基于自適應(yīng)算法的煤礦通信系統(tǒng)語音網(wǎng)關(guān)研究

趙忠軍

(攀枝花煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 機(jī)運(yùn)部， 四川 攀枝花 617066)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，煤礦通信系統(tǒng)形成了特有的語音擴(kuò)播系統(tǒng)，但與其他通信系統(tǒng)相互獨(dú)立，并且傳播距離也有限，性能與通話質(zhì)量不理想[1-3]. 因此，提出了煤礦通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)語音網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案，將各個(gè)通信系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，以克服傳統(tǒng)語音擴(kuò)播系統(tǒng)傳輸距離短、通話質(zhì)量差等問題。

1 語音網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

1.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)

煤礦現(xiàn)行的通信方式有多種，常見的有CAN總線、RS-485總線還有工業(yè)以太網(wǎng)，方式各有利弊，要在語音通信中只使用一種是非常困難的，在連接各種規(guī)范時(shí)會(huì)涉及物理、電氣等的連接問題，這也是網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)互聯(lián)所需要解決的問題[4].

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組成：1) 物理方面：主要指的是硬件組成。2) 電氣方面：主要指硬件工作所需的電壓等級(jí)和形式。3) 邏輯方面：主要指如何使用傳輸控制字符。4) 過程方面：主要指數(shù)據(jù)傳輸?shù)南群箜樞颍约案鱾€(gè)部分的命令和應(yīng)答，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的互聯(lián)需要從這4方面入手，根據(jù)各自協(xié)議的特點(diǎn)，使得不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在邏輯與過程上協(xié)調(diào)工作就可以解決不同協(xié)議之間的互聯(lián)。

網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)充當(dāng)不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換機(jī)，通過包含不同協(xié)議與操作信息的接口與用各自協(xié)議的設(shè)備相連接，參考ISO/OSI模型，為了實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)應(yīng)在協(xié)議的最高層應(yīng)用層完成數(shù)據(jù)的交互[5]，網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)模型見圖1.

圖1 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)模型圖

1.2 VoIP簡(jiǎn)介及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)以太網(wǎng)是現(xiàn)如今應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有應(yīng)用廣泛、通信速率高、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蠛瓦m應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因此將以太網(wǎng)作為網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換其他協(xié)議最終接入的方式。

VoIP是將模擬的聲音經(jīng)過轉(zhuǎn)化變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量，再在網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng))上以數(shù)據(jù)包的形式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸[6].

1) VoIP的傳輸過程。

VoIP首先將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后壓縮成UDP數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸，接入IP網(wǎng)絡(luò)之后轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，達(dá)到目的地后進(jìn)行逆向轉(zhuǎn)化，見圖2.

圖2 語音傳輸示意圖

2) VoIP的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU-T)制定了H.32x多媒體通信系列協(xié)議，下面就其中主要幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)做簡(jiǎn)單說明：

H.320，在窄帶可視電話系統(tǒng)和終端(N-ISDN)上進(jìn)行多媒體通信的標(biāo)準(zhǔn)。

H.321，在B-ISDN上進(jìn)行多媒體通信的標(biāo)準(zhǔn)。

H.322，在有QoS保證的局域網(wǎng)上進(jìn)行多媒體通信的標(biāo)準(zhǔn)。

H.323，在無QoS保證的包交換網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行多媒體通信的標(biāo)準(zhǔn)。

H.324，在低比特率通信終端(PSTN和無線網(wǎng)絡(luò))上進(jìn)行多媒體通信的標(biāo)準(zhǔn)。

礦井的語音通信系統(tǒng)是在自身的局域網(wǎng)中進(jìn)行工作，因此采用H.322標(biāo)準(zhǔn)，為了保證語音通話的質(zhì)量和語音傳輸?shù)臏?zhǔn)確性對(duì)VoIP的QoS參數(shù)做如下要求：丟包率<0.01；抖動(dòng)<30 ms；傳輸延遲<160 ms.

1.3 語音網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的構(gòu)成

語音網(wǎng)關(guān)要實(shí)現(xiàn)將不同協(xié)議的語音系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于CAN總線、RS-485總線的接口和以太網(wǎng)的接口，同時(shí)還需要存儲(chǔ)模塊作為數(shù)據(jù)緩沖，用以調(diào)整總線與以太網(wǎng)的傳輸速度差，為了得到較好的語音通信，添加了語音處理模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3.

圖3 語音網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 基于自適應(yīng)能量檢測(cè)算法的靜音檢測(cè)技術(shù)

2.1 靜音檢測(cè)簡(jiǎn)介

靜音檢測(cè)又稱為VAD(Voice Activity Detection)，主要應(yīng)用于語音通話中檢測(cè)和消除靜音，清除無效數(shù)據(jù)，減少網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臒o效數(shù)據(jù)包，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞。包含靜音檢測(cè)的語音通信模型見圖4.

