基于EasyEDA平臺設(shè)計FM1188消回音調(diào)試板

最近有在做一些對講設(shè)備，測試的時候，每次對著麥克風(fēng)講完話，總能從面前的喇叭上聽到自己講的話。想起偶爾打電話的時候也會出現(xiàn)相似的情況，就是不知道為什么電話里有自己的講話聲，之前只覺得電話出問題了，或者是信號串了之類的，沒思考過。這回是面對面碰到了這種現(xiàn)象，了解后才知道這個是對講系統(tǒng)設(shè)計中最棘手的問題之一，回音問題。經(jīng)過一段時間與回音問題的抗?fàn)?，積累了不少回音消除方面的經(jīng)驗，而今天就將這些經(jīng)驗分享給大伙，主要是其中用到的一款消回音調(diào)試板。

這次為了分享完整的設(shè)計，我使用的工具是EasyEDA。這個網(wǎng)站對硬件設(shè)計開源支持非常好，和Github有點相似，不過側(cè)重于開源硬件設(shè)計，而且個人覺得比Github親民很多，Github只有英文版本，天生就是為大神們量身打造的。Github側(cè)重的是軟件的開源，有很強大的版本管理功能，能夠完全記錄每一個文本格式的文件的修改歷史，并比對不同版本文件間的不同點，而且支持在線閱讀代碼。不過這種強大的管理功能也只限于文本格式的文件，對于非文本格式的文件，Github都認(rèn)為它是一個文件，只記錄它的版本，如果你對這個文件修改的內(nèi)容描述不夠 詳細(xì)，過段時間后需要回滾版本就得很麻煩，而且Github是不支持這種文件的在線瀏覽的。EasyEDA支持在線進(jìn)行硬件設(shè)計，并且具有很好的項目管理和版本管理功能。挑兩張圖略略說明一下EasyEDA，因為下面主要是在它上面操作的。

花了點口水，描述了一下設(shè)計工具。工欲善其事必先利其器嘛，因此我再花點時間給剛遇到回音問題的伙伴們普及一些基礎(chǔ)知識。

對講系統(tǒng)回音原理

它的基本原理就是這樣，如下圖，音源(用戶講話)從本地設(shè)備的麥克風(fēng)采集后，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)往遠(yuǎn)端設(shè)備，遠(yuǎn)端設(shè)備從喇叭中播放出來音源的聲音(通常會經(jīng)過放大)，如果遠(yuǎn)端設(shè)備沒有進(jìn)行消回音處理，那么這個遠(yuǎn)端設(shè)備的喇叭播放出來的聲音，就會被遠(yuǎn)端設(shè)備的麥克風(fēng)采集到，并通過網(wǎng)絡(luò)傳回到本地設(shè)備，并經(jīng)過放大，從本地喇叭播放處理。

模擬對講系統(tǒng)比較少出現(xiàn)對講回音問題，原因有兩個：1、傳輸延時很小，即使有聲音，通常也會隱藏在自己的講話聲中，使用者不容易察覺。2、也由于第一點原因，模擬系統(tǒng)的消回音處理也相對簡單(有了解過回音消除算法的伙伴們應(yīng)該知道這個回音回來的時間上是關(guān)鍵參數(shù)，這里不討論回音算法，所以不贅述)，直接將輸出和輸入做減法運算，消回音效果就基本能保證了。我們常用的模擬對講系統(tǒng)有傳統(tǒng)的固話系統(tǒng)，而IP電話則是(數(shù)字)網(wǎng)絡(luò)對講系統(tǒng)。

對講回音與嘯叫區(qū)別

下圖簡單地示意了嘯叫的形成，基本的原因就是麥克風(fēng)采集的音頻通過放大后從揚聲器播出，若揚聲器放得比較靠近麥克風(fēng)，那么聲波通過空間傳回麥克風(fēng)，麥克風(fēng)將這些放大后的聲音再次采集送往功放放大，然后從揚聲器播出，以此反復(fù)，聲音越來越大，從觀察者的角度，就更喇叭叫了起來一樣，聽到刺耳的巨響。這個和海嘯有點像，地震波推著海浪向前，后來的波浪會疊加到前面的波浪上，最后越疊越高，形成巨型的海浪，造成驚人的破壞力。

回音也可以引起嘯叫，不過這個回傳的路徑不單只包括空間(聲學(xué)回聲傳播路徑)還包括電路線纜，不過“叫”起來的原因是一樣的，有音頻的回環(huán)，并且在環(huán)上有放大環(huán)節(jié)。

消回音常用手段

早時候，算法還不夠完善，為了處理回音、嘯叫這種種音頻問題，網(wǎng)絡(luò)對講系統(tǒng)曾經(jīng)為了繞過它們而采用單工的對講方式，就是我講的時候不能聽你講，回想一下，在醫(yī)院打點滴，如果點針?biāo)煊猛?，就需要按邊上的按鈕呼叫護(hù)士，需要按下按鈕獲得講話的權(quán)限，而護(hù)士聽到了呼話后，在總臺同樣需要按下按鈕進(jìn)行恢復(fù)。半雙工對講系統(tǒng)就是這么個令人糾結(jié)的系統(tǒng)。

