煤礦通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)語音網(wǎng)關(guān)的分析

王靜

摘 要：現(xiàn)在，煤礦事故發(fā)生比較頻繁，會(huì)給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來很大的隱患，如果能夠在事故發(fā)生之前就能夠告知相關(guān)的人員，就可以防止事故發(fā)生給人們?cè)斐傻奈：?。該文通過對(duì)語音系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并且能夠分析在礦井下CAN總線，而且能夠介紹語音網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)的連接方式，此連接方式在事故發(fā)生的過程中能夠進(jìn)行緊急的童話，從而能夠讓人們快速逃離事故現(xiàn)場(chǎng)。該文通過對(duì)煤礦語音通信系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，分析了語音網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方法，而且能夠詳細(xì)的分析軟件和硬件，按照語音網(wǎng)關(guān)不同的使用環(huán)境，從而能夠在語音網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的過程中消除回聲，使用了靜音的檢測(cè)技術(shù)，從而能夠使語音的質(zhì)量得以保證，而且不會(huì)消耗大量的帶寬。在對(duì)靜音檢測(cè)技術(shù)使用的過程中，在使用計(jì)算機(jī)算法的過程中，能夠?qū)λ惴ㄟM(jìn)行完善。在回音的消除中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同端口語音的檢測(cè)，而且能夠運(yùn)用GEIGEL的語音檢測(cè)技術(shù)來對(duì)語音獲取的狀態(tài)進(jìn)行分析，從而能夠使語音更加得清晰。

關(guān)鍵詞：語音通信 回聲消除 靜音檢測(cè) 分析

中圖分類號(hào)：TD655 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0032-02

現(xiàn)在，我國經(jīng)濟(jì)在不斷的發(fā)展，能源在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)很重要的地位。我國的石油和天然氣總量不足，但是，煤炭資源還是比較豐富的，根據(jù)我國的國情，我國要大力開采煤炭資源，在我國的消費(fèi)中，煤炭能源的消費(fèi)也是占絕大多數(shù)的。在國民經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)過程中，煤炭的重要性是不言而喻的。我國是煤炭生產(chǎn)大國，同時(shí)也是煤炭消耗大國，我國在生產(chǎn)煤炭的過程中會(huì)出現(xiàn)很多的安全事故，導(dǎo)致人員的傷亡，所以，煤炭生產(chǎn)的安全也受到人們的高度重視。在促進(jìn)煤炭生產(chǎn)安全的過程中，必須以技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行安全的管理。現(xiàn)在，煤礦的開采實(shí)現(xiàn)了信息化的管理手段，能夠確保煤礦高效安全的生產(chǎn)。

1 語音網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 modbus協(xié)議分析

Modbus協(xié)議能夠分析消息的結(jié)構(gòu)，是一種控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)消息的識(shí)別，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理層的制定，對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的消息進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)化，運(yùn)用電子控制系統(tǒng)，從而能夠建立一個(gè)開放式的協(xié)議，這項(xiàng)協(xié)議具有通用性，任何的商家在使用這一設(shè)備的過程中都可以運(yùn)用這種網(wǎng)絡(luò)通信方式。這項(xiàng)協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)設(shè)備的連接，從而能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，使得控制器與控制器之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的銜接。Modbus的協(xié)議一般是在模型的第七層，能夠?qū)崿F(xiàn)不同層次的文件的傳輸。運(yùn)用以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，而且能夠結(jié)合光纖燈等無線介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)傳輸。

Modbus的協(xié)議在通信的相關(guān)的介質(zhì)上，能夠?qū)崿F(xiàn)串行的數(shù)據(jù)傳輸方法，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E是先向主機(jī)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，然后，主機(jī)接收到請(qǐng)求后就會(huì)發(fā)出一個(gè)響應(yīng)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)上。當(dāng)傳輸?shù)慕橘|(zhì)存在一定的問題的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致傳輸路徑發(fā)生變化，所以，在系統(tǒng)中需要使每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠保持一致，從而使系統(tǒng)能夠正常的傳輸數(shù)據(jù)。Modbus的傳輸協(xié)議如圖1所示。

