矿用胶带输送机扩音电话音频电路的优化设计

时间：2024-06-19

杨阳

（江苏联合职业技术学院南京分院,南京 210037）

0 引言

通信联络系统是煤矿应急避险“六大系统” 之一，在煤矿生产管理、安全决策、抢险救灾等方面起到了举足轻重的作用[1][2],其可分为调度交换机系统、井下移动通信系统和工作面扩音电话系统三部分[3]。矿用本质安全型组合扩音电话，适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸危险的环境，用于胶带输送机沿线拉线急停闭锁保护和通话。扩音电话主要有模拟式与数字式两类，虽然采用模拟方式传输话音信号的扩音电话，其音质及可扩展性比不上“矿用IP 网络广播对讲系统”的“数字电话”，但其使用简单，稳定可靠，具有较强的抗灾变能力，具有不可替代性[4][5]。因而，目前煤矿井下使用的大部分扩音电话是模拟式系统，但模拟信号在传输时存在叠撕噪声，随着通信距离的增加以及模拟中继的使用，噪声会发生累积，使信噪比恶化，存在着实时性差和音量小等问题[6]。

本文主要根据实际需要，针对传统的“模拟式”扩音电话的音频电路进行了改进设计：为满足应用场景下的故障报警和语音通话需求，语音对讲需选用开放扩播方式；为简化工程实施同时提高系统的可靠性，扩音电话设计采用单线串联方式；为保证可以进行4 千米以上的音频线路传输，设计合适的程控放大电路。最终在扩音电话音频电路上加入合理的侧音消除、低通滤波、音频AGC 电路等语音处理设计，并起到了良好的处理效果，使其具有传输距离远，抗干扰能力强、成本低廉、性能可靠的优点。

图1 扩音电话内部音频线路主要构成

1 扩音电话基本原理

胶带输送机沿线每隔200 米放置一部“组合扩音电话”，每一部“扩音电话”都有一个通话按钮，有的还具有打点按钮，一般和“闭锁开关”联合使用。

正常运行情况下，电话处于接收状态，若需要喊话，工作人员需按住通话按钮，对着麦克风拾音孔喊话，声音通过麦克风转换为音频信号，然后传输给整个系统沿线的所有扩音电话进行扩音播放。喊话结束之后，放开通话按钮，这样就可以进行下一个通话。若需要打点，工作人员需按住打点按钮，打点电路产生的声音信号传输给整个系统沿线的所有扩音电话扩音播放。打点结束之后，打点按钮弹起，电话恢复到扩播状态[7]。

2 消侧音电路设计

当按下“送话”按钮SA2（图1），拾音器接通到音频信号采集电路，拾音器输出的信号经放大处理后进入“消侧音电路”，如图2 所示：Vin1 为处理后的拾音器信号输入端，该单端音频信号幅值为300mV 左右，经过三极管电路处理为差分信号输出，R1 和R7 的阻值可调节差分信号电压幅值，R6 匹配合适的阻值保证三极管工作在合适的工作状态。

调节R1、R7 阻值使音频差分线路上拾音器信号幅值一致、极性相反，差分信号两端并联，拾音器采集到的音频信号正负抵消，消除了输出到功放、扬声器的侧音信号。

差分信号负端信号通过电压跟随器后经过音频变压器输出到音频传输线上，传输给其它扩音电话。

图2 消侧音电路

音频传输线上的音频信号经过音频变压器传输到差分信号线路负端，由于U2 组成的电压跟随器的隔离作用不会影响到之前的音频电路，传输线上输入的音频信号不会被消减直接输出到后面的功放、扬声器。

本地“送话”按钮的设计，可以保证在按钮未按下时，拾音器未接入电路，从未保证本地扬声器发出的声音不会被拾音器采集传输至音频线上，可以防引起回声或啸叫。

3 滤波电路设计

图3 低通滤波电路

人耳可以听到20HZ 到20KHZ 的音频信号，音频线经过长距离传输，会引入一些干扰波，为提高声音质量，输出后需接20KHz 二阶巴特沃斯低通滤波器电路（图3）。

二阶巴特沃斯低通滤波器电路的截止频率为：f=1/(2*3.14*R*C)

当R=6.8K，C=1nF 的时候，截止频率f=23KHz。

当R=6.8K，C=2nF 的时候，截止频率f=12KHz。

经过多次试验发现：当图3 中C6 取值2nF，C7取值1nF 时，对于音频信号的滤波效果可达最佳。

4 音频AGC 电路设计

胶带输送机皮带沿线很长，一般可达4km，音频信号在经过长距离传输难免有所衰减。这里我们采用单片机来采集峰值检波电路的峰值电压, 根据采集到的电压选择多路复用模拟开关的通道, 从而控制程控增益放大器的放大倍数，最终输出给音频功放。如图4 所示：若单片机采集到的音频峰值电压为30mV 时，选择放大器的放大倍数为10，即放大到300mv 后，输出至功放，最终驱动扬声器输出，若单片机采集到的音频峰值电压为300mV 时，选择放大器的放大倍数为1，输出至功放，最终驱动扬声器，输出不小于95dB 的声音。

图4 音频AGC 电路