王國(guó)富，鄭善友

（桂林電子科技大學(xué) 廣西無(wú)線寬帶通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004）

目前，國(guó)內(nèi)的井下語(yǔ)音通信大多采用溝通效率較低的有線防爆電話或者成本高昂的井下3G通信[1]。由于在井下有線通信系統(tǒng)安裝復(fù)雜，而且通話裝置(如防爆話機(jī))通常位置固定，從而造成了井下作業(yè)溝通效率的低下。國(guó)內(nèi)中小型礦井眾多，井下3G無(wú)線通信系統(tǒng)成本過(guò)高，很多企業(yè)無(wú)法承擔(dān)架設(shè)費(fèi)用。因此，對(duì)搭建靈活且功耗和成本低廉的語(yǔ)音通信裝置的需求尤為迫切。

本文使用新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的ZigBee技術(shù)[2]以及具有高壓縮比和高還原音質(zhì)的語(yǔ)音壓縮算法IMA-ADPCM，解決了以往井下語(yǔ)音通信設(shè)備成本昂貴、使用不靈活、通信效率低的問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)證，本語(yǔ)音通信終端井下實(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)穩(wěn)定通信距離為28.76 m，語(yǔ)音信號(hào)傳輸誤碼率為1.95%，額定功耗為0.63 W。

1 系統(tǒng)方案和模塊原理

1.1 語(yǔ)音終端設(shè)計(jì)原理

圖1 語(yǔ)音終端硬件原理

本文設(shè)計(jì)的語(yǔ)音終端系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。其工作原理是：聲音信號(hào)由麥克風(fēng)輸入，由語(yǔ)音采集模塊將之轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；CPLD被設(shè)計(jì)成語(yǔ)音壓縮和解壓縮模塊，負(fù)責(zé)對(duì)語(yǔ)音數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮或者解壓縮處理。STM32W108是高性能的IEEE 802.15.4無(wú)線片上系統(tǒng)(SoC)，集成2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容的收發(fā)器以及基于ZigBee系統(tǒng)的外設(shè)，是本系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交互和ZigBee應(yīng)用程序管理[3]。數(shù)據(jù)由STM32W108的ZigBee外設(shè)發(fā)出，再經(jīng)過(guò)2.4 GHz射頻放大模塊進(jìn)行功率放大，最后輻射到信道中。這樣做目的是增加信號(hào)強(qiáng)度和提高有效通信距離。當(dāng)接收語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CPLD進(jìn)行解壓縮后，經(jīng)由語(yǔ)音播放模塊輸出音頻信號(hào)。

1.2 語(yǔ)音壓縮及解壓縮模塊的設(shè)計(jì)

由于 ZigBee為低速率(＜250 kb/s)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如果語(yǔ)音不經(jīng)過(guò)壓縮處理，則無(wú)法很好地適用于該技術(shù)。本設(shè)計(jì)采用IMA-ADPCM，即自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制算法，該算法壓縮比為4:1，符合低空間消耗、高質(zhì)量、高效率的要求[4]。為了降低核心MCU的負(fù)擔(dān)，語(yǔ)音編解碼的任務(wù)由CPLD承擔(dān)。

IMA-ADPCM的編碼過(guò)程如圖2所示。IMA-ADPCM的關(guān)鍵點(diǎn)在于預(yù)測(cè)器的設(shè)計(jì)。該自適應(yīng)預(yù)測(cè)器為8階零極點(diǎn)后向序貫系統(tǒng)。而解碼則是編碼的逆過(guò)程，在此不再贅述。

圖2 IMA-ADPCM編碼器

預(yù)測(cè)輸出值 Se(k)見(jiàn)式(1)，其中 Sr(k-i)為極點(diǎn)濾波器的前N個(gè)重建信號(hào)，Dq(k-i)為L(zhǎng)個(gè)量化后的差值信號(hào)，極點(diǎn)階數(shù) N=2，零點(diǎn)階數(shù) L=6。式中 ai為極點(diǎn)預(yù)測(cè)系數(shù)，bi為零點(diǎn)預(yù)測(cè)系數(shù)。如果需要提高預(yù)測(cè)器的預(yù)測(cè)增益，則可以使用次優(yōu)化法對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)修正極零點(diǎn)預(yù)測(cè)系數(shù)。

基于CPLD的語(yǔ)音編解碼模塊的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。該模塊由時(shí)鐘模塊、編碼器和解碼器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及中央控制單元構(gòu)成。控制單元負(fù)責(zé)與STM32W108進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交互。進(jìn)行語(yǔ)音編碼時(shí)，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)ADPCM碼數(shù)據(jù)，解碼時(shí)則暫存PCM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)由控制元傳輸至STM32W108進(jìn)行進(jìn)一步處理。

1.3 語(yǔ)音編解碼算法性能評(píng)估

圖3 語(yǔ)音編解碼IP核

為模擬真實(shí)通話環(huán)境，將普通語(yǔ)音錄入PC，然后處理成采樣率為 44.1 kHz、碼寬為 16 bit、格式為 wav的音頻文件。將wav文件導(dǎo)入Matlab中進(jìn)行IMA-ADPCM進(jìn)行編解碼處理，將原始語(yǔ)音信號(hào)和解碼還原后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行比對(duì)和誤碼率計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。根據(jù)波形比對(duì)和人耳辨識(shí)，語(yǔ)音還原質(zhì)量較高。經(jīng)計(jì)算，本設(shè)計(jì)的語(yǔ)音編解碼器的平均誤碼率僅為1.95%。

圖4 原始信號(hào)與解碼信號(hào)對(duì)比

2 組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分析和軟件方案設(shè)計(jì)

