CN110381394B - 一种远距离双向对讲装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远距离双向对讲装置，包括分别安装在需要进行对讲通信的对讲两端的两个双向语音通信单元，两个所述双向语音通信单元通过双绞线相连接。本发明能够直接远距离传输模拟音频信号，简化设计过程，降低成本，并且通过先进的结构和电路设计有效地控制传输过程中的干扰，去除噪声，提高声音传输质量。

Description

一种远距离双向对讲装置

技术领域

本发明涉及一种远距离双向对讲装置，属于井下通信设计技术领域。

背景技术

煤矿企业由于地域复杂，作业地点均在百米以下，为保证井下通讯对讲联络，目前多采用有线对讲通讯和无线对讲通讯2种通信方式；对于无线对讲通讯系统，由于信道数量有限，安装费用较高，且受井下环境复杂，电磁干扰等因素，影响音频信号的传输质量，并且由于矿山井下条件恶劣，作业地点分散，巷道布置错综复杂，人员流动性大，大功率设备较多，故而目前煤矿企业的井下通讯仍然以固定、有线的方式为主，而且布置在人员相对集中，工作地点较为固定的位置。

对于矿井下常用的有线通讯对讲方式，大多数采用的是矿用数字通信，通过传输数字音频信号，能够有效减少信号传输中的干扰，使得该系统具有全双工通信、音质好、抗干扰性强等特点，但是数字通信系统，需要先将原始的模拟音频信号数字化，相对应的就要增加一系列的数字、量化、编码、解码等过程，增加了设计开发的难度，不利于产品生产成本的控制和产品的维护与升级。

发明内容

针对现有的矿用无线对讲通信存在的缺点：信道数量有限，安装费用较高，且易受井下复杂环境影响，对于音频信号的传输质量有一定的影响。本发明提出一种采用双绞线作为传输介质的远距离对讲装置，能够有效地避免无线通信装置的缺点，保证音频通话质量，布置在人员相对集中，工作地点较为固定的位置，更适用于作业地点分散，巷道布置错综复杂、人员流动性大的矿山井下。

针对现有的有线的矿用数字音频对讲通信存在的缺点：虽然具有全双工通信、音质好、抗干扰性强等特点，但是信号处理过程复杂，设计要求较高，不利于产品生产成本控制。本发明提出一种远距离双向对讲装置，通过先进技术和专用芯片，有效地解决了音频模拟小信号不能远距离传输问题，能够直接将模拟音频小信号进行放大，通过对讲两端的双向语音通信单元既有信号接收又有信号发送的功能，实现全双工通信，通过采用双绞线对发送信号和接收信号进行差分信号传输，还能够有效地抑制共模干扰，增强信号抗干扰能力，提高音质，而且大大简化的产品设计步骤，降低生产成本。

针对以上现有技术的矿用无线通信方式和有线矿用数字通信方式存在的技术缺点，本发明提出了一种远距离双向对讲装置，能够直接远距离传输模拟音频信号，简化设计过程，降低成本，并且通过先进的结构和电路设计有效地控制传输过程中的干扰，去除噪声，提高声音传输质量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种远距离双向对讲装置，其特征在于，包括分别安装在需要进行对讲通信的对讲两端的两个双向语音通信单元，两个所述双向语音通信单元通过双绞线相连接。

作为一种较佳的实施例，所述双向语音通信单元包括电源模块、输出信号滤波模块、音频信号放大驱动模块、差分输出信号ESD静电保护模块、差分输入信号ESD静电保护模块、差分音频信号接收模块、输入信号滤波模块；所述电源模块分别与所述音频信号放大驱动模块、所述差分音频信号接收模块相连接，所述输出信号滤波模块的输出端与所述音频信号放大驱动模块的输入端相连接，所述音频信号放大驱动模块的输出端与所述差分输出信号ESD静电保护模块的输入端相连接，所述差分输入信号ESD静电保护模块的输出端与所述差分音频信号接收模块的输入端相连接，所述差分音频信号接收模块的输出端与所述输入信号滤波模块的输入端相连接。

