煤矿通信联络系统语音网关的分析

王静

摘 要：现在，煤矿事故发生比较频繁，会给人们的生命和财产安全带来很大的隐患，如果能够在事故发生之前就能够告知相关的人员，就可以防止事故发生给人们造成的危害。该文通过对语音系统进行介绍，并且能够分析在矿井下CAN总线，而且能够介绍语音网关的以太网的连接方式，此连接方式在事故发生的过程中能够进行紧急的童话，从而能够让人们快速逃离事故现场。该文通过对煤矿语音通信系统的应用进行分析，在此基础上，分析了语音网关的设计方法，而且能够详细的分析软件和硬件，按照语音网关不同的使用环境，从而能够在语音网关设计的过程中消除回声，使用了静音的检测技术，从而能够使语音的质量得以保证，而且不会消耗大量的带宽。在对静音检测技术使用的过程中，在使用计算机算法的过程中，能够对算法进行完善。在回音的消除中，能够实现对不同端口语音的检测，而且能够运用GEIGEL的语音检测技术来对语音获取的状态进行分析，从而能够使语音更加得清晰。

关键词：语音通信 回声消除 静音检测 分析

中图分类号：TD655 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0032-02

现在，我国经济在不断的发展，能源在经济发展中占据很重要的地位。我国的石油和天然气总量不足，但是，煤炭资源还是比较丰富的，根据我国的国情，我国要大力开采煤炭资源，在我国的消费中，煤炭能源的消费也是占绝大多数的。在国民经济的生产过程中，煤炭的重要性是不言而喻的。我国是煤炭生产大国，同时也是煤炭消耗大国，我国在生产煤炭的过程中会出现很多的安全事故，导致人员的伤亡，所以，煤炭生产的安全也受到人们的高度重视。在促进煤炭生产安全的过程中，必须以技术为基础，进行安全的管理。现在，煤矿的开采实现了信息化的管理手段，能够确保煤矿高效安全的生产。

1 语音网关的关键技术分析

1.1 modbus协议分析

Modbus协议能够分析消息的结构，是一种控制器，能够实现对消息的识别，能够实现对物理层的制定，对各个领域的消息进行格式的转化，运用电子控制系统，从而能够建立一个开放式的协议，这项协议具有通用性，任何的商家在使用这一设备的过程中都可以运用这种网络通信方式。这项协议能够实现各个设备的连接，从而能够实现统一的网络，使得控制器与控制器之间能够实现良好的衔接。Modbus的协议一般是在模型的第七层，能够实现不同层次的文件的传输。运用以太网的TCP/IP协议，而且能够结合光纤灯等无线介质，从而实现高效率的数据传输。

Modbus的协议在通信的相关的介质上，能够实现串行的数据传输方法，其数据传输的步骤是先向主机发送一个请求，然后，主机接收到请求后就会发出一个响应，然后将数据传输到主机上。当传输的介质存在一定的问题的时候，就会导致传输路径发生变化，所以，在系统中需要使每一个节点都能够保持一致，从而使系统能够正常的传输数据。Modbus的传输协议如图1所示。

Modbus在进行数据传输的过程中，其主要的方法有两种，第一种是主机和其他计算机之间能够形成单向的传播，然后对所有的设备都能够进行数据的传播，其广播的方式在发送地址的时候，呈现的数值是0，而且，所有的设备上都可以收到信息，但是，除了主机之外的其他设备并不对信息做出回应，采用这种方式能够对所有设备的运行状况进行查询。主机对其他设备的查询格式在设计的过程中一般都设计成功能代码的形式。

在主机发送消息的过程中，应该将所有设备的地址都收集起来，然后就能够形成一个完整的数据传输的系统，在主机地址填写的过程中，应该分析消息的识别。Modbus系统在使用的过程中，必须使所有的节点都能够接收到主机的地址，而且要对地址作出回应。如果其他设备在接收消息的过程中遇到了错误，那么主机就不能按照正确的指示来执行任务，所以，应该先完成错误的校验工作，然后运用循环冗余的方法将错误消除。主机和其他设备的通信如图2所示。

主机通过对相关的请求，能够获得数据，然后形成编码的读取寄存器，然后将主机读取的内容以消息的形式传输到其他的设备上。Modbus在通信的过程中，信息是透明的，而且在通信的过程中，设备之间即使距离比较远，也不会影响数据的传输质量，而且能够实现总线与以太网之间的通信。

