通用航空音頻管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任曉波，李莉

（中電科西北集團(tuán)有限公司西安公司，西安 710068）

0 引言

音頻管理系統(tǒng)是通用航空飛行器不可缺少的重要部件之一，直接影響著民用飛機(jī)安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性。它管理和控制VHF（甚高頻）通信系統(tǒng)，無線電導(dǎo)航系統(tǒng)以及內(nèi)話系統(tǒng)等航空器上所有的音頻信號(hào)[1]，本文針對(duì)通用航空中音頻信號(hào)的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了一套小型化，多通道，抗干擾的音頻管理系統(tǒng)，通過和音頻面板相聯(lián)，可以任意調(diào)節(jié)和控制不同通路的音頻輸入信號(hào)和飛機(jī)上的話音信號(hào)。同時(shí)對(duì)飛機(jī)上所有的音頻信號(hào)和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，發(fā)出告警語音，保障飛行器安全。通過軟件配置，設(shè)置音頻組件的工作狀態(tài)。同時(shí)采用專用音效控制芯片和靜噪調(diào)節(jié)電路，提高音頻信號(hào)的信噪比，保障系統(tǒng)的抗干擾性。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的音頻管理系統(tǒng)主要支持的無線電設(shè)備包括超短波電臺(tái)，ADF（無線電羅盤）接收機(jī)，VOR/ILS（伏爾儀表）接收機(jī)，MB（指點(diǎn)信標(biāo)）接收機(jī)等；支持的內(nèi)話包括前艙內(nèi)話和后艙內(nèi)話。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有音頻信號(hào)的管理和控制，能夠根據(jù)控制面板發(fā)送指令要求完成不同音頻通道音量調(diào)節(jié)，混音輸出，并且可以完成前后艙通話，以及和地勤的通話，根據(jù)監(jiān)測(cè)的音頻狀態(tài)發(fā)出報(bào)警語音信號(hào)。音頻管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。主要由音頻控制面板，機(jī)通處理器，指點(diǎn)標(biāo)接收機(jī)組成。

圖1 總體架構(gòu)示意圖

其中音頻控制面板（ACP）用于提供音頻信號(hào)音量調(diào)節(jié)、靜噪門限設(shè)置、下顯主備顯示切換、主備機(jī)通切換等功能。機(jī)通處理器完成對(duì)各路輸入音頻信號(hào)的預(yù)處理，濾波，降噪，放大，以及音量調(diào)節(jié)，混音等功能，同時(shí)對(duì)輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大阻抗匹配，并控制電臺(tái)的語音輸出及PPT控制等功能。指點(diǎn)標(biāo)（MB）接收機(jī)是一個(gè)一次變頻超外差式接收機(jī)。主要實(shí)現(xiàn)接收地面臺(tái)站發(fā)播的距離指示信號(hào)[2,3]。

1.2 工作原理

音頻控制面板通過按鍵選擇對(duì)應(yīng)的音頻輸入通道和飛機(jī)上所有內(nèi)話信號(hào)，并將選擇的按鍵信息和旋鈕信息發(fā)送給機(jī)通處理器。機(jī)通處理器對(duì)按鍵和旋鈕方向進(jìn)行識(shí)別，控制相應(yīng)的音頻輸入信號(hào)音量調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)后的音頻信號(hào)混音和放大，輸出到前艙耳機(jī)，后艙耳機(jī)，以及地勤耳機(jī)。同時(shí)將飛行器中內(nèi)話1和內(nèi)話2信號(hào)經(jīng)過濾波、靜噪處理、功率放大后輸出到電臺(tái)1和電臺(tái)2。除此之外機(jī)通處理器還可以根據(jù)指點(diǎn)標(biāo)接收機(jī)識(shí)別MB的站臺(tái)識(shí)別音，給出相應(yīng)的距離指示信號(hào)。根據(jù)飛行器監(jiān)測(cè)的音頻狀態(tài)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）強(qiáng)抗干擾性

