連,。
2.1 LMV1090芯片介紹
    LMV1090芯片是美國國家半導(dǎo)體（NS）公司新推出的一款雙輸入麥克風(fēng)陣列放大器。該芯片采用美國國家半導(dǎo)體的遠(yuǎn)場噪聲抑制技術(shù),，完全采用模擬處理可以減少輸出頻率失真及其他音頻假信號,，令傳送的聲音更自然、更真實,。相比采用子頻帶頻率處理抑制噪聲的算法,，該模擬處理技術(shù)不僅噪聲低、音效好,，而且功耗極低（僅0.5 mA）,，僅為數(shù)字信號處理器或微處理器搭配軟件的音頻系統(tǒng)的5%，對供電的要求大大降低,。
    另外,，該放大器芯片非常易用，由于其完全采用模擬處理,，減少了A/D及D/A轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié),，系統(tǒng)設(shè)計工程師無需修改原有設(shè)計便可迅速將這種噪聲抑制功能內(nèi)置到現(xiàn)有設(shè)備中,，基本不需要額外花費(fèi)時間為處理器編寫和測試語音處理程序的代碼。該芯片采用25焊球的microSMD封裝,，尺寸為2 mm×2 mm×0.6 mm,，兩個麥克風(fēng)之間也只需保持在15 mm～25 mm的直線距離,，相比傳統(tǒng)的麥克風(fēng)陣列增強(qiáng)器,，要求更低，更易實現(xiàn),。
2.2 單片機(jī)控制
    LMV1090內(nèi)置有麥克風(fēng)前置放大器和后置放大器,。兩個放大器的增益可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方法是通過芯片內(nèi)置的I2C總線[2]由控制器完成,。本方案使用8051單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置,，如圖3所示，使用P0口的兩個IO腳分別作為時鐘信號和數(shù)據(jù)信號,。

    在串行通信中,，AT89C51作為主機(jī)，LMV1090只能作為從機(jī),，被寫入關(guān)于放大器增益配置的數(shù)據(jù),。在向從機(jī)寄存器寫數(shù)據(jù)時必須遵守I2C通信協(xié)議中對時序的嚴(yán)格規(guī)定，如在SCL為高時,，SDA從高到低變化表示啟動通信,，在SCL為高時SDA從低到高變化表示停止通信。圖4即是在寫入前置放大器增益值時所用的時序,。

    在上述時序圖中,，在SCL為高時，SDA出現(xiàn)下降沿,，表示啟動一次數(shù)據(jù)通信,；在SCL的時鐘控制下，SDA傳出8位數(shù)據(jù),，高位在前,，低位在后，該數(shù)據(jù)表示從機(jī)寄存器A,，即LMV1090芯片內(nèi)置放大器增益寄存器的地址11001110,，地址發(fā)送結(jié)束后需要一個從機(jī)應(yīng)答，即從機(jī)在第8個時鐘脈沖后將SDA拉到低電平,，表示接收第一個字節(jié)成功,。之后，主機(jī)再次發(fā)送8位數(shù)據(jù),，表示該寄存器內(nèi)應(yīng)寫入的實際值,，這里的數(shù)據(jù)為11110000,，即將前置放大器增益設(shè)置為36 dB，后置放大器增益設(shè)置為6 dB[3],。接收該字節(jié)后,，從機(jī)給出應(yīng)答，表示接收成功,。經(jīng)歷兩次寫入操作后,，該寄存器的寫入任務(wù)完成，可以結(jié)束I2C通信,，結(jié)束的方法是在SCL為高電平時,，向SDA送上升沿信號。
2.3 其他問題
    由于戰(zhàn)斗機(jī)座艙環(huán)境的特殊性,，對設(shè)備的體積,、重量和耗電量都有非常嚴(yán)格的要求，在使用中還需注意以下問題,。
    (1)安裝位置
    得益于LMV1090極小的體積(2 mm×2 mm×0.6 mm),，圍繞其設(shè)計的增強(qiáng)采集電路也可以大大縮小體積。經(jīng)過對控制器的精簡,，基本可以將該部分電路放置在控制器內(nèi),。
    (2)供電
    LMV1090的耗電量僅有0.5 mA，整個增強(qiáng)采集部分的耗電量經(jīng)過優(yōu)化也不會超過2 mA,。因此,，完全可以借用控制器部分的電源對其進(jìn)行供電。
    (3)放大器增益調(diào)節(jié)按鈕
    LMV1090的兩個內(nèi)置放大器的增益可以由單片機(jī)通過I2C進(jìn)行控制,，可將其控制的按鈕引到面板,。設(shè)計時需注意放大器的增益設(shè)計要合理，根據(jù)麥克風(fēng)自身的最大輸出,，以及芯片后級對輸入電壓的要求,，設(shè)置一個合適的調(diào)節(jié)范圍在面板上供手動調(diào)整。
    以某型戰(zhàn)斗機(jī)所用電臺為例,，其話音采集的麥克風(fēng)最大輸出為10 mV,，經(jīng)過LMV1090處理后，再送到控制器內(nèi)的處理芯片,，該芯片要求LMV1090的最大輸出不能超過3.3 V,。據(jù)此可選擇的增益范圍應(yīng)按如下方法確定。
    首先確定后級放大器的增益,，一般使其保持最低值6 dB,，以使前級放大器處于較大值，可提高采集時的信噪比,。當(dāng)后級放大器增益為6 dB時,，前放的輸出則應(yīng)為：    3.3 V-6 dB=1.65 V
      由于麥克風(fēng)的最大輸出為10 mV,，因此，可確定的最大增益為：
      20log(1.65 V/10 mV)=44 dB
      因為LMV1090前放增益的實際可調(diào)范圍為6 dB～36 dB,，所以可設(shè)置其為最大值36 dB,，后放的增益在可調(diào)范圍6 dB～18 dB內(nèi)設(shè)置最小值6 dB。
    依據(jù)上述方案設(shè)計的噪聲抑制話音采集裝置在某機(jī)載超短波電臺上進(jìn)行了試用,，在試用過程中考慮了以下事項[4]：(1)麥克風(fēng)陣列的相對位置對實際噪聲抑制的效果影響較大,，要求兩個麥克風(fēng)并列排列，與采集話音源成一條直線,。當(dāng)不滿足此條件時,，話音損失較大,。(2)遠(yuǎn)程噪聲衰減較大,，當(dāng)噪聲源距離麥克風(fēng)超過50 cm時，通話的背景噪聲水平有明顯的降低,。(3)麥克風(fēng)前置放大器的增益不能設(shè)置過大,，否則可能會有較大的削峰現(xiàn)象，一般可采用比理論最大值低5 dB左右的增益,。
    另外在測試過程中,，保持遠(yuǎn)場噪聲源距離麥克風(fēng)陣列在50 cm之外，話音源在麥克風(fēng)陣列線上且相距不超過5 cm,，測量的信號送至語音質(zhì)量客觀評估系統(tǒng)[5],，在噪聲抑制模式使用前后各采集測試10次，平均噪聲抑制效果可達(dá)18 dB,。
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