DSP語(yǔ)音處理芯片——在KTH15（A）礦用本安型（數(shù)字抗噪聲）電話(huà)機(jī)中的應(yīng)用

楊鐘立 沈立群

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DSP語(yǔ)音處理芯片——在KTH15（A）礦用本安型（數(shù)字抗噪聲）電話(huà)機(jī)中的應(yīng)用

楊鐘立 沈立群

江蘇省常州市江南交通機(jī)電設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213002

數(shù)字信號(hào)處理（英語(yǔ)：DSP，Digital Signal Process）是將信號(hào)以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)，具有運(yùn)算速度快、可以并行執(zhí)行多個(gè)操作等特點(diǎn)，是電話(huà)抗噪聲器件的關(guān)鍵元件。通過(guò)分析煤礦井下高噪聲環(huán)境的各種噪聲產(chǎn)生原因與噪聲的成分及特點(diǎn)，提出了該環(huán)境下的電話(huà)抗噪聲設(shè)計(jì)原則，結(jié)合美國(guó)Fortemedia公司的新一代數(shù)字DSP芯片的應(yīng)用，闡述了設(shè)計(jì)煤礦井下本安抗噪聲電話(huà)機(jī)研發(fā)的思路及過(guò)程。

穩(wěn)態(tài)噪音；分貝（dB）；數(shù)字信號(hào)處理器；DSP

國(guó)內(nèi)目前井下有線(xiàn)通訊用的防爆電話(huà)機(jī)主要是以本安型電話(huà)機(jī)為主，這類(lèi)產(chǎn)品使用廣泛，外形多樣，外殼材料主要由ABS塑料、DMC增強(qiáng)聚脂制造，代表產(chǎn)品如常州市江南交通機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的KTH15本質(zhì)安全型自動(dòng)電話(huà)機(jī)。從技術(shù)上分析，這類(lèi)電話(huà)機(jī)多采用傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)，作為普通的通訊終端，性能穩(wěn)定，價(jià)格適中，為廣大用戶(hù)所接受，但對(duì)于一些大型煤礦井下的高噪聲特殊作業(yè)場(chǎng)所，由于受強(qiáng)噪聲影響，通話(huà)質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)明顯下降，曾有企業(yè)使用物理降噪原理的送話(huà)器制造抗噪聲話(huà)機(jī)，由于產(chǎn)品密封性比較差，投放市場(chǎng)后暴露出許多問(wèn)題，歸納起來(lái)有如下幾個(gè)方面：（1）抗噪聲性能只能在90分貝以下，恰效果有限，成本較高。（2）產(chǎn)品密封性比較差，在井下潮濕情況下送話(huà)器很容易失效，維修困難。由于上述問(wèn)題的存在，使產(chǎn)品可靠性不高，性?xún)r(jià)比低，基本沒(méi)有被用戶(hù)接受[1]。因此，從各方面改進(jìn)本安型抗噪聲電話(huà)機(jī)質(zhì)量，提高其性能是當(dāng)務(wù)之急。我們通過(guò)對(duì)全國(guó)主要產(chǎn)煤大省山西、河北、河南、山東、內(nèi)蒙、寧夏、安徽七省26個(gè)礦業(yè)集團(tuán)的120多個(gè)煤礦抽樣調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些礦每年平均需用各類(lèi)本安電話(huà)機(jī)2～萬(wàn)臺(tái)，而普通本安話(huà)機(jī)的用量占總用量的90%以上。由于普通話(huà)機(jī)技術(shù)門(mén)檻低，各種廉價(jià)產(chǎn)品偽劣假冒產(chǎn)品充斥市場(chǎng)。如果能研制一種具有優(yōu)越的抗噪聲性能，使得通話(huà)質(zhì)量大幅提升，性?xún)r(jià)比高，能為用戶(hù)接受的礦用本安型數(shù)字抗噪聲電話(huà)機(jī)作為替代升級(jí)產(chǎn)品，應(yīng)該有較為廣闊的市場(chǎng)前景[2]。

1 煤礦井下噪聲源的分布及主要特點(diǎn)

煤礦井下高噪聲場(chǎng)所主要是掘進(jìn)工作面，采煤工作面，水泵房等，主要的噪聲源為采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水錘、輸送部分的皮帶機(jī)頭、給煤機(jī)等，在這些設(shè)備啟動(dòng)的1～5m范圍內(nèi)測(cè)得的噪聲等級(jí)通常在90～120dB。頻率范圍分布在200Hz～5000Hz，覆蓋了一般人講話(huà)的全部頻率。由于煤礦井下的環(huán)境相對(duì)封閉，其設(shè)備發(fā)出的噪音會(huì)經(jīng)狹窄的工作面多次反射，因此形成連續(xù)的寬頻混合噪音是井下噪聲的主要特點(diǎn)，我們稱(chēng)之為穩(wěn)態(tài)噪音。通過(guò)表一我們可以直觀(guān)的看到語(yǔ)音信號(hào)與井下主要設(shè)備噪聲的分布完全重疊且被覆蓋。

