CN100433764C - 基于麦克风阵列的车载免提电话装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于麦克风阵列的车载免提电话装置。它包括传声器经一个车载语音处理系统连手机，再经来电语音接收放大单元后连接扬声器，其特征在于传声器由四个麦克风阵列构成；车载语音处理系统由接听放大及送音单元、语音净化处理器、SRAM存储器和FLASH存储器、时序分配和控制单元、电源单元和语音输出单元组成；其连接方式：接听放大及送音单元一端与传声器相连，另一端与语音净化处理器相连，语音净化处理器分别与JTAG接口、SRAM存储器、FLASH存储器、语音输出单元相连，语音输出单元的另一端与手机相连，时序分配和控制单元分别与接听放大及送音单元、FLASH存储器、语音净化处理器、SRAM存储器和电源单元相连。本装置能与普通手机相连，形成具有高质量车载语音通讯系统获得较好的语音通讯质量。

Description

基于麦克风阵列的车载免提电话装置

技术领域

本发明涉及一种车载免提电话装置，特别是一种基于麦克风阵列的车载免提电话装置

背景技术

据调查研究表明开车时接听一个不重要的电话时注意力要下降30％，而接听一个重要电话时注意力要下降70％以上，这将会使交通事故发生的几率大大增加，因此新交法已将开车打手机视为违章了，所以车载免提电话日益受到有车族的关注。但目前的车载免提产品大都仅仅是提供了免提的功能以及有线或者无线的接入方式，但是对于通话质量方面却普遍存在着许多缺陷，例如：使用车载免提装置的驾车者通常会被汽车行驶噪音、扩音器的回声以及其他人的讲话声等而感到头痛。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于麦克风阵列的车载免提电话装置，利用麦克风阵列对用户声源进行定位、回声消除以及混合语音盲提取等方法，使车载免提装置尽可能去除包括扩音器造成的回声、其他人语音、背景音乐、行驶噪声等在内的各种干扰噪音的影响。该车载免提装置与普通手机为接口，形成高质量的车载通信系统，即使在有干扰的环境中使用也能获得较好的语音通信质量，从而提高车载电话的性能和用户满意度。

为达到上述目的，本发明的构思是：

为使车载免提装置在有多种声音信号干扰的情况下也能获得较好的语音通信质量，本技术针对普通轿车和3排座小型汽车车厢内空间结构特点，在车厢内的四个顶角分别安放一个麦克风，组成2D矩形麦克风阵列，由于用户(即驾驶员)位置相对麦克风固定，而车厢内的空间使得麦克风阵列的阵元间距足够大，因而可对主声源进行精确定位，同时结合回声消除算法以及混合语音盲提取算法对采集的四路语音信号进行去噪处理，最终提取出用户的语音信号，然后再送入手机进行传输，这样可去除各种干扰噪音的影响，使远端喇叭听到尽可能纯净的原始语音信号。即使在车厢内环境嘈杂的情况下，驾驶员进行语音通信时也可保持较好的通话质量，从另一方面来说也可以减少驾驶员的注意力分散程度，提高驾车安全性。

当待传输的语音受到环境噪声(包括其他讲话者)的影响时，就构成了混合语音。很多背景噪音由于和语音信号的频谱有比较明显的差异，可以用一般的滤波方法进行处理，然而，如果待传语音受到其他语音干扰时，由于各语音信号频谱特征相近，一般的语音减噪方法难以实现从混合语音中提取所需的原始语音信号。本技术方案的创新点主要就是应用麦克风阵列定位用户声源，并结合回声消除和语音盲提取的方法从混合语音中提取待传输的原始语音信号。

应用了麦克风阵列技术方案的车载免提装置即使在受到其他语音信号干扰的情况下，尽可能保持良好的语音通信质量。随着车载免提装置的快速发展，人们对其传输语音质量以及其使用带来的安全问题又有了越来越高的要求，这种具有更好语音通信能力的车载免提具有很强的实用价值。