Modbus在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，其主要的方法有兩種，第一種是主機(jī)和其他計(jì)算機(jī)之間能夠形成單向的傳播，然后對(duì)所有的設(shè)備都能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳播，其廣播的方式在發(fā)送地址的時(shí)候，呈現(xiàn)的數(shù)值是0，而且，所有的設(shè)備上都可以收到信息，但是，除了主機(jī)之外的其他設(shè)備并不對(duì)信息做出回應(yīng)，采用這種方式能夠?qū)λ性O(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行查詢。主機(jī)對(duì)其他設(shè)備的查詢格式在設(shè)計(jì)的過程中一般都設(shè)計(jì)成功能代碼的形式。

在主機(jī)發(fā)送消息的過程中，應(yīng)該將所有設(shè)備的地址都收集起來，然后就能夠形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，在主機(jī)地址填寫的過程中，應(yīng)該分析消息的識(shí)別。Modbus系統(tǒng)在使用的過程中，必須使所有的節(jié)點(diǎn)都能夠接收到主機(jī)的地址，而且要對(duì)地址作出回應(yīng)。如果其他設(shè)備在接收消息的過程中遇到了錯(cuò)誤，那么主機(jī)就不能按照正確的指示來執(zhí)行任務(wù)，所以，應(yīng)該先完成錯(cuò)誤的校驗(yàn)工作，然后運(yùn)用循環(huán)冗余的方法將錯(cuò)誤消除。主機(jī)和其他設(shè)備的通信如圖2所示。

主機(jī)通過對(duì)相關(guān)的請(qǐng)求，能夠獲得數(shù)據(jù)，然后形成編碼的讀取寄存器，然后將主機(jī)讀取的內(nèi)容以消息的形式傳輸?shù)狡渌脑O(shè)備上。Modbus在通信的過程中，信息是透明的，而且在通信的過程中，設(shè)備之間即使距離比較遠(yuǎn)，也不會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，而且能夠?qū)崿F(xiàn)總線與以太網(wǎng)之間的通信。

1.2 CAN總線的關(guān)鍵技術(shù)

CAN總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，最早是用于汽車的檢測(cè)的，其性能比較好，而且具有高度的可靠性，能夠運(yùn)用于不同的領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景。CAN總線技術(shù)是在OSI模型的基礎(chǔ)上建立起來的，其實(shí)現(xiàn)了多種形式的通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，在網(wǎng)上，可以運(yùn)用任意的節(jié)點(diǎn)，在通信的過程中，形式非常靈活。這一協(xié)議是采用的分布式的網(wǎng)絡(luò)，能偶實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)的同時(shí)訪問，而且，不同的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，都可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)聽，分析網(wǎng)絡(luò)是否在占用，如果網(wǎng)絡(luò)沒有沒占用，那么，在節(jié)點(diǎn)處就可以正常的發(fā)送數(shù)據(jù)。

CAN總線能夠?qū)崿F(xiàn)廣播的數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)在交換的過程中也不復(fù)雜，通過標(biāo)識(shí)的字符能夠分析出源站的地址，而且能夠分析出數(shù)據(jù)的地址。

2 靜音檢測(cè)技術(shù)及完善

2.1 靜音檢測(cè)技術(shù)的原理

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中會(huì)產(chǎn)生一定的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤并不能按照原有的代碼排列，但是，對(duì)語音數(shù)據(jù)的匯總不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，也不會(huì)影響語音的清晰度，所以，在通常情況下，都不會(huì)采取數(shù)據(jù)重新傳輸?shù)膯栴}。語音的傳輸在網(wǎng)絡(luò)上能夠提供安全的保障，但是，網(wǎng)絡(luò)繁忙的時(shí)候，就會(huì)造成語音數(shù)據(jù)的丟失。

在進(jìn)行語音通信的時(shí)候，聲音是由靜音和話音兩個(gè)部分構(gòu)成的，在多人交流的過程中，只有一個(gè)人是處于講話中的，其他人都處于靜默，所以，在對(duì)聲音進(jìn)行編碼的過程中要分析聲音的形式，這給處理器帶來了一定的負(fù)擔(dān)，而且靜音信號(hào)也會(huì)占據(jù)帶寬，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣茸兟?。所以，在?duì)靜音信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的過程中，應(yīng)該將靜音信號(hào)占據(jù)的帶寬轉(zhuǎn)讓給其他的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?

