民用飛機(jī)QACVR設(shè)備測(cè)試方法與分析*

楊啟帆，劉少龍，李文衡

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引言

為了更好地提升民用飛機(jī)飛行安全，駕駛艙語(yǔ)音信息回放愈發(fā)成為日常飛行不安全事件調(diào)查的方法之一，同時(shí)為了規(guī)范機(jī)組通話(huà)，無(wú)論是民航安全管理部門(mén)還是航空公司越發(fā)需要一種記錄語(yǔ)音信息與CVR相同，但記錄時(shí)間更長(zhǎng)、數(shù)據(jù)讀取方便的輔助記錄駕駛艙語(yǔ)音的機(jī)載設(shè)備，因此QACVR應(yīng)運(yùn)而生。QACVR記錄的音頻數(shù)據(jù)特性也直接影響到民航安全管理部門(mén)和航空公司對(duì)記錄音頻的調(diào)查和分析。

為了使QACVR設(shè)備滿(mǎn)足歐洲民用航空設(shè)備組織(European Organization for CivilAviation Equipment)制定的EUROCAE ED-112A[1]《抗墜毀的機(jī)載記錄系統(tǒng)最低工作性能要求》標(biāo)準(zhǔn)。需要對(duì)QACVR設(shè)備的4路音頻通道進(jìn)行通道串?dāng)_、頻率響應(yīng)、總諧波失真、信噪比性能進(jìn)行測(cè)試。

1 音頻指標(biāo)解析

在對(duì)QACVR設(shè)備進(jìn)行音頻信號(hào)定量測(cè)量時(shí)，如何正確理解這些指標(biāo)，對(duì)于正確測(cè)量QACVR設(shè)備具有現(xiàn)實(shí)意義[2,3]。

1.1 通道串?dāng)_

通道串?dāng)_是指音頻信號(hào)在一路通道上傳輸時(shí)，因電磁耦合而對(duì)相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生不期望的影響。串?dāng)_形成的根源在于耦合，由于QACVR設(shè)備是多音頻通道采集設(shè)備，印制板走線(xiàn)、電纜、連接器插針等導(dǎo)體之間通過(guò)電場(chǎng)與磁場(chǎng)發(fā)生耦合，把一部分能量傳遞到相鄰的導(dǎo)體上，進(jìn)而形成干擾噪聲。

1.2 頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)[4]在一定的頻帶內(nèi)，在音頻輸入電平保持不變時(shí)，音頻輸出電平與頻率之間的關(guān)系。理想的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)是一條與頻率軸平行的直線(xiàn)，也就是說(shuō)在音頻設(shè)備工作的頻帶范圍內(nèi)，放大倍數(shù)的幅值與頻率無(wú)關(guān)。

1.3 總諧波失真

一個(gè)理想的正弦信號(hào)僅有一個(gè)頻率，而在實(shí)際中由于設(shè)備元器件的非線(xiàn)性改變了輸入信號(hào)，當(dāng)單正弦信號(hào)通過(guò)設(shè)備后會(huì)產(chǎn)生諧波失真，失真的頻率是輸入單正弦信號(hào)的倍數(shù)。THD測(cè)量的是全部失真的總和，該值統(tǒng)計(jì)了信號(hào)中所有外來(lái)諧波能量。

IEEE[5]定義了總諧波失真標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算公式為:

(1)

其中,P1為輸入基波頻率分量的幅值，Pn為第n個(gè)諧波分量的幅值。

1.4 信噪比

信噪比描述了在一定輸入信號(hào)電平下，音頻設(shè)備的輸出噪聲的量級(jí)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于音頻輸出信號(hào)非常強(qiáng)，噪聲根本聽(tīng)不見(jiàn)，但是當(dāng)音頻輸出信號(hào)非常小時(shí)，那么噪聲就會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生不良的影響。信噪比用來(lái)表征音頻輸出信號(hào)和噪聲之間的相對(duì)強(qiáng)度。

2 測(cè)試過(guò)程

2.1 測(cè)試環(huán)境搭建

本文以信息管理系統(tǒng)中的音頻數(shù)據(jù)采集模塊(Audio Collection Module，ACM)為例，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)該模塊的4路音頻通道進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試與分析，測(cè)試環(huán)境如圖1所示。ACM模塊測(cè)試采用專(zhuān)業(yè)的音頻發(fā)生/分析儀Agilent U8903A，配合音頻分析軟件Audacity，完成音頻信號(hào)的采集和分析[6,7]。

