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。
2．2 芯片特点
CMX618具有以下主要特性：长话级音质鲁棒先进的低复杂性波形插入编码算法；多种压缩速率模式则为2 050 b／s，2 400 b／s或者2 750b／s(带FEC功能)；集成16位A／D和D／A转换器、模拟增益放大器和数字低通滤波器；数据包压缩时间长度分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双电源供电；采用48引脚LQFP(L4)和48引脚VQFN(Q3)封装；工作温度范围为-40℃～+85℃。
解码时，可选择前向纠错(FEC)解码器对输入编码后的语音位流(216 b／60 ms或288 b／80 ms的数据包)进行解交织和信道解码，生成纠错后的编码语音位速率为2 050 b／s，2 400 b／s或者2 750 b／s，速率依据所选的模块而定。当使用FEC解码器时，可利用“软决策”方法增强解码功能，减小误码的产生。内部含有一个集成的语音压缩／解压器(CO-DEC)，实现模拟语音到低位速率编码的压缩／解压过程。芯片大部分功能，均可通过软件编程的方式，配置内部的寄存器来实现，简单方便。具有非连续发送检测(DTX)、舒适噪声生成器(CNG)、语音激活检测(VAD)和双音多频信号检测(DTMF)的检测和产生等辅助功能，使语音性能达到最佳。
2．3 CMX618工作原理
CMX618内部结构图如图2所示。

由图2可以看出，CMX618主要由音频压缩／解压器(CODEC)、RALCWI编解码器、前向纠