作为一种较佳的实施例，所述电源模块包括电源VDD、滤波电容C101、电源转换模块U103、滤波电容C102、滤波电容C103，所述电源VDD通过连接所述滤波电容C101接DGND端，所述电源转换模块U103的1号引脚依次连接所述滤波电容C101的一端、所述电源VDD，所述电源转换模块U103的2号引脚依次连接所述滤波电容C101的另一端、DGND端；所述电源转换模块U103的4号引脚、5号引脚分别接所述滤波电容C103的两端，所述电源转换模块U103的6号引脚、5号引脚分别接所述滤波电容C102的两端，所述电源转换模块U103的5号引脚接DGND端。

作为一种较佳的实施例，所述音频信号放大驱动模块包括电阻R101、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R105、电阻R106、电阻R107、差动线路驱动器U101、贴片电容C107、贴片电容C108，所述电阻R101与所述电阻R102并联构成并联电阻且所述并联电阻的一端接DGND端，经过所述输出信号滤波模块的音频信号流经所述并联电阻的另一端并接入所述差动线路驱动器U101的2号引脚，所述电阻R103的一端、所述电阻R104的一端分别接所述差动线路驱动器U101的1号引脚、4号引脚，所述电阻R103的一端、所述电阻R104的一端分别接所述差动线路驱动器U101的8号引脚、5号引脚，所述电阻R105的两端分别接所述差动线路驱动器U101的1号引脚、4号引脚，所述电阻R106的一端、所述电阻R107的一端分别接所述差动线路驱动器U101的正信号输出端、负信号输出端，所述电阻R106的另一端和所述电阻R107的另一端连接所述差分输出信号ESD静电保护模块的输入端，所述贴片电容C107的一端、所述贴片电容C108的一端分别接入所述差动线路驱动器U101的负电源端、正电源端，所述贴片电容C107的另一端、所述贴片电容C108的另一端均接DGND端。

作为一种较佳的实施例，所述输出信号滤波模块为滤波用的贴片电容C111，所述贴片电容C111的一端接入单端音频输出信号，所述贴片电容C111的另一端连接所述差动线路驱动器U101的2号引脚。

作为一种较佳的实施例，所述差分输出信号ESD静电保护模块包括ESD静电保护二极管D103、ESD静电保护二极管D104，所述ESD静电保护二极管D103的K极、所述ESD静电保护二极管D104的K极分别与所述音频信号放大驱动模块的一对差分信号输出端相连接，所述ESD静电保护二极管D103的A极、所述ESD静电保护二极管D104的A极均接DGND端。

作为一种较佳的实施例，所述差分输入信号ESD静电保护模块包括括ESD静电保护二极管D101、ESD静电保护二极管D102，所述ESD静电保护二极管D101的K极、所述ESD静电保护二极管D102的K极分别与所述差分音频信号接收模块的差分输入端相连接，所述ESD静电保护二极管D101的A极、所述ESD静电保护二极管D102的A极均接DGND端。

作为一种较佳的实施例，所述差分音频信号接收模块包括电阻R108、电阻R109、电阻R110、差动线路接收器U102、贴片电容C105、贴片电容C106，所述电阻R108的一端、所述电阻R109的一端分别与所述差动线路接收器U102的正信号输入端、负信号输入端相连接，所述电阻R108的另一端、所述电阻R109的另一端均接DGND端，所述电阻R110的两端分别连接所述差动线路接收器U102的反馈端FB、单端信号输出端out，所述贴片电容C105的一端、所述贴片电容C106的一端分别接所述差动线路驱动器U101的正电源端、负电源端，所述贴片电容C105的另一端、所述贴片电容C106的另一端均接DGND端。

作为一种较佳的实施例，所述输入信号滤波模块为滤波用的贴片电容C110，所述贴片电容C110的一端与所述差动线路接收器U102的输出端out相连接，所述贴片电容C110的另一端输出单端输入音频信号。

作为一种较佳的实施例，所述电源模块的所述电源VDD的电压为+5V，所述电源转换模块U103的6号引脚输出+5V电源，所述电源转换模块U103的4号引脚输出-5V电源。

