一種可應用于載人航天器的無線話音通信系統(tǒng)

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(1.中國空間技術研究院 載人航天總體部, 北京 100094；2.中國空間技術研究院 第513研究所, 山東 煙臺 264670)

0 引言

面向未來空間站等大型載人航天器[1]，航天員在太空中的活動空間大幅增加，有線頭戴式話音通話系統(tǒng)受電纜長度限制，已無法在航天器內(nèi)各處隨意使用；另外航天員在太空中的駐留時間也大大加長，長時間佩戴有線頭戴會成為太空生活的一種負擔[2]。為了改進航天器的話音通信系統(tǒng)，進一步提高航天員在軌工作的方便性，本文設計了一種基于藍牙的艙內(nèi)無線話音系統(tǒng)，使航天員在航天器內(nèi)部空間范圍內(nèi)任何位置時，隨時可以通過無線話音系統(tǒng)進行天地語音通話，同時也可支持航天員之間的相互通話。

1 無線話音系統(tǒng)總體方案設計

1.1 傳輸技術體制選擇

目前應用于無線音頻傳輸?shù)臒o線通信技術主要分為紅外、模擬射頻和數(shù)字射頻三類方式[3]。紅外音頻傳輸方式簡單可靠，無電磁污染，各類紅外無線音頻商業(yè)產(chǎn)品應用廣泛，但紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜秉c是傳輸距離較近，不具有穿透障礙物的能力，傳輸方向性要求高，且易受光源干擾，故其在使用上受到的約束較多，該技術當前也正逐漸被數(shù)字射頻傳輸技術所取代；基于射頻的模擬無線音頻技術從20世紀初發(fā)明至今，已廣泛應用于包含軍事在內(nèi)的各個領域，但時至今日該技術已相對落后，受帶寬所限其音質(zhì)普遍不佳，且極易收到干擾，也不適于應用在航天器無線話音通信系統(tǒng)中。

基于射頻的數(shù)字無線音頻技術是近年來正高速發(fā)展的一類新興技術，其典型代表包括藍牙、zigbee、wifi等，其中zigbee技術受限于傳輸速率不能提供高質(zhì)量的話音通信，而wifi技術雖然數(shù)據(jù)傳輸速率較高，但其耗電量遠高于藍牙和zigbee。相比之下，藍牙技術能夠以較低的功耗在有效范圍內(nèi)實現(xiàn)高質(zhì)量話音通信，因而成為航天器無線話音通信系統(tǒng)技術體制的首選方案。

藍牙技術是一種可實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)娜蜷_放性標準。它使用跳頻擴譜、時分多址、碼分多址等先進技術，具備體積小、功耗低、接口標準開放等技術優(yōu)勢[4]。藍牙通信使用2.4 GHz的ISM頻段，基帶傳輸速率為每信道1 Mbps，支持64 kbps的實時語音傳輸和各種速率的數(shù)據(jù)傳輸，其協(xié)議規(guī)定了包括傳輸協(xié)議層、中間協(xié)議層和高端應用層等三層協(xié)議體系[5]。利用藍牙技術，能夠快速有效地建立移動通信終端設備之間的通信，使無線數(shù)據(jù)傳輸變得迅速高效。

做為一種開放性全球規(guī)范，藍牙技術已廣泛應用于各類無線通信系統(tǒng)中[6]，但目前尚沒有對藍牙技術在載人航天器這一特殊環(huán)境中進行應用的系統(tǒng)研究。本文基于藍牙無線通信技術設計了一套艙內(nèi)無線話音系統(tǒng)，可以滿足載人航天器內(nèi)航天員的使用需求。

1.2 總體技術方案

載人航天器話音通信系統(tǒng)是由中繼衛(wèi)星前向與返向信道構(gòu)成的高質(zhì)量天地話音回路。話音處理設備作為話音系統(tǒng)的核心，負責接收各個航天員的模擬話音進行話音編碼并送測控通信設備下行，同時將地面發(fā)送的話音數(shù)據(jù)進行解碼形成話音信號輸出。

通過在載人航天器話音通信系統(tǒng)中增設無線話音適配器，可以實現(xiàn)話音系統(tǒng)的無線功能擴展。將無線話音適配器與話音處理設備的話音插座間通過音頻電纜連接，并將無線頭戴與無線話音適配器通過藍牙微微網(wǎng)建立無線連接，即可實現(xiàn)無線話音通話。在該系統(tǒng)中，無線話音適配器是藍牙微微網(wǎng)中的主節(jié)點，它在系統(tǒng)中的功能為無線音頻網(wǎng)關(wireless audio gateway, WAG)，可將與無線頭戴間的數(shù)字無線信號轉(zhuǎn)換為與話音處理設備間的模擬信號；無線頭戴是藍牙微微網(wǎng)中的從節(jié)點，可使用標準藍牙耳麥實現(xiàn)其功能。