基于麦克风阵列技术的车载免提装置，通过四路麦克风采集混合语音信号，进行预处理，通过声源定位及盲提取处理，尽可能增强用户语音信号，减弱乃至去除包括其他语音在内的各种干扰噪音的影响，使车载免提装置即使在受到其他语音干扰时也能获得较好的语音通信质量。该系统包括如下内容：

(1)为构成麦克风阵列以及满足超定情况下的语音盲提取的条件，用四个分别置于车厢顶角的麦克风，车载免提装置不是采用传统的单路麦克风输入，而是采用四路同时输入。

(2)针对汽车车厢的特殊环境以及车厢内常见噪声的特点，利用麦克风阵列定位用户声源位置，并结合回声消除、滤波及语音盲提取的技术提取出用户声音。

(3)混合语音信号进入语音增强芯片处理器进行语音去噪处理，输出处理后的语音信号进行传输，使接收者接收到的信号的信噪比提高5dB以上。

根据上述的发明构思，本发明采用下述的技术方案：

一种基于麦克风阵列的车载免提电话装置，包括传声器经一个车载语音处理系统连接手机，再经来电语音接收放大单元后连接扬声器，其特征在于传声器由四个麦克风阵列构成；车载语音处理系统由接听放大及送音单元、语音净化处理器、SRAM存储器和FLASH存储器、时序分配和控制单元、电源单元和语音输出单元组成；其连接方式：接听放大及送音单元一端与传声器相连，另一端与语音净化处理器相连，语音净化处理器分别与JTAG接口、SRAM存储器、FLASH存储器、语音输出单元相连，语音输出单元的另一端与手机相连，时序分配和控制单元分别与接听放大及送音单元、FLASH存储器、语音净化处理器、SRAM存储器和电源单元相连。

上述的四个麦克风阵列是四个分别置于车厢四个顶角的麦克风构成矩形麦克风阵列，对车载语音处理系统采用四路同时输入，利用麦克风阵列定位用户声源位置。

上述的接听放大及送音单元由四个LM386型音频功放芯片、四个送音滤波器和两个PCM3002型A/D转换器组成；其连接方式：四个麦克风分成两两一组，然后通过各自的LM386型音频功放芯片(14)和送音滤波器(15)再分别连到PCM3002型A/D转换器的3脚和6脚，而PCM3002的12脚连接到TMS320C5407型语音净化处理器(3)的K5引脚，从时序分配和控制单元(13)来的信号连接到PCM3002的9引脚上。

上述的送音滤波器是由一个低通、一个高通滤波器通过级联构成的用作送音模块信号滤除装置的无源RC带通滤波器，由R1、C1组成高通滤波器，其输出端OUT接PCM3002，由R2、C2组成低通滤波器，其输入端IN接LM386放大器。

上述的语音净化处理器是TMS320C5407型微处理器，其数据总线D[0-15]连接存储单元(6、12)中数据线，地址总线A[1-17]连接存储器单元(6、12)中地址线，引脚L8(BDX0)连接语音输出单元(4)中PCM3002的12引脚，从时序分配和控制单元(13)来的时序分配和控制信号和TMS320C5407的CLKIN引脚相连，从电源单元(11)来的电源信号分别与TMS320C5407的引脚CVDD和DVDD相连，从接听放大及送音单元(2)中PCM3002的引脚连接TMS320C5407的引脚K5(BDR0)。

上述的时序分配和控制单元是一块XC9536XL-44VQFP型芯片，其IO 2引脚和接听放大及送音单元(2)的PCM3002芯片的9引脚相连，其IO 14引脚和TMS302C5407型语音净化处理器(3)的CLKIN引脚相连，其IO 12引脚和SRAM存储器(6)的CE引脚相连，其IO 37引脚和FLASH存储器(12)的CE引脚相连，其VCCIN引脚和DSP电源单元(11)的13引脚相连。

上述的FLASH存储器采用(8M，512K)的AM29LV800BT型芯片，SRAM存储器采用CYTC1041BV33型芯片，其数据线分别与TMS320C5407处理器的数据总线D[15-0]相连，而地址线分别与TMS320C5407处理器的地址总线A[17-0]相连，存储器还和时序分配和控制单元相连。

