煤矿井下防爆型无主机语音通信系统设计

摘要：针对煤矿井下语音通信速率低，带宽小，音质差，噪声大等缺点，设计了一种煤矿井下防爆型低功耗无主机语音通信系统。该系统的语音编解码采用高压缩率算法RALCWI的CMX618，系统控制采用低功耗STM32F103RE控制器，语音的远距离通信采用CAN总线方式。试验结果表明，语音的压缩速率模式2 400 b／s时，音质较好，通信稳定可靠，满足煤矿井下语音通信带宽要求，语音质量，系统稳定与可靠性高的要求，易于在煤矿系统中推广。
关键词：井下防爆型；CMX618；RALCWI；无主机语音通信

目前在煤矿井下使用的电话系统多为传统的电话，灵活性差，通信带宽小，布线不便，维护复杂，可扩展性较差，不能实现点对多点的实时高质量语音通信。随着煤矿现代化建设的发展和需要，在保证良好通信质量的同时，如何增加语音通信的带宽，已经成为一个研究的热点和难点。数字通信系统中，语音编码技术是移动通信数字化的基础，语音编码决定了接收的语音质量和系统容量。低比特率语音编码提供了解决该问题的一种方法，在编码器能够传送高质量语音的前提下，语音编解码比特率越低，就可以在一定的带宽内容纳更多的语音通道。本文根据煤矿井下语音广播通信系统的实际需要，设计了一种基于高压缩率算法RALCWI(Robust Advanced Low Complexity Waveform Inter polation)的CMX618的低功耗实时点对点，点对多点，以及广播方式的无主机语音通信系统，该系统控制器采用低功耗STM32F-103RE为主控制器，通信的物理层采用CAN总线方式。

1 系统的构成
系统的组成结构如图1所示，系统由防爆电源，MIC，前置放大，扬声器，功率放大，语音压缩解压，显示、地址编码电路，键盘电路，微处理器和通信接口组成。防爆电源为整机提供电源保证；MIC、前置放大、扬声器、功率放大为系统的音频处理部分；语音压缩解压、微处理器、通信接口这三个部分构成了系统的核心；显示地址编码、键盘等电路为辅助部分，使操作更简洁方便。

2 语音压缩解压芯片简介
本设计所使用的语音压缩解压芯片为英国CML公司推出的语音编解码芯片CMX618，能够以较低的比特率进行编解码处理，并保证较高的语音质量。
2．1 RALCWI算法介绍
CMX618是接近长话级的半双工语音编解码芯片，通过一种新的数据速率算法技术——RALCWI技术，对语音进行编解码处理。它是一种鲁棒的先进的复杂性波形插入技术，与其他语音编解码技术不同，它使用独有的信号分解和参数编码方法，可确保在较高的压缩率下有很好的语音质量。在声码器中，采用RALCWI技术实现的语音质量与编码位速率在4 kb／s以上的标准声码器话音质量基本相符。它的MOS(平均意见得分)处于3．5～3．6之间，而且表现相当优秀。
RALCWI声码器以帧一帧为基础进行传输。在8 kHz的采样速率下，对语音信号进行分帧处理，每帧语音包含160个采样点，形成20 ms的元语音帧。语音编码器以较高的计时分辨率(8次／帧)进行语音分析，对每一个语音段都会生成一系列的评估参数。然后，使用不同的矢量量化
(VQ)方法，这些估算参数被量化生成41b，48b或55b的帧。这些向量量化值是以多语言语音为基础进行混合编排的，包含了东西方多种语言的语音采样值。