面向全雙工語(yǔ)音通信的 A-59P 多功能語(yǔ)音處理模組設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：針對(duì)復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境下語(yǔ)音通信存在的環(huán)境噪聲干擾、聲學(xué)回聲耦合、遠(yuǎn)距離拾音失真及接口兼容性不足等問(wèn)題，該文提出一種集成 AI 降噪、回聲消除與波束成形的一體化語(yǔ)音處理模組 A-59P。模組采用 AI ENC 噪聲抑制算法，可實(shí)現(xiàn) 45~90 dB 環(huán)境降噪；搭載 100 dB 級(jí) AEC 全雙工回聲消除模塊，支持 100 ms 延遲回聲抑制；支持雙數(shù)字麥克風(fēng)波束成形，可配置單波束 / 雙波束定向拾音；兼容模擬、I2S 數(shù)字與 USB 免驅(qū)多接口，通過(guò) T1/T2 端口實(shí)現(xiàn) 0.1~8 m 四檔拾音距離切換，采用 37.5 mm×16 mm 郵票半孔封裝，支持 SMT 貼片集成。測(cè)試結(jié)果表明，模組模擬輸出信噪比達(dá) 106 dB，靜態(tài)電流 65~70 mA，工作溫度 - 20~70 ℃（可擴(kuò)展工業(yè)級(jí) - 40~85 ℃），可廣泛應(yīng)用于樓宇對(duì)講、車(chē)載通信、遠(yuǎn)程會(huì)議、安防監(jiān)控、智能終端等場(chǎng)景。A-59P 以高集成、低功耗、易部署等特點(diǎn)，為高清語(yǔ)音通信系統(tǒng)提供輕量化硬件支撐。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音處理；AI 降噪；回聲消除；波束成形；全雙工通信；嵌入式模組

1 引言

在物聯(lián)網(wǎng)與智能交互快速普及背景下，語(yǔ)音已成為車(chē)載對(duì)講、門(mén)禁安防、遠(yuǎn)程會(huì)議、智能終端等設(shè)備的核心交互方式。開(kāi)放與半開(kāi)放聲學(xué)環(huán)境中，風(fēng)扇、風(fēng)噪、機(jī)械振動(dòng)、喇叭回聲等干擾會(huì)顯著降低語(yǔ)音可懂度與通話流暢度。傳統(tǒng)方案通常采用分立器件實(shí)現(xiàn)降噪與消回音，存在集成度低、調(diào)試復(fù)雜、兼容性差等問(wèn)題，難以滿足高性能、小型化、多場(chǎng)景覆蓋的需求。

為此，該文設(shè)計(jì)一款多功能語(yǔ)音處理模組 A-59P，將 AI 環(huán)境降噪（ENC）、全雙工回聲消除（AEC）、雙麥波束成形（BF）、多接口轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC/DAC）集成于一體，實(shí)現(xiàn)小體積、高性能、易集成的語(yǔ)音處理方案，可有效提升復(fù)雜環(huán)境下語(yǔ)音采集與通話質(zhì)量。

2 模組系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體架構(gòu)

A-59P 采用專用語(yǔ)音 DSP 架構(gòu)，完成麥克風(fēng)信號(hào)采集、噪聲抑制、回聲消除、波束成形、數(shù)模轉(zhuǎn)換與接口協(xié)議轉(zhuǎn)換。模組支持模擬麥克風(fēng)與 PDM 數(shù)字麥克風(fēng)雙輸入模式，輸出模擬差分與 I2S 數(shù)字雙鏈路，同時(shí)兼容 USB 免驅(qū)接入，可適配模擬設(shè)備、數(shù)字設(shè)備、USB 設(shè)備等不同硬件平臺(tái)，形成 “采集 - 處理 - 輸出 - 控制” 完整鏈路。

