智能对线器语音传输系统的设计

智能对线器语音传输系统的设计

0电缆对线性能分析其次，电缆连接是继电保护员日常工作中的重要环节。如果线路错误，它将导致直接和间接错误的回路错误，这将造成严重的结果。目前国内外对线设备无论是万用表,还是专用对线器,无一具有子机与母机进行数字通信功能以及编号打印功能。智能对线器是一款新型对线工具,它实现了在对线的同时传输线缆的编号,并且可以在现场立刻将编号打印出来,极大提高了对线工作的效率。但长距离的检测性对线过程中,工作人员并不需要打印电缆编号,因此采用语音交流进行对线就不必输入繁杂的电缆编号,因此可以在保证对线准确的前提下,进一步减少工作量,提升工作效率。但由于无线通信的电磁波会严重干扰电其控制信号,因此电力系统明文规定不能使用移动通讯设备,因此根据电力工作场所各种噪声干扰严重的特点和进一步提高对线工作效率的需求,要求我们在智能对线器的基础上,以对线的电缆为通信线,设计一个抗噪声干扰较强、合成语音质量高、语音延时较低(平均语音延时低于200ms)的语音传输系统。本文以抗干扰性较强的13kQCELP(即13kbs编码速率的Qualcomm码激励线性预测的语音编码算法)为基础,并采用更快的码本搜索算法,以降低编码和解码的延时;硬件电路上以TMS320VC5509A作为数据处理核心,以C8051F020为通信控制核心,在保证对线器原有功能的基础上满足对线工作人员的语音通信需求。1自适应码本搜索和解码如图1所示,在本系统的语音编码和解码器中,语音信号经A/D转换后在进行预处理,主要是通过低通滤波器和汉明窗去除输入信号中的直流分量并对信号进行加窗处理。输入语音经过预处理后,速率判决模块根据语音信号和背景噪声的能量进行编码速率判决:如判定为1/2或全速率,则输入信号经过感觉加权滤波器后,与固定码矢和自适应码字激励形成的合成语音进行最小均方预测误差(即MPSE)分析,完成自适应码本搜索和固定码本搜索。如判定为1/4或1/8速率,则无需进行自适应码本搜索,激励序列由伪随机数发生器产生相互独立、非线性分布的伪随机码矢量代替。对经过预处理后的输入信号进行线性预测分析,得到LPC(既线性预测编码)参数并将其转换为LSP参数,在编码速率为1/8速率时,对LSP进行标量量化;对其它速率的LSP参数,进行分裂矢量量化,本系统采用标准13kQCELP矢量量化方法。完成相关处理后,对参数进行数据打包。解码端根据不同的编码速率选择相应的激励方式和LSP参数的去量化解码方式。合成信号经后置处理进一步增强音质,它包括后置滤波和自动增益控制。2优化算法2.1标准色度结果的搜索2.1.1基音预测器2-pz输入语音s(n)通过预测滤波器A(z)得到零状态响应p(n),p(n)再通过基音预测器1-P(z),得到相应的残差信号bpL(n),经过两个滤波器得到的bpL(n)接近于白噪声。2.1.2最佳基音延迟和最佳增益b把开环搜索得到的bpL(n)送入加权合成滤波器,得到输出fl(n)。用目标信号x(n)减去输出fl(n),得均方误差函数,表达式如下:结合式(1)、(2)找出使eρ最小的l和b即为最佳基音延迟l*和最佳增益b*。闭环搜索的过程是先在整数范围内搜索出最佳的基音延迟LI,然后在这个整数基音延迟附近找出分数基音延迟LF,则最终的最佳基音延迟LT=LI+0.33LF。由于开环搜索得到的bpL(n)接近于白噪声,因此可以大大减少搜索运算量,而分数基因搜索法则进一步提高了搜索的精度。2.2固定码本搜索的量ck合成本系统采用自相关法进一步减少运算量。自相关法实质是将两个序列卷积的平方和等价替换成这两个序列的自相关的互相关。令加权输入语音矢量为X,则激励矢量C(k)合成语音对应的误差为ek,为使其均方误差E(k)=ekeTk最小,可令,并令则此时可得均方误差E(k)为:在初始化时就计算好qi(k),在每个语音帧开始的时刻计算好pi以及vi,因此无需对每个码矢量的搜索都计算一次。全速率时一个LPC子帧包含16个固定码本子帧,因此其固定码本搜索计算量为原来的1/16左右。而13kQCELP对高斯随机码本进行了80%的中心削波,因此其固定码本搜索计算量最高可减少到原来的1/80左右。3通信控制模块为同时满足对线器的多种通信控制功能和高效的语音处理能力,对线器采用MCU+DSP结构,包括两个部分,一部分是以TMS320VC5509A为DSP的语音数据处理模块,该模块以TLC320AIC23B为语音信号处理前端,完成数模转换。另一部分是以C8051F020为MCU的通信控制模块,该模块完成线缆对线、短路检测、LCD显示和触摸命令输入、与上位机和打号机通信以及与DSP进行通信等。DSP与MCU之间的通信采用HPI复用模式,VC5509A的数据和地址是16位的,因此C8051F020需要经过两次操作才能完成一次完整的数据/地址读写。在数据交换过程中,MCU向DSP发送数据,需先置寄存器HPIC的DSPINT位为1,MCU可定时查询接收DSP传输的数据。当DSP准备发送数据时,置/HINT信号为低,MCU查询到相应的I/O口电平为低时,即开始接收数据。可以看到本系统中DSP相当于MCU的一个外设,不需要采用其他的接口电路,即可实现DSP与MCU的并行通信。4合成语音测试结果为验证智能对线器语音传输系统的可行性,我们对语音信号进行语音包络分析分析。本系统采用CoolEdit语音分析软件对原始语音和合成语音进行语音包络分析,以对线工作常用语据“请更换电缆”为分析语句,对从麦克风输入的语音信号和接收端13kQCELP声码器的合成语音信号进行波形分析,如图2所示,合成后的语音波形的包络与原始语音包络相似度高;且合成后的语音毛刺更少,噪声得到明显的抑制;单个字的语音幅度基本保持。综上,说明合成语音与原始语音相比,声音失真度低,语义保持得较好。为验证语音系统的实用性,我们召集了20名(男性和女性各10名)电力局对线人员进行了语音测试。测试结果显示在同一电力工作现场环境下,20名对线工作人员按所述方法进行语音测试的过程中,对原始语音与合成语音的信噪比进行计算,取这20个测试的平均值,得到原始语音平均信噪比为4.1094dB,合成语音平均信噪比为5.1064dB,这说明语音系统滤除了一部分噪声,增强了合成语音的质量,从客观上证明了该语音系统具有较强的抗噪声干扰能力;并且从20位测试者反馈的主观感觉来看,本系统的合成语音可懂度高、语音比较自然且噪音较少。在1千米左右的电缆长度下,在保证对线电缆与对线器接触良好的情况下,20个语音测试的平均语音延时为100ms,最大语音延时500ms,达到了所要求的低延时标准。因此仿真结果和语音测试结果说明智语音通信系统的设计达到了预期的较高质量、低延时、抗噪声干扰强的要求。5智能对线器在国内的推广将在全国范围内结合工作