基于ARM 技術(shù)的機(jī)場(chǎng)電臺(tái)自動(dòng)校波裝置設(shè)計(jì)

張 琪，田華明，郭維波

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041）

0 引言

電臺(tái)校波是機(jī)場(chǎng)一項(xiàng)必備、常規(guī)性的飛行準(zhǔn)備工作，通過(guò)電臺(tái)的實(shí)際通話來(lái)檢驗(yàn)電臺(tái)之間的通信效果，排除電磁干擾、設(shè)備故障等影響信號(hào)質(zhì)量的因素，確保對(duì)空指揮通信的質(zhì)量。當(dāng)前，電臺(tái)飛行校波工作仍采用人工校波的方式，按照規(guī)定的程序，雙方通過(guò)喊話和收聽(tīng)的方式來(lái)判斷話音的質(zhì)量。人工校波方式存在校波時(shí)間長(zhǎng)、喊話話音不標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)話音質(zhì)量判斷標(biāo)準(zhǔn)不明確等問(wèn)題，質(zhì)效比較低。因此，解決當(dāng)前人工校波的不足，研制電臺(tái)自動(dòng)校波裝置，能夠有效提高校波效率和質(zhì)量，提高飛行保障的智能化水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用基于ARM 的電臺(tái)自動(dòng)校波設(shè)計(jì)，基本思想是通過(guò)自動(dòng)校波裝置，實(shí)現(xiàn)與兩部電臺(tái)之間信號(hào)的傳輸，控制電臺(tái)波道轉(zhuǎn)換、收發(fā)交替、標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)產(chǎn)生、音頻信號(hào)質(zhì)量分析[1]、結(jié)果記錄存儲(chǔ)并外接鍵盤(pán)和顯示屏，從而完成自動(dòng)校波功能。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛行前的電臺(tái)校波是在不同指揮塔電臺(tái)之間或指揮塔電臺(tái)與機(jī)載電臺(tái)之間進(jìn)行的，涉及兩部或電臺(tái)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的多部電臺(tái)?，F(xiàn)以不同指揮塔兩部電臺(tái)之間的校波為例進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電臺(tái)自動(dòng)校波裝置的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 電臺(tái)自動(dòng)校波裝置的結(jié)構(gòu)模型

圖1 中，電臺(tái)A、電臺(tái)B 是兩個(gè)指揮塔中需要校波的電臺(tái)，能夠進(jìn)行話音信號(hào)的收發(fā)通信。ARM板作為中控單元，使兩路音頻信號(hào)通過(guò)兩個(gè)不同串口和電臺(tái)控制線，完成電臺(tái)自動(dòng)校波裝置與兩部電臺(tái)之間信號(hào)的傳輸，并控制波道轉(zhuǎn)換、收發(fā)轉(zhuǎn)換、標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)產(chǎn)生、音頻信號(hào)質(zhì)量分析評(píng)估以及人機(jī)交互等單元的工作，按照校波的流程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，輸出并顯示校波的結(jié)果[2]。

1.2 各部分功能設(shè)計(jì)

電臺(tái)自動(dòng)校波裝置的功能包括以下4 個(gè)方面。

1.2.1 產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)

為了提高校波中音頻判決的準(zhǔn)確性，需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的音頻信號(hào)作為客觀語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估的基準(zhǔn)。本裝置的設(shè)計(jì)中，由ARM 板的STM32F3 產(chǎn)生一個(gè)1 000 Hz 的方波信號(hào)，通過(guò)外接濾波電路濾除諧波，形成幅度為15 mV、頻率為1 000 Hz 的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，來(lái)模擬校波中的調(diào)制音頻信號(hào)。由于此正弦信號(hào)為單音信號(hào)，頻譜純凈，便于判決。此音頻信號(hào)由固定串口的控制線傳輸至發(fā)射電臺(tái)進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，并作為標(biāo)準(zhǔn)音頻與電臺(tái)接收到的音頻進(jìn)行比對(duì)[3]，作為校波質(zhì)量判斷的依據(jù)。

