礦用膠帶輸送機(jī)擴(kuò)音電話音頻電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊 陽

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京分院,南京 210037）

0 引言

通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)是煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)” 之一，在煤礦生產(chǎn)管理、安全決策、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面起到了舉足輕重的作用[1][2],其可分為調(diào)度交換機(jī)系統(tǒng)、井下移動(dòng)通信系統(tǒng)和工作面擴(kuò)音電話系統(tǒng)三部分[3]。礦用本質(zhì)安全型組合擴(kuò)音電話，適用于煤礦井下有瓦斯、煤塵爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境，用于膠帶輸送機(jī)沿線拉線急停閉鎖保護(hù)和通話。擴(kuò)音電話主要有模擬式與數(shù)字式兩類，雖然采用模擬方式傳輸話音信號(hào)的擴(kuò)音電話，其音質(zhì)及可擴(kuò)展性比不上“礦用IP 網(wǎng)絡(luò)廣播對(duì)講系統(tǒng)”的“數(shù)字電話”，但其使用簡單，穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的抗災(zāi)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?jǐn)U音電話是模擬式系統(tǒng)，但模擬信號(hào)在傳輸時(shí)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(huì)發(fā)生累積，使信噪比惡化，存在著實(shí)時(shí)性差和音量小等問題[6]。

本文主要根據(jù)實(shí)際需要，針對(duì)傳統(tǒng)的“模擬式”擴(kuò)音電話的音頻電路進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)：為滿足應(yīng)用場(chǎng)景下的故障報(bào)警和語音通話需求，語音對(duì)講需選用開放擴(kuò)播方式；為簡化工程實(shí)施同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性，擴(kuò)音電話設(shè)計(jì)采用單線串聯(lián)方式；為保證可以進(jìn)行4 千米以上的音頻線路傳輸，設(shè)計(jì)合適的程控放大電路。最終在擴(kuò)音電話音頻電路上加入合理的側(cè)音消除、低通濾波、音頻AGC 電路等語音處理設(shè)計(jì)，并起到了良好的處理效果，使其具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 擴(kuò)音電話內(nèi)部音頻線路主要構(gòu)成

1 擴(kuò)音電話基本原理

膠帶輸送機(jī)沿線每隔200 米放置一部“組合擴(kuò)音電話”，每一部“擴(kuò)音電話”都有一個(gè)通話按鈕，有的還具有打點(diǎn)按鈕，一般和“閉鎖開關(guān)”聯(lián)合使用。

正常運(yùn)行情況下，電話處于接收狀態(tài)，若需要喊話，工作人員需按住通話按鈕，對(duì)著麥克風(fēng)拾音孔喊話，聲音通過麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為音頻信號(hào)，然后傳輸給整個(gè)系統(tǒng)沿線的所有擴(kuò)音電話進(jìn)行擴(kuò)音播放。喊話結(jié)束之后，放開通話按鈕，這樣就可以進(jìn)行下一個(gè)通話。若需要打點(diǎn)，工作人員需按住打點(diǎn)按鈕，打點(diǎn)電路產(chǎn)生的聲音信號(hào)傳輸給整個(gè)系統(tǒng)沿線的所有擴(kuò)音電話擴(kuò)音播放。打點(diǎn)結(jié)束之后，打點(diǎn)按鈕彈起，電話恢復(fù)到擴(kuò)播狀態(tài)[7]。

2 消側(cè)音電路設(shè)計(jì)

當(dāng)按下“送話”按鈕SA2（圖1），拾音器接通到音頻信號(hào)采集電路，拾音器輸出的信號(hào)經(jīng)放大處理后進(jìn)入“消側(cè)音電路”，如圖2 所示：Vin1 為處理后的拾音器信號(hào)輸入端，該單端音頻信號(hào)幅值為300mV 左右，經(jīng)過三極管電路處理為差分信號(hào)輸出，R1 和R7 的阻值可調(diào)節(jié)差分信號(hào)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(tài)。

調(diào)節(jié)R1、R7 阻值使音頻差分線路上拾音器信號(hào)幅值一致、極性相反，差分信號(hào)兩端并聯(lián)，拾音器采集到的音頻信號(hào)正負(fù)抵消，消除了輸出到功放、揚(yáng)聲器的側(cè)音信號(hào)。

差分信號(hào)負(fù)端信號(hào)通過電壓跟隨器后經(jīng)過音頻變壓器輸出到音頻傳輸線上，傳輸給其它擴(kuò)音電話。

圖2 消側(cè)音電路

音頻傳輸線上的音頻信號(hào)經(jīng)過音頻變壓器傳輸?shù)讲罘中盘?hào)線路負(fù)端，由于U2 組成的電壓跟隨器的隔離作用不會(huì)影響到之前的音頻電路，傳輸線上輸入的音頻信號(hào)不會(huì)被消減直接輸出到后面的功放、揚(yáng)聲器。

本地“送話”按鈕的設(shè)計(jì)，可以保證在按鈕未按下時(shí)，拾音器未接入電路，從未保證本地?fù)P聲器發(fā)出的聲音不會(huì)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(shè)計(jì)

圖3 低通濾波電路

人耳可以聽到20HZ 到20KHZ 的音頻信號(hào)，音頻線經(jīng)過長距離傳輸，會(huì)引入一些干擾波，為提高聲音質(zhì)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(dāng)R=6.8K，C=1nF 的時(shí)候，截止頻率f=23KHz。

當(dāng)R=6.8K，C=2nF 的時(shí)候，截止頻率f=12KHz。

經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)圖3 中C6 取值2nF，C7取值1nF 時(shí)，對(duì)于音頻信號(hào)的濾波效果可達(dá)最佳。

4 音頻AGC 電路設(shè)計(jì)

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

圖4 音頻AGC 電路

5 結(jié)語

該電路優(yōu)化設(shè)計(jì)已應(yīng)用于設(shè)定應(yīng)用場(chǎng)景的產(chǎn)品上，其結(jié)果表明效果良好，可有效消除通話側(cè)音、語音質(zhì)量清晰，并保證遠(yuǎn)近不同距離語音線路傳輸?shù)目煽颗c穩(wěn)定，可推廣適用于井下高噪聲遠(yuǎn)距離多點(diǎn)串聯(lián)傳輸環(huán)境，保障煤礦安全生產(chǎn)。