煤礦通信聯絡系統語音網關的分析

王靜

摘 要：現在，煤礦事故發生比較頻繁，會給人們的生命和財產安全帶來很大的隱患，如果能夠在事故發生之前就能夠告知相關的人員，就可以防止事故發生給人們造成的危害。該文通過對語音系統進行介紹，并且能夠分析在礦井下CAN總線，而且能夠介紹語音網關的以太網的連接方式，此連接方式在事故發生的過程中能夠進行緊急的童話，從而能夠讓人們快速逃離事故現場。該文通過對煤礦語音通信系統的應用進行分析，在此基礎上，分析了語音網關的設計方法，而且能夠詳細的分析軟件和硬件，按照語音網關不同的使用環境，從而能夠在語音網關設計的過程中消除回聲，使用了靜音的檢測技術，從而能夠使語音的質量得以保證，而且不會消耗大量的帶寬。在對靜音檢測技術使用的過程中，在使用計算機算法的過程中，能夠對算法進行完善。在回音的消除中，能夠實現對不同端口語音的檢測，而且能夠運用GEIGEL的語音檢測技術來對語音獲取的狀態進行分析，從而能夠使語音更加得清晰。

關鍵詞：語音通信 回聲消除 靜音檢測 分析

中圖分類號：TD655 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0032-02

現在，我國經濟在不斷的發展，能源在經濟發展中占據很重要的地位。我國的石油和天然氣總量不足，但是，煤炭資源還是比較豐富的，根據我國的國情，我國要大力開采煤炭資源，在我國的消費中，煤炭能源的消費也是占絕大多數的。在國民經濟的生產過程中，煤炭的重要性是不言而喻的。我國是煤炭生產大國，同時也是煤炭消耗大國，我國在生產煤炭的過程中會出現很多的安全事故，導致人員的傷亡，所以，煤炭生產的安全也受到人們的高度重視。在促進煤炭生產安全的過程中，必須以技術為基礎，進行安全的管理。現在，煤礦的開采實現了信息化的管理手段，能夠確保煤礦高效安全的生產。

1 語音網關的關鍵技術分析

1.1 modbus協議分析

Modbus協議能夠分析消息的結構，是一種控制器，能夠實現對消息的識別，能夠實現對物理層的制定，對各個領域的消息進行格式的轉化，運用電子控制系統，從而能夠建立一個開放式的協議，這項協議具有通用性，任何的商家在使用這一設備的過程中都可以運用這種網絡通信方式。這項協議能夠實現各個設備的連接，從而能夠實現統一的網絡，使得控制器與控制器之間能夠實現良好的銜接。Modbus的協議一般是在模型的第七層，能夠實現不同層次的文件的傳輸。運用以太網的TCP/IP協議，而且能夠結合光纖燈等無線介質，從而實現高效率的數據傳輸。

Modbus的協議在通信的相關的介質上，能夠實現串行的數據傳輸方法，其數據傳輸的步驟是先向主機發送一個請求，然后，主機接收到請求后就會發出一個響應，然后將數據傳輸到主機上。當傳輸的介質存在一定的問題的時候，就會導致傳輸路徑發生變化，所以，在系統中需要使每一個節點都能夠保持一致，從而使系統能夠正常的傳輸數據。Modbus的傳輸協議如圖1所示。

Modbus在進行數據傳輸的過程中，其主要的方法有兩種，第一種是主機和其他計算機之間能夠形成單向的傳播，然后對所有的設備都能夠進行數據的傳播，其廣播的方式在發送地址的時候，呈現的數值是0，而且，所有的設備上都可以收到信息，但是，除了主機之外的其他設備并不對信息做出回應，采用這種方式能夠對所有設備的運行狀況進行查詢。主機對其他設備的查詢格式在設計的過程中一般都設計成功能代碼的形式。

在主機發送消息的過程中，應該將所有設備的地址都收集起來，然后就能夠形成一個完整的數據傳輸的系統，在主機地址填寫的過程中，應該分析消息的識別。Modbus系統在使用的過程中，必須使所有的節點都能夠接收到主機的地址，而且要對地址作出回應。如果其他設備在接收消息的過程中遇到了錯誤，那么主機就不能按照正確的指示來執行任務，所以，應該先完成錯誤的校驗工作，然后運用循環冗余的方法將錯誤消除。主機和其他設備的通信如圖2所示。

主機通過對相關的請求，能夠獲得數據，然后形成編碼的讀取寄存器，然后將主機讀取的內容以消息的形式傳輸到其他的設備上。Modbus在通信的過程中，信息是透明的，而且在通信的過程中，設備之間即使距離比較遠，也不會影響數據的傳輸質量，而且能夠實現總線與以太網之間的通信。

