榮相

摘要簡要介紹ADPCM技術(shù)原理和數(shù)字音頻芯片VS1003在煤礦廣播對(duì)講系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)，并闡述了該方案的優(yōu)點(diǎn)，為煤礦基于現(xiàn)有寬帶網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音廣播對(duì)講提供了一種新的方法，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞ADPCM；數(shù)字語音；VS1003；煤礦廣播對(duì)講

中圖分類號(hào)：TN828 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7597（2014）11-0107-02

自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）技術(shù)能以32kbit/s碼率達(dá)到符合64kbit/s碼率的語音質(zhì)量要求，因此國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（CCITT）在1984年提出了基于ADPCM語音編碼的G.721建議，1986年進(jìn)行了實(shí)用化修正后應(yīng)用到了最早的數(shù)字通信系統(tǒng)中[1]。煤礦生產(chǎn)離不開通信廣播，目前大部分煤礦仍然在大量使用傳統(tǒng)的模擬電話，因井下環(huán)境惡劣，噪聲大，電磁干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致電話通信故障頻發(fā)，通話時(shí)斷時(shí)續(xù)，聽不清對(duì)方說話的內(nèi)容。為保障井下作業(yè)人員聯(lián)系和信息暢通，提高了煤礦語音通信質(zhì)量，采用數(shù)字語音通信技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，同時(shí)，基于煤礦現(xiàn)有寬帶網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音通信也是數(shù)字化煤礦技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。本文就基于ADPCM技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦數(shù)字化廣播對(duì)講系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行論述。

1ADPCM編解碼原理

ADPCM用預(yù)測編碼來壓縮數(shù)據(jù)，其核心思想是利用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小[2]，實(shí)際上編碼記錄并不是語音波形的真實(shí)幅度，而是對(duì)當(dāng)前樣本與預(yù)測樣本之間的差值進(jìn)行量化編碼，為減小斜率過載以及顆粒噪聲，根據(jù)統(tǒng)計(jì)算法自動(dòng)修正量化階的大小，差值較小時(shí)使用小的量化階編碼，差值較大時(shí)使用大的量化階編碼，并使用過去的樣本值估算下一個(gè)輸入樣本與預(yù)測值，使實(shí)際樣本值與預(yù)測值之間的差值最小，采用非均勻量化，保證不同幅度信號(hào)的信噪比在同一水平。解碼是編碼的逆過程，解碼的輸入即為編碼的輸出，在此不再贅述。

2數(shù)字語音硬件實(shí)現(xiàn)

由于ADPCM編解碼技術(shù)優(yōu)勢明顯，應(yīng)用廣泛，各大音頻處理芯片制造商均有自己專門或兼容ADPCM編解碼格式的數(shù)字音頻處理芯片。VS1003b是芬蘭LVSI半導(dǎo)體公司一款價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，支持多種音頻格式文件的解碼，能對(duì)話筒輸入或線路輸入進(jìn)行IMA-ADPCM編碼，帶DSP內(nèi)核以及PLL時(shí)鐘鎖相環(huán)倍頻器，片內(nèi)含高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，有5.5KB供用戶使用的程序代碼和數(shù)據(jù)RAM空間，具有SPI串行數(shù)據(jù)接口以及URAT通信接口。該器件能完全滿足礦用廣播通信系統(tǒng)的功能要求，應(yīng)用電路如圖1所示。

圖中X1、R1～R4、C1～C6為麥克風(fēng)輸入電路，R6-R10、C7～C12為立體聲音頻輸出電路，RCAP為線路輸入提供偏置，晶振Y1的振蕩頻率為12.288MHz，UART串口不用時(shí)RX必須接高電平，與CPU采用SPI串行接口，XRESET用于控制芯片復(fù)位，DREQ為外部中斷，XDCS用于區(qū)分SPI接口傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是命令碼。

圖1VS1003應(yīng)用電路

3基于ADPCM的廣播對(duì)講軟件實(shí)現(xiàn)