2.2 AI ENC 環(huán)境降噪

采用 AI 賦能的環(huán)境降噪算法，對(duì)非人聲噪聲進(jìn)行建模與抑制，可有效壓制風(fēng)扇聲、空調(diào)聲、敲擊聲、風(fēng)噪、汽車(chē)?guó)Q笛等廣譜干擾。降噪深度 45~90 dB，在強(qiáng)噪聲環(huán)境下仍可保留清晰人聲，提升語(yǔ)音可懂度與識(shí)別率。

2.3 AEC 全雙工回聲消除

針對(duì)喇叭 - 麥克風(fēng)耦合引起的聲學(xué)回聲，模組采用高性能 AEC 算法，回聲消除深度達(dá) 100 dB，可處理最大 100 ms 空間延遲回聲，支持大音量、近距離喇叭場(chǎng)景，保證全雙工通話流暢無(wú)卡頓、無(wú)嘯叫。

2.4 雙麥波束定向拾音

雙數(shù)字麥克風(fēng)模式下支持波束成形（BF），可配置為單波束單輸出或雙波束雙獨(dú)立聲道輸出，定向拾音角度與覆蓋范圍可通過(guò)固件調(diào)整，聲道隔離度高、串?dāng)_小，適用于雙向?qū)χv、雙通道錄音、智能翻譯等設(shè)備。

2.5 接口與控制設(shè)計(jì)

模組提供豐富接口以提升兼容性：

音頻接口：模擬差分 I/O、I2S 數(shù)字音頻、USB 免驅(qū)音頻；

控制接口：T1/T2 硬件參數(shù)切換、SPI 外部 MCU 控制；

供電：3.3 V/5 V 二選一，USB 可直接供電；

封裝：37.5 mm×16 mm 郵票半孔，支持 SMT 貼片，自帶 ADC/DAC 簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路。

3 電氣性能指標(biāo)

A-59P 主要性能參數(shù)如下：

供電電壓：3.0~3.3 V / 4.0~5.25 V；

靜態(tài)電流：65~70 mA；

模擬輸出信噪比：106 dB；

差分輸出幅度：1 Vrms；

MIC/LINE IN 輸入阻抗：30 kΩ；

常規(guī)拾音范圍：10 cm~500 cm；

可調(diào)拾音距離：0.1~8 m（四檔切換）；

工作溫度：-20~70 ℃（可選工業(yè)級(jí) - 40~85 ℃）；

I2S 配置：48 kHz/16 bit，飛利浦標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齊，主模式。

4 典型應(yīng)用場(chǎng)景

樓宇對(duì)講與門(mén)禁：可視門(mén)鈴、小區(qū)門(mén)禁、樓宇對(duì)講，抑制風(fēng)噪與環(huán)境雜音，消除回聲；

車(chē)載語(yǔ)音通信：車(chē)載藍(lán)牙、車(chē)載語(yǔ)音識(shí)別，降低路噪、風(fēng)噪、空調(diào)噪聲；

遠(yuǎn)程會(huì)議與教育：會(huì)議終端、在線教育、客服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)回聲全雙工通話；

安防監(jiān)控：IPC 拾音、礦山 / 醫(yī)院 / 監(jiān)獄呼叫系統(tǒng)，遠(yuǎn)距離穩(wěn)定拾音；

智能終端：智能工牌、翻譯機(jī)、錄音筆、筆記本，提升錄音與通話音質(zhì)；

監(jiān)護(hù)與公共服務(wù)：老人 / 寵物監(jiān)護(hù)、自助終端，穩(wěn)定清晰雙向語(yǔ)音。

5 結(jié)論

A-59P 是一款集成 AI 降噪、AEC 回聲消除、波束成形與多接口適配的高性能語(yǔ)音處理模組，可有效解決復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境下噪聲、回聲、拾音、兼容性等關(guān)鍵問(wèn)題。模組具有小體積、低功耗、高信噪比、易集成等優(yōu)勢(shì)，適用于對(duì)講、車(chē)載、會(huì)議、安防、智能終端等多領(lǐng)域，為高清語(yǔ)音通信系統(tǒng)提供輕量化、一體化硬件方案。

審核編輯 黃宇