CN116633378B - 一种盔内阵列式话音通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种盔内阵列式话音通信系统，包括头盔，盔内语音采集组件与盔内扩音组件均对称设于头盔的内壁上，两组通信组件与盔内语音采集组件以及盔内扩音组件连接，通信组件包括话音处理模块以及语音接口控制模块，信号收发组件用于接收话音信号或发出盔内语音采集组件采集到的话音信号，并将接收到的话音信号传输至语音接口控制模块，语音接口控制模块对话音信号进行压缩编解码处理或解压编解码处理获取数字话音，并将数字话音传输至话音处理模块，话音处理模块对数字话音进行降噪以及环回抑制处理，并将处理后的数字话音传输至盔内扩音组件。本发明能够对话音降噪以及回声消除，并且具有两套通信系统，以使航天员与地面沟通更为的清晰。

Description

一种盔内阵列式话音通信系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种盔内阵列式话音通信系统。
背景技术
随着现代电子技术、网络技术的飞速发展，航空航天领域通信需要的数据类型和数据数量越来越多，且通信复杂度不断提高，因此对航空航天的通信要求也越来越高。
现有技术当中，航天员通过头盔内的通信组件与地面指挥中心进行话音联系，但是由于航天员的头部是密闭在头盔内的，因此航天员在密闭的头盔内讲话时会产生回音，从而导致与地面指挥中心语音时不够清晰，且由于太空中的条件较为的复杂，地面指挥中心在于航天员沟通时，极容易产生外部噪音，从而也影响航天员与地面指挥中心的沟通，而且现有的航天员使用的头盔，其内部是独立的一套通信系统，在遇见突发情况时，则会产生与地面指挥中心难以沟通的问题。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种盔内阵列式话音通信系统，以至少解决上述现有技术当中的不足。
本发明提供以下技术方案，一种盔内阵列式话音通信系统，包括：
头盔；
盔内语音采集组件，对称设于所述头盔内壁上，用于采集所述头盔内的话音信号；
盔内扩音组件，对称设于所述头盔的内壁上，用于将接收到的话音信号扩音输出；
两组通信组件，设于所述头盔内，与对称设置的所述盔内语音采集组件以及对称设置的所述盔内扩音组件对应连接，所述通信组件包括话音处理模块以及语音接口控制模块；
信号收发组件，用于接收所述话音信号或发出所述盔内语音采集组件采集到的所述话音信号，并将接收到的所述话音信号传输至所述语音接口控制模块；
其中，所述语音接口控制模块对所述话音信号进行压缩编解码处理或解压编解码处理获取数字话音，并将所述数字话音传输至所述话音处理模块；
所述话音处理模块对所述数字话音进行降噪以及环回抑制处理，并将处理后的所述数字话音传输至所述盔内扩音组件；
其中，所述话音处理模块包括语音噪声抑制单元、回声消除单元以及自动电平控制单元，所述语音噪声抑制单元用于对所述数字话音进行降噪处理，所述回声消除单元用于对所述数字话音进行回声消除处理，所述自动电平控制单元用于对所述数字话音进行电平控制，以使所述数字话音不失真。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过在头盔内设置两组通信组件，且两组通信组件分别与头盔内对称设置的盔内语音采集组件与盔内扩音组件连接，两组通信组件的话音信号收发都是通过信号收发组件完成，因此在该盔内阵列式话音通信系统中，具有两套通信系统，其不仅能够同时工作还能够独立工作，因此使得该盔内阵列式话音通信系统能够应对突发情况，避免了其中一套通信系统出现问题后，无法与地面指挥中心沟通的问题，并且该盔内阵列式话音通信系统通过话音处理模块，能够对数字话音进行降噪以及环回抑制处理，也就是能够降低外部噪音，并且降低航天员与地面指挥中心沟通时产生的回音，从而使得航天员与地面指挥中心话音沟通时更加的清晰。
进一步的，所述头盔内壁上设有麦克框架。