本发明所达到的有益效果：1.小信号到大信号的转换，减少衰减：普通MIC音频信号是信号幅度较低（10-20mV）的模拟小信号，本发明中使用的差动线路驱动器和差动线路接收器不仅能够将信号进行单端转差分、差分转单端的变换，还能够通过设置增益，分别在发送端和接收端对音频信号进行放大处理，实现小信号到大信号的变换，减少信号的衰减。

2.本发明采用了专用芯片，将单端模拟音频信号转换成差分信号进行传输，并在接收端将信号重新转换成单端信号，并通过放大驱动扬声器发声，模拟音频信号在传输的过程中采用的是差分传输的方式，这样的传输方式能够去掉共有的误差干扰,提高信号的精确度，抗干扰能力强，有效地解决了背景噪音较大问题。

3.采用屏蔽双绞线作为差分模拟音频信号的传输介质，是本发明的一个创新点。双绞线在很多工业控制需要中和干扰较大的场所以及远距离传输中都有使用，它具有抗干扰能力强、传输距离远、布线容易、节省空间、价格低廉等等优点，能够适用于矿井等恶劣环境。本发明通过采用先进的技术和专用芯片，结合差分信号传输的优点，已经能够在双绞线上传输模拟音频信号，有效地抑制了共模干扰，大大地提升了信号传输质量。

4.结合1.2.3所述，本发明通过对模拟音频信号的放大、单端转差分变换，从而采用双绞线差分传输，不仅减少了模拟音频信号经过远距离传输所带来的信号衰减，而且通过改变信号的传输方式和传输介质，提高了模拟音频信号的抗干扰能力，实现了模拟音频信号也能远距离传输的目的。

5.本发明采用先进技术和专用芯片，使模拟音频信号直接进行远距离传输，且具有不低于数字音频信号的传输质量.但相比于数字音频信号的传输装置，本发明减少了采样、量化、编码等一系列模拟音频信号数字化的过程以及数字信号传输过程中的校验等步骤，简化了整个设计，有效地降低了产品的生产成本，也简化了后期产品的维护、升级，具有更高的性价比。

附图说明

图1是本发明的优选实施例的拓扑结构示意图。

图2是本发明的双向语音通信单元的拓扑结构示意图。

图3是本发明的电源模块的优选实施例的电路连接示意图。

图4是本发明的输出信号滤波模块的优选实施例的电路连接示意图。

图5是本发明的差分音频信号接收模块的优选实施例的电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种远距离双向对讲装置包括两个特定的双向语音通信单元1、双向语音通信单元2，分别安装在固定的需要进行对讲的两个地点，发出的模拟语音信号通过双绞线进行传输。对讲两端的通信单元之间传输的语音信号是差分模拟信号，并且使用双绞线进行信号传输，增强信号传输的抗干扰能力，能有效地抑制电磁干扰，滤除杂音，在进行远距离对讲的时候，使语音清晰传递，实现远距离双向对讲功能。

如图2所示，对讲两端均需安装的双向语音通信单元包括电源模块、输出信号滤波模块、音频信号放大驱动模块、差分输出信号ESD静电保护模块、差分输入信号ESD静电保护模块、差分音频信号接收模块、输出信号滤模块。其中，电源模块与音频信号放大驱动模块和差分音频信号接收模块相连，为这两个模块提供正负5V的电源；输出信号滤波模块的输出端与音频信号放大驱动模块的输入端相连，音频信号放大驱动模块的输出端与差分输出信号ESD静电保护模块的输入端相连；差分输入信号ESD静电保护模块的输出端与差分音频信号接收模块的输入端相连，差分音频信号接收模块的输出端与输入信号滤波模块的输入端相连。

其中，所述电源模块将正5V电源转换为正负5V电源，给音频信号放大驱动模块和差分音频信号接收模块供电。如图3所示，正5V的电源VDD经过滤波电容C101得到稳定的5V供电电源，再接入型号为A0505S-2WR2的电源转换模块U103的输入端Vin(即1号引脚)，该电源转换模块U103的输出端+V0（即6号引脚）、输出端-V0（即4号引脚）分别接入滤波电容C102、滤波电容C103，对转换输出的电源进行滤波，从而输出稳定的正负5V电源给相应模块供电。