圖1 語(yǔ)音與設(shè)備噪聲的分布

2 基于DSP芯片的數(shù)字降噪聲原理及煤礦井下本安話(huà)機(jī)的設(shè)計(jì)要求

數(shù)字信號(hào)處理（英語(yǔ)：DSP，Digital Signal Process）是將信號(hào)以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)，DSP器件具有運(yùn)算速度快、可以并行執(zhí)行多個(gè)操作等特點(diǎn)，一些專(zhuān)用DSP芯片是為特定的DSP運(yùn)算而設(shè)計(jì)的，更適合特殊的需求，如數(shù)字濾波、卷積和FFT等，語(yǔ)音處理DSP芯片綜合了多種自適應(yīng)濾波器的優(yōu)化算法，特別適用于語(yǔ)音信號(hào)的快速數(shù)字化處理，利用這些算法可以將模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換來(lái)的數(shù)字量中對(duì)應(yīng)的噪聲成分充分過(guò)濾，并且利用數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行各種語(yǔ)音分量的優(yōu)化，如回聲消除、頻率均衡、增益調(diào)節(jié)、增益自動(dòng)控制等等，下圖表二為經(jīng)過(guò)頻率參數(shù)配置后的DSP語(yǔ)音信號(hào)輸出的幅頻特性曲線(xiàn)，因此DSP芯片在目前的移動(dòng)通訊設(shè)備中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，人們可以很直觀(guān)的感受到在紛亂噪雜的環(huán)境中移動(dòng)設(shè)備的語(yǔ)音通訊質(zhì)量較早期的產(chǎn)品有了本質(zhì)的改善，這就是新一代DSP芯片強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力所致[3]。

煤礦井下由于其特殊的環(huán)境，設(shè)備必須首先符合爆炸環(huán)境下的要求，符合GB3836防爆國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電話(huà)沒(méi)終端不能像地面設(shè)備一樣配置較。

圖2 SP語(yǔ)音信號(hào)輸出幅頻特性曲線(xiàn)

大容量的電池，通常是由礦用安全耦合器提供的饋電來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)設(shè)備，工作電壓與電流都必須受到限制，所以如何在這樣的條件下設(shè)計(jì)出既滿(mǎn)足本安要求、又滿(mǎn)足通訊距離等各項(xiàng)話(huà)機(jī)電聲傳輸性能要求的數(shù)字型本安抗噪聲電話(huà)機(jī)，關(guān)鍵在如何選擇性能優(yōu)良，功耗極低的DSP芯片及芯片的嵌入方式[4]。目前專(zhuān)用的語(yǔ)音數(shù)字DSP處理芯片有日本OKI、美國(guó)Fortemedia、Zarlink及中國(guó)臺(tái)灣等世界著名的半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，通過(guò)詳細(xì)的性能比較及大量的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，我們最終選擇了美國(guó)Fortemedia公司的新一代數(shù)字DSP芯片，其典型的工作電壓低至1.8V，功耗極低、功能豐富、性能優(yōu)良。

經(jīng)過(guò)一系列電路的設(shè)計(jì)優(yōu)化，我們最終完成了礦用本安型數(shù)字抗噪聲電話(huà)機(jī)的設(shè)計(jì)，包括全封閉的手柄、話(huà)機(jī)外殼，防護(hù)能力應(yīng)達(dá)到IP54[5]。話(huà)機(jī)的語(yǔ)音清晰度在100dB的噪聲環(huán)境下大于90%；經(jīng)過(guò)DSP芯片處理后話(huà)機(jī)的發(fā)送頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，在300～3400Hz的頻率范圍內(nèi)完全符合GB/T 15279—2002自動(dòng)電話(huà)機(jī)技術(shù)條件所規(guī)定的要求；樣機(jī)經(jīng)過(guò)國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測(cè)，KTH15（A）礦用，本安電話(huà)機(jī)（數(shù)字抗噪聲型）已經(jīng)取得了包括ExibI Mb防爆標(biāo)志（防爆合格證：CCCMT13.0783）；煤礦安全標(biāo)志MA（安全標(biāo)志編號(hào)：FAH140013）、金屬非金屬礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志KA（安全標(biāo)志編號(hào)：KHA140001）等一系列認(rèn)證[6]。

圖3 發(fā)送頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)

3 總結(jié)

（1）采用先進(jìn)的超低電壓、超低功耗、全數(shù)字DSP動(dòng)態(tài)降噪技術(shù)（由于話(huà)機(jī)本身為無(wú)源設(shè)備）。

（2）新型可靠的全密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）在環(huán)境噪聲100dB的情況下，語(yǔ)音清楚度大于95%，處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

（4）使用的壽命超過(guò)市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品，目前的普通本安抗噪聲話(huà)機(jī)在井下連續(xù)正常使用而不出故障的平均時(shí)間不超過(guò)6個(gè)月。新開(kāi)發(fā)的全密封本安數(shù)字抗噪聲話(huà)機(jī)使這段時(shí)間增加到一年以上。

[1]雷柏偉，吳兵，程根銀，等.煤礦井下主要設(shè)備噪聲源測(cè)定分析研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7（1）：72-75.

[2]自動(dòng)電話(huà)機(jī)技術(shù)條件：GBT15279—2002[S].

[3]爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備：GB3836.4—2010[S].

[4]趙麗，邢瀟，劉澤華.基于DSP和ARM的便攜式腦電信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014（9）：2981-2982.

[5]黃培.基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的智能流量計(jì)儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].辦公自動(dòng)化：學(xué)術(shù)版，2015（10）：49-51.

[6]張奇，謝宗武，劉宏，等.基于無(wú)源性理論的柔性關(guān)節(jié)控制器設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人，2013，35（1）：23-31.

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