采用VS1003實(shí)現(xiàn)廣播對(duì)講，ADPCM編碼進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，只要網(wǎng)絡(luò)有效帶寬在32K以上，即可保證語音數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。為保證實(shí)時(shí)性以及能實(shí)現(xiàn)多方對(duì)講，以UDP組播為基礎(chǔ)的RTP/RTCP協(xié)議，若要完全實(shí)現(xiàn)RTP/RTCP協(xié)議比較復(fù)雜并且需要占用較多的CPU資源，本文采用RTCP的傳輸控制模式，自行設(shè)計(jì)一套簡單傳輸控制協(xié)議。在應(yīng)用中需要注意， UDP并非可靠傳輸，數(shù)據(jù)報(bào)文有可能后發(fā)而先至，對(duì)方在播放之前必須對(duì)報(bào)文進(jìn)行排序，因此編碼報(bào)文中必須包含報(bào)文的ID序號(hào)。

VS1003可以解碼多種音頻數(shù)據(jù)，以何種方式解碼，依靠送入芯片的文件頭格式進(jìn)行自適應(yīng)編碼判斷，因此需要在編碼數(shù)據(jù)前增加一個(gè)WAV文件頭做先導(dǎo)才能正常解碼。在每次語音播放開始時(shí)先向VS1003發(fā)送512字節(jié)文件頭，然后再將接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)依次送入VS1003，芯片即可進(jìn)行自適應(yīng)解碼并輸出模擬音頻信號(hào)。WAV文件頭的制作過程簡單描述如下。

1）設(shè)計(jì)兩個(gè)常量數(shù)組分別定義如下：

const uint8 RIFFHeader0[] = {

'R' , 'I' , 'F' , 'F' , // Chunk ID (RIFF)

0xff, 0xff, 0xff, 0xff, // Chunk payload size (calculate after rec!)

'W' , 'A' , 'V' , 'E' , // RIFF resource format type

'f' , 'm' , 't' , ' ' , // Chunk ID (fmt )

0x14, 0x00, 0x00, 0x00, // Chunk payload size (0x14 = 20 bytes)

0x11, 0x00, // Format Tag (IMA ADPCM)

0x01, 0x00, // Channels (1)

0x80, 0x3e, 0x00, 0x00, // Sample Rate, 0x3e80 = 16.0kHz

0xd7, 0x0f, 0x00, 0x00, // Average Bytes Per Second

0x00, 0x01, // Data Block Size (256 bytes)

0x04, 0x00, // ADPCM encoded bits per sample (4 bits)

0x02, 0x00, // Extra data (2 bytes)

0xf9, 0x01, // Samples per Block (505 samples)

'f' , 'a' , 'c' , 't' , // Chunk ID (fact)

0xc8, 0x01, 0x00, 0x00, // Chunk payload size (456 bytes (zeropad!))

0xff, 0xff, 0xff, 0xff// Number of Samples (calculate after rec!)

}

const uint8 RIFFHeader504[] = {

'd' , 'a' , 't' , 'a' , // Chunk ID (data)

0xff, 0xff, 0xff, 0xff// Chunk payload size (calculate after rec!)

}

2）程序中定義一個(gè)512字節(jié)長度的臨時(shí)數(shù)組，全初始化為零，再將前52個(gè)字節(jié)用RIFFHeader0代替，將最后8個(gè)字節(jié)用RIFFHeader504代替，以上有3個(gè)需要計(jì)算長度的地方全部用0xff代替，根據(jù)采樣速率的不同，Sample Rate的具體數(shù)值需要調(diào)整。

3）每次播放ADPCM語音之前將上述512字節(jié)首先送入VS1003。

ADPCM錄音保存的方法是，從VS1003讀取編碼數(shù)據(jù)后一方面通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，另一方面建立或打開一個(gè)WAV文件，將錄音數(shù)據(jù)保存到文件中。WAV文件頭的簡單制作過程在前文中已有說明，只是在錄音結(jié)束后，利用最終的文件長度分別計(jì)算上文中的3個(gè)長度值，然后重新寫入文件，形成一個(gè)正常的WAV文件。