1.2.2 收發(fā)交替控制

電臺(tái)校波的過(guò)程較為復(fù)雜，需檢驗(yàn)多部電臺(tái)在不同工作參數(shù)、不同收發(fā)狀態(tài)時(shí)的通話質(zhì)量。如圖1 所示，既要檢驗(yàn)電臺(tái)A 發(fā)射和電臺(tái)B 接收時(shí)的話音質(zhì)量，也要檢驗(yàn)電臺(tái)B 發(fā)射和電臺(tái)A 接收時(shí)的話音質(zhì)量。因此，自動(dòng)校波裝置要完成兩部甚至多部電臺(tái)之間的收發(fā)轉(zhuǎn)換，提高校波的自動(dòng)化程度。

1.2.3 自動(dòng)波道轉(zhuǎn)換

通常，電臺(tái)工作時(shí)有多個(gè)波道，校波是按照電臺(tái)預(yù)設(shè)的波道逐一完成，裝置需要具備按照校波程序進(jìn)行波道自動(dòng)轉(zhuǎn)換的功能，不需要電臺(tái)工作人員的操作。

1.2.4 音頻質(zhì)量分析與評(píng)定

語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)價(jià)方法按照評(píng)價(jià)主體可分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩大類(lèi)。目前電臺(tái)校波主要采用主觀評(píng)定，即以人工平均主觀打分（Mean Opinion Score，MOS）來(lái)度量，分為優(yōu)、良、中、差、劣5級(jí)，分值分別為5，4，3，2，1，來(lái)評(píng)價(jià)校波的質(zhì)量。本方案采用語(yǔ)音質(zhì)量感知評(píng)估（Perceptual Evaluation of Speech Quality，PESQ）客觀評(píng)定方式，對(duì)收發(fā)的音頻信號(hào)在時(shí)域和頻域上研究合理的算法，對(duì)音頻信號(hào)的頻譜、失真度、信噪比等參數(shù)進(jìn)行分析，得出評(píng)估結(jié)果，更能反映電臺(tái)的通話質(zhì)量。

2 系統(tǒng)工作過(guò)程

自動(dòng)校波裝置的工作過(guò)程是按照機(jī)場(chǎng)校波規(guī)定的流程實(shí)施的，如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)校波系統(tǒng)的工作流程圖

當(dāng)操作人員按下自動(dòng)校波裝置的“開(kāi)始校波”鍵后，自動(dòng)校波裝置首先對(duì)兩電臺(tái)的狀態(tài)進(jìn)行檢查，判斷是否可以開(kāi)始校波。若不符合條件，則需操作人員重新檢查電臺(tái)，進(jìn)行調(diào)整及處理；若電臺(tái)狀態(tài)正常，自動(dòng)校波裝置隨即發(fā)起校波。需操作人員傳送電臺(tái)列表、波道等參數(shù)給自動(dòng)校波裝置。自動(dòng)校波裝置記錄兩電臺(tái)原有參數(shù)后，將兩電臺(tái)調(diào)至校波指定參數(shù)，然后控制發(fā)射電臺(tái)發(fā)射帶有標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)調(diào)制的射頻信號(hào)，接收電臺(tái)接收該射頻信號(hào)并解調(diào)出音頻信號(hào)同時(shí)送回給自動(dòng)校波裝置。自動(dòng)校波裝置將接收到的音頻信號(hào)進(jìn)行分析，與此前發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)對(duì)比，進(jìn)行分析評(píng)估。若在某個(gè)波道參數(shù)校波時(shí)，第一次接收音頻質(zhì)量差（MOS分值約為1 和2），則還可再進(jìn)行一次發(fā)射和接收。最終得出符合要求的音頻信號(hào)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果并返回，在顯示屏上顯示校波進(jìn)程及校波結(jié)果，然后恢復(fù)兩電臺(tái)原有參數(shù)。整個(gè)過(guò)程是在ARM 的控制下自動(dòng)完成的。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

