无线终端语音质量优化方案设计

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1、上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 研究背景和研究内容 1.1 研究背景和研究内容 随着无线通信技术的迅猛发展， 以手机为代表的各类无线终端产品已经成为 大众广泛使用的通信工具。这其中语音通话功能无疑是无线终端最重要的用途， 通话质量的优劣直接影响着用户的感受， 设计实现更高性能语音质量的无线终端 一直是技术人员不懈追求的目标。 如何逼真的还原人声又不产生语音失真、 回音、 噪音等不舒适的感受是研究的关键。它既与前期硬件电路的设计、软件算法的实 现密切相关，又与后期调试测试的完善和语音质量的判定不可分割。本课题不仅 是介绍一款无线终端产品在

2、改善通话音质方面的具体实施方案， 更是对当前主流 无线通信终端音频系统设计调试技术的整体分析总结， 能够帮助研发工程师更好 的设计产品的音频系统， 希望对多数无线终端语音质量优化具有可复用性和可借 鉴性。 本课题将从硬件设计、软件算法、调试测试三大方面展开，深入分析无线终 端语音质量的优化解决方案。 硬件设计方面将首先介绍大唐平台的总体硬件架构， 然后深入讲解其中的音 频部分电路设计。试图从总体到局部对典型无线通信终端的硬件架构、音频参考 设计、相关接口特性等做阐述，让研发人员从整体上把握硬件构架和设计思想， 为设计者利用该平台开发产品提供参考。 软件算法方面将介绍大唐、ADI、NXP 平台开

3、放的音频调试参数。重点讲解 最复杂的回音算法部分， 从回音产生的机理出发， 深入介绍回音处理算法的原理， 对比大唐、ADI、NXP 平台回音算法的种类、参数、区别联系，总结回音调试技 巧和注意事项，提供良好的回音消除解决方案。通过音频参数的调试达到降低回 声、降低底噪，改善音质的目的。 测试调试方面也是本课题将重点介绍的内容。这部分将阐述软件、硬件手段 的调试技巧和常见问题的调试解决方案。重点介绍音频测试系统平台的搭建，介 绍常用音频测试仪器的功能等。对测试原理、测试方法、测试项目、测试标准做 了较详尽的讲解，可以使技术人员较好的了解如何正确评价语音质量的优劣。音 频参数调节时各参数间的相互制

4、约关系将是此部分要解决的关键问题。 最终经过 后期反复调试测试，使产品高标准的满足国内外各类音频测试认证的要求，导出 最终的音频指标测试报告。 最后对本课题无线终端语音质量优化方案设计做概括总结和技术展望， 整体 归纳无线终端语音质量优化方案， 希望对技术开发人员有较好的借鉴作用并运用 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 介绍的思路进行无线终端语音质量优化系统的开发和应用，达到规避设计风险、 提高调试效率的目的。 1.2 论文的结构和内容 1.2 论文的结构和内容 本论文的章节结构和各章主要内容是这样安排的。第一章绪论，主要概述本 论文的研究背景和主要研究内容。第二章音频单

5、元硬件架构，主要介绍一般无线 终端的音频单元组成和硬件设计思路。第三章大唐语音增强算法与调试参数介 绍，主要介绍大唐平台语音增强处理软件 SEP（Speech Enhance Process）的算 法原理和人机界面的调试参数。第四章 NXP 平台回音算法与调试参数介绍，主要 介绍 NXP 平台回音消除算法、回音抑制算法、选择性回音抑制算法、噪音抑制算 法的各自特点和应用领域，同时对调试技巧和注意事项做了较全面的总结。第五 章 ADI 平台回音算法与调试参数介绍， 主要介绍了 ADI 平台的回音算法和提供的 音频调试参数， 同时介绍了音频测试系统搭建、 测试原理、 测试方法、 测试判定， 最后举

6、例讲解了 ADI 平台参数的调试过程。第六章硬件调试方法和技巧，主要介 绍硬件手段解决射频噪音、POP 音、电流音、底噪的方法和技巧。第七章总结与 展望， 主要总结了前面各章的研究重点和未来在语音增强领域的研究方向和发展 前景。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 音频单元硬件架构 第 3 页 第二章第二章 音频单元硬件架构音频单元硬件架构 2.1 音频单元总体结构 2.1 音频单元总体结构 一般无线终端的音频单元包括一个滤波器及DA/AD转换的音频Codec， 振铃的 音量控制器，MIC接口，音频通道开关等。支持8kH和16kHz数字采样率的音频数 据输入输出， 支持8kHz到48kHz的

7、输入音频采样率。 本章介绍音频单元的3个部分： 音频输入部分、音频输出部分、振铃音音量控制器。 音频输入部分，接收由MIC或线性输入的音频信号，经过PGA放大后进行ADC 转换，并经过滤波后通过ASPORT发送到DBB处理。 音频输出部分，接收由DBB通过ASPORT传送过来的数字音频信号，滤波后进 行DAC转换，经过多路开关及PGA放大后可以输出语音信号，去驱动SPEAKER或 RECEIVER。 振铃音音量控制器， GPI口可以输入DBB软件产生SOFT MIDI信号， 通过CSPORT 设置相关寄存器以对SOFT MIDI的音量进行控制，SOFT MIDI经过多路开关的切换 及放大后，可

8、以由音频通道输出。图2-1为一典型的音频单元结构图 1 。 图2-1 音频单元结构图 Fig.2-1 Architecture of audio part 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 音频单元硬件架构 第 4 页 2.2 音频输出单元 2.2 音频输出单元 音频输出部分可以输出3路音频信号，其中输出1和输出3可以驱动32阻抗 的RECEIVER，可以输出语音信号或是振铃音信号，输出方式可以是差分输出，也 可以是单端输出。输出2内置有音频PA，可以驱动8阻抗的SPEAKER，可以差分 输出语音信号或是振铃音信号，图2-2为一典型音频输出框图，分为差分输出方 式和单端输出方式。 图2-2

