高保真拾音器设计(1)

摘要：本文以基于HUSH电路制造的先进的音频降噪芯片SSM2000为核心，设计了一个高保真拾音器系统。通过麦克风拾音电路对混合声音信号进行采集，将采集到的混合声音信号转换成音频信号，经SSM2000的左右音频通道送入芯片，并对音频信号进行降噪处理，当输入的音频信号被处理后，即可提取所需要的信号和噪声的频率分布、幅度信息进行分析。左右声道送入的音频信号经过压控低通滤波器滤波（VCF），再经压控放大器（VCA）放大后输出。滤波器和放大器都是低失真的，而且由它们引起的噪声是可以忽略的。压控滤波器的截止频率可在1KHz到35KHz之间根据需要予以设定。VCA可被设定为衰减或放大，这可增加SSM2000的灵活性。使用合适的控制电路可以得到合适的控制信号，并施加到VCF和VCA上，这样可在对信号造成最小损失的同时实现多达25dB的噪声抑制。最后将降噪后的音频信号通过外接功放将其还原成声音信号。关键词：SSM2000；高保真；麦克风；滤波器；放大器DesignofHigh-fidelityPickupAbstract：Ahigh-fidelitypickupsystembasedonaudionoisereductionchipSSM2000fabricatedbyHUSHcircuitisdesignedinthisgraduationproject.Throughamicrophonepickupcircuitformixedvoicesignalacquisition,mixedsoundsignalswillbechangedintoaudiosignals,sentintochipthroughtheleftandrightaudiochannelsoftheSSM2000chipandbeprocessedfornoisereduction.Whentheinputaudiosignalisprocessed,requiredsignalandnoisefrequencydistribution,rangeofinformationcanbeextractedforanalysis.Audiosignalsentintoleftandrightchannelscanbeamplifiedputtingoutthroughvoltage-controlledlow-passfilter(VCF),andthenthevoltage-controlledamplifier(VCA).Filtersandamplifiersarelowdistortion,andnoisecausedbythemcanbenegligible.Voltage-controlledfiltercutofffrequencycanbesetasneededbetween1KHzto35KHz.VCAcanbesetfortheattenuationoramplification,whichcanincreasetheSSM2000flexibility.AsuitablecontrolsignalisavailablewithappropriatecontrolcircuitandappliedtotheVCFandVCA,whichcanresultinminimumlossofsignalwhileachievingupto25dBofnoisesuppression.Finally,thedenoisedsignalcanberestoredtothesoundsignalthroughanexternalaudioamplifier.Keywords：SSM2000;Fidelity;Microphone;Filter;Amplifier第1章绪论1.1研究该课题的背景及意义音频监控作为安防行业近年来迅速发展的一个分支，目前已展现出前所未有的勃勃生机，人们把关注的目光开始从能够看见和听见的需求转向寻求高清的音视频监控。而音频监控的核心部件是拾音器。对于音视频一体化监控来说，摄像机是眼睛，拾音器是耳朵。眼睛看到的图像和耳朵听到的声音通过电缆、光纤、网络等神经系统传输到作为大脑的硬盘录像机保存就构成一个基本的影音记录系统。传统的监控系统大都没有声音，就像早年的无声电影，人们只能看到无声的图像。现在很多的监控系统已经要求集成音频，例如，检察院审讯同步录音录像系统、公安局预审系统、看守所监狱监管系统等，也有广场、最高法院、国家信访局等重要国家机关，还有地铁、机场等公共交通枢纽等[1，2]。1.2国内外研究的现状随着电子技术的飞速发展，工业生产和日常生活中的电子设备日益增多，现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快，对设计开发提出了更高的要求。有人提出疑问，有声电影电视都普及几十年了，而监控系统长期以来不全部提供声音呢，在这里有以下几个原因。(1)作为监控系统，大家最希望的是眼见为实，能亲眼看到“小偷进进出出的作案过程”就满足了，认为加上声音没有必要。(2)音频监控可能会涉及到个人的隐私问题，比如私下谈论的某些敏感东西如果“不小心”被记录下来，而监控资料保管不当就造成了隐私泄露。