所述输出信号滤波模块，为一个滤波的贴片电容C111，如图4所示，贴片电容C111一端接入单端音频输出信号Audio_in，贴片电容C111另一端连接音频信号放大驱动模块的信号输入端IN+。贴片电容C111具有滤波作用，能够滤除音频信号频率范围之外的信号波形，从而达到去除杂音的目的。

所述音频信号放大驱动模块包括电阻R101至R107、差动线路驱动器U101、贴片电容C107和贴片电容C108。如图4所示，电阻R101、电阻R102并联构成并联电阻，经过输出信号滤波模块的音频信号流经并联电阻的一端，进入差动线路驱动器U101的非反向输入端IN+（即2号引脚），并联电阻的另一端接地DGND。差动线路驱动器U101为音频信号放大驱动模块的核心器件，该芯片有较低的电源电压需求，便于应用电路的设计；功耗低，具有较低的电源消耗优势；具有较高的输出电流能力和较强的驱动能力；该芯片还具有差分输出功能，主要用于驱动双绞线输出等应用场景，能够实现信号单端到差分放大的功能，用户可以自主设置增益，决定信号放大倍数，从而在嘈杂的环境中传输模拟信号。电阻R103、 电阻R104、电阻R105分别接入差动线路驱动器U101的相应输入端，即是为了设定音频信号放大驱动模块的增益，可以通过调节电阻R103、电阻R104、电阻R105的不同阻值来得到不同的增益，从而实现小信号到大信号，单端信号到差分信号的转变，为音频信号无干扰远距离传输提供了必要条件。两个电阻R106、R107的一端分别连接差动线路驱动器U101的正负信号输出端（即8号引脚和5号引脚），另一端连接差分输出信号ESD静电保护模块的输入端Audio_in+；通过在差动线路驱动器U101的正负输出端OUT+(即6号引脚和7号引脚)串联电阻R106、R107，可以消除输出信号中的大部分尖峰值，得到更稳定的信号输出。贴片电容C107、C108一端分别接入差动线路驱动器U101的正负电源两端VS+（即6号引脚和7号引脚），另一端均接地DGND，从而能够较好地将电源中的高低频纹波去掉，为差动线路驱动器U101提供一个稳定的电源。

所述差分输出信号ESD静电保护模块，包括两个ESD静电保护二极管D103和D104,这两个ESD静电保护二极管的K极分别与音频信号放大驱动模块的一对差分信号输出端Audio_in+相连，A极均连接到地。将两个ESD静电保护二极管D103和D104并联于该电路中，当该电路正常工作时，它们处于截止状态（高阻态），不影响线路正常工作，当该电路出现异常过压并达到其击穿电压时，它们迅速由高阻态变为低阻态，给瞬间电流提供低阻抗导通路径，同时把异常高压箝制在一个安全水平之内，从而保护电路中的相应芯片不被损坏；当异常过压消失，其恢复至高阻态，电路正常工作，故差分输出信号ESD静电保护模块能够在信号输出端滤除静电，达到保护电路的目的。

所述差分输入信号ESD静电保护模块包括两个ESD静电保护二极管D101和D102,这两个静电保护ESD二极管的K极分别与差分音频信号接收模块的差分输入端IN+（即U102的2号引脚和3号引脚）相连接，A极均连接到地。当输入信号中含有高电压、小能量信号，这两个静电保护ESD二极管管D101和D102使瞬间的高电压导入到地，能够泄放高压，保护端口和系统，使得电路正常工作。

如图5所示，所述差分音频信号接收模块包括电阻R108、电阻R109、电阻R110、差动线路接收器U102、贴片电容C105和C106。电阻R108、电阻R109的一端分别与差动线路接收器U102的信号正负输入端IN+连接，另一端均下拉连接到地DGND，电阻R110的两端分别连接在差动线路接收器U102的反馈端FB和单端信号输出端OUT；差分音频信号接收模块的核心器件是差动线路接收器U102，该芯片常常与差动线路驱动器配合使用，有较低的电源电压需求，便于应用电路的设计；功耗低，具有较低的电源消耗优势；输出端具有短路防护，能够承受暂时的过载情况；该芯片还具有差分单端放大功能，主要用于接收双绞线传输信号，将接收到的差分音频信号转换为单端信号并且放大，实现模拟音频信号经过差分传输，但最终能成为单端信号的功能；用户可以自主设置增益，决定信号放大倍数，从而在嘈杂的环境中传输模拟信号。如图5所示，电阻R110的两端分别连接在差动线路接收器U102的反馈端RF和单端信号输出端OUT。贴片电容C105和C106的一端分别接入差动线路驱动器U101的正负电源两端VS+，另一端均接地DGND，从而能够较好地将电源中的高低频纹波去掉，为差动线路驱动器U101提供一个稳定的电源。