目前消回音算法取得了極大的進(jìn)展，不用再使用半雙工的蹩腳方式避讓開回音問題了，了解了一圈，消回音通常有三種處理辦法，1、使用對講程序現(xiàn)成的消回音庫，這些庫有免的如webRTC或者freeswitch消回音庫開源版本，也有收費的如 freeswitch的消回音庫商業(yè)版本;2、使用富迪的消回音芯片，這種芯片其實上就是一個專用DSP加上固化了的消回音程序(固件)，并開放參數(shù)調(diào)節(jié)接口;3、使用DSP跑自主開發(fā)的消回音算法，因為這類算法涉及的浮點運算比較多，通常需要使用高性能的DSP芯片才能支撐。第一種方式消回音效果好，但是通常使用的自適應(yīng)算法需要收斂時間，這種方式收斂時間相對較長。第二種方式簡單易用，算法收斂快，效果也能滿足大多數(shù)使用情況下的要求。第三種方式，無論是消回音效果或收斂時間都能達(dá)到最優(yōu)，不過技術(shù)門檻較高，成本也較高。

FM1188消回音調(diào)試板設(shè)計

科普了一大段，終于要進(jìn)入主題了，如何設(shè)計FM1188消回音調(diào)試板。

其實在消回音領(lǐng)域富迪的方案還是用得相當(dāng)廣泛的，淘寶上也有各種已經(jīng)燒好了參數(shù)的小模塊，如下圖，可以直接嵌入電路使用。不過這種模塊不方便調(diào)試參數(shù)，而今天的調(diào)試板充分考慮了調(diào)試的各種情況。

如圖2所示，其中每張原理圖放置板子的一個功能模塊，接下來分別說一下這些功能模塊的作用和設(shè)計注意事項。(整幅圖片可能看起來比較模糊，有需要的伙伴們可以登錄下文項目鏈接進(jìn)行探討)

1、ALC5640音頻編解碼電路

ALC5640是REALTEK公司推出的一款高性能的多通道編解碼芯片，有兩組I2S接口，能當(dāng)Audio Hub使用，能夠真正實現(xiàn)全雙工操作，就是編碼的同時進(jìn)行解碼。而且體積小通常用在移動設(shè)備上。

為了確保音質(zhì)，需要降低電源噪聲，調(diào)試板的編解碼芯片采用獨立的線性電源供電，如下。板卡上的每個模塊都盡量保持低噪聲很重要，在調(diào)試的時候才能更好地評估，設(shè)計對正真噪聲(空間聲學(xué)噪聲)的抑制效果。

ALC5640內(nèi)置雙通道D類功放，最大支持5W功率輸出，輸出必須加濾波電路，如下：

接口處將所有控制信號、音頻輸入輸出引出來，封裝采用2.54mm引腳間距的雙排插針，方便后續(xù)使用杜邦線根據(jù)需要互聯(lián)電路，如下：

2、AMPLIFIER功放電路

功放模塊設(shè)計包含了兩個不同輸出功率的功放芯片，其中LM4950是7W，LM4871是5W，而且兩個芯片都具有靜音控制功能，這是為了后續(xù)調(diào)試的時候更好地比對在不同喇叭響度的情況下比對消回音效果。

和音頻編解碼模塊一樣，電源采用線性電源獨立供電，降低電源噪聲;接口處將所有控制信號、音頻輸入輸出引出來，封裝采用2.54mm引腳間距的雙排插針，方便后續(xù)使用杜邦線根據(jù)需要互聯(lián)電路，如下：

LM4950和LM4871內(nèi)部原理類似，都是橋接方式推動喇叭工作的，如下，無需外接隔直大電容，這是一種OCL(output capacitor less)功放電路。

3、FM1188消回音模塊

FM1188是富迪公司(fortemedia)推出的語言處理芯片，它能夠降低環(huán)境噪聲、定向采集聲音、消回音等。它的內(nèi)部消回音算法或者說消回音處理邏輯如下：

因為是調(diào)試板卡，配置是不固定的，增加跳線接口，用于調(diào)試的時候根據(jù)需要進(jìn)行配置。配置包括兩種，一個是參數(shù)下載方式的配置，F(xiàn)M1188共支持4種參數(shù)下載方式：1、從256 BYTE EEPROM讀取參數(shù);2、從1 KBYTE EEPROM讀取參數(shù);3、從SHI接口讀取參數(shù);4、從UART接口讀取參數(shù)。淘寶上賣的模塊通常是將參數(shù)預(yù)先燒寫到EEPROM中，而且參數(shù)通常不多，然后配置成第一種參數(shù)下載方式，方便客戶使用。還有一個是燒寫參數(shù)位置的配置，可以根據(jù)配置將程序燒寫到EEPROM的不同地址。

所謂的配置指的就是設(shè)置功能引腳上電時的電平，預(yù)留2.54mm引腳間距的雙排插針，后續(xù)使用跳線帽進(jìn)行跳線即可，如下。

引出音量調(diào)節(jié)引腳，方便調(diào)試的時候隨時可以改變音量，以便在不同響度情況下，觀察消回音效果。

原理圖模塊就這些，接下來畫PCB，PCB圖設(shè)計也在EasyEDA上實現(xiàn)(作圖思路大同小異，對工具有興趣的伙伴們自行百度EasyEDA，這里不詳述)，在這說明一下設(shè)計時的注意事項。先上整體效果圖，如下：

樣板設(shè)計完之后想看板卡的生產(chǎn)時的效果圖也可以用EasyEDA預(yù)覽，如下，是不是真的很像打樣回來的樣板呢?

最終做出來的樣板如下，由于走的公司渠道的打樣，有部分公司信息，因此圖片打了馬賽克。

麥克風(fēng)接FM1188進(jìn)行聲音采集，并慮除回聲，和噪聲;FM1188處理過后的音頻信號傳給音頻編解碼芯片ALC5640的LINEIN進(jìn)行采集并編碼;音頻編解碼芯片ALC5640輸出的音頻LINEOUT一方面輸給功放放大，一方面為FM1188提供參考(沒有參考音源是無法消除回聲的，要不然FM1188如何知道喇叭播出了什么聲音?)

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