煤礦井下防爆型無主機(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。
2．2 芯片特點(diǎn)
    CMX618具有以下主要特性：長(zhǎng)話級(jí)音質(zhì)魯棒先進(jìn)的低復(fù)雜性波形插入編碼算法；多種壓縮速率模式則為2 050 b／s，2 400 b／s或者2 750b／s(帶FEC功能)；集成16位A／D和D／A轉(zhuǎn)換器、模擬增益放大器和數(shù)字低通濾波器；數(shù)據(jù)包壓縮時(shí)間長(zhǎng)度分20 ms，40 ms，60 ms和80 ms；具有VAD、CNG、STD和DTMF功能；+1．8 V和+3．3 V雙電源供電；采用48引腳LQFP(L4)和48引腳VQFN(Q3)封裝；工作溫度范圍為-40℃～+85℃。
    解碼時(shí)，可選擇前向糾錯(cuò)(FEC)解碼器對(duì)輸入編碼后的語(yǔ)音位流(216 b／60 ms或288 b／80 ms的數(shù)據(jù)包)進(jìn)行解交織和信道解碼，生成糾錯(cuò)后的編碼語(yǔ)音位速率為2 050 b／s，2 400 b／s或者2 750 b／s，速率依據(jù)所選的模塊而定。當(dāng)使用FEC解碼器時(shí)，可利用“軟決策”方法增強(qiáng)解碼功能，減小誤碼的產(chǎn)生。內(nèi)部含有一個(gè)集成的語(yǔ)音壓縮／解壓器(CO-DEC)，實(shí)現(xiàn)模擬語(yǔ)音到低位速率編碼的壓縮／解壓過程。芯片大部分功能，均可通過軟件編程的方式，配置內(nèi)部的寄存器來實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單方便。具有非連續(xù)發(fā)送檢測(cè)(DTX)、舒適噪聲生成器(CNG)、語(yǔ)音激活檢測(cè)(VAD)和雙音多頻信號(hào)檢測(cè)(DTMF)的檢測(cè)和產(chǎn)生等輔助功能，使語(yǔ)音性能達(dá)到最佳。
2．3 CMX618工作原理
    CMX618內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

    由圖2可以看出，CMX618主要由音頻壓縮／解壓器(CODEC)、RALCWI編解碼器、前向糾錯(cuò)編解碼器和其他特殊功能模塊幾部分組成。
    編碼時(shí)，輸入的模擬語(yǔ)音首先要經(jīng)過音頻壓縮／解壓器(CODEC)模塊，進(jìn)行調(diào)節(jié)增益、A／D轉(zhuǎn)換、濾波和壓縮處理，然后進(jìn)入編碼器中開始編碼。編碼后，如果選擇使用前向糾錯(cuò)(FEC)功能，則會(huì)對(duì)編碼進(jìn)行糾錯(cuò)處理，盡量消除誤碼。編碼后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，按選擇的位速率和幀的結(jié)構(gòu)生成數(shù)據(jù)包，通過C-BUS與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
    解碼是編碼的逆處理過程。C-BUS串行總線傳輸?shù)臄?shù)字語(yǔ)音，進(jìn)入解碼器(可選FEC功能)開始解碼，經(jīng)過解壓、濾波、D／A轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)增益等處理后，就成為可以聽到的模擬語(yǔ)音。在編碼和解碼期間，如果選擇一些輔助功能，例如非連續(xù)發(fā)送檢測(cè)(DTX)、語(yǔ)音激活檢測(cè)(VAD)或雙音多頻信號(hào)檢測(cè)(DTMF)時(shí)可以通過SPI口來實(shí)現(xiàn)。
    CMX618的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括模擬和數(shù)字兩部分，如圖1所示。當(dāng)端口CSEL輸入低電平時(shí)，即選擇使用外部語(yǔ)音解碼器(CODEC)，可通過串行接口SSP與外部器件交換數(shù)據(jù)，編碼器和解碼器選擇片外CODEC的數(shù)據(jù)通道，端口EEC和REC輸出分別使能和復(fù)位片外的CODEC；當(dāng)CSEL輸入高電平時(shí)，CMX618選用內(nèi)部CODEC模塊，該模塊包括輸入／輸出通道的可編程增益放大器(PGA)，16位PCM A／D和D／A轉(zhuǎn)換器以及通帶頻率為4 kHz的低通濾波器，可有效實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)及數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的過程。主機(jī)通過控制總線C-BUS接口配置內(nèi)部寄存器，實(shí)現(xiàn)不同功能；端口SYNC使主機(jī)與CMX618同步；語(yǔ)音壓縮編碼器將源信號(hào)壓縮成低比特率的數(shù)據(jù)幀，解碼器把數(shù)據(jù)幀解壓縮，恢復(fù)源信號(hào)；如果使用FEC功能，開關(guān)則選擇前向糾錯(cuò)編碼器和解碼器，兩者加入到數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮過程中：STD／DTMF管理模塊提供語(yǔ)音信號(hào)的特殊處理功能，實(shí)現(xiàn)單音或雙音檢測(cè)，提高語(yǔ)音壓縮和解壓質(zhì)量。

