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