煤礦井下防爆型無主機語音通信系統(tǒng)設計

摘要：針對煤礦井下語音通信速率低，帶寬小，音質差，噪聲大等缺點，設計了一種煤礦井下防爆型低功耗無主機語音通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)的語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，語音的遠距離通信采用CAN總線方式。試驗結果表明，語音的壓縮速率模式2 400 b／s時，音質較好，通信穩(wěn)定可靠，滿足煤礦井下語音通信帶寬要求，語音質量，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。
關鍵詞：井下防爆型；CMX618；RALCWI；無主機語音通信

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，維護復雜，可擴展性較差，不能實現(xiàn)點對多點的實時高質量語音通信。隨著煤礦現(xiàn)代化建設的發(fā)展和需要，在保證良好通信質量的同時，如何增加語音通信的帶寬，已經(jīng)成為一個研究的熱點和難點。數(shù)字通信系統(tǒng)中，語音編碼技術是移動通信數(shù)字化的基礎，語音編碼決定了接收的語音質量和系統(tǒng)容量。低比特率語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量語音的前提下，語音編解碼比特率越低，就可以在一定的帶寬內容納更多的語音通道。本文根據(jù)煤礦井下語音廣播通信系統(tǒng)的實際需要，設計了一種基于高壓縮率算法RALCWI(Robust Advanced Low Complexity Waveform Inter polation)的CMX618的低功耗實時點對點，點對多點，以及廣播方式的無主機語音通信系統(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)的構成
系統(tǒng)的組成結構如圖1所示，系統(tǒng)由防爆電源，MIC，前置放大，揚聲器，功率放大，語音壓縮解壓，顯示、地址編碼電路，鍵盤電路，微處理器和通信接口組成。防爆電源為整機提供電源保證；MIC、前置放大、揚聲器、功率放大為系統(tǒng)的音頻處理部分；語音壓縮解壓、微處理器、通信接口這三個部分構成了系統(tǒng)的核心；顯示地址編碼、鍵盤等電路為輔助部分，使操作更簡潔方便。

2 語音壓縮解壓芯片簡介
本設計所使用的語音壓縮解壓芯片為英國CML公司推出的語音編解碼芯片CMX618，能夠以較低的比特率進行編解碼處理，并保證較高的語音質量。
2．1 RALCWI算法介紹
CMX618是接近長話級的半雙工語音編解碼芯片，通過一種新的數(shù)據(jù)速率算法技術——RALCWI技術，對語音進行編解碼處理。它是一種魯棒的先進的復雜性波形插入技術，與其他語音編解碼技術不同，它使用獨有的信號分解和參數(shù)編碼方法，可確保在較高的壓縮率下有很好的語音質量。在聲碼器中，采用RALCWI技術實現(xiàn)的語音質量與編碼位速率在4 kb／s以上的標準聲碼器話音質量基本相符。它的MOS(平均意見得分)處于3．5～3．6之間，而且表現(xiàn)相當優(yōu)秀。
RALCWI聲碼器以幀一幀為基礎進行傳輸。在8 kHz的采樣速率下，對語音信號進行分幀處理，每幀語音包含160個采樣點，形成20 ms的元語音幀。語音編碼器以較高的計時分辨率(8次／幀)進行語音分析，對每一個語音段都會生成一系列的評估參數(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言語音為基礎進行混合編排的，包含了東西方多種語言的語音采樣值。