3 系統(tǒng)主要電路的實(shí)現(xiàn)
    在整個(gè)系統(tǒng)中CMX618的電路占據(jù)重要的地位，是整個(gè)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。圖3為CMX618的具體實(shí)現(xiàn)電路。

    由圖3可以看出電路比較簡(jiǎn)單，元件較少，需要注意的是MIC為差分信號(hào)，在PCB的布線時(shí)應(yīng)注意等長(zhǎng)走線，另外供電的電源芯片也應(yīng)使用紋波較小的穩(wěn)壓芯片供電，例如LP2985，數(shù)字電源應(yīng)該和模擬電源分開。輸出可以直接驅(qū)動(dòng)阻抗為32 Ω的揚(yáng)聲器。
    壓縮／解壓電路通過C-BUS接口和微控制器相連接，C-BUS與微處理器的SPI口有相似之處，微處理器可以通過SPI口來和CMX618通信，C-BUS的時(shí)序圖如圖4所示。

    由圖4可知，C-BUS總線和SPI總線都是同步總線，不同之處是SPI總線在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)會(huì)收到數(shù)據(jù)，而C-BUS總線則是先發(fā)命令再進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，所以我們可以通過SPI口來與CMX618進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在只發(fā)送命令時(shí)只需要把SPI口接收到的數(shù)據(jù)丟棄即可，在接收數(shù)據(jù)時(shí)微處理器只需要通過SPI口發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)OXFF收取讀到的數(shù)據(jù)即可。
    另外整個(gè)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)關(guān)鍵是通信接口的設(shè)計(jì)，因要實(shí)現(xiàn)無主機(jī)的通信，也就是對(duì)等的通信，所以選擇CAN總線通信，CAN總線的最大的特點(diǎn)就是各個(gè)節(jié)點(diǎn)是對(duì)等的，任意節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行通信的發(fā)起，而且有較完善的防碰撞協(xié)議，通信速率較高，和光纖的轉(zhuǎn)換比較容易，容易構(gòu)建長(zhǎng)距離的無主機(jī)通信系統(tǒng)。

4 軟件實(shí)現(xiàn)
    軟件的設(shè)計(jì)主要包括，顯示、鍵盤、通信、CMX618的讀寫，其中CMX618的讀寫較為關(guān)鍵。CMX618的主要操作有3個(gè)，初始化，編碼，解碼，軟件流程圖。

5 實(shí)驗(yàn)
    實(shí)驗(yàn)如圖8所示，試驗(yàn)中，采用的語(yǔ)音通信系統(tǒng)由多臺(tái)語(yǔ)音分站構(gòu)成，由于試驗(yàn)場(chǎng)地等各方面的影響，采用了5臺(tái)語(yǔ)音分站來模擬井下的語(yǔ)音通信系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)分為計(jì)算機(jī)廣播方式，語(yǔ)音分站主機(jī)呼叫計(jì)算機(jī)，語(yǔ)音分站呼叫另一個(gè)語(yǔ)音分站以及語(yǔ)音分站呼叫多臺(tái)語(yǔ)音分站，并分別測(cè)試語(yǔ)音的音質(zhì)，速率，故障點(diǎn)。

    從表1可以看出，采用RALCWI的語(yǔ)音通信分站，基本滿足了無主機(jī)通信設(shè)計(jì)的要求，以各種形式的通信測(cè)試基本成功，音質(zhì)在可以接受的范圍內(nèi)，在語(yǔ)音分站呼叫多臺(tái)語(yǔ)音分站的試驗(yàn)中，有故障點(diǎn)出現(xiàn)，這是由于語(yǔ)音分站與語(yǔ)音分站之間的總線競(jìng)爭(zhēng)造成的，系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步的提高。

6 結(jié)論
    本設(shè)計(jì)經(jīng)過測(cè)試實(shí)現(xiàn)了無主機(jī)的電話系統(tǒng)，語(yǔ)音的壓縮速率模式2 400 b／s時(shí)，音質(zhì)較好語(yǔ)音清晰，占用帶寬窄，系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，有效地解決了電話系統(tǒng)布線的困難。系統(tǒng)可擴(kuò)展性較強(qiáng)，通過聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的控制可以較容易地實(shí)現(xiàn)原來電話系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)的功能，易于在煤礦系統(tǒng)中推廣。