井下对讲设备及方法与流程

1.本说明书涉及矿井通讯技术领域，尤其涉及一种井下对讲设备及方法。


背景技术：

2.煤矿井下由于深入地下且通道纵横交错，并且还存在易燃易爆的瓦斯气体等，当出现紧急状况时，例如井下出现瓦斯泄漏或其他事故需要通知井下作业人员撤离，系统都缺少紧急逃生时的指挥功能，特别是由于井下环境非常封闭，在撤离时井下人员不能清楚的知道预订路线是否还能正常安全的通过，如果不能按照原有路线撤离，是否还有新的路线可以及时指导作业工人逃生，这在发生事故时对解救矿工具有极大的影响。因此在这种特殊的地质环境中需要使用专用的且具有较高可靠性的广播系统来保障人员安全通信。
3.目前煤矿行业内部用于广播的系统都以广播为主要目的而设计的，不能与原有的系统兼容互通。如果为满足全双工广播对讲的声音质量要求而重新部署四线方案，需要重复施工，造成资源浪费。


技术实现要素：

4.为解决相关技术中的问题，本公开实施例提供了一种井下对讲设备及方法。
5.本公开的一个方面提供了一种井下对讲设备，包括连接端、输出端、输入端和处理模块。连接端包括二线的连接线路和音频变压器，用于连接外部线路。输出端包括二线的输出线路、功率放大电路和扬声器，用于播放声音。输入端包括二线的输入线路、信号放大电路和传声器，用于采集声音。处理模块与所述连接端、输出端和输入端连接，用于将二线的连接线路转换为包括输入线路和输出线路的四线线路。处理模块还用于检测音频信号，在检测到所述输入端存在语音信号的情况下，降低所述输出端的信号增益或者断开与所述输出端的连接。
6.本公开的另一个方面提供一种井下对讲方法，应用于处理模块，所述处理模块与连接端、输出端和输入端连接，该方法包括检测音频信号，在检测到所述输入端存在语音信号的情况下，降低所述输出端的信号增益或者断开与所述输出端的连接。其中，所述连接端包括连接线路和音频变压器，用于连接外部线路。所述输入端包括输入线路、信号放大电路和传声器，用于采集声音。所述输出端包括输出线路、功率放大电路和扬声器，用于播放声音。
7.通过本公开实施例提供的井下对讲设备和方法，能够有效降低井下巷道内的啸叫，较好地实现全双工对讲。
附图说明
8.结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
9.图1示意性示出应用本公开实施例的井下对讲设备的系统架构示意图；
10.图2示意性示出本公开实施例的两个井下对讲设备连接的示意图；
11.图3示意性示出本公开实施例的井下对讲设备的示意图；
12.图4示意性示出本公开另一实施例的井下对讲设备的示意图；
13.图5示意性示出本公开实施例的井下对讲方法的流程图；
14.图6示意性示出本公开另一实施例的井下对讲方法的流程图；
15.图7示意性示出本公开另一实施例的井下对讲方法的流程图；以及
16.图8示意性示出本公开另一实施例的井下对讲方法的流程图。
具体实施方式
17.下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施例无关的部分。
18.在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
19.另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
20.本公开的实施例提供了一种井下对讲设备，包括连接端、输出端、输入端和处理模块。连接端包括二线的连接线路和音频变压器，用于连接外部线路。输出端包括二线的输出线路、功率放大电路和扬声器，用于播放声音。输入端包括二线的输入线路、信号放大电路和传声器，用于采集声音。处理模块与所述连接端、输出端和输入端连接，用于将二线的连接线路转换为包括输入线路和输出线路的四线线路。处理模块还用于检测音频信号，在检测到所述输入端存在语音信号的情况下，降低所述输出端的信号增益或者断开与所述输出端的连接。该设备能够有效降低井下巷道内的啸叫，较好地实现全双工对讲。