靜音檢測(cè)又可以稱為話音活動(dòng)檢測(cè)，在聲音信號(hào)的檢測(cè)中，將靜音信號(hào)挑選出來，然后清除，將那些無效的聲音信號(hào)去除，從而能夠?qū)捁?jié)省出來。在對(duì)靜音傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行分析的時(shí)候，應(yīng)該減少網(wǎng)絡(luò)的擁擠，確保信息的通常。圖3為靜音檢測(cè)的模式。

在對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，應(yīng)該分析出有效的語音和無效的語音，對(duì)有效的語音進(jìn)行編碼，對(duì)無效的語音刪除。

2.2 靜音檢測(cè)的算法原則

在語音通信系統(tǒng)中，進(jìn)行靜音檢測(cè)的過程中，目的在于提高通信系統(tǒng)的傳輸效率。在語音系統(tǒng)中，都存在著有效的信號(hào)，所以，在語音通信中，應(yīng)該分層分析靜音。在進(jìn)行靜音檢測(cè)的過程中，都要采用一定的算法的，在制定算法的時(shí)候，也要堅(jiān)持一定的原則，應(yīng)該不能影響靜音檢測(cè)的質(zhì)量，而且，在靜音檢測(cè)中，盡量不要進(jìn)行延時(shí)操作，盡量降低算法的運(yùn)算復(fù)雜程度，避免在運(yùn)算的過程中發(fā)生錯(cuò)誤，在運(yùn)算時(shí)盡量運(yùn)用軟件。在實(shí)際的操作過程中，系統(tǒng)的資源會(huì)存在不足的問題，所以，經(jīng)營的檢測(cè)會(huì)存在緩沖，盡量減少靜音檢測(cè)緩沖的時(shí)間。在靜音檢測(cè)的時(shí)候，要控制好檢測(cè)的時(shí)間，一般都是將不同的語音幀儲(chǔ)存，以幀為單位。在檢測(cè)靜音的時(shí)候，不僅僅要制定好短暫靜音的檢測(cè)方法，而且應(yīng)該分析好長時(shí)間靜音檢測(cè)的方法。靜音檢測(cè)的算法要分析噪音信號(hào)與語音信號(hào)的差別，然后通過軟件的方法，去除噪音。

2.3 完善的自適應(yīng)能量檢測(cè)靜音算法

在運(yùn)用能量檢測(cè)的方法進(jìn)行靜音檢測(cè)時(shí)，這種方法雖然比較簡單，但是效果卻不是特別好，能夠清除一定的噪音，但是，在對(duì)語音信號(hào)檢測(cè)的時(shí)候不能進(jìn)行全面地監(jiān)測(cè)。基于自適應(yīng)能量的檢測(cè)方法，這種方法即使是在資源有限的條件下也能夠進(jìn)行檢測(cè)，提高了算法的適應(yīng)能力。其主要步驟如圖4所示。

