煤礦井下防爆型無(wú)主機(jī)語(yǔ)音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)煤礦井下語(yǔ)音通信速率低，帶寬小，音質(zhì)差，噪聲大等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種煤礦井下防爆型低功耗無(wú)主機(jī)語(yǔ)音通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)的語(yǔ)音編解碼采用高壓縮率算法RALCWI的CMX618，系統(tǒng)控制采用低功耗STM32F103RE控制器，語(yǔ)音的遠(yuǎn)距離通信采用CAN總線方式。試驗(yàn)結(jié)果表明，語(yǔ)音的壓縮速率模式2 400 b／s時(shí)，音質(zhì)較好，通信穩(wěn)定可靠，滿足煤礦井下語(yǔ)音通信帶寬要求，語(yǔ)音質(zhì)量，系統(tǒng)穩(wěn)定與可靠性高的要求，易于在煤礦系統(tǒng)中推廣。
關(guān)鍵詞：井下防爆型；CMX618；RALCWI；無(wú)主機(jī)語(yǔ)音通信

目前在煤礦井下使用的電話系統(tǒng)多為傳統(tǒng)的電話，靈活性差，通信帶寬小，布線不便，維護(hù)復(fù)雜，可擴(kuò)展性較差，不能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的實(shí)時(shí)高質(zhì)量語(yǔ)音通信。隨著煤礦現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展和需要，在保證良好通信質(zhì)量的同時(shí)，如何增加語(yǔ)音通信的帶寬，已經(jīng)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。數(shù)字通信系統(tǒng)中，語(yǔ)音編碼技術(shù)是移動(dòng)通信數(shù)字化的基礎(chǔ)，語(yǔ)音編碼決定了接收的語(yǔ)音質(zhì)量和系統(tǒng)容量。低比特率語(yǔ)音編碼提供了解決該問(wèn)題的一種方法，在編碼器能夠傳送高質(zhì)量語(yǔ)音的前提下，語(yǔ)音編解碼比特率越低，就可以在一定的帶寬內(nèi)容納更多的語(yǔ)音通道。本文根據(jù)煤礦井下語(yǔ)音廣播通信系統(tǒng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一種基于高壓縮率算法RALCWI(Robust Advanced Low Complexity Waveform Inter polation)的CMX618的低功耗實(shí)時(shí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，以及廣播方式的無(wú)主機(jī)語(yǔ)音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制器采用低功耗STM32F-103RE為主控制器，通信的物理層采用CAN總線方式。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成
系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由防爆電源，MIC，前置放大，揚(yáng)聲器，功率放大，語(yǔ)音壓縮解壓，顯示、地址編碼電路，鍵盤(pán)電路，微處理器和通信接口組成。防爆電源為整機(jī)提供電源保證；MIC、前置放大、揚(yáng)聲器、功率放大為系統(tǒng)的音頻處理部分；語(yǔ)音壓縮解壓、微處理器、通信接口這三個(gè)部分構(gòu)成了系統(tǒng)的核心；顯示地址編碼、鍵盤(pán)等電路為輔助部分，使操作更簡(jiǎn)潔方便。

2 語(yǔ)音壓縮解壓芯片簡(jiǎn)介
本設(shè)計(jì)所使用的語(yǔ)音壓縮解壓芯片為英國(guó)CML公司推出的語(yǔ)音編解碼芯片CMX618，能夠以較低的比特率進(jìn)行編解碼處理，并保證較高的語(yǔ)音質(zhì)量。
2．1 RALCWI算法介紹
CMX618是接近長(zhǎng)話級(jí)的半雙工語(yǔ)音編解碼芯片，通過(guò)一種新的數(shù)據(jù)速率算法技術(shù)——RALCWI技術(shù)，對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行編解碼處理。它是一種魯棒的先進(jìn)的復(fù)雜性波形插入技術(shù)，與其他語(yǔ)音編解碼技術(shù)不同，它使用獨(dú)有的信號(hào)分解和參數(shù)編碼方法，可確保在較高的壓縮率下有很好的語(yǔ)音質(zhì)量。在聲碼器中，采用RALCWI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)音質(zhì)量與編碼位速率在4 kb／s以上的標(biāo)準(zhǔn)聲碼器話音質(zhì)量基本相符。它的MOS(平均意見(jiàn)得分)處于3．5～3．6之間，而且表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)秀。
RALCWI聲碼器以幀一幀為基礎(chǔ)進(jìn)行傳輸。在8 kHz的采樣速率下，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分幀處理，每幀語(yǔ)音包含160個(gè)采樣點(diǎn)，形成20 ms的元語(yǔ)音幀。語(yǔ)音編碼器以較高的計(jì)時(shí)分辨率(8次／幀)進(jìn)行語(yǔ)音分析，對(duì)每一個(gè)語(yǔ)音段都會(huì)生成一系列的評(píng)估參數(shù)。然后，使用不同的矢量量化
(VQ)方法，這些估算參數(shù)被量化生成41b，48b或55b的幀。這些向量量化值是以多語(yǔ)言語(yǔ)音為基礎(chǔ)進(jìn)行混合編排的，包含了東西方多種語(yǔ)言的語(yǔ)音采樣值。