上述的电源单元由TPS77733-P和TPS76915两块电源芯片构成，由外部电源提供9.5V电源信号，经所述的两块电源芯片转换，分别输出3.3V和1.5V电源信号。

上述的语音输出单元由PCM3002芯片连接LM386芯片构成，PCM3002芯片的引脚15连接从TMS320C5407的L8输出的信号，引脚19通过所述的放大器LM386芯片连接手机，从时序分配和控制单元来的信号与PCM3002芯片的9引脚相连。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性突出特点和显著优点：本发明的传声器由四个麦克风组成的麦克风阵列构成，对用户声源进行定位，车载装置采用回声消除及混合语音盲提取等方法，尽可能去除包括扩音器造成的回声、其他人语音、背景音乐、行驶噪声等在内的各种干扰噪音的影响，使本发明具有如下优点：

①改善车载免提电话在噪声环境下的语音通信质量问题，设计出符合车载使用环境的免提装置语音净化预处理设备，具有很高的商业价值。

②由于目前的车载免提装置一般仅具有一个麦克风输入，通话时常受到有色非平稳的背景噪声以及其他语音的干扰，通常的滤波及噪声抑制算法效果不明显，本项目在一般的滤波及噪声抑制的基础上，利用回声消除器去除麦克风与扩音器之间耦合引起的回声，利用麦克风阵列对用户的声源进行准确定位，并利用结合语音盲提取技术从将用户声源方向语音从四路混合语音中提取出来，从而达到净化目的，提高免提装置的抗噪性能。

③采用Ti公司的TMS320VC5407作为内核芯片，该芯片在成本及性能方面都有很高质量，系统总体成本较低，容易市场推广。

附图说明

图1是本发明的总体系统结构框图。

图2是车上四个麦克风及扩音喇叭安装定位示意图。

图3是接听放大及送音单元结构框图。

图4是语音净化处理器连接方式示意图。

图5是时序分配和控制单元连接方式示意图。

图6是存储器单元连接方式示意图。

图7是电源单元连接方式示意图。

图8是语音输出单元连接方式示意图。

图9是送音滤波器电路原理图。

图10是LM386放大电路模块电路原理图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

参见图1，本基于麦克风阵列的车载免提电话装置，包括传声器1经一个车载语音系统连接手机8，再经来电语音接收放大单元9后连接扬声器10，其特征在于传声器1由四个麦克风阵列构成；车载语音处理系统由接听放大及送音单元2、语音净化处理器3、SRAM存储器6和FLASH存储器12、时序分配和控制单元13、电源单元11和语音输出单元4组成；其连接方式：接听放大及送音单元2一端与传声器1相连，另一端与语音净化处理器3相连，语音净化处理器3分别与JTAG接口5、SRAM存储器6、FLASH存储器12、语音输出单元4，语音输出单元4的另一端与手机8相连，时序分配和控制单元13分别与接听放大及送音单元2、FLASH存储器12、语音净化处理器3、SRAM存储器6和电源单元11相连。

其工作原理：在时序分配和控制单元13产生的时钟信号和控制信号作用下，接听放大及送音单元2采集的四路语音信号进入TMS320C5407处理器3，在此进行回声消除、声源定位、语音盲提取，处理完成后，将提取出的较纯净的用户语音输出到语音输出单元4。手机接口8总共有四根线，分别为耳塞芯线、咪头芯线、地线和控制接听按钮的回路线，按下接听按钮即发送一个脉冲信号回手机启动接听功能，并将来电语音经过放大器9放大后送入扬声器10。另外，JTAG 5是系统调试用的，而电源单元11则向所有单元提供所需要的电源信号。复位单元7对处理器3进行复位。