根據(jù)藍牙協(xié)議，一個藍牙微微網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)可以支持1個主節(jié)點和7個活動的從節(jié)點保持連接，但在這個一對七的藍牙微微網(wǎng)中，主節(jié)點雖然可同時與多個從節(jié)點保持ACL(asynchronous connection-less)數(shù)據(jù)傳輸鏈路，但同一時間內(nèi)它只能與一個從節(jié)點進行實時語音通話，其他從節(jié)點的語音通話要求均會被拒絕；且當主節(jié)點與其中一個從節(jié)點進行語音通話時，該從節(jié)點也不能與和其處于同一微微網(wǎng)的其他從節(jié)點進行實時語音通話[7]，故僅通過藍牙組網(wǎng)的方式無法滿足多名航天員同時通話的需求。

為實現(xiàn)多名航天員同時與地面通話，以及航天員之間通話的功能，本方案采用了在話音處理設備內(nèi)部將模擬話音信號進行混音的處理方式。如圖1所示，經(jīng)解碼后的地面上行話音直接送各路話音通道輸出端；而各路航天員下行話音在送往編碼模塊的同時，也送入其他航天員話音通道輸出端，即可實現(xiàn)各路話音的互通。

圖1 話音處理設備混音處理示意圖

艙內(nèi)無線話音系統(tǒng)總體技術方案如圖2所示，每個無線話音適配器同時只與一個預設的無線頭戴配對，配對后，無線話音適配器和無線頭戴間即可無線傳遞艙內(nèi)航天員話音數(shù)據(jù)。無線話音適配器分別將各路話音通道下行的話音模擬信號輸出送入話音處理設備，并接收話音處理設備上行話音信號，通過藍牙微微網(wǎng)送入無線頭戴。多路無線話音適配器可同時工作，每路各占用一個航天員話音通道，上、下行話音均在話音處理設備內(nèi)部實現(xiàn)混音，最終實現(xiàn)多名航天員同時與地面進行無線通話。

2 無線話音適配器硬件設計

艙內(nèi)無線話音系統(tǒng)的核心設備為無線話音適配器，其主要功能包括藍牙信號收發(fā)、音頻編解碼處理以及音頻信號的接口轉(zhuǎn)換。

無線話音適配器采用CSR(cambridge silicon radio)公司提供的BC05-MM藍牙模塊實現(xiàn)藍牙信號收發(fā)及音頻編解碼處理的功能，該模塊是一種集成基帶處理和射頻收發(fā)功能的藍牙單片集成電路，支持藍牙4.0標準，并具有向下兼容性，可同時完全兼容3.0、2.1和2.0等低版本藍牙標準協(xié)議；它支持Kalimba DSP開發(fā)平臺，可實現(xiàn)各種高質(zhì)量音頻的處理功能；芯片中的ADC和DAC為16位，可實現(xiàn)高質(zhì)量立體聲音頻的直接處理[8]。

BC05-MM藍牙模塊的主要功能組成及對外接口如圖3所示，其中2.4 GHz無線通道模塊為射頻電路，負責無線信號收發(fā)；RAM中的緩沖區(qū)可實現(xiàn)藍牙無線傳輸過程中的數(shù)據(jù)交換；Flash模塊主要存儲藍牙配置參數(shù)；DSP用來實現(xiàn)音頻傳輸過程中的編解碼及語音算法；MCU模塊可編寫應用層的應用程序，實現(xiàn)對藍牙協(xié)議和應用模式的調(diào)用以及對接口的控制；音頻編解碼模塊可實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)流信息的編碼和解碼，通過音頻輸入/輸出接口電路與航天器話音處理設備連接；輸入輸出接口用以擴展存儲器容量；LED驅(qū)動模塊可驅(qū)動LED燈提示藍牙模塊的工作狀態(tài)；電量檢測電路用于監(jiān)視電池的電量。

圖3 BC05-MM芯片的模塊組成及對外接口

為實現(xiàn)無線話音通信系統(tǒng)與載人航天器現(xiàn)有話音系統(tǒng)的兼容工作，無線話音適配器需要將話音處理設備輸入輸出的音頻信號進行接口轉(zhuǎn)換，其處理流程如圖4所示。上行話音模擬信號經(jīng)過音頻輸入接口電路和AD采集器進入數(shù)字信號處理電路；數(shù)字音頻輸出信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和音頻輸出接口電路后，最終輸出下行話音模擬信號。