圖4 包含靜音檢測(cè)的語音通信模型圖

語音通話分為靜音部分和語音部分，語音部分才是系統(tǒng)的有效部分，但對(duì)于系統(tǒng)來說這兩部分都需要編碼、處理和傳輸，這樣既浪費(fèi)了帶寬又增加了系統(tǒng)工作量，通過加入靜音檢測(cè)機(jī)制可以將靜音部分識(shí)別消除，提高系統(tǒng)帶寬利用率。

2.2 基于自適應(yīng)能量檢測(cè)算法的靜音檢測(cè)技術(shù)

能量檢測(cè)算法是依據(jù)語音信號(hào)與靜音噪聲信號(hào)所含的能量不同，兩者相比能量大的為語音信號(hào)，另外的為靜音信號(hào)[7].

信號(hào)每幀能量為：

當(dāng)Ej>kEy時(shí)第j幀為語音，其他為靜音。k的值根據(jù)具體情況確定，Ey為能量閾值。

由于通話環(huán)境隨機(jī)變化所以能量閾值不能一成不變，因此在能量閾值的確定上引入自適應(yīng)能量閾值：

Eyn=(1-p)Ey+pEs

式中，p為加權(quán)值，取值為0

σ=var(Es)

設(shè)σnew和σold分別表示井下語音前后幀的噪聲能量，若σnew>σold，則表示采集語音背景噪聲能量有較大的變化。因此，p可以由σnew和σold比值來決定。σ變化時(shí)p的取值見表1.

能量檢測(cè)算法可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出靜音，算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中利于實(shí)現(xiàn)，算法流程見圖5.

表1 p取值表

圖5 能量檢測(cè)算法流程圖

3 基于自適應(yīng)濾波器的回聲消除技術(shù)

影響語音通信質(zhì)量的最大因素就是回聲，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，噪聲多，且巷道狹窄，極易造成各種噪聲回聲，這些回聲通過以太網(wǎng)形成電氣回聲，對(duì)整個(gè)語音通信系統(tǒng)形成影響，為了達(dá)到理想的通信質(zhì)量，采用了基于自適應(yīng)濾波器算法的回聲消除技術(shù)。

3.1 回聲消除器原理

AEC(Acoustic Echo Canceller)聲學(xué)回聲消除器，具有高性能的回聲消除技術(shù)在各種網(wǎng)絡(luò)通信語音系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，該次設(shè)計(jì)也采用AEC.

AEC基本原理見圖6.

圖6 回聲消除器原理圖

3.2 自適應(yīng)濾波器

自適應(yīng)濾波器由兩部分構(gòu)成，分別為自適應(yīng)算法和可調(diào)參數(shù)的濾波器，其中自適應(yīng)算法起到?jīng)Q定性作用，該次改進(jìn)自適應(yīng)濾波器主要是在算法上改進(jìn)[8-10]. 結(jié)構(gòu)原理圖見圖7.

圖7 自適應(yīng)濾波器原理圖

LMS是在信號(hào)處理、模式識(shí)別等領(lǐng)域的經(jīng)典算法，迭代公式為：

w(n)+2ue(n)x(n)

但這種經(jīng)典算法的缺點(diǎn)是因子u恒定，不能滿足動(dòng)態(tài)環(huán)境的要求，因此提出通過增加歸一化因子來改變因子u的長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LMS算法的改進(jìn):

式中，r、u取值為(0,2). 由此可得改進(jìn)后的算法為：

4 語音網(wǎng)關(guān)性能測(cè)試

利用MATLAB軟件對(duì)改進(jìn)后的回聲消除算法進(jìn)行模擬測(cè)試，方法如下：

1) 采集攀枝花煤業(yè)集團(tuán)太平煤礦1153工作面上隅角一段語音vo1.wav.

2) 將vo1.wav通過傳統(tǒng)算法和改進(jìn)算法后的AEC算法進(jìn)行MATLAB仿真，并對(duì)比兩者結(jié)果。

MATLAB仿真結(jié)果見圖8，回聲返回衰減增益(ERLE)是一種表現(xiàn)回聲消除效果的指標(biāo)，計(jì)算公式為：

圖8 仿真結(jié)果圖

由圖8可知，改進(jìn)后的回聲消除效果有明顯地提升。

5 結(jié) 論

1) 利用異構(gòu)互聯(lián)技術(shù)可以將煤礦井下不同協(xié)議的通信系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)，通過上位機(jī)統(tǒng)一管理，提高礦井生產(chǎn)、調(diào)度的效率。

2) 在網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)中加入自適應(yīng)靜音檢測(cè)機(jī)制和改進(jìn)自適應(yīng)濾波器算法的回聲消除模塊可以提高帶寬利用率，提升整個(gè)語音通信系統(tǒng)運(yùn)行效率，同時(shí)可以保證語音通信的通話質(zhì)量和提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。