在靜音檢測(cè)算法完善的過程中，會(huì)將靜音檢測(cè)成話音，但是，在自適應(yīng)的靜音檢測(cè)中，能夠提高檢測(cè)的精確度，會(huì)檢測(cè)的失誤能夠降低。自適應(yīng)能量的靜音檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)有很多，其能夠?qū)⒃械乃惴ㄖ械恼Z音的采樣信號(hào)進(jìn)行完善，原有的采樣信號(hào)是獨(dú)立的，其能夠?qū)崿F(xiàn)采樣信號(hào)的連續(xù)，而且能夠改善語音信號(hào)，實(shí)現(xiàn)從頭到尾的語音信號(hào)的檢測(cè)。為了能夠在靜音檢測(cè)的過程中克服噪聲的影響，運(yùn)用檢測(cè)的自適應(yīng)能力，將信噪比作為一類變量，從而能夠提高靜音檢測(cè)的質(zhì)量。為了能夠提高靜音檢測(cè)的質(zhì)量，一般都是獲取200s以上的語音數(shù)據(jù)。

3 回聲消除技術(shù)原理和相關(guān)的算法分析

語音傳輸系統(tǒng)與IP網(wǎng)絡(luò)的傳輸存在一定的差異，其在傳輸?shù)倪^程中會(huì)造成回聲，而且會(huì)造成多路的回聲，而且背景噪聲會(huì)出現(xiàn)高低不齊的問題，在實(shí)際的應(yīng)用中，傳輸聲音的時(shí)候，也會(huì)帶有其他的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也會(huì)占用一定的帶寬。

所以，為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)語音通信聯(lián)絡(luò)的及時(shí)性，在語音傳輸?shù)倪^程中就要對(duì)回聲進(jìn)行分析，這樣能夠使語音的傳輸比較及時(shí)，避免了語音傳輸?shù)难舆t，能夠提高帶寬的速率，使語音的質(zhì)量能夠在一定程度上提高。

3.1 回聲產(chǎn)生的原因和消除機(jī)制

3.1.1 回聲的定義和產(chǎn)生的原因

回聲，是通過一定的碰撞，使聲音出現(xiàn)返回的現(xiàn)象，是聲波被反射后，人們通過聽覺器官感受到的。在人們的通話中，有些回聲是不易察覺的，這類回聲不會(huì)持續(xù)很長時(shí)間，而且沒有較高的電平，不會(huì)對(duì)通話的質(zhì)量產(chǎn)生太的負(fù)面影響，例如在密閉的場(chǎng)所中說話就會(huì)產(chǎn)生聲音的反射。但是，還有一類回聲，具有較高的電平，而且會(huì)持續(xù)很長的時(shí)間，這種回聲會(huì)對(duì)通話造成影響，會(huì)導(dǎo)致通過傳輸?shù)难訒r(shí)。礦井處于一個(gè)比較小的密閉空間中，在通話中，會(huì)有很多阻隔的物體，而且在礦井中環(huán)境比較復(fù)雜，不確定因素多，所以，會(huì)造成回聲問題，所以，要采取措施消除回聲。

語音信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)的傳輸過程中，由于回聲產(chǎn)生的原因是不同的，所以，回聲也分為不同的形式，第一種是線路回聲，這種回聲出現(xiàn)在線路的轉(zhuǎn)換中，需要借助混合氣的轉(zhuǎn)換，如果各種混合氣的阻抗不能協(xié)調(diào)，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中就會(huì)有大量的信號(hào)發(fā)生反射，產(chǎn)生回聲。還有一種回聲是一種物理現(xiàn)象，由于語音傳播的路徑是不同的，所以，經(jīng)過多次的反射，就會(huì)造成不同的回聲。這兩種回聲在礦井中都會(huì)對(duì)通話造成一定的制約。

這兩種回聲都是一種寄生的信號(hào)，都會(huì)造成語音的延時(shí)，當(dāng)延時(shí)的時(shí)間較小，人們可能聽不出來，但是，如果延時(shí)大于50ms，人們就會(huì)感覺到通話的不通暢。在語音的處理中，就要對(duì)延遲進(jìn)行壓縮處理，一般來說，壓縮一幀能夠?qū)崿F(xiàn)37ms的壓縮。在運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，會(huì)存在很多不確定的因素，這些因素會(huì)影響語音傳輸?shù)姆€(wěn)定性，會(huì)使語音出現(xiàn)波動(dòng)的問題，而且語音會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。