参见图2，上述的麦克风阵列是四个分别置于车厢四个顶角的麦克风构成矩形麦克风阵列，对车载语音处理系统采用四路同时输入，利用麦克风阵列定位用户声源位置。

在图2中示出：麦克风1(即主麦克风)置于方向盘正前方的前挡风玻璃上端处，与车内用户口腔之间的距离为50cm左右，麦克风调整至对准用户口腔；麦克风2置于与麦克风同一水平线的最右端，即车厢内的右顶角处，方向亦对准驾驶员口腔处；麦克风3、4分别置于后排座椅靠背旁的后门上，方向对准驾驶员位置。为提供良好的声音性能，同时不干扰麦克风拾波区域，扩音喇叭应远离扩音器的拾波区域，以减少回声反馈的几率，扩音喇叭位于主副驾驶员座椅底座之间，方向朝上。

其工作原理：系统启用后，四个麦克风对车厢内声音信号进行采集，四个麦克风将采集到有不同差异的四路混合语音信号，送入处理器进行净化处理后通过免提装置送入手机；扩音喇叭用于将手机来电语音信号放大播放。

接听放大及送音单元2从四个传声器1(矩形麦克风阵列)采集四路混合语音信号，为后面的车载语音净化提供四路混合信号；车载语音净化处理器3是整个系统的核心部分，包括回声消除器、麦克风阵列声源定位器和语音盲提取三个单元。存储器单元6、12是存储系统程序及处理过程的中间数据；时序分配和控制单元13是为TMS320C5407处理器3及其外围设备和其他各部分提供时钟和控制信号，使系统协同一致工作；电源单元11提供系统所需的各种电源信号；语音输出单元4输出分离后的语音信号；手机接口8提供了手机与车载语音净化处理系统和来电语音放大器的接口；来电语音放大器9用来通过扬声器10放大较为微弱的声音，实现免提接听功能。

参见图3，上述的接听放大及送音单元2由四个LM386型音频功放芯片14、四个送音滤波器15和两个PCM3002型A/D转换器组成；其连接方式：四个麦克风分成两两各一组，然后通过各自的LM386型音频功放芯片14和送音滤波器15再分别连到PCM3002型A/D转换器的3脚和6脚，而PCM3002的12脚连接到TMS320C5407型语音净化处理器3的K5引脚，从时序分配和控制单元13来的信号连接到PCM3002上。

其工作原理：四个麦克风产生的电信号分别经过20db增益的LM386放大器放大，再经过宽带型带通送音滤波器对300-3000Hz以外的非语音信号进行滤除，然后在时序分配和控制单元来的时钟和控制信号的作用下，输入到PCM3002的的3脚和6脚，在PCM3002内进行A/D转换，转换后的四路数字语音信号在时序控制下分帧输出到TMS320C5407的K5引脚，每路语音信号是64KbpsPCM同步串行码流，分别占用PCM3002的12端口的一个时隙。

参见图9，上述的送音滤波器15是由一个低通、一个高通滤波器通过级联构成的用作送音模块信号滤除装置的无源RC带通滤波器，由R1、C1组成高通滤波器，其输出端OUT接PCM3002，由R2、C2组成低通滤波器，其输入端IN接LM386放大器。

其工作原理：因为两级滤波器通过级联形式串联在一起后互相之间会产生影响，需采用调整电阻大小的方法，将R1、R2电阻的理论值为53Ω、531Ω分别调整为44

Ω和620Ω，即可满足了通频带落在300-3000Hz内，滤除非人语音信号。

参见图4，上述的语音净化处理器3是TMS320C5407型微处理器，其数据总线D[0-15]连接存储单元6、12中数据线，地址总线A[1-17]连接存储器单元6、12中地址线，引脚L8(BDX0)连接语音输出单元4中PCM3002的12引脚，从时序分配和控制单元13来的时序分配和控制信号和从电源单元11来的电源信号分别与TMS320C5407相连，从接听放大及送音单元1中PCM3002的引脚连接TMS320C5407的引脚K5(BDR0)。

其工作原理：在时序和逻辑控制单元13来的时序分配和控制信号的作用下，接听放大及送音单元2中PCM3002的12引脚输出的数字语音信号经TMS320C5407引脚K5(BDR0)进入TMS320C5407处理器3，混合语音信号在这里进行声源定位、回声消除以及盲提取。处理过程中的中间数据经地址总线寻址，由数据总线存储到存储单元6、12中。

