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摘要：智能对讲终端主要应用于应急日常管理，自然灾害、事故灾难、公共卫生等应急突发公共安全领域，救援队伍之间需要音视频通信来进行协作，同时也需要把现场情况回传给指挥中心，指挥中心根据现场情况进行统一指挥调度。介绍了一种智能对讲终端的音频电路的设计方法，从总体方案、输入电路、输出电路、回声消除和噪声抑制方面进行了详细阐述，同时提供了设计电路的实验测试数据。
关键词：智能对讲终端;应急领域;音频电路设计;噪声抑制
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1008-1739（2021）14-57-4
0引言
智能对讲终端主要应用于应急日常管理、自然灾害、事故灾难及公共卫生等应急突发公共安全领域，救援队伍之间需要音视频通信来进行协作，同时也需要把现场情况回传给现场指挥中心，指挥中心根据现场情况进行统一指挥调度。智能对讲终端通信制式可以是PDT、LTE等，同一种通信终端可以支持单模式，也可以根据使用环境、场景进行各种工作模式的切换。无论哪种工作模式，均离不开使用语音或者视频进行通信。
1总体设计
智能对讲终端通常有3种音频的使用场景：听筒模式、外放模式和耳机模式。听筒模式和耳机模式用于私密讲话，外放模式用于对讲。根据以上3种模式，麦克风共有3个顶部麦克风、底部麦克风和背侧的降噪麦克风;扬声器有2个：顶部功率约0.5W的听筒和底部约3W的扬声器。另外在顶部有一个耳机插孔，耳机包含麦克风和约0.5W的扬声器。
智能对讲终端的音频电路示意图如图1所示。在听筒模式下，由智能对讲终端底部的麦克风收音，射频模块接收来的声音通过智能对讲终端顶部的听筒进行放音。外放模式下，由智能对讲终端顶部的麦克风收音，射频模塊接收来的声音通过智能对讲终端底部的扬声器进行放音;降噪麦克风作为听筒模式和外放模式的辅助输入，来消除环境噪音。耳机模式下，收音和放音位置均位于耳机上。
除麦克风和扬声器外，音频电路主要还包括CODEC、降噪芯片、音频功放、处理器模块和射频模块。CODEC用于音频信号的数模、模数转换和编解码;降噪芯片用于抑制极端环境噪声，同时保留语音质量以提高清晰度;音频功放用于实现对模拟音频信号的放大;处理器模块用于实现对数字音频信号的处理并和射频模块进行通信。射频模块用于实现数字音频信号的收发工作。
接收语音呼叫时，射频模块接收下来的数字音频信号先发送给处理器模块，再经过CODEC的D/A转换后输出到智能对讲终端的扬声器发音，数据流向如图3的②虚线箭头所示。
图中CODEC共有3路输出通道，分别是扬声器输出、耳机输出和立体声输出。扬声器输出一般用于驱动扬声器，功率在1W左右;耳机输出一般用于驱动耳机，功率一般在50mW左右;立体声输出为左右声道的混合输出，常用于接听筒使用，功率一般在50mW左右。
输出设计连接关系如下：耳机可以直接连接CODEC的耳机输出通道。听筒连接CODEC的立体声输出通道。使用1W左右的扬声器时，可以直接连接CODEC的扬声器输出通道。当需要使用更大功率的扬声器时，将扬声器输出端的信号先经过低通滤波器的滤波接入音频功放，然后再接扬声器。
2.3回声消除和噪声抑制
进行双工通话时，麦克风会收录到扬声器的声音，并通过麦克风进入音频通路使远端谈话者能听到自己的声音，产生回声。另外麦克风和扬声器的同时使用，当扬声器发出的声音较大，而麦克风灵敏度较高时，会产生啸叫。
在应急场景下，通常环境噪声大，一般使用较大功率的扬声器。处理器模块自带的噪声抑制算法在使用大功率扬声器进行外放时，抑制效果差。
由于以上原因，音频方案中需要进行回声消除和噪声抑制的处理。降噪芯片用于抑制极端环境噪声，同时保留语音质量，以提高清晰度。
音频降噪如图4所示。图中的④和⑤线为降噪芯片的输入，麦克风输入后首先进入到降噪芯片，经降噪芯片处理后，以模拟音频的形式输入到CODEC芯片，通过射频模块发送出去。