4基于ADPCM的煤礦廣播對(duì)講系統(tǒng)特點(diǎn)

由于采用了ADPCM數(shù)字語音技術(shù)，與傳統(tǒng)的模擬或基于其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)的廣播對(duì)講系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢。

1）系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，無傳輸損耗，可借助已有數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。由于廣播對(duì)講系統(tǒng)采用了數(shù)字音頻編解碼器以及數(shù)字通信技術(shù)，顯著提高了系統(tǒng)抗干擾能力，減小了使用環(huán)境的影響，降低了對(duì)電源的要求，并可采用本安電路實(shí)現(xiàn)，信號(hào)傳輸過程幾乎沒有損耗和失真，傳輸距離不受限制。

2）通信帶寬要求低，語音效果優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)全雙工通話。ADPCM在保證優(yōu)良音質(zhì)的情況下最高通信速率為32Kbit/s,在實(shí)際使用過程中還可以適當(dāng)降低采樣率，從而降低帶寬要求，與基于VOIP技術(shù)協(xié)議的廣播對(duì)講系統(tǒng)相比，具有明顯的效果優(yōu)勢。如果在每臺(tái)廣播對(duì)講設(shè)備中使用2片VS1003，一片專門用于播放網(wǎng)絡(luò)語音，另一片專門用于錄音編碼發(fā)送，加上回聲抑制技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)煤礦井下全雙工通話。

3）可實(shí)時(shí)播放多種格式音樂，實(shí)現(xiàn)區(qū)域廣播以及多方通話。因VS1003支持大多數(shù)音頻文件解碼，系統(tǒng)配上后臺(tái)軟件后，可實(shí)現(xiàn)在線廣播MP3音樂，另外因系統(tǒng)采用的是組播傳輸，可以在不增加任何帶寬條件下，軟件可靈活控制終端設(shè)備是否加入組播，因此可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)廣播，多方通話功能，這是傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。

5結(jié)束語

實(shí)踐證明，采用ADPCM編解碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的煤礦廣播對(duì)講系統(tǒng)，音頻失真度低，抗干擾能力強(qiáng)，語音效果優(yōu)良，并具備許多附加功能，可替代傳統(tǒng)模擬電話。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可解決煤礦語音通信故障率高，抗干擾能力差的問題，為煤礦提供了一種高質(zhì)量的語音通信解決方案，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]陳溯.ADPCM語音壓縮編碼的分析與仿真[J].中國西部科技，2008，7（32）：51-53.

[2]陳明義.基于FPGA的ADPCM語音編解碼器設(shè)計(jì)時(shí)限[J].電子科技，2007（1）：44-47.

[3]徐博，郭秋敏.基于SPI協(xié)議的音頻流解碼系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2011（1）：44-49.

endprint

摘要簡要介紹ADPCM技術(shù)原理和數(shù)字音頻芯片VS1003在煤礦廣播對(duì)講系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)，并闡述了該方案的優(yōu)點(diǎn)，為煤礦基于現(xiàn)有寬帶網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音廣播對(duì)講提供了一種新的方法，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞ADPCM；數(shù)字語音；VS1003；煤礦廣播對(duì)講

中圖分類號(hào)：TN828 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7597（2014）11-0107-02

自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）技術(shù)能以32kbit/s碼率達(dá)到符合64kbit/s碼率的語音質(zhì)量要求，因此國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（CCITT）在1984年提出了基于ADPCM語音編碼的G.721建議，1986年進(jìn)行了實(shí)用化修正后應(yīng)用到了最早的數(shù)字通信系統(tǒng)中[1]。煤礦生產(chǎn)離不開通信廣播，目前大部分煤礦仍然在大量使用傳統(tǒng)的模擬電話，因井下環(huán)境惡劣，噪聲大，電磁干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致電話通信故障頻發(fā)，通話時(shí)斷時(shí)續(xù)，聽不清對(duì)方說話的內(nèi)容。為保障井下作業(yè)人員聯(lián)系和信息暢通，提高了煤礦語音通信質(zhì)量，采用數(shù)字語音通信技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，同時(shí)，基于煤礦現(xiàn)有寬帶網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音通信也是數(shù)字化煤礦技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。本文就基于ADPCM技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦數(shù)字化廣播對(duì)講系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行論述。