进一步的，所述盔内语音采集组件包括若干个左麦克风以及若干个右麦克风，若干个所述左麦克风与若干个所述右麦克风阵列设于所述麦克框架上。
进一步的，所述盔内扩音组件包括对称设于所述头盔内壁的左扩音器与右扩音器。
进一步的，所述通信组件还包括状态监测模块，所述状态监测模块用于监测所述通信组件的自身工作状态信息，并将所述自身工作状态信息传输至所述信号收发组件，所述状态监测模块包括电压检测传感器、温度检测传感器以及话音回路检测传感器。
进一步的，所述信号收发组件包括RS422收发器以及以太网控制器，所述话音信号经所述语音接口控制模块通过所述RS422收发器以及所述以太网控制器进行发出或接收。
进一步的，所述头盔内还设有电气组件，所述电气组件包括电气接口、左电源通道接口以及右电源通道接口，所述左电源通道接口与所述右电源通道接口连接在所述电气接口上，所述RS422收发器以及以太网控制器均连接在所述电气接口上。
进一步的，所述语音接口控制模块包括第一SPI接口、第二SPI接口、UART接口以及两组第一I2S接口，所述第一SPI接口与所述以太网控制器连接，所述UART接口与所述RS422收发器连接。
进一步的，所述通信组件还包括串行接口模块，所述串行接口模块包括第二I2S接口以及第三SPI接口，所述第二I2S接口与所述第一I2S接口连接，所述第三SPI接口分别与所述第二SPI接口、所述状态监测模块连接。
附图说明
图1为本发明实施例中头盔的立体结构示意图；
图2为本发明实施例中头盔工作流程图；
图3为本发明实施例中话音处理模块的结构示意图；
图4为本发明实施例中语音接口控制模块的结构示意图；
图5为本发明实施例中串行接口模块的结构示意图；
图6为本发明实施例中信号收发组件的结构示意图；
图7为本发明实施例中状态监测模块结构示意图。
主要元件符号说明：
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图3，所示为本发明实施例中的盔内阵列式话音通信系统，包括头盔10、盔内语音采集组件20、盔内扩音组件30、两组通信组件40以及信号收发组件50。
所述盔内语音采集组件20对称设于所述头盔10的内壁上，用于采集所述头盔10内的话音信号，所述盔内扩音组件30对称设于所述头盔10的内壁上，用于将收到的话音信号扩音输出，两组通信组件40设于所述头盔10内，与对称设置的所述盔内语音采集组件20以及对称设置的所述盔内扩音组件30对应连接，所述通信组件40包括话音处理模块41以及语音接口控制模块42，其中，所述信号收发组件50用于接收所述话音信号以及发出所述盔内语音采集组件20采集到的所述话音信号，并将所述话音信号传输至所述语音接口控制模块42，其中，所述语音接口控制模块42对所述话音信号进行压缩编码处理或解压编解码处理获取数字话音，并将所述数字话音传输至所述话音处理模块41，所述话音处理模块41对所述数字话音进行降噪以及环回抑制处理，并将处理后的所述数字话音传输至所述盔内扩音组件30，所述盔内语音采集组件20采集到的所述话音信号经由所述话音处理模块41以及所述语音接口控制模块42处理后通过所述信号收发组件50发出，其中，所述话音处理模块41包括话音噪声抑制单元411、回声消除单元412以及自动电平控制单元413，所述语音噪声抑制单元411用于对所述数字话音进行降噪处理，所述回声消除单元412用于对所述数字话音进行回声消除处理，所述自动电平控制单元413用于对所述数字话音进行电平控制，以使所述数字话音不失真。