图中的⑥，⑦，⑧线为降噪芯片的反馈，射频模块接收来的信号先发送给处理器模块，处理器模块发送给CODEC进行D/A转换，之后经扬声器和听筒输出声音，输出到扬声器和听筒的音频均会输入到降噪芯片作为反馈。
3实验测试
根据噪声较大的实际应用场景对以上设计电路进行了以下2组实验。
实验1：使用音频分析仪产生一个正弦波信号，信号经过一段较长的导线输送到设计电路的麦克风输入端，在输出端对信号进行测量，得到如图5所示的波形数据，图5（a）为输入正弦波时域图，正弦波信号在经过一段较长的导线后，通过导线引入了外部的干扰，信号上有较多的毛刺。图5（b）为输出正弦波时域图，当信号经过设计电路的降噪后，波形已经变得较为光滑。
实验2：使用2个智能对讲终端进行通信，将终端A放置在嘈杂的环境中，在麦克风前播放一段录制好的音频，原始音频波形如图6（a）所示。在终端B上使用录音软件分别对降噪功能打开和降噪功能关闭2种情况下接收到的声音进行录音，时域波形分别如图6（b）和图6（c）所示。
对比图6（a）和图6（b）可得，降噪功能关闭情况下接收到的声音波形上叠加了环境噪声，声音嘈杂。
对比图6（a）和图6（c）可得，降噪功能打开情况下接收到的声音波形与原始声音波形基本一致，音质清晰，环境噪声基本被去除。
对上述音频信号的某一时刻进行傅里叶变换，得到了如图7所示的频域图。
由图7（a）可得，环境噪声的频率范围为0～17 kHz，最大幅度约为-24 dBV。由图7（b）可得，原始音频的频率范围约为0～12 kHz，有效音频的幅度约为-36 dBV，信噪比为72 dB。
分析图7（c）可得，降噪功能关闭时，音频的最高频率由12 kHz变宽到了噪声频率的最高频率17 kHz，低凹部分的音频幅度明显上升，整个轮廓和图7（a）相似，信噪比约为0 dB，已经无法分辨语音和噪声。
由图7（d）可得，降噪功能打开时，降噪后的音频去除了12～17 kHz的噪声频率，并且0～12 kHz的幅度也有选择性地降低，大致轮廓如图7（b）的原始音频，信噪比为66 dB，比原始音频略有降低。
4结束语
介绍了一种音频电路的设计方法，从总体方案、输入电路、输出电路、回声消除和噪声抑制方面进行了详细阐述，同时提供了设计电路的实验测试数据。本文介绍的音频电路的设计方法对智能对讲终端的设计具有一定的参考意义，采用本方案设计的终端设备在应急通信等公共安全领域内有着广泛的应用。
关键词：智能对讲终端;应急领域;音频电路设计;噪声抑制
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1008-1739（2021）14-57-4
0引言
智能对讲终端主要应用于应急日常管理、自然灾害、事故灾难及公共卫生等应急突发公共安全领域，救援队伍之间需要音视频通信来进行协作，同时也需要把现场情况回传给现场指挥中心，指挥中心根据现场情况进行统一指挥调度。智能对讲终端通信制式可以是PDT、LTE等，同一种通信终端可以支持单模式，也可以根据使用环境、场景进行各种工作模式的切换。无论哪种工作模式，均离不开使用语音或者视频进行通信。
1总体设计
智能对讲终端通常有3种音频的使用场景：听筒模式、外放模式和耳机模式。听筒模式和耳机模式用于私密讲话，外放模式用于对讲。根据以上3种模式，麦克风共有3个顶部麦克风、底部麦克风和背侧的降噪麦克风;扬声器有2个：顶部功率约0.5W的听筒和底部约3W的扬声器。另外在顶部有一个耳机插孔，耳机包含麦克风和约0.5W的扬声器。
智能对讲终端的音频电路示意图如图1所示。在听筒模式下，由智能对讲终端底部的麦克风收音，射频模块接收来的声音通过智能对讲终端顶部的听筒进行放音。外放模式下，由智能对讲终端顶部的麦克风收音，射频模塊接收来的声音通过智能对讲终端底部的扬声器进行放音;降噪麦克风作为听筒模式和外放模式的辅助输入，来消除环境噪音。耳机模式下，收音和放音位置均位于耳机上。
除麦克风和扬声器外，音频电路主要还包括CODEC、降噪芯片、音频功放、处理器模块和射频模块。CODEC用于音频信号的数模、模数转换和编解码;降噪芯片用于抑制极端环境噪声，同时保留语音质量以提高清晰度;音频功放用于实现对模拟音频信号的放大;处理器模块用于实现对数字音频信号的处理并和射频模块进行通信。射频模块用于实现数字音频信号的收发工作。
