端側AI降噪模組產品概述

隨著智能會議、直播和游戲語音交流的普及，高質量的音頻輸入設備變得越來越重要。專為語音收集和處理設計的USB AI降噪麥克風模組，這是一款基于XMOS XU316芯片和Codec芯片的專業(yè)音頻處理模組。

基于XMOS XU316和Codec芯片，專為麥克風輸入和耳機輸出場景設計的模組。該模組集成了強大的音頻處理能力，搭配不同的固件，可以實現直播麥克風、游戲耳機等多種產品應用。

作為一款USB即插即用設備，A316-Codec-V1無需額外驅動，支持多種采樣率（16kHz/48kHz）和位深（16bit/24bit/32bit），能夠滿足不同場景下的音頻處理需求。

核心功能

AI降噪技術：采用先進的AI算法實現環(huán)境噪聲抑制

自動增益控制：智能調節(jié)音量，確保語音清晰度

硬件配置

核心模組：

采用U316-Codec-V1模組，提供強大的數字信號處理能力

音頻接口：

1、USB音頻輸入輸出，支持UAC 1.0/2.0協議

2、耳機輸入、輸出，支持mini3.5接口

3、卡農輸入、輸出

4、I2S輸入、輸出

參數調試接口：

1、USB參數調試接口

2、SPI參數調節(jié)接口

監(jiān)聽輸出：

提供耳機監(jiān)聽輸出，便于實時監(jiān)聽音頻效果

端側AI降噪模組功能設計架構

無論是工業(yè)現場的機械轟鳴、交通樞紐的嘈雜人聲，還是居家環(huán)境的電器運轉聲，端側AI 降噪模組均能通過智能頻譜分析，精準剝離復雜背景噪音，同時保留語音信號的完整性與自然度。相較傳統降噪方案，其深度學習算法可針對非平穩(wěn)噪音實現毫秒級動態(tài)響應，有效避免語音失真與信息損耗，確保語音交互的清晰度與流暢性。

傳統降噪技術（如線性濾波、譜減法）依賴固定參數設定，在處理復雜動態(tài)噪音時易出現適應性不足問題。端側AI 降噪模組采用RNnoise算法，通過提前語音特征值，融合神經網絡模型實現端到端深度學習架構，通過海量聲學數據訓練的神經網絡模型，能夠實時分析語音與噪音的時域、頻域及空間特征。當含噪語音輸入時，模型可智能識別噪音成分并生成反向聲波進行抵消，實現從 “被動過濾” 到 “主動抑制” 的技術跨越，顯著提升復雜場景下的降噪性能。端側AI降噪模組功能框圖如圖1所示。

圖1 端側AI降噪模組功能框圖

端側AI降噪模組硬件架構

模組硬件架構

端側AI降噪模組的硬件架構是一個以高集成度異構SoC為核心的精密系統，其設計核心是在嚴格的功耗、成本和尺寸限制下實現高效實時處理。該架構通常包含音頻輸入、核心處理芯片（XMOS XU31芯片）、高效電源管理單元及各類接口。端側AI降噪模組硬件架構如圖2所示。

圖2 端側AI降噪模組硬件架構圖

模組硬件接口解析

模組采用郵票半孔封裝設計，高度集成化布局兼容多種設備形態(tài)。其功能接口涵蓋：

1、電源管理接口：

支持寬電壓輸入（2.8V-5.5V），內置電源穩(wěn)壓模塊，確保復雜供電環(huán)境下的穩(wěn)定運行

2、音頻輸入輸出接口

模擬音頻接口：兼容傳統駐極體麥克風與揚聲器，支持即插即用（如耳機、卡農）

數字音頻接口：支持 I2S、USB，實現高保真音頻數據傳輸

（如I2S、USB）

3、智能交互接口

USB 接口：支持 Windows、Android、Linux 系統免驅連接，集成固件在線升級功能

SPI 調試接口：提供降噪參數實時調節(jié)動態(tài)配置等功能

端側AI降噪模組可調參數

AGC參數

1、AGCGAIN ：AGC增益系數

2、AGCMAXGAIN ：AGC增益系數最大值

3、AGCONOFF ：設置AGCGAIN的值是否可變

測試調試參數方法：

近端音頻信號源： IEEE_269-2010_Male_mono_48_kHz.wav，調整參數后，播放近端音頻，觀察輸出音頻為合適電平

AI降噪參數

1、AI_denoise_ONOFF : 設置是否采用AI降噪功能

2、NS_Parameter ：噪聲衰減系數，NS_Parameter默認值為0.15，表示了在設備輸出音頻信號中大約實現了15dB 的噪聲衰減處理，增加NS_Parameter參數值會增加噪聲抑制，同時也會增加近端語音失真。因此，需要做好語音質量和穩(wěn)定性噪聲抑制兩方面平衡。增加這個參數值會影響進度語音的音質，尤其在混響存在的環(huán)境下更加顯著。

端側AI降噪模組加密

采用XMOS提供的片內OTP， 高安全性AES加密模塊，加密方式、過程，以及加密效果待驗證，查到資料表示OTP一次性編程，且容量偏小，最大代碼量為8KB

XMOS芯片包含一個片上的 OTP存儲器，我們能夠將XMOS的AES模塊的配置信息 存儲到芯片的OTP上，這樣程序在被燒錄到Flash上的時候就會被加密。XMOS的AES模塊不會被自身程序或是第三方程序修改；程序通過密鑰進行AES加密，不會被第三方設備進行盜用。所以XMOS的AES加密具有非常好的安全性和可靠性。

XMOS的AES加密步驟：

1、使用XBURN命令生成128位密鑰對，寫入密鑰文件

$ xburn --genkey keyfile

其中密鑰文件第一行是公鑰（認證密鑰），第二行是私鑰（解密密鑰）。

2、使用XBURN命令將AES模塊和安全密鑰寫入目標設備的OTP存儲器，并設置其安全啟動位

$ xburn --lock keyfile --target-file target.xn --enable-jtag --disable-master-lock

3、加密燒寫固件并將其寫入閃存

$ xflash target.xe --key keyfile

XMOS加密后程序的運行過程如圖3所示。首先XMOS芯片從自身的Boot ROM加載基本啟動程序，啟動程序會查詢安全寄存器（Security Register）的所有安全設置位，其中如果安全啟動位（secure boot bit）沒有置位，程序就會使用正常啟動方式，把控制權交個外部的SPI Flash，運行外部的 Flash loader和用戶應用程序。如果置位了，則會使用安全啟動模式，并且會使用OTP內部的引導啟動程序 （boot loader） 。從OTP內部拷貝出AES的設置資料并加載AES模塊。AES模塊通過SPI讀取外部Flash loader 到RAM里面，然后使用AES128-CMAC運算法則和一個128bit的加密密鑰對Flash loader進行進行校驗，如果校驗失敗，那么啟動程序（boot loader）將會被終止。若校驗成功，則AES會讀取Flash 對應的鏡像程序塊，使用一個解密密鑰進行解碼，并正常運行程序。

圖3 XMOS使用AES模塊加密后程序的運行過程