通用航空音頻管理系統設計與實現

任曉波，李莉

（中電科西北集團有限公司西安公司，西安 710068）

0 引言

音頻管理系統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安全性、經濟性和舒適性。它管理和控制VHF（甚高頻）通信系統，無線電導航系統以及內話系統等航空器上所有的音頻信號[1]，本文針對通用航空中音頻信號的應用需求設計了一套小型化，多通道，抗干擾的音頻管理系統，通過和音頻面板相聯，可以任意調節和控制不同通路的音頻輸入信號和飛機上的話音信號。同時對飛機上所有的音頻信號和狀態進行監視，發出告警語音，保障飛行器安全。通過軟件配置，設置音頻組件的工作狀態。同時采用專用音效控制芯片和靜噪調節電路，提高音頻信號的信噪比，保障系統的抗干擾性。

1 總體架構設計

1.1 系統組成

本文設計的音頻管理系統主要支持的無線電設備包括超短波電臺，ADF（無線電羅盤）接收機，VOR/ILS（伏爾儀表）接收機，MB（指點信標）接收機等；支持的內話包括前艙內話和后艙內話。主要實現對所有音頻信號的管理和控制，能夠根據控制面板發送指令要求完成不同音頻通道音量調節，混音輸出，并且可以完成前后艙通話，以及和地勤的通話，根據監測的音頻狀態發出報警語音信號。音頻管理系統總體架構如圖1所示。主要由音頻控制面板，機通處理器，指點標接收機組成。

圖1 總體架構示意圖

其中音頻控制面板（ACP）用于提供音頻信號音量調節、靜噪門限設置、下顯主備顯示切換、主備機通切換等功能。機通處理器完成對各路輸入音頻信號的預處理，濾波，降噪，放大，以及音量調節，混音等功能，同時對輸出的音頻信號進行功率放大阻抗匹配，并控制電臺的語音輸出及PPT控制等功能。指點標（MB）接收機是一個一次變頻超外差式接收機。主要實現接收地面臺站發播的距離指示信號[2,3]。

1.2 工作原理

音頻控制面板通過按鍵選擇對應的音頻輸入通道和飛機上所有內話信號，并將選擇的按鍵信息和旋鈕信息發送給機通處理器。機通處理器對按鍵和旋鈕方向進行識別，控制相應的音頻輸入信號音量調節，將調節后的音頻信號混音和放大，輸出到前艙耳機，后艙耳機，以及地勤耳機。同時將飛行器中內話1和內話2信號經過濾波、靜噪處理、功率放大后輸出到電臺1和電臺2。除此之外機通處理器還可以根據指點標接收機識別MB的站臺識別音，給出相應的距離指示信號。根據飛行器監測的音頻狀態發出報警信號。

1.3 系統特點

（1）強抗干擾性

音頻管理系統包含多個音頻信號，在傳輸和處理中會受到各種因素干擾，為了提高系統的抗干擾特性，本文設計時首先在音頻信號傳輸通路中采用平衡輸入輸出，其次電路設計中采用屏蔽單點接地，同時結合數字濾波和降噪處理，保障系統可靠性[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，完成音頻信號濾波，采用靜噪電路處理完成系統的噪聲抑制。同時 CPU處理器產生可變的靜噪門限，輸入音頻信號大于靜噪門限則輸出信號接地，如果輸入信號大于靜噪門限則輸出濾波后的輸入信號。靜噪輸出部分采用PMOS管開關電路，減少了靜噪開關帶來的抖動，具有較好的一個音質效果。提高了整個系統的信噪比。

（3）具有自檢功能

為了保障系統的可靠性和安全性，設計中在模塊內部通過采用硬件電路閉環自檢、檢查點監測、測試性讀寫等方式實現硬件自檢操作，通過與多功能綜合模塊的周期性自檢數據以及通信握手機制實現外部接口定性檢測。

2 子模塊設計

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，向綜合航電單元發送對機上話音、電臺、導航設備識別碼等音頻信號的音量調節指令。對話音音頻信號進行放大，并按照飛行員在面板上的靜噪門限調節操作進行靜噪門限處理，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，向綜合航電單元發送主備機通切換指令。同時該控制面板具有接受航空電子啟動版的加電控制功能、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制信號調節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

面板上共設計有 16個按鍵開關，采用一體化設計的背光按鍵，按鍵要求操作手感好、壽命長、可靠性高。按鍵采用點動式，當電源打開時，由音頻控制板對按鍵開關進行初始狀態設置（指示燈或亮或滅），每按動一次按鍵，其狀態改變一次（指示燈點亮或熄滅）。應急模式按鍵采用紅色的按鍵開關。背光采用白色，亮度可以隨環境光的強度自動調節。按鍵上的指示燈采用淺黃色方形的發光二極管（LED），其功耗小，壽命長。靜噪調節旋鈕采用旋轉式電位器。電源開關/音量調節是帶電位器的旋轉式旋鈕開關。電源指示燈采用綠色的圓形LED。

自檢測試按鈕采用小型點接觸式按鈕開關，當按紐按下時開始進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 機通處理器