1ADPCM編解碼原理

ADPCM用預(yù)測編碼來壓縮數(shù)據(jù)，其核心思想是利用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小[2]，實(shí)際上編碼記錄并不是語音波形的真實(shí)幅度，而是對(duì)當(dāng)前樣本與預(yù)測樣本之間的差值進(jìn)行量化編碼，為減小斜率過載以及顆粒噪聲，根據(jù)統(tǒng)計(jì)算法自動(dòng)修正量化階的大小，差值較小時(shí)使用小的量化階編碼，差值較大時(shí)使用大的量化階編碼，并使用過去的樣本值估算下一個(gè)輸入樣本與預(yù)測值，使實(shí)際樣本值與預(yù)測值之間的差值最小，采用非均勻量化，保證不同幅度信號(hào)的信噪比在同一水平。解碼是編碼的逆過程，解碼的輸入即為編碼的輸出，在此不再贅述。

2數(shù)字語音硬件實(shí)現(xiàn)

由于ADPCM編解碼技術(shù)優(yōu)勢明顯，應(yīng)用廣泛，各大音頻處理芯片制造商均有自己專門或兼容ADPCM編解碼格式的數(shù)字音頻處理芯片。VS1003b是芬蘭LVSI半導(dǎo)體公司一款價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，支持多種音頻格式文件的解碼，能對(duì)話筒輸入或線路輸入進(jìn)行IMA-ADPCM編碼，帶DSP內(nèi)核以及PLL時(shí)鐘鎖相環(huán)倍頻器，片內(nèi)含高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，有5.5KB供用戶使用的程序代碼和數(shù)據(jù)RAM空間，具有SPI串行數(shù)據(jù)接口以及URAT通信接口。該器件能完全滿足礦用廣播通信系統(tǒng)的功能要求，應(yīng)用電路如圖1所示。

圖中X1、R1～R4、C1～C6為麥克風(fēng)輸入電路，R6-R10、C7～C12為立體聲音頻輸出電路，RCAP為線路輸入提供偏置，晶振Y1的振蕩頻率為12.288MHz，UART串口不用時(shí)RX必須接高電平，與CPU采用SPI串行接口，XRESET用于控制芯片復(fù)位，DREQ為外部中斷，XDCS用于區(qū)分SPI接口傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是命令碼。

圖1VS1003應(yīng)用電路

3基于ADPCM的廣播對(duì)講軟件實(shí)現(xiàn)

采用VS1003實(shí)現(xiàn)廣播對(duì)講，ADPCM編碼進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，只要網(wǎng)絡(luò)有效帶寬在32K以上，即可保證語音數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。為保證實(shí)時(shí)性以及能實(shí)現(xiàn)多方對(duì)講，以UDP組播為基礎(chǔ)的RTP/RTCP協(xié)議，若要完全實(shí)現(xiàn)RTP/RTCP協(xié)議比較復(fù)雜并且需要占用較多的CPU資源，本文采用RTCP的傳輸控制模式，自行設(shè)計(jì)一套簡單傳輸控制協(xié)議。在應(yīng)用中需要注意， UDP并非可靠傳輸，數(shù)據(jù)報(bào)文有可能后發(fā)而先至，對(duì)方在播放之前必須對(duì)報(bào)文進(jìn)行排序，因此編碼報(bào)文中必須包含報(bào)文的ID序號(hào)。

VS1003可以解碼多種音頻數(shù)據(jù)，以何種方式解碼，依靠送入芯片的文件頭格式進(jìn)行自適應(yīng)編碼判斷，因此需要在編碼數(shù)據(jù)前增加一個(gè)WAV文件頭做先導(dǎo)才能正常解碼。在每次語音播放開始時(shí)先向VS1003發(fā)送512字節(jié)文件頭，然后再將接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)依次送入VS1003，芯片即可進(jìn)行自適應(yīng)解碼并輸出模擬音頻信號(hào)。WAV文件頭的制作過程簡單描述如下。

1）設(shè)計(jì)兩個(gè)常量數(shù)組分別定義如下：

const uint8 RIFFHeader0[] = {

'R' , 'I' , 'F' , 'F' , // Chunk ID (RIFF)

0xff, 0xff, 0xff, 0xff, // Chunk payload size (calculate after rec!)