所述输入信号滤波模块为一个滤波的贴片电容C110，贴片电容C110的一端与差动线路接收器U102输出端连接，另一端则输出单端输入音频信号Audio_out。贴片电容C110具有滤波作用，能够滤除音频信号频率范围之外的信号波形，为音频信号提供通路，从而将接收到的音频信号中的杂音去除，保证音质和音效。

本发明主要的关键点如下：

1.小信号到大信号的转换，减少衰减：普通MIC音频信号是信号幅度较低（10-20mV）的模拟小信号，本发明中使用的差动线路驱动器和差动线路接收器不仅能够将信号进行单端转差分、差分转单端变换，还能够通过设置增益，分别在接发送端和接收端对音频信号进行放大处理，实现小信号到大信号的变换，减少信号的衰减。

2.本发明采用了专用芯片，将单端模拟音频信号转换成差分信号进行传输，并在接收端将信号重新转换成单端信号，并通过放大驱动扬声器发声，模拟音频信号在传输的过程中采用差分传输的方式，这样的传输方式能够去掉共有的误差干扰,提高信号的精确度，抗干扰能力强，有效地解决了背景噪音较大问题。

3.采用屏蔽双绞线作为差分模拟音频信号的传输介质，是本发明的一个创新点。双绞线在很多工业控制需要中和干扰较大的场所以及远距离传输中都有使用，它具有抗干扰能力强、传输距离远、布线容易、节省空间、价格低廉等等优点，能够适用于矿井等恶劣环境。本发明通过采用先进的技术和专用芯片，结合差分信号传输的优点，已经能够在双绞线上传输模拟音频信号，有效地抑制了共模干扰，大大地提升了信号传输质量。

4.结合1.2.3所述，本发明通过对模拟音频信号的放大、单端转差分变换，从而采用双绞线差分传输，不仅减少了模拟音频信号经过远距离传输所带来的信号衰减，而且通过改变信号的传输方式和传输介质，提高了模拟音频信号的抗干扰能力，实现了模拟音频信号也能远距离传输的目的。

5.本发明采用先进技术和专用芯片，使模拟音频信号直接进行远距离传输，且具有不低于数字音频信号的传输质量.但相比于数字音频信号的传输装置，本发明减少了采样、量化、编码等一系列模拟音频信号数字化的过程以及数字信号传输过程中的校验等步骤，简化了整个设计，有效地降低了产品的生产成本，也简化了后期产品的维护、升级，具有更高的性价比。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种远距离双向对讲装置，其特征在于，包括分别安装在需要进行对讲通信的对讲两端的两个双向语音通信单元，两个所述双向语音通信单元通过双绞线相连接；

所述双向语音通信单元包括电源模块、输出信号滤波模块、音频信号放大驱动模块、差分输出信号ESD静电保护模块、差分输入信号ESD静电保护模块、差分音频信号接收模块、输入信号滤波模块；所述电源模块分别与所述音频信号放大驱动模块、所述差分音频信号接收模块相连接，所述输出信号滤波模块的输出端与所述音频信号放大驱动模块的输入端相连接，所述音频信号放大驱动模块的输出端与所述差分输出信号ESD静电保护模块的输入端相连接，所述差分输入信号ESD静电保护模块的输出端与所述差分音频信号接收模块的输入端相连接，所述差分音频信号接收模块的输出端与所述输入信号滤波模块的输入端相连接；