1.2 CAN总线的关键技术

CAN总线是现场总线的一种，最早是用于汽车的检测的，其性能比较好，而且具有高度的可靠性，能够运用于不同的领域，具有良好的发展前景。CAN总线技术是在OSI模型的基础上建立起来的，其实现了多种形式的通信网络的结合，在网上，可以运用任意的节点，在通信的过程中，形式非常灵活。这一协议是采用的分布式的网络，能偶实现不同节点的同时访问，而且，不同的节点在发送数据的过程中，都可以进行网络的监听，分析网络是否在占用，如果网络没有没占用，那么，在节点处就可以正常的发送数据。

CAN总线能够实现广播的数据共享，数据在交换的过程中也不复杂，通过标识的字符能够分析出源站的地址，而且能够分析出数据的地址。

2 静音检测技术及完善

2.1 静音检测技术的原理

在进行网络数据传输的过程中，在数据传输的过程中会产生一定的错误，这些错误并不能按照原有的代码排列，但是，对语音数据的汇总不会产生较大的影响，也不会影响语音的清晰度，所以，在通常情况下，都不会采取数据重新传输的问题。语音的传输在网络上能够提供安全的保障，但是，网络繁忙的时候，就会造成语音数据的丢失。

在进行语音通信的时候，声音是由静音和话音两个部分构成的，在多人交流的过程中，只有一个人是处于讲话中的，其他人都处于静默，所以，在对声音进行编码的过程中要分析声音的形式，这给处理器带来了一定的负担，而且静音信号也会占据带宽，使数据传输的速度变慢。所以，在对静音信号进行检测的过程中，应该将静音信号占据的带宽转让给其他的数据，提高数据传输的效率。

静音检测又可以称为话音活动检测，在声音信号的检测中，将静音信号挑选出来，然后清除，将那些无效的声音信号去除，从而能够将带宽节省出来。在对静音传输的方式进行分析的时候，应该减少网络的拥挤，确保信息的通常。图3为静音检测的模式。

在对信号进行预处理后，应该分析出有效的语音和无效的语音，对有效的语音进行编码，对无效的语音删除。

2.2 静音检测的算法原则

在语音通信系统中，进行静音检测的过程中，目的在于提高通信系统的传输效率。在语音系统中，都存在着有效的信号，所以，在语音通信中，应该分层分析静音。在进行静音检测的过程中，都要采用一定的算法的，在制定算法的时候，也要坚持一定的原则，应该不能影响静音检测的质量，而且，在静音检测中，尽量不要进行延时操作，尽量降低算法的运算复杂程度，避免在运算的过程中发生错误，在运算时尽量运用软件。在实际的操作过程中，系统的资源会存在不足的问题，所以，经营的检测会存在缓冲，尽量减少静音检测缓冲的时间。在静音检测的时候，要控制好检测的时间，一般都是将不同的语音帧储存，以帧为单位。在检测静音的时候，不仅仅要制定好短暂静音的检测方法，而且应该分析好长时间静音检测的方法。静音检测的算法要分析噪音信号与语音信号的差别，然后通过软件的方法，去除噪音。

2.3 完善的自适应能量检测静音算法

在运用能量检测的方法进行静音检测时，这种方法虽然比较简单，但是效果却不是特别好，能够清除一定的噪音，但是，在对语音信号检测的时候不能进行全面地监测。基于自适应能量的检测方法，这种方法即使是在资源有限的条件下也能够进行检测，提高了算法的适应能力。其主要步骤如图4所示。

在静音检测算法完善的过程中，会将静音检测成话音，但是，在自适应的静音检测中，能够提高检测的精确度，会检测的失误能够降低。自适应能量的静音检测的优点有很多，其能够将原有的算法中的语音的采样信号进行完善，原有的采样信号是独立的，其能够实现采样信号的连续，而且能够改善语音信号，实现从头到尾的语音信号的检测。为了能够在静音检测的过程中克服噪声的影响，运用检测的自适应能力，将信噪比作为一类变量，从而能够提高静音检测的质量。为了能够提高静音检测的质量，一般都是获取200s以上的语音数据。

3 回声消除技术原理和相关的算法分析

语音传输系统与IP网络的传输存在一定的差异，其在传输的过程中会造成回声，而且会造成多路的回声，而且背景噪声会出现高低不齐的问题，在实际的应用中，传输声音的时候，也会带有其他的数据，这些数据也会占用一定的带宽。

所以，为了能够更好的实现语音通信联络的及时性，在语音传输的过程中就要对回声进行分析，这样能够使语音的传输比较及时，避免了语音传输的延迟，能够提高带宽的速率，使语音的质量能够在一定程度上提高。