1.2 CAN總線的關鍵技術

CAN總線是現場總線的一種，最早是用于汽車的檢測的，其性能比較好，而且具有高度的可靠性，能夠運用于不同的領域，具有良好的發展前景。CAN總線技術是在OSI模型的基礎上建立起來的，其實現了多種形式的通信網絡的結合，在網上，可以運用任意的節點，在通信的過程中，形式非常靈活。這一協議是采用的分布式的網絡，能偶實現不同節點的同時訪問，而且，不同的節點在發送數據的過程中，都可以進行網絡的監聽，分析網絡是否在占用，如果網絡沒有沒占用，那么，在節點處就可以正常的發送數據。

CAN總線能夠實現廣播的數據共享，數據在交換的過程中也不復雜，通過標識的字符能夠分析出源站的地址，而且能夠分析出數據的地址。

2 靜音檢測技術及完善

2.1 靜音檢測技術的原理

在進行網絡數據傳輸的過程中，在數據傳輸的過程中會產生一定的錯誤，這些錯誤并不能按照原有的代碼排列，但是，對語音數據的匯總不會產生較大的影響，也不會影響語音的清晰度，所以，在通常情況下，都不會采取數據重新傳輸的問題。語音的傳輸在網絡上能夠提供安全的保障，但是，網絡繁忙的時候，就會造成語音數據的丟失。

在進行語音通信的時候，聲音是由靜音和話音兩個部分構成的，在多人交流的過程中，只有一個人是處于講話中的，其他人都處于靜默，所以，在對聲音進行編碼的過程中要分析聲音的形式，這給處理器帶來了一定的負擔，而且靜音信號也會占據帶寬，使數據傳輸的速度變慢。所以，在對靜音信號進行檢測的過程中，應該將靜音信號占據的帶寬轉讓給其他的數據，提高數據傳輸的效率。

靜音檢測又可以稱為話音活動檢測，在聲音信號的檢測中，將靜音信號挑選出來，然后清除，將那些無效的聲音信號去除，從而能夠將帶寬節省出來。在對靜音傳輸的方式進行分析的時候，應該減少網絡的擁擠，確保信息的通常。圖3為靜音檢測的模式。

在對信號進行預處理后，應該分析出有效的語音和無效的語音，對有效的語音進行編碼，對無效的語音刪除。

2.2 靜音檢測的算法原則

在語音通信系統中，進行靜音檢測的過程中，目的在于提高通信系統的傳輸效率。在語音系統中，都存在著有效的信號，所以，在語音通信中，應該分層分析靜音。在進行靜音檢測的過程中，都要采用一定的算法的，在制定算法的時候，也要堅持一定的原則，應該不能影響靜音檢測的質量，而且，在靜音檢測中，盡量不要進行延時操作，盡量降低算法的運算復雜程度，避免在運算的過程中發生錯誤，在運算時盡量運用軟件。在實際的操作過程中，系統的資源會存在不足的問題，所以，經營的檢測會存在緩沖，盡量減少靜音檢測緩沖的時間。在靜音檢測的時候，要控制好檢測的時間，一般都是將不同的語音幀儲存，以幀為單位。在檢測靜音的時候，不僅僅要制定好短暫靜音的檢測方法，而且應該分析好長時間靜音檢測的方法。靜音檢測的算法要分析噪音信號與語音信號的差別，然后通過軟件的方法，去除噪音。

2.3 完善的自適應能量檢測靜音算法

在運用能量檢測的方法進行靜音檢測時，這種方法雖然比較簡單，但是效果卻不是特別好，能夠清除一定的噪音，但是，在對語音信號檢測的時候不能進行全面地監測。基于自適應能量的檢測方法，這種方法即使是在資源有限的條件下也能夠進行檢測，提高了算法的適應能力。其主要步驟如圖4所示。

在靜音檢測算法完善的過程中，會將靜音檢測成話音，但是，在自適應的靜音檢測中，能夠提高檢測的精確度，會檢測的失誤能夠降低。自適應能量的靜音檢測的優點有很多，其能夠將原有的算法中的語音的采樣信號進行完善，原有的采樣信號是獨立的，其能夠實現采樣信號的連續，而且能夠改善語音信號，實現從頭到尾的語音信號的檢測。為了能夠在靜音檢測的過程中克服噪聲的影響，運用檢測的自適應能力，將信噪比作為一類變量，從而能夠提高靜音檢測的質量。為了能夠提高靜音檢測的質量，一般都是獲取200s以上的語音數據。

3 回聲消除技術原理和相關的算法分析

語音傳輸系統與IP網絡的傳輸存在一定的差異，其在傳輸的過程中會造成回聲，而且會造成多路的回聲，而且背景噪聲會出現高低不齊的問題，在實際的應用中，傳輸聲音的時候，也會帶有其他的數據，這些數據也會占用一定的帶寬。

所以，為了能夠更好的實現語音通信聯絡的及時性，在語音傳輸的過程中就要對回聲進行分析，這樣能夠使語音的傳輸比較及時，避免了語音傳輸的延遲，能夠提高帶寬的速率，使語音的質量能夠在一定程度上提高。

