DSP語音處理芯片——在KTH15（A）礦用本安型（數(shù)字抗噪聲）電話機中的應(yīng)用

楊鐘立 沈立群

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DSP語音處理芯片——在KTH15（A）礦用本安型（數(shù)字抗噪聲）電話機中的應(yīng)用

楊鐘立 沈立群

江蘇省常州市江南交通機電設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213002

數(shù)字信號處理（英語：DSP，Digital Signal Process）是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)，具有運算速度快、可以并行執(zhí)行多個操作等特點，是電話抗噪聲器件的關(guān)鍵元件。通過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，提出了該環(huán)境下的電話抗噪聲設(shè)計原則，結(jié)合美國Fortemedia公司的新一代數(shù)字DSP芯片的應(yīng)用，闡述了設(shè)計煤礦井下本安抗噪聲電話機研發(fā)的思路及過程。

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

國內(nèi)目前井下有線通訊用的防爆電話機主要是以本安型電話機為主，這類產(chǎn)品使用廣泛，外形多樣，外殼材料主要由ABS塑料、DMC增強聚脂制造，代表產(chǎn)品如常州市江南交通機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的KTH15本質(zhì)安全型自動電話機。從技術(shù)上分析，這類電話機多采用傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)，作為普通的通訊終端，性能穩(wěn)定，價格適中，為廣大用戶所接受，但對于一些大型煤礦井下的高噪聲特殊作業(yè)場所，由于受強噪聲影響，通話質(zhì)量會出現(xiàn)明顯下降，曾有企業(yè)使用物理降噪原理的送話器制造抗噪聲話機，由于產(chǎn)品密封性比較差，投放市場后暴露出許多問題，歸納起來有如下幾個方面：（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器很容易失效，維修困難。由于上述問題的存在，使產(chǎn)品可靠性不高，性價比低，基本沒有被用戶接受[1]。因此，從各方面改進本安型抗噪聲電話機質(zhì)量，提高其性能是當(dāng)務(wù)之急。我們通過對全國主要產(chǎn)煤大省山西、河北、河南、山東、內(nèi)蒙、寧夏、安徽七省26個礦業(yè)集團的120多個煤礦抽樣調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些礦每年平均需用各類本安電話機2～萬臺，而普通本安話機的用量占總用量的90%以上。由于普通話機技術(shù)門檻低，各種廉價產(chǎn)品偽劣假冒產(chǎn)品充斥市場。如果能研制一種具有優(yōu)越的抗噪聲性能，使得通話質(zhì)量大幅提升，性價比高，能為用戶接受的礦用本安型數(shù)字抗噪聲電話機作為替代升級產(chǎn)品，應(yīng)該有較為廣闊的市場前景[2]。

1 煤礦井下噪聲源的分布及主要特點

煤礦井下高噪聲場所主要是掘進工作面，采煤工作面，水泵房等，主要的噪聲源為采煤機、掘進機、除塵風(fēng)機、通風(fēng)機、水錘、輸送部分的皮帶機頭、給煤機等，在這些設(shè)備啟動的1～5m范圍內(nèi)測得的噪聲等級通常在90～120dB。頻率范圍分布在200Hz～5000Hz，覆蓋了一般人講話的全部頻率。由于煤礦井下的環(huán)境相對封閉，其設(shè)備發(fā)出的噪音會經(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，我們稱之為穩(wěn)態(tài)噪音。通過表一我們可以直觀的看到語音信號與井下主要設(shè)備噪聲的分布完全重疊且被覆蓋。

圖1 語音與設(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機的設(shè)計要求

數(shù)字信號處理（英語：DSP，Digital Signal Process）是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)，DSP器件具有運算速度快、可以并行執(zhí)行多個操作等特點，一些專用DSP芯片是為特定的DSP運算而設(shè)計的，更適合特殊的需求，如數(shù)字濾波、卷積和FFT等，語音處理DSP芯片綜合了多種自適應(yīng)濾波器的優(yōu)化算法，特別適用于語音信號的快速數(shù)字化處理，利用這些算法可以將模擬語音信號轉(zhuǎn)換來的數(shù)字量中對應(yīng)的噪聲成分充分過濾，并且利用數(shù)字化的優(yōu)勢進行各種語音分量的優(yōu)化，如回聲消除、頻率均衡、增益調(diào)節(jié)、增益自動控制等等，下圖表二為經(jīng)過頻率參數(shù)配置后的DSP語音信號輸出的幅頻特性曲線，因此DSP芯片在目前的移動通訊設(shè)備中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，人們可以很直觀的感受到在紛亂噪雜的環(huán)境中移動設(shè)備的語音通訊質(zhì)量較早期的產(chǎn)品有了本質(zhì)的改善，這就是新一代DSP芯片強大的運算處理能力所致[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防爆國家標(biāo)準(zhǔn)，電話沒終端不能像地面設(shè)備一樣配置較。

圖2 SP語音信號輸出幅頻特性曲線

大容量的電池，通常是由礦用安全耦合器提供的饋電來驅(qū)動整個設(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)計出既滿足本安要求、又滿足通訊距離等各項話機電聲傳輸性能要求的數(shù)字型本安抗噪聲電話機，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]。目前專用的語音數(shù)字DSP處理芯片有日本OKI、美國Fortemedia、Zarlink及中國臺灣等世界著名的半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，通過詳細的性能比較及大量的實驗室試驗，我們最終選擇了美國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)過一系列電路的設(shè)計優(yōu)化，我們最終完成了礦用本安型數(shù)字抗噪聲電話機的設(shè)計，包括全封閉的手柄、話機外殼，防護能力應(yīng)達到IP54[5]。話機的語音清晰度在100dB的噪聲環(huán)境下大于90%；經(jīng)過DSP芯片處理后話機的發(fā)送頻率響應(yīng)特性曲線見圖3，在300～3400Hz的頻率范圍內(nèi)完全符合GB/T 15279—2002自動電話機技術(shù)條件所規(guī)定的要求；樣機經(jīng)過國家權(quán)威機構(gòu)的檢測，KTH15（A）礦用，本安電話機（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：FAH140013）、金屬非金屬礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志KA（安全標(biāo)志編號：KHA140001）等一系列認證[6]。

圖3 發(fā)送頻率響應(yīng)特性曲線

3 總結(jié)

（1）采用先進的超低電壓、超低功耗、全數(shù)字DSP動態(tài)降噪技術(shù)（由于話機本身為無源設(shè)備）。

（2）新型可靠的全密封結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（3）在環(huán)境噪聲100dB的情況下，語音清楚度大于95%，處于國內(nèi)先進水平。

（4）使用的壽命超過市場上現(xiàn)有產(chǎn)品，目前的普通本安抗噪聲話機在井下連續(xù)正常使用而不出故障的平均時間不超過6個月。新開發(fā)的全密封本安數(shù)字抗噪聲話機使這段時間增加到一年以上。

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

[2]自動電話機技術(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的便攜式腦電信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2014（9）：2981-2982.

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

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

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