'W' , 'A' , 'V' , 'E' , // RIFF resource format type

'f' , 'm' , 't' , ' ' , // Chunk ID (fmt )

0x14, 0x00, 0x00, 0x00, // Chunk payload size (0x14 = 20 bytes)

0x11, 0x00, // Format Tag (IMA ADPCM)

0x01, 0x00, // Channels (1)

0x80, 0x3e, 0x00, 0x00, // Sample Rate, 0x3e80 = 16.0kHz

0xd7, 0x0f, 0x00, 0x00, // Average Bytes Per Second

0x00, 0x01, // Data Block Size (256 bytes)

0x04, 0x00, // ADPCM encoded bits per sample (4 bits)

0x02, 0x00, // Extra data (2 bytes)

0xf9, 0x01, // Samples per Block (505 samples)

'f' , 'a' , 'c' , 't' , // Chunk ID (fact)

0xc8, 0x01, 0x00, 0x00, // Chunk payload size (456 bytes (zeropad!))

0xff, 0xff, 0xff, 0xff// Number of Samples (calculate after rec!)

}

const uint8 RIFFHeader504[] = {

'd' , 'a' , 't' , 'a' , // Chunk ID (data)

0xff, 0xff, 0xff, 0xff// Chunk payload size (calculate after rec!)

}

2）程序中定義一個(gè)512字節(jié)長度的臨時(shí)數(shù)組，全初始化為零，再將前52個(gè)字節(jié)用RIFFHeader0代替，將最后8個(gè)字節(jié)用RIFFHeader504代替，以上有3個(gè)需要計(jì)算長度的地方全部用0xff代替，根據(jù)采樣速率的不同，Sample Rate的具體數(shù)值需要調(diào)整。

3）每次播放ADPCM語音之前將上述512字節(jié)首先送入VS1003。

ADPCM錄音保存的方法是，從VS1003讀取編碼數(shù)據(jù)后一方面通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，另一方面建立或打開一個(gè)WAV文件，將錄音數(shù)據(jù)保存到文件中。WAV文件頭的簡單制作過程在前文中已有說明，只是在錄音結(jié)束后，利用最終的文件長度分別計(jì)算上文中的3個(gè)長度值，然后重新寫入文件，形成一個(gè)正常的WAV文件。

4基于ADPCM的煤礦廣播對(duì)講系統(tǒng)特點(diǎn)

由于采用了ADPCM數(shù)字語音技術(shù)，與傳統(tǒng)的模擬或基于其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)的廣播對(duì)講系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢。

1）系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，無傳輸損耗，可借助已有數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。由于廣播對(duì)講系統(tǒng)采用了數(shù)字音頻編解碼器以及數(shù)字通信技術(shù)，顯著提高了系統(tǒng)抗干擾能力，減小了使用環(huán)境的影響，降低了對(duì)電源的要求，并可采用本安電路實(shí)現(xiàn)，信號(hào)傳輸過程幾乎沒有損耗和失真，傳輸距離不受限制。

2）通信帶寬要求低，語音效果優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)全雙工通話。ADPCM在保證優(yōu)良音質(zhì)的情況下最高通信速率為32Kbit/s,在實(shí)際使用過程中還可以適當(dāng)降低采樣率，從而降低帶寬要求，與基于VOIP技術(shù)協(xié)議的廣播對(duì)講系統(tǒng)相比，具有明顯的效果優(yōu)勢。如果在每臺(tái)廣播對(duì)講設(shè)備中使用2片VS1003，一片專門用于播放網(wǎng)絡(luò)語音，另一片專門用于錄音編碼發(fā)送，加上回聲抑制技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)煤礦井下全雙工通話。