3.1 回聲產生的原因和消除機制

3.1.1 回聲的定義和產生的原因

回聲，是通過一定的碰撞，使聲音出現返回的現象，是聲波被反射后，人們通過聽覺器官感受到的。在人們的通話中，有些回聲是不易察覺的，這類回聲不會持續很長時間，而且沒有較高的電平，不會對通話的質量產生太的負面影響，例如在密閉的場所中說話就會產生聲音的反射。但是，還有一類回聲，具有較高的電平，而且會持續很長的時間，這種回聲會對通話造成影響，會導致通過傳輸的延時。礦井處于一個比較小的密閉空間中，在通話中，會有很多阻隔的物體，而且在礦井中環境比較復雜，不確定因素多，所以，會造成回聲問題，所以，要采取措施消除回聲。

語音信號在網絡的傳輸過程中，由于回聲產生的原因是不同的，所以，回聲也分為不同的形式，第一種是線路回聲，這種回聲出現在線路的轉換中，需要借助混合氣的轉換，如果各種混合氣的阻抗不能協調，在數據傳輸的過程中就會有大量的信號發生反射，產生回聲。還有一種回聲是一種物理現象，由于語音傳播的路徑是不同的，所以，經過多次的反射，就會造成不同的回聲。這兩種回聲在礦井中都會對通話造成一定的制約。

這兩種回聲都是一種寄生的信號，都會造成語音的延時，當延時的時間較小，人們可能聽不出來，但是，如果延時大于50ms，人們就會感覺到通話的不通暢。在語音的處理中，就要對延遲進行壓縮處理，一般來說，壓縮一幀能夠實現37ms的壓縮。在運用網絡進行數據傳輸的過程中，會存在很多不確定的因素，這些因素會影響語音傳輸的穩定性，會使語音出現波動的問題，而且語音會產生抖動。

3.1.2 消除回聲的方法

在對不同的回聲進行分析的基礎上，分析出由于物理原因引起的回聲會對語音通信造成更大的影響，所以，應該采取抑制的方法。

（1）周圍環境的處理。

在對回聲產生的原因進行分析的基礎上，能夠通過改善揚聲器，從而減小回聲，也可以對周圍的環境進行改善，在礦井中，設計一些吸音的材料，也可以設計襯墊的方法，都能夠減少聲音的反射。

（2）回聲抑制器。

這種方法是比較常見的抑制回聲的方法，在語音傳輸的路徑上，使語音形成損耗，這樣減弱了語音的強度，能夠在一定程度上削弱語音的反射能力，從而形成了一種非線性的回聲消除模式。這種方法能夠將語音控制在一定的分貝內，如果語音超出了范圍，就會對語音的強度進行削弱。

（3）聲學回聲消除器。

這種回聲消除器能夠對回聲的線路進行模擬，在語音的信號中能夠將回聲去除，能夠將回聲的強度進行估算，將話筒中的語音與揚聲器中的語音的強度值進行對比，從而使間接的回聲消除，在對回聲的數值進行估算的過程中，需要建立一個信號的模型，從而能夠分析回聲的路徑。

3.2 回聲消除器的關鍵技術

在回聲消除的過程，為了能夠達到更好的效果，應該建立自適應濾波器。自適應濾波器在回聲的消除中起到關鍵性作用，在對參數的選擇過程中發揮了重要的作用。在進行語音檢測的過程中，一定要分析自適應濾波器的狀態，然后進行靜音的檢測，能夠對長時間的靜音消除，從而能夠減少帶寬的使用量，使語音傳輸的效率更高。

在消除回聲的時候，選擇什么類型的自適應濾波器是很重要的，自適應濾波器由算法和數字濾波器構成。

在對自適應濾波器的參數進行調整的過程中，要分析形成誤差信號的原因，然后形成一個閉環的控制，自適應濾波器在消除回聲的時候能夠分析統計的特點，然后獲得最好的濾波的能力，然后能夠實現參數的自動化調節，分析信號在輸入后的變化。在對回聲路徑進行分析的過程中，回聲的聲波具有不規律的特征，所以，要通過運用自適應濾波器，從而完善可調節的參數。

4 結語

現在，我國的經濟發展迅速，經濟的發展主要是依靠能源的消耗，煤炭資源是我國經濟發展的支撐，我國煤炭開采的數量很多，也發生了很多安全事故，所以，在礦井中實現語音的高質量通信很有必要。CAN總線是現場總線的一種，最早是用于汽車的檢測的，其性能比較好，而且具有高度的可靠性，能夠運用于不同的領域，具有良好的發展前景。在靜音檢測算法完善的過程中，會將靜音檢測成話音，但是，在自適應的靜音檢測中，能夠提高檢測的精確度，檢測的失誤能夠降低。語音信號在網絡的傳輸過程中，由于回聲產生的原因是不同的，要分析回聲產生的機制，清除回聲。

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