DSP语音处理芯片——在KTH15（A）矿用本安型（数字抗噪声）电话机中的应用

2016-10-13杨钟立沈立群

移动信息 2016年5期

杨钟立沈立群

杨钟立沈立群

江苏省常州市江南交通机电设备有限公司，江苏常州 213002

数字信号处理（英语：DSP，Digital Signal Process）是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，具有运算速度快、可以并行执行多个操作等特点，是电话抗噪声器件的关键元件。通过分析煤矿井下高噪声环境的各种噪声产生原因与噪声的成分及特点，提出了该环境下的电话抗噪声设计原则，结合美国Fortemedia公司的新一代数字DSP芯片的应用，阐述了设计煤矿井下本安抗噪声电话机研发的思路及过程。

稳态噪音；分贝（dB）；数字信号处理器；DSP

国内目前井下有线通讯用的防爆电话机主要是以本安型电话机为主，这类产品使用广泛，外形多样，外壳材料主要由ABS塑料、DMC增强聚脂制造，代表产品如常州市江南交通机电设备有限公司生产的KTH15本质安全型自动电话机。从技术上分析，这类电话机多采用传统模拟电子技术，作为普通的通讯终端，性能稳定，价格适中，为广大用户所接受，但对于一些大型煤矿井下的高噪声特殊作业场所，由于受强噪声影响，通话质量会出现明显下降，曾有企业使用物理降噪原理的送话器制造抗噪声话机，由于产品密封性比较差，投放市场后暴露出许多问题，归纳起来有如下几个方面：（1）抗噪声性能只能在90分贝以下，恰效果有限，成本较高。（2）产品密封性比较差，在井下潮湿情况下送话器很容易失效，维修困难。由于上述问题的存在，使产品可靠性不高，性价比低，基本没有被用户接受[1]。因此，从各方面改进本安型抗噪声电话机质量，提高其性能是当务之急。我们通过对全国主要产煤大省山西、河北、河南、山东、内蒙、宁夏、安徽七省26个矿业集团的120多个煤矿抽样调查，发现这些矿每年平均需用各类本安电话机2～万台，而普通本安话机的用量占总用量的90%以上。由于普通话机技术门槛低，各种廉价产品伪劣假冒产品充斥市场。如果能研制一种具有优越的抗噪声性能，使得通话质量大幅提升，性价比高，能为用户接受的矿用本安型数字抗噪声电话机作为替代升级产品，应该有较为广阔的市场前景[2]。

1 煤矿井下噪声源的分布及主要特点

煤矿井下高噪声场所主要是掘进工作面，采煤工作面，水泵房等，主要的噪声源为采煤机、掘进机、除尘风机、通风机、水锤、输送部分的皮带机头、给煤机等，在这些设备启动的1～5m范围内测得的噪声等级通常在90～120dB。频率范围分布在200Hz～5000Hz，覆盖了一般人讲话的全部频率。由于煤矿井下的环境相对封闭，其设备发出的噪音会经狭窄的工作面多次反射，因此形成连续的宽频混合噪音是井下噪声的主要特点，我们称之为稳态噪音。通过表一我们可以直观的看到语音信号与井下主要设备噪声的分布完全重叠且被覆盖。

图1 语音与设备噪声的分布

2 基于DSP芯片的数字降噪声原理及煤矿井下本安话机的设计要求

数字信号处理（英语：DSP，Digital Signal Process）是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，DSP器件具有运算速度快、可以并行执行多个操作等特点，一些专用DSP芯片是为特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的需求，如数字滤波、卷积和FFT等，语音处理DSP芯片综合了多种自适应滤波器的优化算法，特别适用于语音信号的快速数字化处理，利用这些算法可以将模拟语音信号转换来的数字量中对应的噪声成分充分过滤，并且利用数字化的优势进行各种语音分量的优化，如回声消除、频率均衡、增益调节、增益自动控制等等，下图表二为经过频率参数配置后的DSP语音信号输出的幅频特性曲线，因此DSP芯片在目前的移动通讯设备中已经得到了广泛的应用，人们可以很直观的感受到在纷乱噪杂的环境中移动设备的语音通讯质量较早期的产品有了本质的改善，这就是新一代DSP芯片强大的运算处理能力所致[3]。

煤矿井下由于其特殊的环境，设备必须首先符合爆炸环境下的要求，符合GB3836防爆国家标准，电话没终端不能像地面设备一样配置较。

图2 SP语音信号输出幅频特性曲线

大容量的电池，通常是由矿用安全耦合器提供的馈电来驱动整个设备，工作电压与电流都必须受到限制，所以如何在这样的条件下设计出既满足本安要求、又满足通讯距离等各项话机电声传输性能要求的数字型本安抗噪声电话机，关键在如何选择性能优良，功耗极低的DSP芯片及芯片的嵌入方式[4]。目前专用的语音数字DSP处理芯片有日本OKI、美国Fortemedia、Zarlink及中国台湾等世界著名的半导体公司生产，通过详细的性能比较及大量的实验室试验，我们最终选择了美国Fortemedia公司的新一代数字DSP芯片，其典型的工作电压低至1.8V，功耗极低、功能丰富、性能优良。

经过一系列电路的设计优化，我们最终完成了矿用本安型数字抗噪声电话机的设计，包括全封闭的手柄、话机外壳，防护能力应达到IP54[5]。话机的语音清晰度在100dB的噪声环境下大于90%；经过DSP芯片处理后话机的发送频率响应特性曲线见图3，在300～3400Hz的频率范围内完全符合GB/T 15279—2002自动电话机技术条件所规定的要求；样机经过国家权威机构的检测，KTH15（A）矿用，本安电话机（数字抗噪声型）已经取得了包括ExibI Mb防爆标志（防爆合格证：CCCMT13.0783）；煤矿安全标志MA（安全标志编号：FAH140013）、金属非金属矿用产品安全标志KA（安全标志编号：KHA140001）等一系列认证[6]。