21.现有的矿井中通常部署有各种广播系统，例如皮带对话系统、打点系统等。皮带对话系统是运煤的广播系统，用于通知何时启动停止等。该些系统的传输网路通常为二线线路。本公开实施例提供的技术方案希望在不增加线缆的情况下，复用现有系统，较好地实现全双工广播对讲。此外，该方案还有助于实现多个系统之间的互联互通，可以在地面多个系统之间实现联动。
22.煤矿井下广播系统，一般是双向同时进行的。近端说话，另外一方远端则听到声音，或者远端讲话，近端听到声音。由于井下环境复杂，干扰较多，一方面对响度的要求较高，需要声音在1米处达到90分贝以上，另一方面又不能出现强烈的回声，否则无法保证广播效果。甚至在一些情况下，不同设备可能被部署在同一个巷道内，那么两个设备会相互采样到对方扬声器播放出来的声音，会致使产生啸叫。
23.基于上述原因，现有的二线线路通常仅用于实现半双工方式，即在同一时刻仅允许在一个方向上传输声音信号，减小回声的影响。
24.本公开实施例的技术方案在不增加线缆及改变原有设备的情况下实现全双工的广播对讲，整个实现的关键技术点就是设备是如何在现有的二线链路系统中实现全双工广播对讲。
25.如何快速的对远端音频与本地传声器声音的快速识别、保证数据低丢包、低延时，
且在快速双工广播对讲过程中保证声音清晰连续，是对全双工对讲很大的挑战。
26.快速音频识别快速切换技术，就是快速的检测音频并实现二四线切换的技术，在同一设备内实现声音连续的快速切换，保证声音的完整和实时性。
27.二线音频用来传双方发出的语音信号，要保证广播在响度很大的情况下只听到对方的声音，而听不到自己的声音。实现的最直接方法，就是内部信号已经把听到的声音与说话的声音信号分开传了，这个就是四线上传的。传输采用二线音频传输语音信号，那么就需要把传输网络中的二线转化成四线，就是二四线转换，就是将二线的收发语音双路混合在一起的信号，分到内部四线上的收、发语音信号分开的信号了。
28.本公开实施例的设备和方法根据检测线路中是否存在语音信号控制电路状态，在默认情况下近端传声器处于类似断开的状态，只有在检测到输入端有语音信号时开启耦合传输，减少了啸叫的产生，快速检测切换电路，高可靠地保证设备在二线外部线路的情况下实现全双工广播对讲。
29.图1示意性示出应用本公开实施例的井下对讲方法的系统架构示意图。
30.如图1所示，系统架构100可以包括井下对讲设备101、102、103，网络104、调度服务器105。网络104用以在终端设备101、102、103和服务器105之间提供通信链路的介质。网络104可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。在本公开实施例中，为了利用井下现有的设备，网络104主要是指有线通信链路，尤其是两条用于传输音频信号的线路。井下对讲设备101、102、103通过网络104与调度服务器105交互，以接收或发送消息等。
31.调度服务器105可以是硬件，也可以是软件。当调度服务器105为硬件时，可以实现成多个服务器组成的分布式服务器集群，也可以实现成单个服务器。当调度服务器105为软件时，可以实现成多个软件或软件模块(例如用来提供分布式服务的多个软件或软件模块)，也可以实现成单个软件或软件模块。
32.多个井下对讲设备101、102、103可以在调度服务器105处注册，以实现广播、组播或点对点的对讲功能。例如，多个井下对讲设备101、102、103可以通过sip协议(session initialization protocol，会话初始协议)在调度服务器105处注册。
33.应该理解，图1中的井下对讲设备、网络和调度服务器的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的井下对讲设备、网络和调度服务器。
34.图2示意性示出本公开实施例的两个井下对讲设备连接的示意图。
35.如图2所示，近端设备201和远端设备202均为本公开实施例的井下对讲设备，其包括功率放大电路和扬声器、信号放大电路和传声器、处理模块以及音频变压器。为了简洁，图2中省略了音频变压器。近端设备和远端设备通过二线的传输网络203连接可以实现点对点的对讲功能。
36.图3示意性示出本公开实施例的井下对讲设备的示意图。