圖4 音頻信號接口轉(zhuǎn)換處理流程

音頻輸入接口電路主要是對來自話音處理設備的音頻輸入信號進行降壓處理以適應BC05-MM的音頻編解碼模塊輸入電壓范圍，音頻輸出接口電路主要是對來自藍牙收發(fā)模塊的音頻信號進行放大處理以滿足話音處理設備輸入要求。低通濾波電路的用途是濾除音頻信號中夾雜的高頻開關信號和電磁干擾信號，降低總諧波失真。音頻信號的頻率在20 Hz～20 kHz，而開關脈沖信號和電磁干擾信號的頻率約為幾百kHz，故可選用在音頻通帶內(nèi)具有平坦特性的低通濾波器，本方案采用了二階LC型巴特沃斯濾波器。

通過對上、下行話音信號的接口匹配設計，無線話音通信系統(tǒng)可以直接連接載人航天器話音插座使用，實現(xiàn)了所有話音插座均可以任意與無線話音適配器連接或與有線頭戴連接。

本系統(tǒng)通過藍牙傳輸語音信號采用的是面向連接的同步傳輸(synchronous connection oriented, SCO)鏈路[9]，根據(jù)藍牙通信協(xié)議，在SCO鏈路上傳送語音數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包沒有CRC校驗功能，也不會在丟包時重新發(fā)送，當藍牙鏈路受到干擾出現(xiàn)丟包，會導致系統(tǒng)產(chǎn)生雜音。為降低藍牙鏈路的丟包率，將藍牙模塊的天線設計由微帶天線改為陶瓷天線，可將系統(tǒng)增益提高2～3 dB，有效改善通話質(zhì)量。

無線話音適配器對話音信號的處理流程為：話音處理設備以模擬量的形式向無線話音適配器輸出地面上行的話音信號，經(jīng)音頻輸入接口電路轉(zhuǎn)換后，送往BC05-MM芯片的音頻編解碼模塊進行A/D變換，變換后的數(shù)字話音信號經(jīng)基帶處理器組幀并通過2.4 GHz無線通道發(fā)送至無線頭戴；從無線頭戴發(fā)送來的航天員下行數(shù)字語音信號通過2.4 GHz無線通道和基帶處理器送至音頻編解碼模塊進行D/A變換，變換后的模擬話音信號經(jīng)音頻輸出接口電路轉(zhuǎn)換后，輸出至話音處理設備進行編碼并通過測控通信設備下行。

3 無線話音適配器軟件設計

3.1 動態(tài)語音信號增強算法

藍牙通信系統(tǒng)采用跳頻工作體制，發(fā)射頻率在79個跳頻頻點之間偽隨機選擇。每路無線話音適配器與無線頭戴組成一個微微網(wǎng)，各個微微網(wǎng)之間相互獨立。如果在同一區(qū)域內(nèi)存在多個藍牙微微網(wǎng)，在某一時刻兩個或多個微微網(wǎng)的藍牙射頻頻率相同(或者相近)，這時一個微微網(wǎng)中的藍牙單元跳頻點與另一個微微網(wǎng)中的藍牙單元跳頻點所使用的頻率發(fā)生重合，兩者的數(shù)據(jù)包會在時序上發(fā)生同頻碰撞(或鄰頻碰撞)。由于藍牙傳輸語音信號采用的是SCO鏈路，語音數(shù)據(jù)包不會因干擾而重新發(fā)送，此時藍牙解調(diào)就會出現(xiàn)較大的誤碼率。隨著藍牙微微網(wǎng)的數(shù)量的增多，頻率碰撞的概率將會增大。當航天器內(nèi)多名航天員同時通過無線話音系統(tǒng)進行通話時，頻率碰撞概率增大，會導致音頻數(shù)據(jù)傳輸誤碼進而引發(fā)偶發(fā)噪音，影響航天員的通話質(zhì)量。

為解決上述問題，在無線話音適配器的DSP中植入了用于噪聲抑制的語音算法模塊，該算法采用了一種基于改進型譜減法的噪聲抑制算法[10]，利用已知的噪聲功率譜信息，從帶噪語音頻譜分量中估計出純凈語音頻譜分量，并借助帶噪語音相位得到增強的語音信號。

假設語音信號為平穩(wěn)信號，噪聲和語音信號不相關，則帶噪語音信號可表示為：

y(n)=s(n)+d(n)

(1)