為了提高校波的準(zhǔn)確性和校波裝置工作的穩(wěn)定性，校波裝置在設(shè)計(jì)中采用多項(xiàng)新技術(shù)。

3.1 PESQ 語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估方法

PESQ 是主觀語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估算法，其基本思想是將失真語(yǔ)音信號(hào)與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)進(jìn)行比較，得出一個(gè)差異值。這種差異值充分考慮了人耳聽(tīng)覺(jué)特性，并很好契合MOS 五級(jí)打分評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，符合機(jī)場(chǎng)校波的質(zhì)量要求。本方案采用PESQ 算法的流程如圖3 所示。

圖3 PESQ 算法原理框圖

設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，首先將ARM 板中產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)作為參考，對(duì)接收的待評(píng)估音頻信號(hào)的電平進(jìn)行調(diào)整，使之符合電平判決的要求，再輸入濾波器進(jìn)行濾波。通過(guò)時(shí)間上對(duì)齊均衡處理，獲得系統(tǒng)增益和濾波的補(bǔ)償和均衡[4]。對(duì)變換后的兩路信號(hào)進(jìn)行擾動(dòng)處理，信號(hào)之間的差值即為干擾度。當(dāng)信號(hào)之間差異較大，擾動(dòng)處理時(shí)出現(xiàn)超出預(yù)設(shè)區(qū)間的情況，統(tǒng)稱(chēng)為壞區(qū)間，就需要重新對(duì)壞區(qū)間進(jìn)行對(duì)齊[5]。最后，通過(guò)對(duì)認(rèn)知模型處理，在時(shí)域和頻域上累計(jì)得出PESQ 分值，并與MOS 值進(jìn)行映射，從而得出校波的音頻信號(hào)質(zhì)量。

3.2 認(rèn)知模型的設(shè)計(jì)

PESQ 模型采用認(rèn)知模型來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻效果的對(duì)比，整個(gè)過(guò)程分為干擾密度計(jì)算、非對(duì)稱(chēng)處理、干擾度、壞區(qū)間的重對(duì)齊、干擾度的時(shí)域平衡以及客觀得分計(jì)算共六個(gè)步驟[6]。

（1）干擾密度計(jì)算。首先計(jì)算兩信號(hào)的聲強(qiáng)響度密度差，當(dāng)差值為正，說(shuō)明接收的音頻信號(hào)中含有雜音或噪聲分量；當(dāng)差值為負(fù)，說(shuō)明接收音頻信號(hào)因波形不完整損失一些分量，此差值即原始干擾密度。

（2）非對(duì)稱(chēng)處理。規(guī)定非對(duì)稱(chēng)因子為標(biāo)準(zhǔn)音頻參考信號(hào)和接收音頻信號(hào)的Bark 譜密度比值的1.2次冪，若非對(duì)稱(chēng)因子小于3，則定0；若非對(duì)稱(chēng)因子大于12，則定為12。干擾密度乘以非對(duì)稱(chēng)因子，即得到接收音頻信號(hào)的非對(duì)稱(chēng)干擾密度。

（3）干擾度。對(duì)非對(duì)稱(chēng)干擾密度和干擾密度在Bark 域中取加權(quán)平均，得到非對(duì)稱(chēng)幀干擾度和幀干擾度。

（4）壞區(qū)間的重對(duì)齊。PESQ 算法將干擾度超過(guò)設(shè)定閾值的幀稱(chēng)作壞幀，把干擾度超過(guò)閾值的連續(xù)幀區(qū)間稱(chēng)為壞區(qū)間，并對(duì)其進(jìn)行重對(duì)齊處理。重新對(duì)壞區(qū)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)音頻參考信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行最大互相關(guān)的計(jì)算，得到新的非對(duì)稱(chēng)干擾度和新的對(duì)稱(chēng)干擾度。

（5）干擾度的時(shí)域平衡。幀非對(duì)稱(chēng)干擾度和幀干擾度的時(shí)域平衡通常分兩級(jí)實(shí)現(xiàn)，即求話音持續(xù)時(shí)間內(nèi)的干擾總計(jì)和瞬態(tài)間隔內(nèi)的干擾總計(jì)，分別使用低階范數(shù)和高階范數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到平均非對(duì)稱(chēng)干擾度和平均對(duì)稱(chēng)干擾度。

（6）計(jì)算客觀得分。PESQ 語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估算法客觀評(píng)價(jià)分值（MOS 分值），是平均非對(duì)稱(chēng)干擾度和平均對(duì)稱(chēng)干擾度的線性組合[7]，其計(jì)算如式（1）所示。

