矿用RS485测控网络语音传输的研究

论文摘要

随着语音通信的发展和应用范围不断扩大,一些非常重要或极具危险性的工业场合对语音实时通信的要求也越来越高（如设备安装、调试、检测等）,特别是在大型工业现场,如煤矿井下作业面、大型石化设施、水电站坝底机房等。由于受现场复杂环境的影响,对讲机、小灵通等无线通信设备虽然在工业现场、甚至煤矿井下都有应用,但是由于受到环境制约无法充分发挥自身的优势,因此没有得到普及,所以依靠现场现有的数据通信通道或组建专门的通信网络实现语音传输作为辅助手段来提高现场工作效率、安全等方面成为必要。随着自动化技术、通信技术和计算机技术的迅速发展,语音压缩与实时传输也不再受技术的限制。鉴于此,论文提出组建RS485总线网络作为现场复杂地形下的传输通道,采用G.729A标准作为语音压缩编码算法进行语音编解码,并以此组建现场语音通信系统,作为一种煤矿井下的辅助通信工具,并对此进行设计与实现。论文首先介绍了语音压缩与传输的关键意义与国内外现状,给出了本文的主要工作安排。论文针对煤矿井下作业面的语音传输作为具体研究对象,分析了目前常用的数据通信方式原理与特点,井下采用了硬件设备简单、控制方便、成本低廉的四线制RS485总线方案,井口与地面配以CAN总线或光纤传输通道,达到安全可靠的目的。语音编码算法是语音压缩的基础,通过对ITU-T颁布的多种低码率算法标准的分析对比,选取了数据率为8kb/s,音质质量达到3.74.0的以码激励线性预测为基础的G.729A标准。针对G.729A算法复杂、计算量大的特点,本文在熟悉微处理器ARM7 LPC2210的基础上充分利用芯片资源对其进行算法和程序上的优化,将程序移植到芯片后经测试计算量减少到40.9MIPS,完全满足处理器的计算能力。通过硬件试验和主观试听结果分析,经编码和解码后的语音质量良好,与原始语音无较大差别。系统硬件由语音通信系统和话机组成,话机通过四线制RS485总线连接,采用主叫占先与动态收发配置的原理实现了语音的全双工通信,为工业现场的设备调试、检测等信息的实时传递提供了一个快捷、方便、实用的语音通信系统。该系统可作为一种提高工作效率及安全性能的辅助工具叠加在煤矿井下数据传输系统中。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要工作
• 1.3.1 本文主要研究内容
• 1.3.2 章节安排
• 1.4 小结
• 2 系统方案设计
• 2.1 语音处理及通信系统设计
• 2.1.1 系统组成
• 2.1.2 话机设计
• 2.1.3 通信系统设计
• 2.1.4 主叫占先方式与动态收发配置原理
• 2.2 语音压缩编码方案选择
• 2.2.1 语音压缩编码的评价
• 2.2.2 低码率语音编码标准
• 2.2.3 语音信号的数学模型
• 2.3 小结
• 3 语音通信系统硬件设计
• 3.1 话机的硬件设计
• 3.2 语音数据传输通道的设计
• 3.2.1 R5485 中继器的设计
• 3.2.2 R5485 HUBBER 的设计
• 3.2.3 R5485/CAN 转换器的设计
• 3.2.4 R5485/光纤转换器的设计
• 3.2.5 R5485 保护电路的设计
• 3.3 小结
• 4 G.729 与G.729A 语音编码原理分析比较
• 4.1 G.729 编码器原理分析
• 4.1.1 预处理及线性预测分析量化
• 4.1.2 感觉加权
• 4.1.3 脉冲响应与目标信号的计算
• 4.1.4 自适应码本的选取
• 4.1.5 固定码本的结构及选取
• 4.1.6 增益量化
• 4.1.7 存储器更新
• 4.2 G.729 解码器原理分析
• 4.2.1 参数解码过程
• 4.2.2 后处理
• 4.2.3 帧损坏的弥补
• 4.3 G.729A 对G.729 标准的简化
• 4.3.1 G.729A 编码器对G.729 编码器的简化
• 4.3.2 G.729A 解码器对G.729 解码器的简化
• 4.4 小结
• 5 G.729A 语音编码优化
• 5.1 G.729A 算法优化
• 5.2 G.729A 程序优化
• 5.3 G.729A 优化结果
• 5.4 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 技术展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录