2.1 組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分析

ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類(lèi)型主要有3種。第1種是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coord)，其功能是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，建立網(wǎng)絡(luò)，管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，備份網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，搜尋一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路徑[5]。而本設(shè)計(jì)中語(yǔ)音終端則被設(shè)計(jì)成第2或第3種設(shè)備，即全功能設(shè)備(FFD)或者精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。FFD包含由標(biāo)準(zhǔn)指定的所有IEEE802.15.4功能和特性，在空閑時(shí)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)路由器，也能作為終端設(shè)備使用。由于礦井下通信的節(jié)點(diǎn)位置隨機(jī)性高，為了保證其可靠性和穩(wěn)定性，優(yōu)先考慮將語(yǔ)音終端設(shè)計(jì)為FFD類(lèi)型設(shè)備。為降低成本和復(fù)雜性，RFD只包含有限的功能，在網(wǎng)絡(luò)中只能用作終端設(shè)備，RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，所以降低了ZigBee部件的成本。當(dāng)然，在礦井下工作位置相對(duì)固定的情況下，邊緣位置節(jié)點(diǎn)亦可以采用RFD類(lèi)型的設(shè)備以達(dá)到節(jié)約成本的目的。

本設(shè)計(jì)采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕?lèi)型為網(wǎng)狀網(wǎng)，通用情況下所有節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的組網(wǎng)如圖5所示。其中節(jié)點(diǎn)4為FFD類(lèi)型設(shè)備，節(jié)點(diǎn)7為RFD類(lèi)型設(shè)備。當(dāng)節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)7加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可能產(chǎn)生可用的新路徑如圖中虛線所示。此時(shí)，假定節(jié)點(diǎn)8向節(jié)點(diǎn)2發(fā)起通信，則路由器算法根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表項(xiàng)信息搜索新的最佳路徑，路徑 8、7、6、5、2(方向從左到右)已經(jīng)過(guò)時(shí)，最優(yōu)新路徑 8、7、4、2(方向從左到右)將被采用。

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)示意圖

2.2 組網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖6所示。系統(tǒng)初始化完畢后，將會(huì)對(duì)本地設(shè)備類(lèi)型進(jìn)行檢測(cè)并轉(zhuǎn)向相應(yīng)類(lèi)型設(shè)備的處理。

圖6 系統(tǒng)組網(wǎng)軟件流程設(shè)計(jì)

如果設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，則主動(dòng)進(jìn)行該區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)組建流程，直至自組網(wǎng)建立成功方可對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)協(xié)調(diào)器檢測(cè)到新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)入節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)處理。協(xié)調(diào)器還具備數(shù)據(jù)上傳功能，即可以上傳語(yǔ)音數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)信息到指定地面上的PC。

如果設(shè)備是FFD類(lèi)型設(shè)備，則該設(shè)備可以充當(dāng)路由器使用，初始化路由并發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。路由初始化成功后，F(xiàn)FD終端即可中繼數(shù)據(jù)或者充當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收語(yǔ)音數(shù)據(jù)以及進(jìn)行播放處理。最后一個(gè)分支是識(shí)別RFD設(shè)備，此時(shí)RFD設(shè)備成功入網(wǎng)后只可作為網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，只具備語(yǔ)音收發(fā)播放功能而不可充當(dāng)路由器使用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 額定功耗測(cè)試

測(cè)試方法為在保持組網(wǎng)狀態(tài)下，分別對(duì)隨機(jī)抽取的20臺(tái)語(yǔ)音終端進(jìn)行工作電流采樣測(cè)試并得到20個(gè)樣機(jī)電流數(shù)據(jù) I1，I2，…，I20，由于樣機(jī)額定電壓為 Ue=5 V，取平均值作為額定功率，可由下式得到：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，終端機(jī)額定功率為P=0.63 W。

3.2 通信距離實(shí)地測(cè)試

測(cè)試環(huán)境分別為長(zhǎng)度約為300 m巷道及開(kāi)闊地面，測(cè)試方法為節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，以人耳辨識(shí)語(yǔ)音間斷現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)的節(jié)點(diǎn)間直線距離為通信距離。測(cè)試結(jié)果如圖7所示，地面平均通信距離為41.27 m，巷道平均通信距離為28.76 m。表明在井下狹長(zhǎng)巷道導(dǎo)致通信距離相對(duì)地面開(kāi)闊環(huán)境通信時(shí)大幅縮短。

圖7 通信距離測(cè)試

丟包率測(cè)試選定測(cè)試環(huán)境為長(zhǎng)度300 m左右的巷道，測(cè)試方法為調(diào)整節(jié)點(diǎn)間距離并發(fā)送固定長(zhǎng)度的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。丟包率計(jì)算為n=100-接收數(shù)據(jù)量/發(fā)送數(shù)據(jù)量。測(cè)試結(jié)果如圖8所示，從圖中可看到，當(dāng)節(jié)點(diǎn)距離增加到接近極限距離時(shí)，通信幾乎失敗。以丟包率為50%為臨界點(diǎn)，可靠通信距離應(yīng)控制在27 m以內(nèi)。

圖8 丟包率測(cè)試

本文針對(duì)常規(guī)井下語(yǔ)音通信效率低或者系統(tǒng)搭建成本過(guò)高的缺陷，提出使用先進(jìn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行語(yǔ)音通信的方案。針對(duì)ZigBee技術(shù)由于傳輸率低而無(wú)法適應(yīng)語(yǔ)音即時(shí)傳輸?shù)膯?wèn)題，提出了使用高壓縮比的IMAADPCM語(yǔ)音壓縮算法對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后傳輸，既保證了語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量也達(dá)到了低速率傳輸語(yǔ)音的目的。實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)具備網(wǎng)絡(luò)自能特性，額定功耗為0.63 W，符合低功耗應(yīng)用場(chǎng)合，在礦井下通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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