音頻管理系統(tǒng)包含多個(gè)音頻信號(hào)，在傳輸和處理中會(huì)受到各種因素干擾，為了提高系統(tǒng)的抗干擾特性，本文設(shè)計(jì)時(shí)首先在音頻信號(hào)傳輸通路中采用平衡輸入輸出，其次電路設(shè)計(jì)中采用屏蔽單點(diǎn)接地，同時(shí)結(jié)合數(shù)字濾波和降噪處理，保障系統(tǒng)可靠性[6]。

（2）高信噪比

本文通過采用高性能低噪聲處理電路和高性能立體聲音編解碼器，完成音頻信號(hào)濾波，采用靜噪電路處理完成系統(tǒng)的噪聲抑制。同時(shí) CPU處理器產(chǎn)生可變的靜噪門限，輸入音頻信號(hào)大于靜噪門限則輸出信號(hào)接地，如果輸入信號(hào)大于靜噪門限則輸出濾波后的輸入信號(hào)。靜噪輸出部分采用PMOS管開關(guān)電路，減少了靜噪開關(guān)帶來的抖動(dòng)，具有較好的一個(gè)音質(zhì)效果。提高了整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。

（3）具有自檢功能

為了保障系統(tǒng)的可靠性和安全性，設(shè)計(jì)中在模塊內(nèi)部通過采用硬件電路閉環(huán)自檢、檢查點(diǎn)監(jiān)測(cè)、測(cè)試性讀寫等方式實(shí)現(xiàn)硬件自檢操作，通過與多功能綜合模塊的周期性自檢數(shù)據(jù)以及通信握手機(jī)制實(shí)現(xiàn)外部接口定性檢測(cè)。

2 子模塊設(shè)計(jì)

2.1 音頻控制面板

音頻控制面板按照飛行員的按鍵，旋鈕操作，向綜合航電單元發(fā)送對(duì)機(jī)上話音、電臺(tái)、導(dǎo)航設(shè)備識(shí)別碼等音頻信號(hào)的音量調(diào)節(jié)指令。對(duì)話音音頻信號(hào)進(jìn)行放大，并按照飛行員在面板上的靜噪門限調(diào)節(jié)操作進(jìn)行靜噪門限處理，最后輸出至綜合航電單元。按照飛行員的面板操作，向下顯輸出主備切換指令(離散量)。按照飛行員的面板操作，向綜合航電單元發(fā)送主備機(jī)通切換指令。同時(shí)該控制面板具有接受航空電子啟動(dòng)版的加電控制功能、接受燈光控制盒的晝夜模式切換功能、按照照明供電提供的背光控制脈寬調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)面板背光亮度以及自檢功能。

配套連接框圖如圖2所示。

圖2 音頻控制面板配套連接框圖

面板上共設(shè)計(jì)有 16個(gè)按鍵開關(guān)，采用一體化設(shè)計(jì)的背光按鍵，按鍵要求操作手感好、壽命長、可靠性高。按鍵采用點(diǎn)動(dòng)式，當(dāng)電源打開時(shí)，由音頻控制板對(duì)按鍵開關(guān)進(jìn)行初始狀態(tài)設(shè)置（指示燈或亮或滅），每按動(dòng)一次按鍵，其狀態(tài)改變一次（指示燈點(diǎn)亮或熄滅）。應(yīng)急模式按鍵采用紅色的按鍵開關(guān)。背光采用白色，亮度可以隨環(huán)境光的強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)。按鍵上的指示燈采用淺黃色方形的發(fā)光二極管（LED），其功耗小，壽命長。靜噪調(diào)節(jié)旋鈕采用旋轉(zhuǎn)式電位器。電源開關(guān)/音量調(diào)節(jié)是帶電位器的旋轉(zhuǎn)式旋鈕開關(guān)。電源指示燈采用綠色的圓形LED。

自檢測(cè)試按鈕采用小型點(diǎn)接觸式按鈕開關(guān)，當(dāng)按紐按下時(shí)開始進(jìn)行音頻控制面板的自檢，如果音頻控制板自檢正常，按鍵上的指示燈全部點(diǎn)亮，直至松開按鈕，如果音頻控制板自檢不正常，按鍵上的指示燈全部閃爍，直至松開按鈕。

