CN113992223A - 一种基于麦克风阵列降噪的机内通话*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***，包括耳机话筒组、机通控制盒；耳机话筒组包括头戴式耳机，头戴式耳机上设有两组麦克风；机通控制盒对两组麦克风采集的两路音频信号，进行差分放大，提取人声，再通过语音降噪和增强算法抑制噪声。本发明通过在机载耳机放置多个麦克风，当语音和周围环境信息被多个麦克风聚集时，麦克风阵列可以在期望方向上有效地形成一个波束去拾取波束内的信号，并且通过机通控制盒内的麦克阵列算法对麦克阵列采集的声音滤除波束外的噪声，从而达到同时提取声源和抑制噪声的目的，实现机内通话清晰。

Description

一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***

技术领域

本发明涉及飞机通讯技术领域，具体为一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***。

背景技术

机内通话***是实现飞机内部成员之间、飞机之间、飞机与地面间进行通信的重要装置，其通话性能指标直接影响各成员之间的信息交互，以及飞机对外通信。而各直升机、歼击机、反潜机、预警机等机内噪声环境复杂，话音信号处理传输过程中存在话音质量差、噪声大、话音延迟等问题，如何减少话音噪声，降低话音传输延迟是提高机内通话***通话性能的关键。

我国最早的机内通话***均采用模拟机通控制盒，飞机内部的话音传输均采用模拟线相连、开关控制线路切换，机内的噪声及干扰无法滤除，通话效果较差。随着电子技术的发展，机内通话器逐步被数字机通控制盒取代，数字机通将耳机话筒采集的模拟话音信号放大后，进行模数转化为数字信号，再通过处理器的降噪算法进行降噪处理，在对端进行数模转换为模拟信号后放大给对端收听，实现机内通话。数字机通提高了机内通话传输的抗干扰能力和话音质量，但其仍为基于单麦克机通设备拾取语音架构，对来自多个方向的噪声，单通道增强算法对低信噪比信号的处理使语音失真变大，而且对非平稳噪声的滤除效果较差，会形成残留噪声，而且由于算法所需计算时间较长，形成的延时较大。基于麦克风阵列降噪的机内通话***利用麦克风阵列和降噪算法进一步提取声源、抑制噪声，提高语音降噪效果、抗干扰能力，已成为机内通话***的主要发展方向。

发明内容

本发明是一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***，对现有机内通话***普遍存在的噪声大、失真大、延迟大的问题进一步改良，抑制噪声、降低话音延迟，提高通话性能；

为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：

本发明提供了一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***，

包括耳机话筒组、机通控制盒；

所述耳机话筒组包括头戴式耳机，所述头戴式耳机上设有两组麦克风，一组所述麦克风为用户通话时使用的麦克风，用于收集人声，而另一组所述麦克风，具备背景噪声采集功能，方便采集周围环境噪音；

所述机通控制盒对两组所述麦克风采集的两路音频信号，进行差分放大，提取人声，再通过语音降噪和增强算法抑制噪声。

可选的，所述耳机话筒组还包括左发声单元、右发声单元、耳垫、送话器、插头导线，所述头戴式耳机用以固定所述左发声单元、右发声单元，将所述左发声单元、右发声单元置于头的两侧，便于佩戴；

所述左发声单元包含左机壳、降噪模块，所述左发声单元用以语音降噪、左耳发声功能；

所述右发声单元包含右机壳、降噪单元、双膜送话器，所述右发声单元用以语音降噪、右耳发声、环境噪声参考信号采集功能；

所述送话器用于采集人语音信号；

所述插头导线用于对外接口信号连接；

所述耳垫是头部与所述左发声单元、右发声单元接触的部件，所述耳垫用以将低频反射回来，保证低频的重放。

可选的，所述左发声单元还包括受话器、固定舱、阻尼膜、阻尼毡，所述降噪模块包括降噪咪头、降静噪电路板，所述左机壳内设置有两组受话器，两组所述受话器可直接将音频电信号转化为人耳能听到的低频声波；

所述降噪咪头可采集所述固定舱内环境噪声，并将其转化为电信号送给所述降静噪电路板进行处理，所述降静噪电路处理完成后，产生与噪声相位相反、振幅相同的电信号，并通过所述受话器发出声波来抵消噪声，所述阻尼膜及所述阻尼毡固定安装在所述固定舱上，用于吸收所述固定舱内的噪声。