圖1 測(cè)試環(huán)境示意圖

ACM模塊以飛思卡爾公司的IMX6作為CPU，采用cirrus logic公司出品的音頻編、解碼專(zhuān)用芯片CS42888作為音頻文件的解碼芯片，該模塊主要用于采集并記錄來(lái)自飛機(jī)音頻系統(tǒng)的4路語(yǔ)音信息，同時(shí)完成音頻數(shù)據(jù)的壓縮、加密、存儲(chǔ)等子功能，有效滿(mǎn)足了新一代渦槳支線(xiàn)客機(jī)快速存取駕駛艙語(yǔ)音記錄功能。

2.2 測(cè)試方法

2.2.1 通道串?dāng)_

將音頻發(fā)生/分析儀輸出連接至ACM的任一通道，其它通道懸空，設(shè)置輸出頻率為1kHz的正弦信號(hào)，調(diào)整輸出為參考信號(hào)電平，記錄1分鐘(根據(jù)系統(tǒng)要求，4路音頻中三路為單端輸入，參考電平為5.3VRMS，另一路為差分輸入，參考電平為8.48Vpp(3VRMS))?；胤庞涗浺纛l信息到音頻發(fā)生/分析儀，記錄3個(gè)通道1 kHz頻域信號(hào)的幅值。其它音頻通道重復(fù)以上測(cè)試程序。本測(cè)試僅針對(duì)三路單端輸入進(jìn)行分析。

通過(guò)音頻發(fā)生/分析儀分析結(jié)果如表1所示。

表1 通道串?dāng)_測(cè)試結(jié)果

由所示任意兩個(gè)通道回放信號(hào)電平的差異均大于40dB，滿(mǎn)足ED-112A第I-3.2.7章節(jié)要求。

2.2.2 頻率響應(yīng)

將音頻發(fā)生/分析儀輸出連接至ACM的任一通道，調(diào)整輸出為參考信號(hào)電平的一半，以速率不超過(guò)0.1倍頻/秒的速度掃頻，對(duì)于單端輸入，掃頻范圍為150Hz～3.5kHz，掃頻點(diǎn)至少為46個(gè)點(diǎn)，本測(cè)試使用50個(gè)點(diǎn)；對(duì)于差分輸入，掃頻范圍為150Hz～6kHz，掃頻點(diǎn)至少為54個(gè)點(diǎn)，本測(cè)試使用60個(gè)點(diǎn)。針對(duì)頻率響應(yīng)的測(cè)試，ACM模塊需要配置成邊采集邊回放模式，回放的音頻信息到音頻發(fā)生/分析儀。其它音頻通道重復(fù)以上測(cè)試程序。

單端第一通道和差分通道的頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 道頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

由圖2所示，單端第一通道和差分通道在其掃頻范圍內(nèi)，ACM模塊采集和回放頻率保持一致，同時(shí)通道回放信號(hào)電平變化不超過(guò)6dB，滿(mǎn)足ED-112A第I-3.2.3章節(jié)要求。

2.2.3 信噪比

將音頻發(fā)生/分析儀輸出連接至ACM的任一通道，其它通道懸空，設(shè)置輸出頻率為1 kHz的正弦信號(hào)，調(diào)整輸出為參考信號(hào)電平，記錄1分鐘。回放記錄音頻信息到音頻發(fā)生/分析儀，記錄1 kHz頻域信號(hào)的幅值。斷開(kāi)音頻發(fā)生/分析儀輸出，記錄1 kHz頻域信號(hào)的幅值。其它音頻通道重復(fù)以上測(cè)試程序。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 信噪比測(cè)試結(jié)果