機通處理器是音頻管理系統的核心模塊，該模塊通過和音頻面板之間相互通信共同控制飛機上所有語音信號的音量調節，并對所有的導航設備語音信號和內話信號進行濾波靜噪處理，在音頻信號傳輸過程中采用差分屏蔽信號，提高系統的抗干擾特性。

機通處理器硬件電路可劃分為 CPU處理器模塊、音效調整電路模塊、混音輸出電路模塊、電臺話音控制電路模塊、告警音存儲電路模塊等。其中CPU處理器通過SPI總線控制和發送音量調節指令和告警音讀寫指令。輸入的音頻信號來源于飛行器航電系統的各種無線通信導航機載設備，輸出的音頻信號通過混音電路調整輸出到前后艙耳機，地勤耳機等。機通處理器原理框圖如圖3所示。

（1）音效調整電路

音效調整電路部分包括信號預處理模塊、音量調節模塊、靜噪處理模塊。其中信號預處理模塊，是對輸入音頻信號進行濾波和幅值調整，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放集成電路，電壓范圍從-20V到+20V，具有較大的驅動能力和小信號帶寬。同時結合高性能立體聲音編解碼器，對輸入音頻信號進行采樣，處理，數字濾波，輸出信噪比可達 100db。音量調節電路主要完成對COM1、COM2、VOR、ILS、ADF、信標、內話1(來自前艙)、內話2(來自后艙)等音頻信號的音量控制，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出調節音量指令，并對相應的音頻信號進行音量控制，最終送入混音電路。靜噪處理模塊主要是對輸入的音頻信號進行靜噪處理，并且能夠根據靜噪等級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、內話1(來自前艙)、地勤話筒音和告警音等音頻信號，混音2包括COM1、COM2、塔康、ADF、信標、內話2(來自后艙)、地勤話筒音和告警音等音頻信號。傳統音頻管理系統中采用變壓器形式的放大電路，適配各類不同耳機。這種方案需要調整設備終端的輸入阻抗，很難保證聲音質量，調試難度很大。本文采用了全新的混音芯片和音頻功放芯片組合，經過調試，不但實現了各種阻抗匹配需求，而且保證了高保真音質輸出性能。

圖3 機通處理器原理框圖

（3）電臺話音控制電路

電臺話音控制電路完成前艙后艙內話語音信號向VHF電臺的輸出、以及PTT信號的輸出功能。話音選擇電路包括離散量處理電路、選擇電路和功放電路。選擇電路使用轉換為TTL電平(5V)的四個PTT信號作為選擇控制，使用程控開關選擇需要輸出的VHF電臺通道，將內話音頻信號和VHF電臺PTT信號輸出至相應的VHF電臺。

（4）告警音存儲電路

告警音存儲電路將告警語音存儲在語音芯片中，根據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，來選擇各個信號的選通，控制相應的按鍵指示燈進行亮滅，同時與邏輯控制模塊溝通，來控制各個信號的選擇，靜音，以及離散量的輸出，輸入，調節靜噪。并通過控制信號處理模塊來調節信號的狀態，使得輸出到功放的信號達到所需要求。并通過422格式將音頻控制盒的信號狀態以及自檢信息，背光，軟件版本號等信息發送到終端顯示單元，并與顯示單元溝通來調節音頻控制盒的警告音與各個信號的音量級別大小以及音量選擇使能。

2.3 信標接收機

（1）工作原理

MB天線接收射頻信號，經限幅器/預選器濾除包括鏡像頻率在內的雜散信號，經信號開關進入混頻器。本振電路產生64.3MHz的本振信號，經過混頻器與75MHz的射頻輸入信號混頻，產生10.7MHz的中頻信號，后經AGC中頻放大器和中頻濾波器，產生10.7MHz中頻信號，經解調器解調出基帶信號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，經過整流放大后控制選通開關。當某個頻率點的信號整流輸出幅度達到選通開關的有效值時，該頻率點的選通開關輸出有效電平，相應的指示燈被點亮、音響電路發生。原理框圖如圖4所示。

圖4 信標接收機原理框圖

（2）自檢電路

MB自檢信號發生器由自檢振蕩器和調幅器組成。自檢振蕩器由自檢使能信號控制。當自檢使能信號有效時，自檢振蕩器開始工作，產生 75MHz的高頻信號，自檢音頻信號對自檢振蕩器的輸出信號進行幅度調制，順序模擬MB遠、中、近地面臺發播的信號，經過開關電路選通，將自檢信號送入混頻器，進行自檢。通過觀察和聆聽距離指示燈和距離提示音頻判斷MB接收機自檢是否正常，各部分開關狀態，按鍵工作狀態是否正常。

3 結束語

音頻管理系統是通用航空飛機話音通信系統的傳輸中樞[4]，可靠、穩定的音頻系統能夠進一步保障通航飛機的飛行安全。隨著音頻處理技術的發展，采用模塊化，數字化技術解決音頻信號的處理是未來發展趨勢[5]。本文從系統角度闡述了針對通用航空的音頻管理架構的設計和實現，基本滿足飛行器上導航設備，通信設備以及話音信號的監測和處理，該系統具有較強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，可靠性高，具有較好的發展前景。