可选的，所述右发声单元结构组成、设计原理与所述左发声单元相似，所述双膜送话器，用于接收外部环境噪声，并将其输出给所述机通控制盒，所述机通控制盒可根据接收的所述双膜送话器的主麦信号与副麦的噪声参考信号，经内部运算处理实现主动降噪功能。

可选的，所述头戴式耳机上设置有耳罩，所述耳罩设计为压耳式耳罩，所述耳罩内部填充海绵，外面蒙上绒布，其对中频和高频信号有吸收作用，它使耳朵与振膜形成一段距离，并在耳机和头部间形成一个腔室，形成较好的空间感，增加人耳的舒适度。

可选的，所述机通控制盒包括主控单元、滤波转接板、导光面板、壳体、连接器、滤波器，所述连接器、滤波器安装在所述壳体上；

所述机通控制盒的电源通过所述连接器进入到所述滤波器，滤波后连接到所述主控单元，所述主控单元板上的隔离电源模块经过DC/DC转换后为设备供电；

所述机通控制盒为所述导光面板提供的背光供电信号经过所述滤波转接板后，再接到所述导光面板，用来改进电磁兼容性能；

所述机通控制盒的RS485信号、模拟音频信号，通过所述机通控制盒的所述连接器后接到所述主控单元，主控单元进行进一步的处理，用于实现设备的功能；

所述主控单元的核心为处理器和FPGA，处理器具有良好音频处理能力，FPGA用以实现协议解析、接口适配、逻辑控制功能。

本发明有益效果

本发明通过在机载耳机放置多个麦克风，当语音和周围环境信息被多个麦克风聚集时，麦克风阵列可以在期望方向上有效地形成一个波束去拾取波束内的信号，并且通过机通控制盒内的麦克阵列算法对麦克阵列采集的声音滤除波束外的噪声，从而达到同时提取声源和抑制噪声的目的，实现机内通话清晰。

附图说明

图1为本发明耳机话筒组结构示意图。

图2为本发明机通控制盒结构示意图。

附图标记说明：1-耳机话筒组，2-头戴式耳机，3-左发声单元，4-右发声单元，5-耳垫，6-送话器，7-插头导线，8-机通控制盒，9-主控单元，10-滤波转接板，11-导光面板，12-壳体，13-滤波器，14-上盖板，15-下盖板。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1-图2所示，本发明提供了一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***，

包括耳机话筒组1、机通控制盒8；

所述耳机话筒组1包括头戴式耳机2，所述头戴式耳机2上设有两组麦克风，一组所述麦克风为用户通话时使用的麦克风，用于收集人声，而另一组所述麦克风，具备背景噪声采集功能，方便采集周围环境噪音，两组麦克风采用的均为双膜动圈式送话器，灵敏度高、频响曲线较光滑、平坦，可抑制噪声，音质好，所述头戴式耳机2上设置有耳罩，所述耳罩设计为压耳式耳罩，所述耳罩内部填充海绵，外面蒙上绒布，其对中频和高频信号有吸收作用，它使耳朵与振膜形成一段距离，并在耳机和头部间形成一个腔室，形成较好的空间感，增加人耳的舒适度；

所述机通控制盒8对两组所述麦克风采集的两路音频信号，进行差分放大，提取人声，再通过语音降噪和增强算法抑制噪声，且其较单麦克增强算法要简单，话音延迟更小，进一步提高了机通通话***的通话性能；

所述耳机话筒组1还包括左发声单元3、右发声单元4、耳垫5、送话器6、插头导线7，所述头戴式耳机2用以固定所述左发声单元3、右发声单元4，将所述左发声单元3、右发声单元4置于头的两侧，便于佩戴；

所述左发声单元3包含左机壳、降噪模块，所述左发声单元3用以语音降噪、左耳发声功能，所述左发声单元3还包括受话器、固定舱、阻尼膜、阻尼毡，所述降噪模块包括降噪咪头、降静噪电路板，所述左机壳内设置有两组受话器，两组所述受话器可直接将音频电信号转化为人耳能听到的低频声波，所述降噪咪头可采集所述固定舱内环境噪声，并将其转化为电信号送给所述降静噪电路板进行处理，所述降静噪电路处理完成后，产生与噪声相位相反、振幅相同的电信号，并通过所述受话器发出声波来抵消噪声，所述阻尼膜及所述阻尼毡固定安装在所述固定舱上，用于吸收所述固定舱内的噪声；