可以理解的是，航天员佩戴该头盔10，航天员在发出语音时，此时头盔10内阵列设置的盔内语音采集组件20采集航天员发出的语音，然后盔内语音采集组件20将采集到的语音信号传输至话音处理模块41，话音处理模块41可以将采集到的航天员话音信号进行降噪以及回声抑制处理，接着将处理后的话音信号传输至语音接口控制模块42，此时语音接口控制模块42对处理后的话音信号进行压缩编解码处理，在本实施例中，语音接口控制模块42通过AMBE编码器对话音信号进行压缩编解码处理，编码压缩率为8kbps，接着将压缩编解码处理后的话音信号传输至信号收发组件50，在上述话音信号传输的过程中，话音信号传输速率为512kbps，信号收发组件50将处理后的话音信号发出，发出至地面指挥中心等，以使航天员能够与地面指挥中心更加清晰的沟通。并且在本实施例中，设于头盔10内的通信组件40设有两组，与对称设置的盔内语音组件20以及对称设置的盔内扩音组件30对应连接，从而使得一组通信组件能够单独与一组盔内语音组件20以及一组盔内扩音组件30连接，进而使得两组通信组件40、对称设置的盔内语音采集组件20以及对称设置的盔内扩音组件30能够单独使用，当遇见突发情况时，其中一套通信系统损坏之后，另一套也能够进行使用，避免遇见突发情况后，无法与地面指挥中心沟通的情况，从而使得该盔内阵列式话音通信系统的适用性更强。
值得说明的是，在本实施例中，语音接口控制模块42选用AP8248A2型32位RISC-V音频处理器，支持DSP指令集，集成FPU支持浮点运算，集成FFT加速器支持最大1024点复数FFT/IFFT或最大2048点实数FFT/IFFT运算，支持4通道16bit ADC 48kHz采样，支持10通道12bit ADC 540kHz采样，支持3通道20bit DAC 48kHz采样，支持两路全双工I2S通信接口、2路SPI通信接口、2路全双工UART通信接口，支持9通道DMA等，工作温度-40℃～﹢85℃，可满足3麦克阵列降噪、回声消除、ALC控制、开放语音控制、状态信息采集、音频输出、上下行数字音频传输的需要。
请参阅图1，在本实施例中，所述头盔10的内壁上设有麦克框架11、所述盔内语音采集组件包括若干个左麦克风21以及若干个右麦克风22，若干个所述左麦克风21以及若干个所述右麦克风22阵列设于所述麦克框架11上，所述盔内扩音组件30包括对称设于所述头盔10内壁的左扩音器31以及右扩音器32，在具体实施时，左麦克风21与右麦克风22均设有三组，一共六组麦克风，六组麦克风环形阵列设于麦克框架11上，以使航天员发出语音时，六组麦克风能够较为全面的采集航天员发出的话音。
值得说明的是，在本实施例中，左扩音器31与右扩音器32内还设有音频功率放大器，音频功率放大器采用2.6W音频功放SGM4865，工作温度为-40℃～﹢85℃，满足推动2W 8Ω外置式扬声器（送话器）输出音量不小于85dB的需要，从而使得左扩音器31与右扩音器32发出的声音分贝能够清晰的听见。左麦克风21与右麦克风22均采用SPV08A0IR5H-1硅麦，该型号麦克风，AOP为134dB SPL，THD≤1%（132dB SPL），工作温度-40℃～﹢85℃，满足最大76dB(A)噪声环境阵列采集和音频处理的需要，并且左麦克风21与右麦克风22均设于航天员嘴部较近的下颚环部位，以期获得较好的近讲效应，为麦克阵列降噪提供有有利条件，而左扩音器31与右扩音器32布置于靠近左右耳两侧位置，便于在耳部获得≥85dB的声压级，同时，相对来说又离麦克阵列尽量远，以期减轻开放音频系统的回声消除的问题，在本实施例中，左扩音器31与右扩音器32均采用2Wφ40mm外置式扬声器。
需要解释的是，由于三组左麦克风21与三组右麦克风22阵列设于麦克框架11上，其中各个麦克风阵元均能够拾取独立的话音信号，对每个麦克风施加独立的权重系数，最终合成一路话音信号，其中权重系数可以为固定系数或者自适应的系数。
请参阅图2与图6，在本实施例中，所述通信组件还包括状态监测模块44，所述状态监测模块44用于监测所述通信组件40自身工作状态信息，并将所述自身工作状态信息传输至所述信号收发模块组件，所述状态监测模块44包括电压检测传感器441、温度检测传感器442以及话音回路检测传感器443。
可以理解的是，电压检测传感器441用于检测头盔10内的通信组件40在工作时的工作电压是否正常，温度检测传感器442用于检测头盔10内的通信组件40在工作时的温度是否正常，话音回路检测传感器443用于检测通信组件40在工作时，其通电回路是否正常，上述传感器可以将检测的结果传输至信号收发组件50，信号收发组件50可以将检测的结果传输至地面指挥中心，使得地面指挥中心能够时刻了解航天员的头盔通信系统是否正常，并且还能够将检测的结果告知航天员本人，以使航天员也能够时刻了解头盔10的通信系统是否正常。
