摘要：針對煤礦井下語音通信速率低，帶寬小，音質(zhì)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(jié)果表明，語音的壓縮速率模式2 400 b／s時，音質(zhì)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(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(zhì)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(zhì)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(shù)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(zhì)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(zhì)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(nèi)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(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(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(zhì)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(shù)——RALCWI技術(shù)，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(shù)，與其他語音編解碼技術(shù)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(zhì)量。在聲碼器中，采用RALCWI技術(shù)實現(xiàn)的語音質(zhì)量與編碼位速率在4 kb／s以上的標準聲碼器話音質(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。
2．2 芯片特點
    CMX618具有以下主要特性：長話級音質(zhì)魯棒先進的低復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)包壓縮時間長度分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，可選擇前向糾錯(FEC)解碼器對輸入編碼后的語音位流(216 b／60 ms或288 b／80 ms的數(shù)據(jù)包)進行解交織和信道解碼，生成糾錯后的編碼語音位速率為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。當使用FEC解碼器時，可利用“軟決策”方法增強解碼功能，減小誤碼的產(chǎn)生。內(nèi)部含有一個集成的語音壓縮／解壓器(CO-DEC)，實現(xiàn)模擬語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)部的寄存器來實現(xiàn)，簡單方便。具有非連續(xù)發(fā)送檢測(DTX)、舒適噪聲生成器(CNG)、語音激活檢測(VAD)和雙音多頻信號檢測(DTMF)的檢測和產(chǎn)生等輔助功能，使語音性能達到最佳。
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、前向糾錯編解碼器和其他特殊功能模塊幾部分組成。
    編碼時，輸入的模擬語音首先要經(jīng)過音頻壓縮／解壓器(CODEC)模塊，進行調(diào)節(jié)增益、A／D轉(zhuǎn)換、濾波和壓縮處理，然后進入編碼器中開始編碼。編碼后，如果選擇使用前向糾錯(FEC)功能，則會對編碼進行糾錯處理，盡量消除誤碼。編碼后的語音數(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)字語音，進入解碼器(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(DTX)、語音激活檢測(VAD)或雙音多頻信號檢測(DTMF)時可以通過SPI口來實現(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。當端口CSEL輸入低電平時，即選擇使用外部語音解碼器(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輸出分別使能和復位片外的CODEC；當CSEL輸入高電平時，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，可有效實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號及數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程。主機通過控制總線C-BUS接口配置內(nèi)部寄存器，實現(xiàn)不同功能；端口SYNC使主機與CMX618同步；語音壓縮編碼器將源信號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，恢復源信號；如果使用FEC功能，開關(guān)則選擇前向糾錯編碼器和解碼器，兩者加入到數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮過程中：STD／DTMF管理模塊提供語音信號的特殊處理功能，實現(xiàn)單音或雙音檢測，提高語音壓縮和解壓質(zhì)量。

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

    由圖3可以看出電路比較簡單，元件較少，需要注意的是MIC為差分信號，在PCB的布線時應注意等長走線，另外供電的電源芯片也應使用紋波較小的穩(wěn)壓芯片供電，例如LP2985，數(shù)字電源應該和模擬電源分開。輸出可以直接驅(qū)動阻抗為32 Ω的揚聲器。
    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)的同時會收到數(shù)據(jù)，而C-BUS總線則是先發(fā)命令再進行數(shù)據(jù)的接收，所以我們可以通過SPI口來與CMX618進行數(shù)據(jù)交換，在只發(fā)送命令時只需要把SPI口接收到的數(shù)據(jù)丟棄即可，在接收數(shù)據(jù)時微處理器只需要通過SPI口發(fā)送十六進制數(shù)OXFF收取讀到的數(shù)據(jù)即可。
    另外整個系統(tǒng)得以實現(xiàn)的另一個關(guān)鍵是通信接口的設計，因要實現(xiàn)無主機的通信，也就是對等的通信，所以選擇CAN總線通信，CAN總線的最大的特點就是各個節(jié)點是對等的，任意節(jié)點都可以進行通信的發(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)建長距離的無主機通信系統(tǒng)。

4 軟件實現(xiàn)
    軟件的設計主要包括，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，初始化，編碼，解碼，軟件流程圖。

5 實驗
    實驗如圖8所示，試驗中，采用的語音通信系統(tǒng)由多臺語音分站構(gòu)成，由于試驗場地等各方面的影響，采用了5臺語音分站來模擬井下的語音通信系統(tǒng)。實驗分為計算機廣播方式，語音分站主機呼叫計算機，語音分站呼叫另一個語音分站以及語音分站呼叫多臺語音分站，并分別測試語音的音質(zhì)，速率，故障點。

    從表1可以看出，采用RALCWI的語音通信分站，基本滿足了無主機通信設計的要求，以各種形式的通信測試基本成功，音質(zhì)在可以接受的范圍內(nèi)，在語音分站呼叫多臺語音分站的試驗中，有故障點出現(xiàn)，這是由于語音分站與語音分站之間的總線競爭造成的，系統(tǒng)還有待于進一步的提高。

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