9、 音频输出框图 Fig.2-2 Audio output block diagram 2.3 振铃音输出单元 2.3 振铃音输出单元 振铃音音量控制器是一个PWM控制器，当Tonemode=0时，其转换时钟是： fPWM=fMCLK/8，在本项目上就是13M/8=1.625MHz。 对于音频输出1和音频输出2（AOUT1/AOUT2），占空比为Duty Cycle= (ToneVolume3:0+1)/16。 对于音频输出3 （AOUT3） ， 占空比为Duty Cycle=(ToneVolume23:0+ 1)/16。 当Tonemode=1时，时钟：fPWM=fMCLK/64，在本项目上就

10、是13M/64= 203.125KHz。 对于音频输出1和音频输出2（AOUT1/AOUT2），占空比为Duty Cycle= (ToneVolume5:0+1)/64。 对于音频输出3 （AOUT3） ， 占空比为Duty Cycle=(ToneVolume25:0+1)/64。 其中，Tonemode、ToneVolume3:0和ToneVolume23:0都可以通过CSPORT 由DBB进行设置。改变占空比的大小就可以调节音量了，当Ring Tone通过AOUT 差分输出时，其Vpp可达4V，如果通过AOUT1/AOUT3 输出可外接32 Speaker， 上海交通大学工程硕士学位论文

11、第二章 音频单元硬件架构 第 5 页 如果通过AOUT2输出还可接8 Speaker。图2-3为一典型振铃音输出框图。 图2-3 振铃音输出框图 Fig.2-3 Ring tone output block diagram 2.4 音频输入单元 2.4 音频输入单元 音频输入单元提供了2路模拟输入通道AIN1和AIN2，它们都可以用来作MIC 输入和线性输入，AIN1通道和AIN2通道是一样的，内部有开关进行切换，通过对 开关的控制也可以选择MIC接口的不同配置方式。 MIC接口电路里面的预放大器和内部集成的电阻支持驻极体MIC，MIC偏置可 以通过內置或外置的电阻提供。图2-4为一典型音频输

12、入框图。 图2-4 音频输入框图 Fig.2-4 Audio input block diagram 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 音频单元硬件架构 第 6 页 2.5 差分和单端 LINE IN 的音频输入接口 2.5 差分和单端 LINE IN 的音频输入接口 LINE IN输入的情况需Bypass（短路）Pre_Amplifier，音频信号直接输入到 PGA进行放大，输入配置如图2-5所示。 图2-5 差分和单端LINE IN的音频输入方式 Fig.2-5 Differential and single LINE IN audio input mode 2.6 音频附件检测 2.

13、6 音频附件检测 一般的模拟基带芯片提供可以检测连接到AIN2P上附件的功能，芯片内部的 检测逻辑电路提供两种操作模式，一个是为了音频附件的初始检测，一个是为了 区别耳机、听筒和耳机线上的按键。 当检测逻辑设置成初始检测时，AIN2P是不激活的（VMIC不供电），AIN2P 是通过一个上拉电阻连接到VABB。如果没有附件连接到AIN2P，AIN2P的电压是等 于VABB的； 如果有一个Microphone连接在AIN2P和地之间或AIN2P短路到地， AIN2P 上的电压将跌落到0.8xVABB以下，那么比较器的输出将显示有一个音频附件存 在。模拟基带芯片也可以设置成当比较器输出改变时产生一个

14、中断。 当检测逻辑设置成最终检测时，AIN2P也是不激活的（VMIC不供电），AIN2P 是通过一个上拉电阻连接到VABB。 开始时， 上拉电阻是2K， 电阻的阻值会从2K 到 54K逐步增加，直到AIN2P的电压低于0.8xVABB。一旦这个过程完成，两个比价器 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 音频单元硬件架构 第 7 页 的输出状态就可以用来决定AIN2P的输入情况。如果没有附件存在，AIN2P的电压 会高于0.8xVABB； 如果有一个耳机连接到AIN2P上， 而且耳机的阻抗在2K/4-54K*4 之间，AIN2P的电压会低于0.8xVABB但高于0.2xVABB；如果检测到一个耳

15、机线按 键闭合或AIN2P直接对地短路，AIN2P的电压会低于0.2xVABB。 当AIN2P是激活的时候 （VMIC有电） ， 连接到VABB的上拉电阻就将断开， AIN2P 的电压就由MIC接口电压决定（VMIC），这两个音频附件比较器就可以用来检测 是否有耳机拔出（移开）和耳机线上的按键是否按下。模拟基带芯片可以设置成 当任一比较器输出改变时产生一个中断。图2-6为典型的音频附件检测框图。 图2-6 音频附件检测框图 Fig.2-6 Audio attachment detector block diagram 2.7 本章小结 2.7 本章小结 本章详细介绍了一般无线终端的音频单元组成，包括音频输入部分、音频输 出部分、振铃音音量控制器部分、LINE IN音频输入部分和音频附件检测部分的 参考设计。其中音频输入的功能原理是接收MIC或线性输入的音频信号，经过PGA 放大后进行ADC 转换，再经过滤波后通过ASPORT发送到DBB处理。音频输出的功 能原理是接收由DBB通过ASPORT传送过来的数字音频信号，滤波后进行DAC转换， 经过多路开关及PGA放大后输出语音信号，去驱动SPEAKER或RECEIV