参见图5，上述的时序分配和控制单元13是一块XC9536XL-44VQFP型芯片，分别连接到接听放大及送音单元2的PCM3002芯片的时序分配和控制信号、到TMS302C5407型语音净化处理器3的时序分配和控制信号、到SRAM存储器6和FLASH存储器12的时序分配和控制信号以及到DSP电源单元11的时序分配和控制信号。

其工作原理：本单元主要是向整个装置提供时钟和控制信号。该单元需要3.3V电源，产生输入和输出单元PCM3002所需要的时序分配和控制信号、TMS302C5407处理器3所需要的时序分配和控制信号和存储器单元SRAM和FLASH所需要的时序分配和控制信号。

参见图6，上述的FLASH存储器12采用(8M，512K)的AM29LV800BT型芯片，SRAM存储器6采用CYTC1041BV33型芯片，其数据线分别与TMS320C5407处理器3的数据总线D[15-0]相连，而地址线分别与TMS320C5407处理器3的地址总线A[17-0]相连，存储器12、6还和时序分配和控制单元13相连。

其工作原理：在系统程序下载的时候，程序代码通过地址总线A[17..0]寻址，经数据总线D[15..0]下载到FLASH存储器AM29LV800BT-70EC中。而处理过程中的中间数据则是通过地址总线A[17..0]寻址，经数据总线D[15..0]存放到数据存储器CY7C1041BV33中的。当然，这些都是在时序分配和控制单元单元13提供的时序分配和控制信号作用下进行的。

参见图7，上述的电源单元11由TPS77733-P和TPS76915两块电源芯片构成，由外部电源提供9.5V电源信号，经所述的两块电源芯片转换，分别输出3.3V 1.5V电源信号。

其工作原理：本单元主要是由TPS77733-P、TPS769 15这两块电源芯片组成。有外部电源向本电源单元提供9.5V电源信号，经本单元转换，输出装置所需要的3.3V和1.5V电源信号。

参见图8，上述的语音输出单元4由PCM3002芯片连接LM386芯片构成，PCM3002芯片的引脚15连接从TMS320C5407的L8输出的信号，引脚19通过所述的放大器LM386芯片连接手机8，从时序分配和控制单元13来的信号与PCM3002芯片相连。

其工作原理：在时序分配和控制单元13向本单元提供的时序分配和控制信号作用下，从TMS320C5407的L8输出的分离语音信号(数字信号)经PCM3002的引脚15进入语音输出单元4，在PCM3002进行D/A转换，然后从19引脚输出，输出信号再经放大器LM386放大后输出到语音输出单元4。

图10示出LM386放大电路模块的电路结构：

IN端为话音输入端，GND为接地端。R1为一个10KΩ的可调电位器，用来调节放大电路音量；R3、C2组成了一个低音提升网络，用来改善音质；R4、C4为高频校正网络，可以防止放大器增益过高出现自激；C6为交流耦合电容，它只允许信号的交流成份通过而滤掉直流成份，过滤直流电压，同时将功率放大器的输出交流送到负载上；C5、C7为电源退耦滤波电容，可防止信号(包括干扰信号)通过电源线耦合。其中C5也可以称为高频旁路电容，将高频信号噪声引导入地；R5为限流电阻，它的作用是防止因为通过D1的电流太大而损坏发光二极管。

本基于麦克风阵列的车载免提电话装置，利用了回声消除、麦克风阵列以及语音盲提取的方法从混杂语音中提取待传输的原始语音信号，使其尽可能去除包括其他语音在内的各种干扰噪音的影响，该装置能与普通手机相连，形成具有高质量车载语音通信系统获得较好的语音通信的质量，在车载免提装置中有着广泛的应用前景和巨大的市场价值。

Claims (8)

