礦用膠帶輸送機擴音電話音頻電路的優化設計

楊 陽

（江蘇聯合職業技術學院 南京分院,南京 210037）

0 引言

通信聯絡系統是煤礦應急避險“六大系統” 之一，在煤礦生產管理、安全決策、搶險救災等方面起到了舉足輕重的作用[1][2],其可分為調度交換機系統、井下移動通信系統和工作面擴音電話系統三部分[3]。礦用本質安全型組合擴音電話，適用于煤礦井下有瓦斯、煤塵爆炸危險的環境，用于膠帶輸送機沿線拉線急停閉鎖保護和通話。擴音電話主要有模擬式與數字式兩類，雖然采用模擬方式傳輸話音信號的擴音電話，其音質及可擴展性比不上“礦用IP 網絡廣播對講系統”的“數字電話”，但其使用簡單，穩定可靠，具有較強的抗災變能力，具有不可替代性[4][5]。因而，目前煤礦井下使用的大部分擴音電話是模擬式系統，但模擬信號在傳輸時存在疊撕噪聲，隨著通信距離的增加以及模擬中繼的使用，噪聲會發生累積，使信噪比惡化，存在著實時性差和音量小等問題[6]。

本文主要根據實際需要，針對傳統的“模擬式”擴音電話的音頻電路進行了改進設計：為滿足應用場景下的故障報警和語音通話需求，語音對講需選用開放擴播方式；為簡化工程實施同時提高系統的可靠性，擴音電話設計采用單線串聯方式；為保證可以進行4 千米以上的音頻線路傳輸，設計合適的程控放大電路。最終在擴音電話音頻電路上加入合理的側音消除、低通濾波、音頻AGC 電路等語音處理設計，并起到了良好的處理效果，使其具有傳輸距離遠，抗干擾能力強、成本低廉、性能可靠的優點。

圖1 擴音電話內部音頻線路主要構成

1 擴音電話基本原理

膠帶輸送機沿線每隔200 米放置一部“組合擴音電話”，每一部“擴音電話”都有一個通話按鈕，有的還具有打點按鈕，一般和“閉鎖開關”聯合使用。

正常運行情況下，電話處于接收狀態，若需要喊話，工作人員需按住通話按鈕，對著麥克風拾音孔喊話，聲音通過麥克風轉換為音頻信號，然后傳輸給整個系統沿線的所有擴音電話進行擴音播放。喊話結束之后，放開通話按鈕，這樣就可以進行下一個通話。若需要打點，工作人員需按住打點按鈕，打點電路產生的聲音信號傳輸給整個系統沿線的所有擴音電話擴音播放。打點結束之后，打點按鈕彈起，電話恢復到擴播狀態[7]。

2 消側音電路設計

當按下“送話”按鈕SA2（圖1），拾音器接通到音頻信號采集電路，拾音器輸出的信號經放大處理后進入“消側音電路”，如圖2 所示：Vin1 為處理后的拾音器信號輸入端，該單端音頻信號幅值為300mV 左右，經過三極管電路處理為差分信號輸出，R1 和R7 的阻值可調節差分信號電壓幅值，R6 匹配合適的阻值保證三極管工作在合適的工作狀態。

調節R1、R7 阻值使音頻差分線路上拾音器信號幅值一致、極性相反，差分信號兩端并聯，拾音器采集到的音頻信號正負抵消，消除了輸出到功放、揚聲器的側音信號。

差分信號負端信號通過電壓跟隨器后經過音頻變壓器輸出到音頻傳輸線上，傳輸給其它擴音電話。

圖2 消側音電路

音頻傳輸線上的音頻信號經過音頻變壓器傳輸到差分信號線路負端，由于U2 組成的電壓跟隨器的隔離作用不會影響到之前的音頻電路，傳輸線上輸入的音頻信號不會被消減直接輸出到后面的功放、揚聲器。

本地“送話”按鈕的設計，可以保證在按鈕未按下時，拾音器未接入電路，從未保證本地揚聲器發出的聲音不會被拾音器采集傳輸至音頻線上，可以防引起回聲或嘯叫。

3 濾波電路設計

圖3 低通濾波電路

人耳可以聽到20HZ 到20KHZ 的音頻信號，音頻線經過長距離傳輸，會引入一些干擾波，為提高聲音質量，輸出后需接20KHz 二階巴特沃斯低通濾波器電路（圖3）。

二階巴特沃斯低通濾波器電路的截止頻率為：f=1/(2*3.14*R*C)

當R=6.8K，C=1nF 的時候，截止頻率f=23KHz。

當R=6.8K，C=2nF 的時候，截止頻率f=12KHz。

經過多次試驗發現：當圖3 中C6 取值2nF，C7取值1nF 時，對于音頻信號的濾波效果可達最佳。

4 音頻AGC 電路設計

膠帶輸送機皮帶沿線很長，一般可達4km，音頻信號在經過長距離傳輸難免有所衰減。這里我們采用單片機來采集峰值檢波電路的峰值電壓, 根據采集到的電壓選擇多路復用模擬開關的通道, 從而控制程控增益放大器的放大倍數，最終輸出給音頻功放。如圖4 所示：若單片機采集到的音頻峰值電壓為30mV 時，選擇放大器的放大倍數為10，即放大到300mv 后，輸出至功放，最終驅動揚聲器輸出，若單片機采集到的音頻峰值電壓為300mV 時，選擇放大器的放大倍數為1，輸出至功放，最終驅動揚聲器，輸出不小于95dB 的聲音。

圖4 音頻AGC 電路

5 結語

該電路優化設計已應用于設定應用場景的產品上，其結果表明效果良好，可有效消除通話側音、語音質量清晰，并保證遠近不同距離語音線路傳輸的可靠與穩定，可推廣適用于井下高噪聲遠距離多點串聯傳輸環境，保障煤礦安全生產。