式(1)中,y(n)為帶噪語音信號，s(n)為純凈語音信號，d(n)為加性噪聲信號。對于實際語音信號，可近似認為其在短時間內(nèi)是平穩(wěn)的，故對單幀語音信號可表示為：

yw(n)=sw(n)+dw(n)

(2)

如果用YW(ω)、SW(ω)、DW(ω)分別表示yw(n)、sw(n)、dw(n)的傅里葉變換，并將無語音時|DW(ω)|2的統(tǒng)計平均值記為λn(ω)，則該噪聲抑制算法的公式可以表示為：

(3)

降噪算法流程如圖5所示，帶噪語音經(jīng)傅里葉變換后在相應頻段減去噪聲，再借由帶噪語音的相位信息進行傅里葉反變換得到增強的語音信號。算法中引入了α、β兩個參數(shù)，β作為被減項加權值可以在某些頻段強化去除噪聲的效果，α作為功率譜修正系數(shù)可以更好地突出語音的功率譜。通過調(diào)節(jié)α、β的參數(shù)值，可以去除復合信號中的噪聲，有效提高語音信號質(zhì)量。

3.2 藍牙應用層軟件設計

無線話音適配器利用軟件應用層實現(xiàn)了藍牙免提(hands-free profile, HFP)協(xié)議[11]，定義無線話音適配器為音頻網(wǎng)關(audio gate, AG)，無線頭戴為免提終端(hands free, HF)。由于無線話音通信系統(tǒng)應用場景的特殊性，每臺無線話音適配器配置兩個專用無線頭戴，無線頭戴地址提前預存到無線話音適配器中，為加快鏈路建立的速度，軟件流程設計如下：無線話音適配器加電初始化完成后，如果不通過手動操作進入手動搜索模式，則直接等待專用無線頭戴的連接，此時打開相應的專用無線頭戴，將在2 s內(nèi)建立連接，系統(tǒng)即可投入使用；在無線頭戴關閉后，系統(tǒng)再次進入等待連接的狀態(tài)，當專用無線頭戴再次開機，系統(tǒng)仍可在2 s內(nèi)快速建立連接。在實際使用時，無線話音適配器和相應的專用無線頭戴只要一開機，即可自動快速配對工作，無需手動逐一配對，兩臺專用無線頭戴循環(huán)充電使用。

如果需要配對新的無線頭戴，在無線話音適配器加電初始化完成后，通過手動操作無線話音適配器上的配對按鈕使軟件進入手動搜索模式，之后將無線頭戴也設置為配對模式，配對成功即可正常通話；如果在10 s時間內(nèi)未配對成功，則軟件會退出手動搜索模式，再次進入等待連接狀態(tài)。語音網(wǎng)關軟件設計流程圖如圖6所示。

圖6 語音網(wǎng)關軟件實現(xiàn)流程圖

4 系統(tǒng)測試

利用話音處理設備模擬件搭建測試系統(tǒng)，設備連接簡圖見圖7。在該系統(tǒng)中，話音處理設備模擬件對各路話音具備混音功能，故任意一只無線頭戴發(fā)送的話音信號經(jīng)該路無線話音適配器送入話音處理設備模擬件后，其他各路無線話音適配器均可接收到該話音信號并將其送至各個無線頭戴。測試時，將無線話音適配器與相應無線頭戴開機，確認藍牙無線連接正常建立后，每個測試人員各戴一個無線頭戴，依次進行發(fā)話測試，由其他各測試人員確認收聽效果。測試在5 m通信距離和15 m通信距離上分別進行，覆蓋了1路～4路同時使用的4種工況。

圖7 無線話音通信系統(tǒng)測試設備連接簡圖

測試結(jié)果如表1～2所示，各測試工況下均無主觀可見的話音延遲；在5 m通信距離時，各路話音音質(zhì)良好，在15 m通信距離時，各路話音均有輕微失真，另外隨著同時使用無線話音路數(shù)的增加，會出現(xiàn)少量由于藍牙頻率碰撞導致的雜音，話音的輕微失真和少量雜音均不影響話音的可懂性。

表1 無線話音通信系統(tǒng)5 m通信距離測試情況

表2 無線話音通信系統(tǒng)15 m通信距離測試情況

5 結(jié)束語

基于藍牙技術的載人航天器艙內(nèi)無線話音系統(tǒng)實現(xiàn)了高質(zhì)量的無線話音通話效果，可支持多名航天員同時與地面通話，以及航天員之間互相通話等功能。利用航天器話音處理設備模擬件建立無線話音測試系統(tǒng)并開展測試試驗，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)多路無線話音通信，話音清晰可懂，且具備實時性高，操作簡便等優(yōu)點，可以滿足航天員在軌話音通信使用需求。