3）可實(shí)時(shí)播放多種格式音樂，實(shí)現(xiàn)區(qū)域廣播以及多方通話。因VS1003支持大多數(shù)音頻文件解碼，系統(tǒng)配上后臺(tái)軟件后，可實(shí)現(xiàn)在線廣播MP3音樂，另外因系統(tǒng)采用的是組播傳輸，可以在不增加任何帶寬條件下，軟件可靈活控制終端設(shè)備是否加入組播，因此可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)廣播，多方通話功能，這是傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。

5結(jié)束語

實(shí)踐證明，采用ADPCM編解碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的煤礦廣播對(duì)講系統(tǒng)，音頻失真度低，抗干擾能力強(qiáng)，語音效果優(yōu)良，并具備許多附加功能，可替代傳統(tǒng)模擬電話。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可解決煤礦語音通信故障率高，抗干擾能力差的問題，為煤礦提供了一種高質(zhì)量的語音通信解決方案，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]陳溯.ADPCM語音壓縮編碼的分析與仿真[J].中國西部科技，2008，7（32）：51-53.

[2]陳明義.基于FPGA的ADPCM語音編解碼器設(shè)計(jì)時(shí)限[J].電子科技，2007（1）：44-47.

[3]徐博，郭秋敏.基于SPI協(xié)議的音頻流解碼系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2011（1）：44-49.

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摘要簡要介紹ADPCM技術(shù)原理和數(shù)字音頻芯片VS1003在煤礦廣播對(duì)講系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)，并闡述了該方案的優(yōu)點(diǎn)，為煤礦基于現(xiàn)有寬帶網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音廣播對(duì)講提供了一種新的方法，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞ADPCM；數(shù)字語音；VS1003；煤礦廣播對(duì)講

中圖分類號(hào)：TN828 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7597（2014）11-0107-02

自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）技術(shù)能以32kbit/s碼率達(dá)到符合64kbit/s碼率的語音質(zhì)量要求，因此國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（CCITT）在1984年提出了基于ADPCM語音編碼的G.721建議，1986年進(jìn)行了實(shí)用化修正后應(yīng)用到了最早的數(shù)字通信系統(tǒng)中[1]。煤礦生產(chǎn)離不開通信廣播，目前大部分煤礦仍然在大量使用傳統(tǒng)的模擬電話，因井下環(huán)境惡劣，噪聲大，電磁干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致電話通信故障頻發(fā)，通話時(shí)斷時(shí)續(xù)，聽不清對(duì)方說話的內(nèi)容。為保障井下作業(yè)人員聯(lián)系和信息暢通，提高了煤礦語音通信質(zhì)量，采用數(shù)字語音通信技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，同時(shí)，基于煤礦現(xiàn)有寬帶網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音通信也是數(shù)字化煤礦技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。本文就基于ADPCM技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦數(shù)字化廣播對(duì)講系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行論述。

1ADPCM編解碼原理

ADPCM用預(yù)測編碼來壓縮數(shù)據(jù)，其核心思想是利用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小[2]，實(shí)際上編碼記錄并不是語音波形的真實(shí)幅度，而是對(duì)當(dāng)前樣本與預(yù)測樣本之間的差值進(jìn)行量化編碼，為減小斜率過載以及顆粒噪聲，根據(jù)統(tǒng)計(jì)算法自動(dòng)修正量化階的大小，差值較小時(shí)使用小的量化階編碼，差值較大時(shí)使用大的量化階編碼，并使用過去的樣本值估算下一個(gè)輸入樣本與預(yù)測值，使實(shí)際樣本值與預(yù)測值之間的差值最小，采用非均勻量化，保證不同幅度信號(hào)的信噪比在同一水平。解碼是編碼的逆過程，解碼的輸入即為編碼的輸出，在此不再贅述。

2數(shù)字語音硬件實(shí)現(xiàn)

