面向全双工语音通信的 AI 降噪与回音消除模组设计与应用研究

面向全双工语音通信的 A-59P 多功能语音处理模组设计与应用

摘要：针对复杂声学环境下语音通信存在的环境噪声干扰、声学回声耦合、远距离拾音失真及接口兼容性不足等问题，该文提出一种集成 AI 降噪、回声消除与波束成形的一体化语音处理模组 A-59P。模组采用 AI ENC 噪声抑制算法，可实现 45~90 dB 环境降噪；搭载 100 dB 级 AEC 全双工回声消除模块，支持 100 ms 延迟回声抑制；支持双数字麦克风波束成形，可配置单波束 / 双波束定向拾音；兼容模拟、I²S 数字与 USB 免驱多接口，通过 T1/T2 端口实现 0.1~8 m 四档拾音距离切换，采用 37.5 mm×16 mm 邮票半孔封装，支持 SMT 贴片集成。测试结果表明，模组模拟输出信噪比达 106 dB，静态电流 65~70 mA，工作温度 - 20~70 ℃（可扩展工业级 - 40~85 ℃），可广泛应用于楼宇对讲、车载通信、远程会议、安防监控、智能终端等场景。A-59P 以高集成、低功耗、易部署等特点，为高清语音通信系统提供轻量化硬件支撑。

关键词：语音处理；AI 降噪；回声消除；波束成形；全双工通信；嵌入式模组

1 引言

在物联网与智能交互快速普及背景下，语音已成为车载对讲、门禁安防、远程会议、智能终端等设备的核心交互方式。开放与半开放声学环境中，风扇、风噪、机械振动、喇叭回声等干扰会显著降低语音可懂度与通话流畅度。传统方案通常采用分立器件实现降噪与消回音，存在集成度低、调试复杂、兼容性差等问题，难以满足高性能、小型化、多场景覆盖的需求。

为此，该文设计一款多功能语音处理模组 A-59P，将 AI 环境降噪（ENC）、全双工回声消除（AEC）、双麦波束成形（BF）、多接口转换与数模转换（ADC/DAC）集成于一体，实现小体积、高性能、易集成的语音处理方案，可有效提升复杂环境下语音采集与通话质量。

2 模组系统设计

2.1 整体架构

A-59P 采用专用语音 DSP 架构，完成麦克风信号采集、噪声抑制、回声消除、波束成形、数模转换与接口协议转换。模组支持模拟麦克风与 PDM 数字麦克风双输入模式，输出模拟差分与 I²S 数字双链路，同时兼容 USB 免驱接入，可适配模拟设备、数字设备、USB 设备等不同硬件平台，形成 “采集 - 处理 - 输出 - 控制” 完整链路。

2.2 AI ENC 环境降噪

采用 AI 赋能的环境降噪算法，对非人声噪声进行建模与抑制，可有效压制风扇声、空调声、敲击声、风噪、汽车鸣笛等广谱干扰。降噪深度 45~90 dB，在强噪声环境下仍可保留清晰人声，提升语音可懂度与识别率。

2.3 AEC 全双工回声消除

针对喇叭 - 麦克风耦合引起的声学回声，模组采用高性能 AEC 算法，回声消除深度达 100 dB，可处理最大 100 ms 空间延迟回声，支持大音量、近距离喇叭场景，保证全双工通话流畅无卡顿、无啸叫。

2.4 双麦波束定向拾音

双数字麦克风模式下支持波束成形（BF），可配置为单波束单输出或双波束双独立声道输出，定向拾音角度与覆盖范围可通过固件调整，声道隔离度高、串扰小，适用于双向对讲、双通道录音、智能翻译等设备。

2.5 接口与控制设计

模组提供丰富接口以提升兼容性：

音频接口：模拟差分 I/O、I²S 数字音频、USB 免驱音频；

控制接口：T1/T2 硬件参数切换、SPI 外部 MCU 控制；

供电：3.3 V/5 V 二选一，USB 可直接供电；

封装：37.5 mm×16 mm 邮票半孔，支持 SMT 贴片，自带 ADC/DAC 简化系统电路。

3 电气性能指标

A-59P 主要性能参数如下：

供电电压：3.0~3.3 V / 4.0~5.25 V；

静态电流：65~70 mA；

模拟输出信噪比：106 dB；

差分输出幅度：1 Vrms；

MIC/LINE IN 输入阻抗：30 kΩ；

常规拾音范围：10 cm~500 cm；

可调拾音距离：0.1~8 m（四档切换）；

工作温度：-20~70 ℃（可选工业级 - 40~85 ℃）；

I²S 配置：48 kHz/16 bit，飞利浦标准对齐，主模式。

4 典型应用场景

楼宇对讲与门禁：可视门铃、小区门禁、楼宇对讲，抑制风噪与环境杂音，消除回声；

车载语音通信：车载蓝牙、车载语音识别，降低路噪、风噪、空调噪声；

远程会议与教育：会议终端、在线教育、客服系统，实现无回声全双工通话；

安防监控：IPC 拾音、矿山 / 医院 / 监狱呼叫系统，远距离稳定拾音；

智能终端：智能工牌、翻译机、录音笔、笔记本，提升录音与通话音质；

监护与公共服务：老人 / 宠物监护、自助终端，稳定清晰双向语音。

5 结论

A-59P 是一款集成 AI 降噪、AEC 回声消除、波束成形与多接口适配的高性能语音处理模组，可有效解决复杂声学环境下噪声、回声、拾音、兼容性等关键问题。模组具有小体积、低功耗、高信噪比、易集成等优势，适用于对讲、车载、会议、安防、智能终端等多领域，为高清语音通信系统提供轻量化、一体化硬件方案。

审核编辑 黄宇