所述右发声单元4包含右机壳、降噪单元、双膜送话器，所述右发声单元4用以语音降噪、右耳发声、环境噪声参考信号采集功能，所述右发声单元4结构组成、设计原理与所述左发声单元3相似，所述双膜送话器，用于接收外部环境噪声，并将其输出给所述机通控制盒8，所述机通控制盒8可根据接收的所述双膜送话器的主麦信号与副麦的噪声参考信号，经内部运算处理实现主动降噪功能；

所述送话器6用于采集人语音信号；

所述插头导线7用于对外接口信号连接；

所述耳垫5是头部与所述左发声单元3、右发声单元4接触的部件，所述耳垫5用以将低频反射回来，保证低频的重放；

所述机通控制盒8包括主控单元9、滤波转接板10、导光面板11、壳体12、连接器、滤波器13，所述连接器、滤波器13安装在所述壳体12上；

所述机通控制盒8的电源通过所述连接器进入到所述滤波器13，滤波后连接到所述主控单元9，所述主控单元9板上的隔离电源模块经过DC/DC转换后为设备供电；

所述机通控制盒8为所述导光面板11提供的背光供电信号经过所述滤波转接板10后，再接到所述导光面板11，用来改进电磁兼容性能；

所述机通控制盒8的RS485信号、模拟音频信号，通过所述机通控制盒8的所述连接器后接到所述主控单元9，主控单元9进行进一步的处理，用于实现设备的功能；

所述主控单元9的核心为处理器和FPGA，处理器具有良好音频处理能力，FPGA用以实现协议解析、接口适配、逻辑控制功能，所述机通控制盒8的电源模块采用华普的HDS10S2805P-M隔离电源模块，实现DC28V到DC5V的电压变换，最大功率10W，具有良好的抗浪涌、冲击、跌落能力，并具有过热保护、输入反接保护、输入短路保护、输出过压保护、输出短路保护等保护功能，可靠性强，性能稳定；滤波器13采用中电科三十三所的小型化滤波器13产品，提供良好的电路滤波器13性能，CPU采用了全志科技有限公司的ARM处理器产品，单元内集成有音频编解码器并支持外接音频电路扩展，具有良好的音频处理性能，可以实现多路并发话音的处理；在机通控制盒8中CPU完成SLIP协议的适配，通过FPGA实现与其他机内设备的RS485总线通信。FPGA采用国产化低功耗的FPGA，具有相对丰富的逻辑资源和大量I/O接口；FPGA结合其***电路主要完成设备导光面板11旋钮信号的采集、RS485接口信号处理、通过SPI接口和I2S接口完成与CPU的信令和话音交互、实现记录音频的收集和混音等处理；

机通控制盒8在音频性能方面，采用A类音频放大器，具有良好的动态范围和失真控制，通过控制放大器增益进行音量调节，然后送到耳机话筒组1实现水声的监控；

机通控制盒8对外通信采用FPGA相连的RS485接口，最高速率可以支持10Mbps的数据传输，主控单元9采用了国产全志科技有限公司的ARM处理器产品，单元内集成有音频编解码器并支持外接音频电路扩展，具有良好的音频处理性能，可以实现多路并发话音的处理；

机通控制盒8的壳体12为长方体状，外壳采用铝合金型材(5A06-F)加工而成，整个外壳体分为壳体12和上盖板14、下盖板15三部分；壳体12最薄壁厚1.5mm，为了尽可能的控制产品重量，在保证强度、工艺可行的前提下有选择性的减少相应壁的厚度，壳体12两侧留有4个φ6.7mm通孔用于产品在飞机上安装，铝制的外壳能完好的起到防屏蔽功能，杜绝了外部电磁对内部电路的影响，也杜绝了产品对外部仪器的影响；

以下为采用本发明的实施例所提升的技术性能数据：

(一)耳机话筒组的技术性能：

送话器部分

a)频响范围：200Hz～4000Hz

b)阻抗：75×(1±15％)Ω(1KHz)

c)灵敏度：68±3dB/Pa(1KHz)(200Hz-4KHz)

d)失真：≤5％(1KHz)

e)信噪比：≥12dB

受话器部分

a)频响范围：10Hz～20kHz

b)阻抗：(300+300)×(1±15％)Ω((1KHz))

c)灵敏度：≥95dB/mW(1KHz)(10Hz～20kHz)

d)隔音量：≥32dB(315Hz-8KHz)

e)极限不损坏功率：≥200mW(200mW)

f)失真：≤5％(100mW，1KHz)(5％)