37.如图3所示，该井下对讲设备300包括连接端310、输出端320、输入端330和处理模块340。
38.连接端310包括二线的连接线路和音频变压器，用于连接外部线路，例如图1所示的网络104或图2所示的传输网络203。其中，音频变压器用于设备间的隔离。连接线路为音频变压器与处理模块340之间的二线音频线路。
39.输出端320包括二线的输出线路、功率放大电路和扬声器，用于播放声音。其中，输出线路为处理模块340与功率放大电路之间的二线音频线路。功率放大电路用于将输出线路中的电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。
40.根据本公开实施例，功率放大电路可以采用不低于2*10w的功放芯片，结构上设置双向音腔，可以设置增益可调方案，在增益26db下测试可以达到1米处不低于95分贝的响度，以满足煤矿井下对声音响度的要求。
41.输入端330包括二线的输入线路、信号放大电路和传声器，用于采集声音。其中，输入线路为处理模块340与信号放大电路之间的二线音频线路。传声器即麦克风，是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。信号放大电路是对传声器输入的信号进行放大的电路。
42.处理模块340与连接端310、输出端320和输入端330连接，用于将二线的连接线路转换为包括输入线路和输出线路的四线线路。
43.根据本公开实施例，处理模块340具有信号检测功能，例如，处理模块340可以检测连接线路或输入线路中的信号。
44.对讲设备在与传统的设备连接时，在二四线切换过程中，如何快速的，与扬声器断开、与传声器连接，或者相反的操作过程中，中间的切换过程存在丢字的问题，如何实现快速切换、保证声音不中断、卡顿，且在切换时保证广播对讲的可靠，是广播系统很大的挑战。
45.为实现上述目的，本公开实施例的检测音频信号的方法可以选用梅尔频率倒谱系数或脉冲计数的方法，也可以结合使用。
46.梅尔频率是基于人耳听觉特性提取出来的，和赫兹频率呈现一个非线性对应关系。梅尔频率倒谱系数(mel frequency cepstrum coefficient,mfcc)是利用梅尔频率和赫兹频谱关系计算得出的赫兹频谱特征，用于语音数据的特征提取。提取语音特征的过程，从输入语音进行傅里叶变换，从中得到频谱，然后通过梅尔滤波器进行倒谱分析，得到mfcc系数。例如，处理模块340可以确定线路中的音频信号的梅尔频率倒谱系数，并与第一阈值的比较，产生比较结果，根据比较结果确定音频信号中是否存在语音信号。
47.脉冲计数是指一定时间(例如一秒)内，音频信号中脉冲的数量。语音信号与噪声信号在脉冲计数上存在差异，可以用于快速识别语音信号。例如，处理模块340可以确定线路中的音频信号的脉冲计数，并与第二阈值比较产生比较结果，根据比较结果确定音频信号中是否存在语音信号。
48.根据本公开实施例，两种方法可以结合使用。例如，可以在同时满足两个(或两组)阈值的情况下，判定存在语音信号。也可以是在任意一个条件成立时判定存在语音信号。
49.根据本公开实施例，检测音频信号的方法并不限于以上两种，也可以从已有的方法中选用其他的方法。
50.根据本公开实施例，该方法识别简单快速，反应灵敏，因而传输网络语音延迟低，实时感很强，声音流畅，保证了井下广播对讲的良好效果。
51.根据本公开实施例，处理模块340还具有信号处理功能。例如，处理模块340可以通过开关或开关电路控制线路的连接关系，决定连接线路如何与输入线路或输出线路导通。又如，处理模块340可以改变电路的参数，例如改变输出通路中的阻抗，从而改变输出端330接收到信号的强弱。在一些实施例中，处理模块340可以提高输出通路的阻抗，使得到达功率放大电路的信号变弱，从而在相同的功率放大倍数的作用下，扬声器的响度降低。
echo cancellation,lec)。声学回音是由于在相对封闭或者顺风环境应用中，扬声器的声音多次反馈到传声器引起的，线路回音则是由传输网络及远端引起的回音。