2.2 機(jī)通處理器

機(jī)通處理器是音頻管理系統(tǒng)的核心模塊，該模塊通過和音頻面板之間相互通信共同控制飛機(jī)上所有語音信號(hào)的音量調(diào)節(jié)，并對(duì)所有的導(dǎo)航設(shè)備語音信號(hào)和內(nèi)話信號(hào)進(jìn)行濾波靜噪處理，在音頻信號(hào)傳輸過程中采用差分屏蔽信號(hào)，提高系統(tǒng)的抗干擾特性。

機(jī)通處理器硬件電路可劃分為 CPU處理器模塊、音效調(diào)整電路模塊、混音輸出電路模塊、電臺(tái)話音控制電路模塊、告警音存儲(chǔ)電路模塊等。其中CPU處理器通過SPI總線控制和發(fā)送音量調(diào)節(jié)指令和告警音讀寫指令。輸入的音頻信號(hào)來源于飛行器航電系統(tǒng)的各種無線通信導(dǎo)航機(jī)載設(shè)備，輸出的音頻信號(hào)通過混音電路調(diào)整輸出到前后艙耳機(jī)，地勤耳機(jī)等。機(jī)通處理器原理框圖如圖3所示。

（1）音效調(diào)整電路

音效調(diào)整電路部分包括信號(hào)預(yù)處理模塊、音量調(diào)節(jié)模塊、靜噪處理模塊。其中信號(hào)預(yù)處理模塊，是對(duì)輸入音頻信號(hào)進(jìn)行濾波和幅值調(diào)整，以滿足處理器有效輸入范圍。濾波部分采用高性能低噪聲運(yùn)放集成電路，電壓范圍從-20V到+20V，具有較大的驅(qū)動(dòng)能力和小信號(hào)帶寬。同時(shí)結(jié)合高性能立體聲音編解碼器，對(duì)輸入音頻信號(hào)進(jìn)行采樣，處理，數(shù)字濾波，輸出信噪比可達(dá) 100db。音量調(diào)節(jié)電路主要完成對(duì)COM1、COM2、VOR、ILS、ADF、信標(biāo)、內(nèi)話1(來自前艙)、內(nèi)話2(來自后艙)等音頻信號(hào)的音量控制，音量控制指令來自音頻控制面板。CPU通過SPI總線向編解碼芯片發(fā)出調(diào)節(jié)音量指令，并對(duì)相應(yīng)的音頻信號(hào)進(jìn)行音量控制，最終送入混音電路。靜噪處理模塊主要是對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行靜噪處理，并且能夠根據(jù)靜噪等級(jí)完成不同幅值的靜噪處理。

（2）混音輸出電路

混音輸出電路包括混音模塊和功率放大阻抗匹配模塊。其中混音模塊分為兩路，混音 1包括COM1、COM2、VOR、ILS、ADF、信標(biāo)、內(nèi)話1(來自前艙)、地勤話筒音和告警音等音頻信號(hào)，混音2包括COM1、COM2、塔康、ADF、信標(biāo)、內(nèi)話2(來自后艙)、地勤話筒音和告警音等音頻信號(hào)。傳統(tǒng)音頻管理系統(tǒng)中采用變壓器形式的放大電路，適配各類不同耳機(jī)。這種方案需要調(diào)整設(shè)備終端的輸入阻抗，很難保證聲音質(zhì)量，調(diào)試難度很大。本文采用了全新的混音芯片和音頻功放芯片組合，經(jīng)過調(diào)試，不但實(shí)現(xiàn)了各種阻抗匹配需求，而且保證了高保真音質(zhì)輸出性能。

圖3 機(jī)通處理器原理框圖

（3）電臺(tái)話音控制電路

電臺(tái)話音控制電路完成前艙后艙內(nèi)話語音信號(hào)向VHF電臺(tái)的輸出、以及PTT信號(hào)的輸出功能。話音選擇電路包括離散量處理電路、選擇電路和功放電路。選擇電路使用轉(zhuǎn)換為TTL電平(5V)的四個(gè)PTT信號(hào)作為選擇控制，使用程控開關(guān)選擇需要輸出的VHF電臺(tái)通道，將內(nèi)話音頻信號(hào)和VHF電臺(tái)PTT信號(hào)輸出至相應(yīng)的VHF電臺(tái)。