由于ADPCM編解碼技術(shù)優(yōu)勢明顯，應(yīng)用廣泛，各大音頻處理芯片制造商均有自己專門或兼容ADPCM編解碼格式的數(shù)字音頻處理芯片。VS1003b是芬蘭LVSI半導(dǎo)體公司一款價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，支持多種音頻格式文件的解碼，能對(duì)話筒輸入或線路輸入進(jìn)行IMA-ADPCM編碼，帶DSP內(nèi)核以及PLL時(shí)鐘鎖相環(huán)倍頻器，片內(nèi)含高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，有5.5KB供用戶使用的程序代碼和數(shù)據(jù)RAM空間，具有SPI串行數(shù)據(jù)接口以及URAT通信接口。該器件能完全滿足礦用廣播通信系統(tǒng)的功能要求，應(yīng)用電路如圖1所示。

圖中X1、R1～R4、C1～C6為麥克風(fēng)輸入電路，R6-R10、C7～C12為立體聲音頻輸出電路，RCAP為線路輸入提供偏置，晶振Y1的振蕩頻率為12.288MHz，UART串口不用時(shí)RX必須接高電平，與CPU采用SPI串行接口，XRESET用于控制芯片復(fù)位，DREQ為外部中斷，XDCS用于區(qū)分SPI接口傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是命令碼。

圖1VS1003應(yīng)用電路

3基于ADPCM的廣播對(duì)講軟件實(shí)現(xiàn)

采用VS1003實(shí)現(xiàn)廣播對(duì)講，ADPCM編碼進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，只要網(wǎng)絡(luò)有效帶寬在32K以上，即可保證語音數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。為保證實(shí)時(shí)性以及能實(shí)現(xiàn)多方對(duì)講，以UDP組播為基礎(chǔ)的RTP/RTCP協(xié)議，若要完全實(shí)現(xiàn)RTP/RTCP協(xié)議比較復(fù)雜并且需要占用較多的CPU資源，本文采用RTCP的傳輸控制模式，自行設(shè)計(jì)一套簡單傳輸控制協(xié)議。在應(yīng)用中需要注意， UDP并非可靠傳輸，數(shù)據(jù)報(bào)文有可能后發(fā)而先至，對(duì)方在播放之前必須對(duì)報(bào)文進(jìn)行排序，因此編碼報(bào)文中必須包含報(bào)文的ID序號(hào)。

VS1003可以解碼多種音頻數(shù)據(jù)，以何種方式解碼，依靠送入芯片的文件頭格式進(jìn)行自適應(yīng)編碼判斷，因此需要在編碼數(shù)據(jù)前增加一個(gè)WAV文件頭做先導(dǎo)才能正常解碼。在每次語音播放開始時(shí)先向VS1003發(fā)送512字節(jié)文件頭，然后再將接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)依次送入VS1003，芯片即可進(jìn)行自適應(yīng)解碼并輸出模擬音頻信號(hào)。WAV文件頭的制作過程簡單描述如下。

1）設(shè)計(jì)兩個(gè)常量數(shù)組分別定義如下：

const uint8 RIFFHeader0[] = {

'R' , 'I' , 'F' , 'F' , // Chunk ID (RIFF)

0xff, 0xff, 0xff, 0xff, // Chunk payload size (calculate after rec!)

'W' , 'A' , 'V' , 'E' , // RIFF resource format type

'f' , 'm' , 't' , ' ' , // Chunk ID (fmt )

0x14, 0x00, 0x00, 0x00, // Chunk payload size (0x14 = 20 bytes)

0x11, 0x00, // Format Tag (IMA ADPCM)

0x01, 0x00, // Channels (1)

0x80, 0x3e, 0x00, 0x00, // Sample Rate, 0x3e80 = 16.0kHz

0xd7, 0x0f, 0x00, 0x00, // Average Bytes Per Second

0x00, 0x01, // Data Block Size (256 bytes)

0x04, 0x00, // ADPCM encoded bits per sample (4 bits)

0x02, 0x00, // Extra data (2 bytes)

0xf9, 0x01, // Samples per Block (505 samples)

'f' , 'a' , 'c' , 't' , // Chunk ID (fact)

0xc8, 0x01, 0x00, 0x00, // Chunk payload size (456 bytes (zeropad!))