所述差分输出信号ESD静电保护模块包括ESD静电保护二极管D103、ESD静电保护二极管D104，所述ESD静电保护二极管D103的K极、所述ESD静电保护二极管D104的K极分别与所述音频信号放大驱动模块的一对差分信号输出端相连接，所述ESD静电保护二极管D103的A极、所述ESD静电保护二极管D104的A极均接DGND端；

所述差分输入信号ESD静电保护模块包括括ESD静电保护二极管D101、ESD静电保护二极管D102，所述ESD静电保护二极管D101的K极、所述ESD静电保护二极管D102的K极分别与所述差分音频信号接收模块的差分输入端相连接，所述ESD静电保护二极管D101的A极、所述ESD静电保护二极管D102的A极均接DGND端。

2.根据权利要求1所述的一种远距离双向对讲装置，其特征在于，所述电源模块包括电源VDD、滤波电容C101、电源转换模块U103、滤波电容C102、滤波电容C103，所述电源VDD通过连接所述滤波电容C101接DGND端，所述电源转换模块U103的1号引脚依次连接所述滤波电容C101的一端、所述电源VDD，所述电源转换模块U103的2号引脚依次连接所述滤波电容C101的另一端、DGND端；所述电源转换模块U103的4号引脚、5号引脚分别接所述滤波电容C103的两端，所述电源转换模块U103的6号引脚、5号引脚分别接所述滤波电容C102的两端，所述电源转换模块U103的5号引脚接DGND端。

3.根据权利要求1所述的一种远距离双向对讲装置，其特征在于，所述音频信号放大驱动模块包括电阻R101、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R105、电阻R106、电阻R107、差动线路驱动器U101、贴片电容C107、贴片电容C108，所述电阻R101与所述电阻R102并联构成并联电阻且所述并联电阻的一端接DGND端，经过所述输出信号滤波模块的音频信号流经所述并联电阻的另一端并接入所述差动线路驱动器U101的2号引脚，所述电阻R103的一端、所述电阻R104的一端分别接所述差动线路驱动器U101的1号引脚、4号引脚，所述电阻R103的另一端、所述电阻R104的另一端分别接所述差动线路驱动器U101的8号引脚、5号引脚，所述电阻R105的两端分别接所述差动线路驱动器U101的1号引脚、4号引脚，所述电阻R106的一端、所述电阻R107的一端分别接所述差动线路驱动器U101的正信号输出端、负信号输出端，所述电阻R106的另一端和所述电阻R107的另一端连接所述差分输出信号ESD静电保护模块的输入端，所述贴片电容C107的一端、所述贴片电容C108的一端分别接入所述差动线路驱动器U101的负电源端、正电源端，所述贴片电容C107的另一端、所述贴片电容C108的另一端均接DGND端。

4.根据权利要求3所述的一种远距离双向对讲装置，其特征在于，所述输出信号滤波模块为滤波用的贴片电容C111，所述贴片电容C111的一端接入单端音频输出信号，所述贴片电容C111的另一端连接所述差动线路驱动器U101的2号引脚。

5.根据权利要求3所述的一种远距离双向对讲装置，其特征在于，所述差分音频信号接收模块包括电阻R108、电阻R109、电阻R110、差动线路接收器U102、贴片电容C105、贴片电容C106，所述电阻R108的一端、所述电阻R109的一端分别与所述差动线路接收器U102的正信号输入端、负信号输入端相连接，所述电阻R108的另一端、所述电阻R109的另一端均接DGND端，所述电阻R110的两端分别连接所述差动线路接收器U102的反馈端FB、单端信号输出端out，所述贴片电容C105的一端、所述贴片电容C106的一端分别接所述差动线路驱动器U101的正电源端、负电源端，所述贴片电容C105的另一端、所述贴片电容C106的另一端均接DGND端。

6.根据权利要求5所述的一种远距离双向对讲装置，其特征在于，所述输入信号滤波模块为滤波用的贴片电容C110，所述贴片电容C110的一端与所述差动线路接收器U102的输出端out相连接，所述贴片电容C110的另一端输出单端输入音频信号。

7.根据权利要求2所述的一种远距离双向对讲装置，其特征在于，所述电源模块的所述电源VDD的电压为+5V，所述电源转换模块U103的6号引脚输出+5V电源，所述电源转换模块U103的4号引脚输出-5V电源。