3.1.2 消除回聲的方法

在對(duì)不同的回聲進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分析出由于物理原因引起的回聲會(huì)對(duì)語音通信造成更大的影響，所以，應(yīng)該采取抑制的方法。

（1）周圍環(huán)境的處理。

在對(duì)回聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，能夠通過改善揚(yáng)聲器，從而減小回聲，也可以對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行改善，在礦井中，設(shè)計(jì)一些吸音的材料，也可以設(shè)計(jì)襯墊的方法，都能夠減少聲音的反射。

（2）回聲抑制器。

這種方法是比較常見的抑制回聲的方法，在語音傳輸?shù)穆窂缴?，使語音形成損耗，這樣減弱了語音的強(qiáng)度，能夠在一定程度上削弱語音的反射能力，從而形成了一種非線性的回聲消除模式。這種方法能夠?qū)⒄Z音控制在一定的分貝內(nèi)，如果語音超出了范圍，就會(huì)對(duì)語音的強(qiáng)度進(jìn)行削弱。

（3）聲學(xué)回聲消除器。

這種回聲消除器能夠?qū)芈暤木€路進(jìn)行模擬，在語音的信號(hào)中能夠?qū)⒒芈暼コ?，能夠?qū)⒒芈暤膹?qiáng)度進(jìn)行估算，將話筒中的語音與揚(yáng)聲器中的語音的強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比，從而使間接的回聲消除，在對(duì)回聲的數(shù)值進(jìn)行估算的過程中，需要建立一個(gè)信號(hào)的模型，從而能夠分析回聲的路徑。

3.2 回聲消除器的關(guān)鍵技術(shù)

在回聲消除的過程，為了能夠達(dá)到更好的效果，應(yīng)該建立自適應(yīng)濾波器。自適應(yīng)濾波器在回聲的消除中起到關(guān)鍵性作用，在對(duì)參數(shù)的選擇過程中發(fā)揮了重要的作用。在進(jìn)行語音檢測(cè)的過程中，一定要分析自適應(yīng)濾波器的狀態(tài)，然后進(jìn)行靜音的檢測(cè)，能夠?qū)﹂L時(shí)間的靜音消除，從而能夠減少帶寬的使用量，使語音傳輸?shù)男矢摺?/p>

在消除回聲的時(shí)候，選擇什么類型的自適應(yīng)濾波器是很重要的，自適應(yīng)濾波器由算法和數(shù)字濾波器構(gòu)成。

在對(duì)自適應(yīng)濾波器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的過程中，要分析形成誤差信號(hào)的原因，然后形成一個(gè)閉環(huán)的控制，自適應(yīng)濾波器在消除回聲的時(shí)候能夠分析統(tǒng)計(jì)的特點(diǎn)，然后獲得最好的濾波的能力，然后能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，分析信號(hào)在輸入后的變化。在對(duì)回聲路徑進(jìn)行分析的過程中，回聲的聲波具有不規(guī)律的特征，所以，要通過運(yùn)用自適應(yīng)濾波器，從而完善可調(diào)節(jié)的參數(shù)。

4 結(jié)語

現(xiàn)在，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展主要是依靠能源的消耗，煤炭資源是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐，我國煤炭開采的數(shù)量很多，也發(fā)生了很多安全事故，所以，在礦井中實(shí)現(xiàn)語音的高質(zhì)量通信很有必要。CAN總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，最早是用于汽車的檢測(cè)的，其性能比較好，而且具有高度的可靠性，能夠運(yùn)用于不同的領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景。在靜音檢測(cè)算法完善的過程中，會(huì)將靜音檢測(cè)成話音，但是，在自適應(yīng)的靜音檢測(cè)中，能夠提高檢測(cè)的精確度，檢測(cè)的失誤能夠降低。語音信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)的傳輸過程中，由于回聲產(chǎn)生的原因是不同的，要分析回聲產(chǎn)生的機(jī)制，清除回聲。

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