3.1 回声产生的原因和消除机制

3.1.1 回声的定义和产生的原因

回声，是通过一定的碰撞，使声音出现返回的现象，是声波被反射后，人们通过听觉器官感受到的。在人们的通话中，有些回声是不易察觉的，这类回声不会持续很长时间，而且没有较高的电平，不会对通话的质量产生太的负面影响，例如在密闭的场所中说话就会产生声音的反射。但是，还有一类回声，具有较高的电平，而且会持续很长的时间，这种回声会对通话造成影响，会导致通过传输的延时。矿井处于一个比较小的密闭空间中，在通话中，会有很多阻隔的物体，而且在矿井中环境比较复杂，不确定因素多，所以，会造成回声问题，所以，要采取措施消除回声。

语音信号在网络的传输过程中，由于回声产生的原因是不同的，所以，回声也分为不同的形式，第一种是线路回声，这种回声出现在线路的转换中，需要借助混合气的转换，如果各种混合气的阻抗不能协调，在数据传输的过程中就会有大量的信号发生反射，产生回声。还有一种回声是一种物理现象，由于语音传播的路径是不同的，所以，经过多次的反射，就会造成不同的回声。这两种回声在矿井中都会对通话造成一定的制约。

这两种回声都是一种寄生的信号，都会造成语音的延时，当延时的时间较小，人们可能听不出来，但是，如果延时大于50ms，人们就会感觉到通话的不通畅。在语音的处理中，就要对延迟进行压缩处理，一般来说，压缩一帧能够实现37ms的压缩。在运用网络进行数据传输的过程中，会存在很多不确定的因素，这些因素会影响语音传输的稳定性，会使语音出现波动的问题，而且语音会产生抖动。

3.1.2 消除回声的方法

在对不同的回声进行分析的基础上，分析出由于物理原因引起的回声会对语音通信造成更大的影响，所以，应该采取抑制的方法。

（1）周围环境的处理。

在对回声产生的原因进行分析的基础上，能够通过改善扬声器，从而减小回声，也可以对周围的环境进行改善，在矿井中，设计一些吸音的材料，也可以设计衬垫的方法，都能够减少声音的反射。

（2）回声抑制器。

这种方法是比较常见的抑制回声的方法，在语音传输的路径上，使语音形成损耗，这样减弱了语音的强度，能够在一定程度上削弱语音的反射能力，从而形成了一种非线性的回声消除模式。这种方法能够将语音控制在一定的分贝内，如果语音超出了范围，就会对语音的强度进行削弱。

（3）声学回声消除器。

这种回声消除器能够对回声的线路进行模拟，在语音的信号中能够将回声去除，能够将回声的强度进行估算，将话筒中的语音与扬声器中的语音的强度值进行对比，从而使间接的回声消除，在对回声的数值进行估算的过程中，需要建立一个信号的模型，从而能够分析回声的路径。

3.2 回声消除器的关键技术

在回声消除的过程，为了能够达到更好的效果，应该建立自适应滤波器。自适应滤波器在回声的消除中起到关键性作用，在对参数的选择过程中发挥了重要的作用。在进行语音检测的过程中，一定要分析自适应滤波器的状态，然后进行静音的检测，能够对长时间的静音消除，从而能够减少带宽的使用量，使语音传输的效率更高。

在消除回声的时候，选择什么类型的自适应滤波器是很重要的，自适应滤波器由算法和数字滤波器构成。

在对自适应滤波器的参数进行调整的过程中，要分析形成误差信号的原因，然后形成一个闭环的控制，自适应滤波器在消除回声的时候能够分析统计的特点，然后获得最好的滤波的能力，然后能够实现参数的自动化调节，分析信号在输入后的变化。在对回声路径进行分析的过程中，回声的声波具有不规律的特征，所以，要通过运用自适应滤波器，从而完善可调节的参数。

4 结语

现在，我国的经济发展迅速，经济的发展主要是依靠能源的消耗，煤炭资源是我国经济发展的支撑，我国煤炭开采的数量很多，也发生了很多安全事故，所以，在矿井中实现语音的高质量通信很有必要。CAN总线是现场总线的一种，最早是用于汽车的检测的，其性能比较好，而且具有高度的可靠性，能够运用于不同的领域，具有良好的发展前景。在静音检测算法完善的过程中，会将静音检测成话音，但是，在自适应的静音检测中，能够提高检测的精确度，检测的失误能够降低。语音信号在网络的传输过程中，由于回声产生的原因是不同的，要分析回声产生的机制，清除回声。

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