请参阅图7，在本实施例中，所述信号收发组件50包括RS422收发器52以及以太网控制器51，所述话音信号经所述语音接口控制模块42通过所述RS422收发器52以及所述以太网控制器51进行发出或接收。
值得说明的是，在本实施例中，以太网控制器51采用CH392F以太网控制器，自带10M以太网介质传输层（MAC）和物理层(PHY)，完全兼容 IEEE802.3 10/100M协议，内置了PPPOE、IP、DHCP、ARP、ICMP、IGMP、UDP、TCP等以太网协议栈固件。可以方便的通过CH392F芯片实现网络通讯，工作温度-40℃～﹢85℃，RS422收发器52选用12Mbps SIT3491E全双工RS422收发器，工作温度-40℃～﹢125℃。
需要解释的是，由于该通信系统是用于航天与地面指挥中心沟通时使用，因此受天地通信距离和数据吞吐量的约束，RS422收发器52和以太网控制器51的通信宽带要加以限制，因此不能直接在RS422总线和以太网总线传输PCM音频信号，需要对音频信号进行压缩，在本实施例中，由于语音接口控制模块42使用AMBE编码器进行压缩，压缩至8kbps的码率。AMBE编码基于MBE算法。MBE编码方案首先将一帧语音的频谱按基音各谐波频率分成若干个谐波段。再以若干个谐波段为一组进行分段，并分别对各段进行清／浊音（U／V）判决。因此，总的激励信号是由各带激励信号相加而构成的。对于浊音段而言。可用以基音P为周期的脉冲序列来作为激励信号：而对于清音段，则以白噪声作为激励信号。之后再用该激励信号激励声道滤波器，最终合成出具有较高自然度的语音。
请参阅图4和图5，在本实施例中，所述语音接口控制模块42包括第一SPI接口421、第二SPI接口422、UART接口424以及两组第一I2S接口423，所述第一SPI接口421与所述以太网控制器51连接，所述UART接口424与所述RS422收发器52连接，如图1和图5所示，所述通信组件40还包括串行接口模块43，所述串行接口模块43包括第二I2S接口431以及第三SPI接口432，所述第二I2S接口431与所述第一I2S接口423连接，所述第三SPI接口432与所述第二SPI接口、所述状态监测模块44连接。通过上述的连接方式，以能够实现话音信号的传输，以使话音信号能够无损耗的进行传输，进而能够使得左扬声器31与右扬声器32能够发出无损耗的话音，也能够将左麦克风21与右麦克风22采集到的话音完整的传输。
请参阅图1，在本实施例中，所述头盔10内还设有电气组件60，所述电气组件60包括电气接口61、左电源通道接口62以及右电源通道接口63，所述左电源通道接口62与所述右电源通道接口63连接在所述电气接口61上，所述RS422收发器52以及以太网控制器51均连接在所述电气接口61上。
可以理解的是，通过左电源通道接口62与右电源通道接口63连接电源，从而使得该通信系统具备工作电源，电源一般设置在头盔内，使得该通信系统能够正常工作。
综上，本发明上述实施例当中的盔内阵列式话音通信系统，航天员在发出话音时，此时头盔10内阵列设置的左麦克风21与右麦克风22采集航天员发出的话音信号，然后将采集的话音信号转换为数字话音传输至话音处理模块41，话音处理模块41中的话音噪声抑制单元411能够有效的对话音信号进行降噪，回声消除单元能够有效的对话音信号进行回声消除，然后自动电平控制单元413能够对数字话音进行电平控制，避免数字话音失真，接着将处理完成的数字话音通过串行接口模块43传输至语音接口控制模块42，此时语音接口控制模块42对数字话音进行压缩编解码，然后将压缩编解码完成后的数字话音传输至信号收发组件50，此时信号收发组件50将压缩编解码完成后的数字话音传输至地面指挥中心，当地面指挥中心发出话音信号时，此时信号收发组件50接