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

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（數字抗噪聲）電話機中的應用

楊鐘立 沈立群

江蘇省常州市江南交通機電設備有限公司，江蘇 常州 213002

數字信號處理（英語：DSP，Digital Signal Process）是將信號以數字方式表示并處理的理論和技術，具有運算速度快、可以并行執行多個操作等特點，是電話抗噪聲器件的關鍵元件。通過分析煤礦井下高噪聲環境的各種噪聲產生原因與噪聲的成分及特點，提出了該環境下的電話抗噪聲設計原則，結合美國Fortemedia公司的新一代數字DSP芯片的應用，闡述了設計煤礦井下本安抗噪聲電話機研發的思路及過程。

穩態噪音；分貝（dB）；數字信號處理器；DSP

國內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，代表產品如常州市江南交通機電設備有限公司生產的KTH15本質安全型自動電話機。從技術上分析，這類電話機多采用傳統模擬電子技術，作為普通的通訊終端，性能穩定，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場所，由于受強噪聲影響，通話質量會出現明顯下降，曾有企業使用物理降噪原理的送話器制造抗噪聲話機，由于產品密封性比較差，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量，提高其性能是當務之急。我們通過對全國主要產煤大省山西、河北、河南、山東、內蒙、寧夏、安徽七省26個礦業集團的120多個煤礦抽樣調查，發現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。由于普通話機技術門檻低，各種廉價產品偽劣假冒產品充斥市場。如果能研制一種具有優越的抗噪聲性能，使得通話質量大幅提升，性價比高，能為用戶接受的礦用本安型數字抗噪聲電話機作為替代升級產品，應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、除塵風機、通風機、水錘、輸送部分的皮帶機頭、給煤機等，在這些設備啟動的1～5m范圍內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。由于煤礦井下的環境相對封閉，其設備發出的噪音會經狹窄的工作面多次反射，因此形成連續的寬頻混合噪音是井下噪聲的主要特點，我們稱之為穩態噪音。通過表一我們可以直觀的看到語音信號與井下主要設備噪聲的分布完全重疊且被覆蓋。

圖1 語音與設備噪聲的分布

2 基于DSP芯片的數字降噪聲原理及煤礦井下本安話機的設計要求

數字信號處理（英語：DSP，Digital Signal Process）是將信號以數字方式表示并處理的理論和技術，DSP器件具有運算速度快、可以并行執行多個操作等特點，一些專用DSP芯片是為特定的DSP運算而設計的，更適合特殊的需求，如數字濾波、卷積和FFT等，語音處理DSP芯片綜合了多種自適應濾波器的優化算法，特別適用于語音信號的快速數字化處理，利用這些算法可以將模擬語音信號轉換來的數字量中對應的噪聲成分充分過濾，并且利用數字化的優勢進行各種語音分量的優化，如回聲消除、頻率均衡、增益調節、增益自動控制等等，下圖表二為經過頻率參數配置后的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備中已經得到了廣泛的應用，人們可以很直觀的感受到在紛亂噪雜的環境中移動設備的語音通訊質量較早期的產品有了本質的改善，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境，設備必須首先符合爆炸環境下的要求，符合GB3836防爆國家標準，電話沒終端不能像地面設備一樣配置較。

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動整個設備，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字型本安抗噪聲電話機，關鍵在如何選擇性能優良，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體公司生產，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、性能優良。

經過一系列電路的設計優化，我們最終完成了礦用本安型數字抗噪聲電話機的設計，包括全封閉的手柄、話機外殼，防護能力應達到IP54[5]。話機的語音清晰度在100dB的噪聲環境下大于90%；經過DSP芯片處理后話機的發送頻率響應特性曲線見圖3，在300～3400Hz的頻率范圍內完全符合GB/T 15279—2002自動電話機技術條件所規定的要求；樣機經過國家權威機構的檢測，KTH15（A）礦用，本安電話機（數字抗噪聲型）已經取得了包括ExibI Mb防爆標志（防爆合格證：CCCMT13.0783）；煤礦安全標志MA（安全標志編號：FAH140013）、金屬非金屬礦用產品安全標志KA（安全標志編號：KHA140001）等一系列認證[6]。

圖3 發送頻率響應特性曲線

3 總結

（1）采用先進的超低電壓、超低功耗、全數字DSP動態降噪技術（由于話機本身為無源設備）。

（2）新型可靠的全密封結構設計。

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

（4）使用的壽命超過市場上現有產品，目前的普通本安抗噪聲話機在井下連續正常使用而不出故障的平均時間不超過6個月。新開發的全密封本安數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.煤礦井下主要設備噪聲源測定分析研究[J].中國安全生產科學技術，2011，7（1）：72-75.

[2]自動電話機技術條件：GBT15279—2002[S].

[3]爆炸性環境第4部分：由本質安全型“i”保護的設備：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的實現[J].計算機測量與控制，2014（9）：2981-2982.

[5]黃培.基于數字信號處理器（DSP）的智能流量計儀器系統設計[J].辦公自動化：學術版，2015（10）：49-51.

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

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