基于自适应算法的煤矿通信系统语音网关研究

赵忠军

(攀枝花煤业(集团)有限责任公司 机运部， 四川 攀枝花 617066)

随着信息技术的发展，煤矿通信系统形成了特有的语音扩播系统，但与其他通信系统相互独立，并且传播距离也有限，性能与通话质量不理想[1-3]. 因此，提出了煤矿通信联络系统语音网关的设计方案，将各个通信系统有机结合起来，以克服传统语音扩播系统传输距离短、通话质量差等问题。

1 语音网关的设计

1.1 异构网络互联技术

煤矿现行的通信方式有多种，常见的有CAN总线、RS-485总线还有工业以太网，方式各有利弊，要在语音通信中只使用一种是非常困难的，在连接各种规范时会涉及物理、电气等的连接问题，这也是网关实现异构互联所需要解决的问题[4].

网络协议的组成：1) 物理方面：主要指的是硬件组成。2) 电气方面：主要指硬件工作所需的电压等级和形式。3) 逻辑方面：主要指如何使用传输控制字符。4) 过程方面：主要指数据传输的先后顺序，以及各个部分的命令和应答，协调数据传输。

网络协议之间的互联需要从这4方面入手，根据各自协议的特点，使得不同的网络协议在逻辑与过程上协调工作就可以解决不同协议之间的互联。

网络网关充当不同协议的转换机，通过包含不同协议与操作信息的接口与用各自协议的设备相连接，参考ISO/OSI模型，为了实现不同协议的转换，网关应在协议的最高层应用层完成数据的交互[5]，网关的结构模型见图1.

图1 网关结构模型图

1.2 VoIP简介及技术标准

工业以太网是现如今应用最广泛的计算机网络技术，具有应用广泛、通信速率高、可持续发展潜力大和适应复杂环境能力强等优势，因此将以太网作为网关转换其他协议最终接入的方式。

VoIP是将模拟的声音经过转化变成计算机可以识别的数字量，再在网络(以太网)上以数据包的形式实现实时传输[6].

1) VoIP的传输过程。

VoIP首先将语音信号转换成数字信号，然后压缩成UDP数据包进行传输，接入IP网络之后转换成IP数据在网络中进行传输，达到目的地后进行逆向转化，见图2.

图2 语音传输示意图

2) VoIP的相关技术标准。

国际电信联盟(ITU-T)制定了H.32x多媒体通信系列协议，下面就其中主要几个标准做简单说明：

H.320，在窄带可视电话系统和终端(N-ISDN)上进行多媒体通信的标准。

H.321，在B-ISDN上进行多媒体通信的标准。

H.322，在有QoS保证的局域网上进行多媒体通信的标准。

H.323，在无QoS保证的包交换网络上进行多媒体通信的标准。

H.324，在低比特率通信终端(PSTN和无线网络)上进行多媒体通信的标准。

矿井的语音通信系统是在自身的局域网中进行工作，因此采用H.322标准，为了保证语音通话的质量和语音传输的准确性对VoIP的QoS参数做如下要求：丢包率<0.01；抖动<30 ms；传输延迟<160 ms.

1.3 语音网关系统的构成

语音网关要实现将不同协议的语音系统接入以太网，因此该系统设计了基于CAN总线、RS-485总线的接口和以太网的接口，同时还需要存储模块作为数据缓冲，用以调整总线与以太网的传输速度差，为了得到较好的语音通信，添加了语音处理模块，系统结构见图3.

图3 语音网关系统结构图

2 基于自适应能量检测算法的静音检测技术

2.1 静音检测简介

静音检测又称为VAD(Voice Activity Detection)，主要应用于语音通话中检测和消除静音，清除无效数据，减少网络上传输的无效数据包，减少网络拥塞。包含静音检测的语音通信模型见图4.

图4 包含静音检测的语音通信模型图

语音通话分为静音部分和语音部分，语音部分才是系统的有效部分，但对于系统来说这两部分都需要编码、处理和传输，这样既浪费了带宽又增加了系统工作量，通过加入静音检测机制可以将静音部分识别消除，提高系统带宽利用率。

2.2 基于自适应能量检测算法的静音检测技术

能量检测算法是依据语音信号与静音噪声信号所含的能量不同，两者相比能量大的为语音信号，另外的为静音信号[7].

信号每帧能量为：

当Ej>kEy时第j帧为语音，其他为静音。k的值根据具体情况确定，Ey为能量阈值。

由于通话环境随机变化所以能量阈值不能一成不变，因此在能量阈值的确定上引入自适应能量阈值：

Eyn=(1-p)Ey+pEs

式中，p为加权值，取值为0

σ=var(Es)

设σnew和σold分别表示井下语音前后帧的噪声能量，若σnew>σold，则表示采集语音背景噪声能量有较大的变化。因此，p可以由σnew和σold比值来决定。σ变化时p的取值见表1.

能量检测算法可以准确地检测出静音，算法结构简单，在实际应用中利于实现，算法流程见图5.

表1 p取值表

图5 能量检测算法流程图

3 基于自适应滤波器的回声消除技术

影响语音通信质量的最大因素就是回声，煤矿井下环境复杂，噪声多，且巷道狭窄，极易造成各种噪声回声，这些回声通过以太网形成电气回声，对整个语音通信系统形成影响，为了达到理想的通信质量，采用了基于自适应滤波器算法的回声消除技术。

3.1 回声消除器原理

AEC(Acoustic Echo Canceller)声学回声消除器，具有高性能的回声消除技术在各种网络通信语音系统中被广泛应用，该次设计也采用AEC.

AEC基本原理见图6.

图6 回声消除器原理图

3.2 自适应滤波器

自适应滤波器由两部分构成，分别为自适应算法和可调参数的滤波器，其中自适应算法起到决定性作用，该次改进自适应滤波器主要是在算法上改进[8-10]. 结构原理图见图7.

图7 自适应滤波器原理图

LMS是在信号处理、模式识别等领域的经典算法，迭代公式为：

w(n)+2ue(n)x(n)

但这种经典算法的缺点是因子u恒定，不能满足动态环境的要求，因此提出通过增加归一化因子来改变因子u的长度，从而实现对LMS算法的改进:

式中，r、u取值为(0,2). 由此可得改进后的算法为：

4 语音网关性能测试

利用MATLAB软件对改进后的回声消除算法进行模拟测试，方法如下：

1) 采集攀枝花煤业集团太平煤矿1153工作面上隅角一段语音vo1.wav.

2) 将vo1.wav通过传统算法和改进算法后的AEC算法进行MATLAB仿真，并对比两者结果。

MATLAB仿真结果见图8，回声返回衰减增益(ERLE)是一种表现回声消除效果的指标，计算公式为：

图8 仿真结果图

由图8可知，改进后的回声消除效果有明显地提升。

5 结 论

1) 利用异构互联技术可以将煤矿井下不同协议的通信系统通过网络网关接入以太网，通过上位机统一管理，提高矿井生产、调度的效率。

2) 在网络网关中加入自适应静音检测机制和改进自适应滤波器算法的回声消除模块可以提高带宽利用率，提升整个语音通信系统运行效率，同时可以保证语音通信的通话质量和提高系统运行的可靠性。