收到地面指挥中心的话音信号，然后传输至语音接口控制模块42，此时语音接口控制模块42对话音信号进行解压编解码，接着将解压编解码处理后的话音信号经由串行接口模块传输至话音处理模块41，话音处理模块41对解压编解码处理后的话音信号进行降噪、回声抑制以及电平控制处理，接着传输至左扬声器31与右扬声器32，并从左扬声器31与右扬声器32扩音发出，以使航天员能够收到地面指挥中心的话音，进而达到航天员与地面指挥中心能够进行清晰的沟通，并且通过在头盔10内设置两组通信组件40，两组通信组件40分别对应左扬声器31、左麦克风21以及右麦克风22与右扬声器32，从而使得两组通信组件40能够独立工作，进而避免了突发情况下，无法与地面指挥中心沟通的情况。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种盔内阵列式话音通信系统，其特征在于，包括：
头盔；
盔内语音采集组件，对称设于所述头盔内壁上，用于采集所述头盔内的话音信号；
盔内扩音组件，对称设于所述头盔的内壁上，用于将接收到的话音信号扩音输出；
两组通信组件，设于所述头盔内，与对称设置的所述盔内语音采集组件以及对称设置的所述盔内扩音组件对应连接，所述通信组件包括话音处理模块以及语音接口控制模块；
信号收发组件，用于接收所述话音信号或发出所述盔内语音采集组件采集到的所述话音信号，并将接收到的所述话音信号传输至所述语音接口控制模块；
其中，所述语音接口控制模块对所述话音信号进行压缩编解码处理或解压编解码处理获取数字话音，并将所述数字话音传输至所述话音处理模块；
所述话音处理模块对所述数字话音进行降噪以及环回抑制处理，并将处理后的所述数字话音传输至所述盔内扩音组件；
其中，所述话音处理模块包括语音噪声抑制单元、回声消除单元以及自动电平控制单元，所述语音噪声抑制单元用于对所述数字话音进行降噪处理，所述回声消除单元用于对所述数字话音进行回声消除处理，所述自动电平控制单元用于对所述数字话音进行电平控制，以使所述数字话音不失真；
所述通信组件还包括状态监测模块，所述状态监测模块用于监测所述通信组件的自身工作状态信息，并将所述自身工作状态信息传输至所述信号收发组件，所述状态监测模块包括电压检测传感器、温度检测传感器以及话音回路检测传感器；
所述信号收发组件包括RS422收发器以及以太网控制器，所述话音信号经所述语音接口控制模块通过所述RS422收发器以及所述以太网控制器进行发出或接收；
其中，采用AMBE编码器对所述语音接口控制模块进行压缩。
2.根据权利要求1所述的盔内阵列式话音通信系统，其特征在于，所述头盔内壁上设有麦克框架。
3.根据权利要求2所述的盔内阵列式话音通信系统，其特征在于，所述盔内语音采集组件包括若干个左麦克风以及若干个右麦克风，若干个所述左麦克风与若干个所述右麦克风阵列设于所述麦克框架上。
4.根据权利要求2所述的盔内阵列式话音通信系统，其特征在于，所述盔内扩音组件包括对称设于所述头盔内壁的左扩音器与右扩音器。
5.根据权利要求1所述的盔内阵列式话音通信系统，其特征在于，所述头盔内还设有电气组件，所述电气组件包括电气接口、左电源通道接口以及右电源通道接口，所述左电源通道接口与所述右电源通道接口连接在所述电气接口上，所述RS422收发器以及以太网控制器均连接在所述电气接口上。
6.根据权利要求1所述的盔内阵列式话音通信系统，其特征在于，所述语音接口控制模块包括第一SPI接口、第二SPI接口、UART接口以及两组第一I2S接口，所述第一SPI接口与所述以太网控制器连接，所述UART接口与所述RS422收发器连接。
7.根据权利要求6所述的盔内阵列式话音通信系统，其特征在于，所述通信组件还包括串行接口模块，所述串行接口模块包括第二I2S接口以及第三SPI接口，所述第二I2S接口与所述第一I2S接口连接，所述第三SPI接口分别与所述第二SPI接口、所述状态监测模块连接。
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