0xff, 0xff, 0xff, 0xff// Number of Samples (calculate after rec!)

}

const uint8 RIFFHeader504[] = {

'd' , 'a' , 't' , 'a' , // Chunk ID (data)

0xff, 0xff, 0xff, 0xff// Chunk payload size (calculate after rec!)

}

2）程序中定義一個(gè)512字節(jié)長度的臨時(shí)數(shù)組，全初始化為零，再將前52個(gè)字節(jié)用RIFFHeader0代替，將最后8個(gè)字節(jié)用RIFFHeader504代替，以上有3個(gè)需要計(jì)算長度的地方全部用0xff代替，根據(jù)采樣速率的不同，Sample Rate的具體數(shù)值需要調(diào)整。

3）每次播放ADPCM語音之前將上述512字節(jié)首先送入VS1003。

ADPCM錄音保存的方法是，從VS1003讀取編碼數(shù)據(jù)后一方面通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，另一方面建立或打開一個(gè)WAV文件，將錄音數(shù)據(jù)保存到文件中。WAV文件頭的簡單制作過程在前文中已有說明，只是在錄音結(jié)束后，利用最終的文件長度分別計(jì)算上文中的3個(gè)長度值，然后重新寫入文件，形成一個(gè)正常的WAV文件。

4基于ADPCM的煤礦廣播對(duì)講系統(tǒng)特點(diǎn)

由于采用了ADPCM數(shù)字語音技術(shù)，與傳統(tǒng)的模擬或基于其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)的廣播對(duì)講系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢。

1）系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，無傳輸損耗，可借助已有數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。由于廣播對(duì)講系統(tǒng)采用了數(shù)字音頻編解碼器以及數(shù)字通信技術(shù)，顯著提高了系統(tǒng)抗干擾能力，減小了使用環(huán)境的影響，降低了對(duì)電源的要求，并可采用本安電路實(shí)現(xiàn)，信號(hào)傳輸過程幾乎沒有損耗和失真，傳輸距離不受限制。

2）通信帶寬要求低，語音效果優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)全雙工通話。ADPCM在保證優(yōu)良音質(zhì)的情況下最高通信速率為32Kbit/s,在實(shí)際使用過程中還可以適當(dāng)降低采樣率，從而降低帶寬要求，與基于VOIP技術(shù)協(xié)議的廣播對(duì)講系統(tǒng)相比，具有明顯的效果優(yōu)勢。如果在每臺(tái)廣播對(duì)講設(shè)備中使用2片VS1003，一片專門用于播放網(wǎng)絡(luò)語音，另一片專門用于錄音編碼發(fā)送，加上回聲抑制技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)煤礦井下全雙工通話。

3）可實(shí)時(shí)播放多種格式音樂，實(shí)現(xiàn)區(qū)域廣播以及多方通話。因VS1003支持大多數(shù)音頻文件解碼，系統(tǒng)配上后臺(tái)軟件后，可實(shí)現(xiàn)在線廣播MP3音樂，另外因系統(tǒng)采用的是組播傳輸，可以在不增加任何帶寬條件下，軟件可靈活控制終端設(shè)備是否加入組播，因此可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)廣播，多方通話功能，這是傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。

5結(jié)束語

實(shí)踐證明，采用ADPCM編解碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的煤礦廣播對(duì)講系統(tǒng)，音頻失真度低，抗干擾能力強(qiáng)，語音效果優(yōu)良，并具備許多附加功能，可替代傳統(tǒng)模擬電話。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可解決煤礦語音通信故障率高，抗干擾能力差的問題，為煤礦提供了一種高質(zhì)量的語音通信解決方案，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]陳溯.ADPCM語音壓縮編碼的分析與仿真[J].中國西部科技，2008，7（32）：51-53.

[2]陳明義.基于FPGA的ADPCM語音編解碼器設(shè)計(jì)時(shí)限[J].電子科技，2007（1）：44-47.

[3]徐博，郭秋敏.基于SPI協(xié)議的音頻流解碼系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2011（1）：44-49.

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