由所示每個(gè)通道的信號(hào)/無(wú)信號(hào)值均大于48dB，滿(mǎn)足ED-112A第I-3.2.5章節(jié)要求。

2.2.4 THD

將音頻發(fā)生/分析儀輸出連接至ACM的任一通道，其它通道懸空，調(diào)整輸出以5dB步進(jìn)從參考電平調(diào)節(jié)至-20dB，以1/3倍頻程速度掃頻。記錄不同輸出電平和不同頻率下的正弦信號(hào)?；胤庞涗浺纛l信息到音頻發(fā)生/分析儀，此處以單端0dB參考信號(hào)和-5dB參考信號(hào)為例，記錄單端頻帶各頻點(diǎn)的THD值，考慮到10次以上諧波電平很小，對(duì)THD基本無(wú)影響，因此THD僅考慮10次諧波以?xún)?nèi)。測(cè)試結(jié)果如表3所示，1kHz頻點(diǎn)下的頻譜圖如圖3所示。

表3 第一通道不同頻點(diǎn)下THD測(cè)試結(jié)果

圖3 第一通道1kHz頻譜圖

由表3所示在0dB參考信號(hào)輸入條件下，頻帶內(nèi)各頻點(diǎn)的THD值均大于24dB，滿(mǎn)足ED-112A第I-3.2.6章節(jié)要求。在以-5dB參考信號(hào)輸入條件下，頻帶內(nèi)各頻點(diǎn)的THD值均增加。

通過(guò)以上測(cè)試可知，在設(shè)計(jì)ACM采集通道運(yùn)放前端時(shí)，應(yīng)該盡可能的將音頻信號(hào)調(diào)整到后端音頻編、解碼專(zhuān)用芯片CS42888輸入的有效范圍內(nèi)，根據(jù)THD具體要求調(diào)整運(yùn)放反饋電路的設(shè)計(jì)。

在此測(cè)試基礎(chǔ)上直接將采集的信號(hào)用音頻分析軟件Audacity進(jìn)行頻譜分析，通過(guò)公式(1)計(jì)算出THD為25.73dB。

通過(guò)以上測(cè)試可知，ACM模塊的播放通道帶來(lái)的THD失真影響基本可以忽略，主要是采集端音頻開(kāi)關(guān)、運(yùn)放等器件的非線(xiàn)性導(dǎo)致的諧波失真。

2.3 設(shè)計(jì)約束

針對(duì)不同的QACVR設(shè)備[8]，在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮音頻前端運(yùn)放的閉環(huán)增益設(shè)計(jì)以及音頻編、解碼專(zhuān)用芯片工作特性以及QACVR設(shè)備的實(shí)際安裝環(huán)境等因素。從器件選型、PCB設(shè)計(jì)、屏蔽等方面進(jìn)一步提高QACVR設(shè)備的音頻指標(biāo)。

在PCB疊層設(shè)計(jì)階段，明確采樣源端設(shè)備的輸出阻抗，通過(guò)仿真計(jì)算合適的線(xiàn)寬和端接等方法盡可能的保持阻抗匹配。

在PCB布線(xiàn)設(shè)計(jì)階段，必需要考慮各音頻通道之間的布線(xiàn)間隔，在布線(xiàn)空間允許的條件下，增加布線(xiàn)間隔能顯著減少串?dāng)_。采用微帶線(xiàn)布線(xiàn)要明顯優(yōu)于帶狀線(xiàn)。盡可能最小化平行走線(xiàn)長(zhǎng)度，條件允許最好能把相互間產(chǎn)生影響的傳輸線(xiàn)在不同層間走線(xiàn)，而且相鄰兩層之間采用垂直的方式布線(xiàn)。

對(duì)于安裝環(huán)境干擾嚴(yán)重的設(shè)備，在制作電纜屏蔽時(shí)，需要增加對(duì)各音頻通道的屏蔽連接。

3 結(jié)論

隨著國(guó)產(chǎn)民用飛機(jī)的發(fā)展，QACVR設(shè)備從根本上改變了駕駛艙語(yǔ)音監(jiān)控的性質(zhì)，極大地提升了飛行的安全性能。本文以ED-112A標(biāo)準(zhǔn)第I-3.2為基礎(chǔ)，對(duì)ACM模塊進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明按照上述試驗(yàn)測(cè)試方法，完全能夠達(dá)到中國(guó)民用航空對(duì)QACVR的音頻采集要求，同時(shí)有助于民航管理部門(mén)和各家航空公司以有效和具體的測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)QACVR設(shè)備的性能。