1.一种基于麦克风阵列的车载免提电话装置，包括传声器(1)经一个车载语音处理系统连接手机(8)，再经来电语音接收放大单元(9)后连接扬声器(10)，其特征在于传声器(1)由四个麦克风组成的麦克风阵列构成；车载语音处理系统由接听放大及送音单元(2)、语音净化处理器(3)、SRAM存储器(6)和FLASH存储器(12)、时序分配和控制单元(13)、电源单元(11)和语音输出单元(4)组成；其连接方式：接听放大及送音单元(2)一端与传声器(1)相连，另一端与语音净化处理器(3)相连，语音净化处理器(3)分别与JTAG接口(5)、SRAM存储器(6)、FLASH存储器(12)、语音输出单元(4)相连，语音输出单元(4)的另一端与手机(8)相连，时序分配和控制单元(13)分别与接听放大及送音单元(2)、FLASH存储器(12)、语音净化处理器(3)、SRAM存储器(6)和电源单元(11)相连；所述的麦克风阵列是四个分别置于车厢四个顶角的麦克风构成矩形麦克风阵列，对车载语音处理系统采用四路同时输入，利用麦克风阵列定位用户声源位置。

2.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的车载免提电话装置，其特征在于所述的接听放大及送音单元(2)由四个LM386型音频功放芯片(14)、四个送音滤波器(15)和两个PCM3002型A/D转换器组成；其连接方式：四个麦克风分成两两各一组，然后通过各自的LM386型音频功放芯片(14)和送音滤波器(15)再分别连到PCM3002型A/D转换器的3脚和6脚，而PCM3002的12脚连接到TMS320C5407型语音净化处理器(3)的K5引脚，从时序分配和控制单元(13)来的信号连接到PCM3002的9引脚上。

3.根据权利要求2所述的基于麦克风阵列的车载免提电话装置，其特征在于所述的送音滤波器(15)是由一个低通、一个高通滤波器通过级联构成的用作送音模块信号滤除装置的无源RC带通滤波器，由R1、C1组成高通滤波器，其输出端OUT接PCM3002，由R2、C2组成低通滤波器，其输入端IN接LM386放大器。

4.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的车载免提电话装置，其特征在于所述的语音净化处理器(3)是TMS320C5407型微处理器，其数据总线D[0-15]连接存储单元(6、12)中数据线，地址总线A[1-17]连接存储器单元(6、12)中地址线，引脚L8(BDX0)连接语音输出单元(4)中PCM3002的12引脚，从时序分配和控制单元(13)来的时序分配和控制信号和TMS320C5407的CLKIN引脚相连，从电源单元(11)来的电源信号分别与TMS320C5407的引脚CVDD和DVDD相连，从接听放大及送音单元(2)中PCM3002的引脚连接TMS320C5407的引脚K5(BDR0)。

5.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的车载免提电话装置，其特征在于所述的时序分配和控制单元(13)是一块XC9536XL-44VQFP型芯片，其IO2引脚和接听放大及送音单元(2)的PCM3002芯片的9引脚相连，其IO14引脚和TMS302C5407型语音净化处理器(3)的CLKIN引脚相连，其IO12引脚和SRAM存储器(6)的CE引脚相连，其IO37引脚和FLASH存储器(12)的CE引脚相连，其VCCIN引脚和DSP电源单元(11)的13引脚相连。

6.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的车载免提电话装置，其特征在于所述的FLASH存储器(12)采用(8M，512K)的AM29LV800BT型芯片，SRAM存储器(6)采用CYTC1041BV33型芯片，其数据线分别与TMS320C5407处理器(3)的数据总线D[15-0]相连，而地址线分别与TMS320C5407处理器(3)的地址总线A[17-0]相连，存储器(12、6)还和时序分配和控制单元(13)相连。

7.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的车载免提电话装置，其特征在于所述的电源单元(11)由TPS77733-P和TPS76915两块电源芯片构成，由外部电源提供9.5V电源信号，经所述的两块电源芯片转换，分别输出3.3V和1.5V电源信号。

8.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的车载免提电话装置，其特征在于所述的语音输出单元(4)由PCM3002芯片连接LM386芯片构成，PCM3002芯片的引脚15连接从TMS320C5407的L8输出的信号，引脚19通过所述的放大器LM386芯片连接手机(8)，从时序分配和控制单元(13)来的信号与PCM3002芯片的9引脚相连。

Images