(二)机通控制盒的技术性能：

a)音频响应：≤2dB，频率响应范围：300Hz～3400Hz；

b)谐波失真：

1)通话、接收状态：不大于4％(1kHz)；

2)发话状态：不大于2％(1kHz)；

c)通道音频隔离度：大于50dB(1kHz)；

d)信噪比：大于50dB(1kHz)；

e)负载特性：600Ω～300Ω负载(通话时)输出变化≤3dB；

f)线路输入输出电平：

1)通话、发话输入：1.5mV/75Ω；

2)通话输出：7.75+2-1V/600Ω；

3)音频记录输出：(2.0±10％)V/10KΩ；

因此，本发明具备麦克风阵列降噪功能。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***，其特征在于，

包括耳机话筒组、机通控制盒；

所述耳机话筒组包括头戴式耳机，所述头戴式耳机上设有两组麦克风，一组所述麦克风为用户通话时使用的麦克风，用于收集人声，而另一组所述麦克风，具备背景噪声采集功能，方便采集周围环境噪音；

所述机通控制盒对两组所述麦克风采集的两路音频信号，进行差分放大，提取人声，再通过语音降噪和增强算法抑制噪声。

2.根据权利要求1所述的一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***，其特征在于，

所述耳机话筒组还包括左发声单元、右发声单元、耳垫、送话器、插头导线，所述头戴式耳机用以固定所述左发声单元、右发声单元，将所述左发声单元、右发声单元置于头的两侧，便于佩戴；

所述左发声单元包含左机壳、降噪模块，所述左发声单元用以语音降噪、左耳发声功能；

所述右发声单元包含右机壳、降噪单元、双膜送话器，所述右发声单元用以语音降噪、右耳发声、环境噪声参考信号采集功能；

所述送话器用于采集人语音信号；

所述插头导线用于对外接口信号连接；

所述耳垫是头部与所述左发声单元、右发声单元接触的部件，所述耳垫用以将低频反射回来，保证低频的重放。

3.根据权利要求2所述的一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***，其特征在于，

所述左发声单元还包括受话器、固定舱、阻尼膜、阻尼毡，所述降噪模块包括降噪咪头、降静噪电路板，所述左机壳内设置有两组受话器，两组所述受话器可直接将音频电信号转化为人耳能听到的低频声波；

所述降噪咪头可采集所述固定舱内环境噪声，并将其转化为电信号送给所述降静噪电路板进行处理，所述降静噪电路处理完成后，产生与噪声相位相反、振幅相同的电信号，并通过所述受话器发出声波来抵消噪声，所述阻尼膜及所述阻尼毡固定安装在所述固定舱上，用于吸收所述固定舱内的噪声。

4.根据权利要求3所述的一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***，其特征在于，

所述右发声单元结构组成、设计原理与所述左发声单元相似，所述双膜送话器，用于接收外部环境噪声，并将其输出给所述机通控制盒，所述机通控制盒可根据接收的所述双膜送话器的主麦信号与副麦的噪声参考信号，经内部运算处理实现主动降噪功能。

5.根据权利要求1所述的一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***，其特征在于，

所述头戴式耳机上设置有耳罩，所述耳罩设计为压耳式耳罩，所述耳罩内部填充海绵，外面蒙上绒布，其对中频和高频信号有吸收作用，它使耳朵与振膜形成一段距离，并在耳机和头部间形成一个腔室，形成较好的空间感，增加人耳的舒适度。

6.根据权利要求1所述的一种基于麦克风阵列降噪的机内通话***，其特征在于，

所述机通控制盒包括主控单元、滤波转接板、导光面板、壳体、连接器、滤波器，所述连接器、滤波器安装在所述壳体上；

所述机通控制盒的电源通过所述连接器进入到所述滤波器，滤波后连接到所述主控单元，所述主控单元板上的隔离电源模块经过DC/DC转换后为设备供电；

所述机通控制盒为所述导光面板提供的背光供电信号经过所述滤波转接板后，再接到所述导光面板，用来改进电磁兼容性能；

所述机通控制盒的RS485信号、模拟音频信号，通过所述机通控制盒的所述连接器后接到所述主控单元，主控单元进行进一步的处理，用于实现设备的功能；

所述主控单元的核心为处理器和FPGA，处理器具有良好音频处理能力，FPGA用以实现协议解析、接口适配、逻辑控制功能。

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