公共场合的视频监控，国家有相关的法律和安装规范，实施有法律保障。音频监控行为虽然与视频监控相比没有什么本质区别，但没有明文规定的东西，难免大家有些疑问。(3)长期以来音频监控技术发展缓慢，噪声处理难度大。人声和噪声经过放大后很容易混淆在一起，就算是装上拾音器听到的也是噪声，音频监控没有达到其目的和意义。拾音器降噪需要解决两方面的问题，一是减少来自电路自身的噪音，二是降低来自环境噪声的干扰。电路自身的噪声比较容易解决，环境噪声问题更为复杂而难于解决。低水平的环境噪声可以通过噪声的自动监测并进行反馈抑制，这个技术能抑制部分环境噪声。但在公路等强噪声环境下，要达到更高要求还必须进一步采用DSP噪声抑制手段。目前最先进的语音降噪算法也只能在保证少失真的情况下降噪20dB左右。(4)远距离音频监控难度大。从声音在空气中传播的物理原理我们得知，一般人说话的声音强度大都在50dB，传播的距离在30米左右。而繁忙公路上的噪声基本上在60dB，说话的声音很容易被“淹没”，这就是为什么大家在噪声环境中嗓门会越来越大，这样对方才能听清。然而，人的说话声传播到100米外的声音能量已经趋于0，无论如何放大也是无济于事，加上环境噪声混合在一起，语音的处理难上加难。激光拾音器可以解决听到远距离声音的问题，虽然激光拾音器指向性强但成本极高、音质差，无法在音频监控领域大面积推广，只能在刑侦领域使用。(5)好的拾音器价格高昂。麦克风咪头作为拾音器关键部件，其性能直接影响到声音的品质。差的咪头成本几毛钱，好的咪头价格上万。要想获得较好的音质就必须采用档次高的咪头，而其成本就占了拾音器总成本的一半以上。加上后端噪声处理的高成本DSP芯片，因此高端拾音器价格一直居高不下。这就是卡拉OK麦克风几百元，而CCTV的播音员要用价格上万麦克风的原因。正是由于以上几点的制约，过去音频监控在安防领域的应用并没有受到足够的重视。但随着人们对安防意识的提高以及技术的日趋成熟和相关法律的完善音频监控越来越受到各个领域的重视，有力地推动了高保真拾音器的快速发展。1.3研究的主要内容本次设计采用基于HUSH电路制造的先进的音频降噪芯片SSM2000为设计平台，主要由麦克风拾音模块、主芯片SSM2000模块、电源模块组成。通过麦克风拾音电路将混合声音信号转换为电信号，经麦克风拾音电路放大后送入到SSM2000的左右声通道输入端，再经过SSM2000内部的压控低通滤波器（VCF）对音频信号进行滤波，再经压控放大器放大后输出。本设计的设计目标是将混合声音信号经拾音器拾取SSM2000降噪处理后有音频信号通过芯片的左右声通道输出端输出。第2章系统方案论证与比较2.1降噪芯片选择方案比较方案一：采用以色列TRADIO公司生产的一款双通道音频处理DSP电路模块QNC260，它采用小尺寸低功耗的高速DSP芯片，适合各类轻型移动应用。QNC语音降噪是目前全球最先进语音降噪技术，彻底过滤和清除环境噪声，语音清晰干净、高保真自然原音。可以广泛应用到工业免提通话系统等高标准环境。它能够实时处理各种强噪声环境下的通讯系统的语音，配合ASE防爆音软件模块，可有效消除音频中突发的、强大的声音，能防止使用耳机的用户受到伤害。但该芯片价格高昂。 方案二：采用AD公司生产的SSM2000降噪芯片，SSM2000是采用具有专利的HUSH电路生产的先进音频降噪系统。HUSH电路把动态滤波器和向下扩展器结合起来，因此处理效率很高，并且不带有系统常有的噪声。此外自适应阈值电路可检测额定的信号电平，并可动态地调整两个阈值，因此不管是什么信号源都可以得到最优结果。HUSH电路实际中可用于任何音源，包括声音和视频磁带、无线电和电视广播以及其它有噪声的音源。SSM2000和DolbtB编码信号源一起使用可以产生良好的音频效果。该电路的一个主要特点是可直接连接到压控放大器端口，使用最简单的外围电路就可以实现诸如直流幅度控制、自动电平调整及压缩等功能。且价格适中。因此考虑到成本及设计制作难度，本设计采用了方案二。2.2声音采集电路方案比较方案一：采用Maxim公司生产的一款高性能麦克风放大器MAX9814，具有自动增益控制(AGC)和低噪声麦克风偏置。器件具有低噪声前端放大器、可变增益放大器(VGA)、输出放大器、麦克风偏置电压发生器和AGC控制电路。低噪声前置放大器具有12dB固定增益；VGA增益根据输出电压和AGC门限在20dB至0dB间自动调节。输出放大器提供可选择的8dB、18dB和28dB增益。在未压缩的情况下，放大器的级联增益为40dB、50dB或60dB。输出放大器增益由一个三态数字输入编程。AGC门限由一个外部电阻分压器控制，动作/释放时间由单个电容编程。动作/释放时间比由一个三态数字输入设置。AGC保持时间固定为30ms。低噪声麦克风偏置电压发生器可为绝大部分驻极体麦克风提供偏置。但电路设计难度大且成本高。方案二：采用通常电子爱好者制作的简易麦克风拾音电路，本电路由9014三极管、电阻、电容构成其电路如图2-1所示。图2-1麦克风放大电路图2-1所示其中电阻R1负责给咪头提供工作电压，R2与R3负责给三级管提供偏值电压，电容C1负责把咪头的信号耦合给三级管9014以便放大，最终放大的信号通过电容C2耦合后送回到话筒线路的正级中。但拾取后的音频信号放大倍数达不到设计要求。