（4）告警音存儲(chǔ)電路

告警音存儲(chǔ)電路將告警語音存儲(chǔ)在語音芯片中，根據(jù)處理器的指令將指定告警語音輸出至混音電路。

（5）CPU處理器

CPU處理器部分為整個(gè)音頻控制板的核心，通過與矩陣鍵盤的掃描芯片的溝通，來選擇各個(gè)信號(hào)的選通，控制相應(yīng)的按鍵指示燈進(jìn)行亮滅，同時(shí)與邏輯控制模塊溝通，來控制各個(gè)信號(hào)的選擇，靜音，以及離散量的輸出，輸入，調(diào)節(jié)靜噪。并通過控制信號(hào)處理模塊來調(diào)節(jié)信號(hào)的狀態(tài)，使得輸出到功放的信號(hào)達(dá)到所需要求。并通過422格式將音頻控制盒的信號(hào)狀態(tài)以及自檢信息，背光，軟件版本號(hào)等信息發(fā)送到終端顯示單元，并與顯示單元溝通來調(diào)節(jié)音頻控制盒的警告音與各個(gè)信號(hào)的音量級(jí)別大小以及音量選擇使能。

2.3 信標(biāo)接收機(jī)

（1）工作原理

MB天線接收射頻信號(hào)，經(jīng)限幅器/預(yù)選器濾除包括鏡像頻率在內(nèi)的雜散信號(hào)，經(jīng)信號(hào)開關(guān)進(jìn)入混頻器。本振電路產(chǎn)生64.3MHz的本振信號(hào)，經(jīng)過混頻器與75MHz的射頻輸入信號(hào)混頻，產(chǎn)生10.7MHz的中頻信號(hào)，后經(jīng)AGC中頻放大器和中頻濾波器，產(chǎn)生10.7MHz中頻信號(hào)，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)出基帶信號(hào)送入三組帶通濾波器，分別選通中心頻率為400Hz、1300Hz和3000Hz基帶信號(hào)，經(jīng)過整流放大后控制選通開關(guān)。當(dāng)某個(gè)頻率點(diǎn)的信號(hào)整流輸出幅度達(dá)到選通開關(guān)的有效值時(shí)，該頻率點(diǎn)的選通開關(guān)輸出有效電平，相應(yīng)的指示燈被點(diǎn)亮、音響電路發(fā)生。原理框圖如圖4所示。

圖4 信標(biāo)接收機(jī)原理框圖

（2）自檢電路

MB自檢信號(hào)發(fā)生器由自檢振蕩器和調(diào)幅器組成。自檢振蕩器由自檢使能信號(hào)控制。當(dāng)自檢使能信號(hào)有效時(shí)，自檢振蕩器開始工作，產(chǎn)生 75MHz的高頻信號(hào)，自檢音頻信號(hào)對(duì)自檢振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，順序模擬MB遠(yuǎn)、中、近地面臺(tái)發(fā)播的信號(hào)，經(jīng)過開關(guān)電路選通，將自檢信號(hào)送入混頻器，進(jìn)行自檢。通過觀察和聆聽距離指示燈和距離提示音頻判斷MB接收機(jī)自檢是否正常，各部分開關(guān)狀態(tài)，按鍵工作狀態(tài)是否正常。

3 結(jié)束語

音頻管理系統(tǒng)是通用航空飛機(jī)話音通信系統(tǒng)的傳輸中樞[4]，可靠、穩(wěn)定的音頻系統(tǒng)能夠進(jìn)一步保障通航飛機(jī)的飛行安全。隨著音頻處理技術(shù)的發(fā)展，采用模塊化，數(shù)字化技術(shù)解決音頻信號(hào)的處理是未來發(fā)展趨勢(shì)[5]。本文從系統(tǒng)角度闡述了針對(duì)通用航空的音頻管理架構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，基本滿足飛行器上導(dǎo)航設(shè)備，通信設(shè)備以及話音信號(hào)的監(jiān)測(cè)和處理，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾特性和信噪比。并且采用軟件配置工作模式，靈活性強(qiáng)，可靠性高，具有較好的發(fā)展前景。