接收语音呼叫时，射频模块接收下来的数字音频信号先发送给处理器模块，再经过CODEC的D/A转换后输出到智能对讲终端的扬声器发音，数据流向如图3的②虚线箭头所示。
图中CODEC共有3路输出通道，分别是扬声器输出、耳机输出和立体声输出。扬声器输出一般用于驱动扬声器，功率在1W左右;耳机输出一般用于驱动耳机，功率一般在50mW左右;立体声输出为左右声道的混合输出，常用于接听筒使用，功率一般在50mW左右。
输出设计连接关系如下：耳机可以直接连接CODEC的耳机输出通道。听筒连接CODEC的立体声输出通道。使用1W左右的扬声器时，可以直接连接CODEC的扬声器输出通道。当需要使用更大功率的扬声器时，将扬声器输出端的信号先经过低通滤波器的滤波接入音频功放，然后再接扬声器。
2.3回声消除和噪声抑制
进行双工通话时，麦克风会收录到扬声器的声音，并通过麦克风进入音频通路使远端谈话者能听到自己的声音，产生回声。另外麦克风和扬声器的同时使用，当扬声器发出的声音较大，而麦克风灵敏度较高时，会产生啸叫。
在应急场景下，通常环境噪声大，一般使用较大功率的扬声器。处理器模块自带的噪声抑制算法在使用大功率扬声器进行外放时，抑制效果差。
由于以上原因，音频方案中需要进行回声消除和噪声抑制的处理。降噪芯片用于抑制极端环境噪声，同时保留语音质量，以提高清晰度。
音频降噪如图4所示。图中的④和⑤线为降噪芯片的输入，麦克风输入后首先进入到降噪芯片，经降噪芯片处理后，以模拟音频的形式输入到CODEC芯片，通过射频模块发送出去。
图中的⑥，⑦，⑧线为降噪芯片的反馈，射频模块接收来的信号先发送给处理器模块，处理器模块发送给CODEC进行D/A转换，之后经扬声器和听筒输出声音，输出到扬声器和听筒的音频均会输入到降噪芯片作为反馈。
3实验测试
根据噪声较大的实际应用场景对以上设计电路进行了以下2组实验。
实验1：使用音频分析仪产生一个正弦波信号，信号经过一段较长的导线输送到设计电路的麦克风输入端，在输出端对信号进行测量，得到如图5所示的波形数据，图5（a）为输入正弦波时域图，正弦波信号在经过一段较长的导线后，通过导线引入了外部的干扰，信号上有较多的毛刺。图5（b）为输出正弦波时域图，当信号经过设计电路的降噪后，波形已经变得较为光滑。
实验2：使用2个智能对讲终端进行通信，将终端A放置在嘈杂的环境中，在麦克风前播放一段录制好的音频，原始音频波形如图6（a）所示。在终端B上使用录音软件分别对降噪功能打开和降噪功能关闭2种情况下接收到的声音进行录音，时域波形分别如图6（b）和图6（c）所示。
对比图6（a）和图6（b）可得，降噪功能关闭情况下接收到的声音波形上叠加了环境噪声，声音嘈杂。
对比图6（a）和图6（c）可得，降噪功能打开情况下接收到的声音波形与原始声音波形基本一致，音质清晰，环境噪声基本被去除。
对上述音频信号的某一时刻进行傅里叶变换，得到了如图7所示的频域图。
由图7（a）可得，环境噪声的频率范围为0～17 kHz，最大幅度约为-24 dBV。由图7（b）可得，原始音频的频率范围约为0～12 kHz，有效音频的幅度约为-36 dBV，信噪比为72 dB。
分析图7（c）可得，降噪功能关闭时，音频的最高频率由12 kHz变宽到了噪声频率的最高频率17 kHz，低凹部分的音频幅度明显上升，整个轮廓和图7（a）相似，信噪比约为0 dB，已经无法分辨语音和噪声。
由图7（d）可得，降噪功能打开时，降噪后的音频去除了12～17 kHz的噪声频率，并且0～12 kHz的幅度也有选择性地降低，大致轮廓如图7（b）的原始音频，信噪比为66 dB，比原始音频略有降低。
4结束语
介绍了一种音频电路的设计方法，从总体方案、输入电路、输出电路、回声消除和噪声抑制方面进行了详细阐述，同时提供了设计电路的实验测试数据。本文介绍的音频电路的设计方法对智能对讲终端的设计具有一定的参考意义，采用本方案设计的终端设备在应急通信等公共安全领域内有着广泛的应用。