式中：dSYM表示平均對(duì)稱(chēng)干擾度，dASYM表示非平均對(duì)稱(chēng)干擾度。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)產(chǎn)生

STM32F3/L4/F7/H7 等系列的定時(shí)器都具備非對(duì)稱(chēng)脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出模式或組合輸出模式。要產(chǎn)生1 kHz、15 mV 的電臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)，可使用PWM 產(chǎn)生一定頻率的方波信號(hào)，根據(jù)方波具體的VCC 幅值，調(diào)節(jié)原件參數(shù)進(jìn)行固定比例的降幅處理，再通過(guò)低通濾波器轉(zhuǎn)換為正弦波信號(hào)，從而得到所需的標(biāo)準(zhǔn)音頻。有源低通濾波電路設(shè)計(jì)及仿真如圖4 所示。

圖4 有源低通濾波仿真電路

由上述仿真結(jié)果可見(jiàn)：PWM 輸出3.3 V 的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)圖4 中由100 Ω 電阻和1.6 μF 電容組成的濾波電路后，產(chǎn)生正弦波。再經(jīng)過(guò)1.1 kΩ、2.5 Ω 電阻組成的分壓電路和隔離放大電路后，即可生成1 kHz、15 mV 的音頻信號(hào)，如圖5 所示，此信號(hào)作為校波中的標(biāo)準(zhǔn)音頻，進(jìn)行校波中音頻質(zhì)量的判決。

圖5 仿真電路最終輸出信號(hào)波形

3.4 CRC 校驗(yàn)設(shè)計(jì)

機(jī)場(chǎng)電臺(tái)自動(dòng)校波裝置功能的實(shí)現(xiàn)，是建立在充分分析并實(shí)現(xiàn)電臺(tái)通信協(xié)議的基礎(chǔ)上的。在圖1 的總體結(jié)構(gòu)模型中，ARM 中控單元通過(guò)RS-232/RS-485/RS-422 等串口與電臺(tái)收發(fā)信機(jī)互聯(lián)，進(jìn)行波道轉(zhuǎn)換、收發(fā)控制、波道參數(shù)設(shè)置等信息的交換。

基于電臺(tái)通信協(xié)議，且考慮到系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性要求，避免通信數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出錯(cuò)，本方案采用循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check，CRC）技術(shù)。CRC 碼由兩部分組成，前部一分是信息碼，后一部分是校驗(yàn)碼。如果CRC 碼長(zhǎng)共nbit，信息碼長(zhǎng)kbit，就稱(chēng)為（n，k）碼，剩余的（n-k）bit 即為校驗(yàn)位。在本方案設(shè)計(jì)中，1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，用簡(jiǎn)單的幀封裝結(jié)構(gòu)，加入校驗(yàn)字節(jié)，執(zhí)行過(guò)程比較快，有利于收發(fā)、波道等信息的快速切換?？刂菩盘?hào)的具體封裝格式如表1 所示。

表1 發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式

4 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的電臺(tái)自動(dòng)校波裝置基于ARM 控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多部電臺(tái)之間、多個(gè)波道之間的收發(fā)轉(zhuǎn)換，按照實(shí)際的校波流程實(shí)施自動(dòng)校波，減少了飛行準(zhǔn)備時(shí)間，降低了人工校波的煩瑣性，提高了飛行校波的效率。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)采用基準(zhǔn)音頻信號(hào)、PESQ 語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)估、認(rèn)知模型設(shè)計(jì)以及CRC 編碼校驗(yàn)等技術(shù)，提高了校波過(guò)程的客觀性、準(zhǔn)確性。通過(guò)這種校波技術(shù)，還可以為多部聯(lián)網(wǎng)超短波電臺(tái)、短波電臺(tái)以及民用電臺(tái)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)校波。電臺(tái)自動(dòng)校波裝置具有效率高、標(biāo)準(zhǔn)明確等特性，可以充分滿足民用和軍用通信對(duì)電臺(tái)通信質(zhì)量檢驗(yàn)的需要。