63.本公开实施例的最小均方误差回声抑制方法主要用于声学回音抑制，根据输出端320或420的音频输出数据帧，在输入端330或430的音频输入数据帧中作相似抵消的运算，从而抑制音频输入数据帧中的声学回音。基于dsp的最小均方算法可以实时、快速地实现回声抑制。该方法可辅助语音识别快速切换技术，在输入端存在语音输入的情况下，减少了扬声器电路的音频进入到传声器时的回音啸叫。
64.具体地，lms算法将扬声器、周围环境和传声器视为一个线性的系统h(n)，来自远端的话音x(n)经扬声器播放并通过系统h(n)后成为回声y(n)，即：
65.y(n)＝x(n)*h(n)，式中“*”为线性卷积。
66.回声y(n)与近端音频v(n)混合后一同被传声器采集，得到自适应滤波器的信号，也即近端的传声器信号d(n)：
67.d(n)＝v(n)+y(n)。
68.回声消除的目的是去除传声器信号d(n)中的回声y(n)，以此避免给远端用户造成话音干扰。
69.lms算法可以自适应地确定权重系数w(n)，从而确定自适应滤波器的输出信号进一步地，可以确定误差信号e(n)作为经过回声抑制处理后的信号传至远端：
[0070][0071]
本公开实施例还提供了一种井下对讲方法，应用于如上文所述的处理模块。该处理模块与连接端、输出端和输入端连接。其中，连接端包括连接线路和音频变压器，用于连接外部线路。输入端包括输入线路、信号放大电路和传声器，用于采集声音。输出端包括输出线路、功率放大电路和扬声器，用于播放声音。下面结合图5-图8所示意的实施例进行说明。
[0072]
图5示意性示出本公开实施例的井下对讲方法的流程图。
[0073]
如图5所示，该方法包括操作s510和s520。
[0074]
在操作s510，检测音频信号。
[0075]
在操作s520，在检测到所述输入端存在语音信号的情况下，降低所述输出端的信号增益或者断开与所述输出端的连接。
[0076]
根据本公开实施例，检测音频信号至少包括检测输入端的输入线路上的音频信号，还可以包括检测连接端的连接线路上的音频信号。
[0077]
根据本公开实施例，操作s510可以包括确定音频信号的梅尔频率倒谱系数与第一阈值的比较结果，以确定音频信号中是否存在语音信号。或者，操作s510可以包括确定所述音频信号的脉冲计数与第二阈值的比较结果，以确定音频信号中是否存在语音信号。又或者，操作s510可以包括上述两种方式的结合。
[0078]
图6示意性示出本公开另一实施例的井下对讲方法的流程图。
[0079]
如图6所示，该方法在图5所示的实施例的基础上还可以包括操作s610。
[0080]
在操作s610，在检测到所述输入端不存在语音信号的情况下，恢复所述输出端的
信号增益为默认值或者恢复与所述输出端的连接。
[0081]
图7示意性示出本公开另一实施例的井下对讲方法的流程图。
[0082]
如图7所示，该方法在前述实施例的基础上还可以包括操作s710，或者s710和s720。
[0083]
在操作s710，在检测到所述连接端不存在语音信号的情况下，断开与所述输出端的连接。
[0084]
在操作s720，在检测到所述连接端存在语音信号的情况下，恢复与所述输出端的连接。
[0085]
图8示意性示出本公开另一实施例的井下对讲方法的流程图。
[0086]
如图8所示，该方法在前述实施例的基础上，还可以包括操作s810。
[0087]
在操作s810，通过最小均方算法对输入端的信号进行回声抑制处理。
[0088]
图5-图8所描述的方法已经在图1-图4关于井下对讲设备的部分进行了详细的阐述，因而此处不再赘述。
[0089]
本公开实施例的技术方案将快速切换技术、声音检测技术、回音抑制技术均内置到广播对讲设备里，通过模拟二线连接而发明一种应用于井下广播系统全双工对讲方法及设备；通过优化回音抑制算法更改声音抑制时间，保证快速可靠的实现回音抑制；通过声音检测、快速切换技术，检测线路上声音并快速切换线路，保证可靠的连接，实现二四线线切换从而达到广播全双工对讲，在实现与原有系统兼容的基础上，减少线路的重复部署。
[0090]
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。