直升機機載音頻系統(tǒng)

戴銀芳

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

機載音頻系統(tǒng)主要用于直升機與外部的話音通信、機內(nèi)成員間話音通信、以及接收各種導航音和告警音，是直升機飛行員獲取信息的重要手段。在傳統(tǒng)直升機上，機載音頻系統(tǒng)采用模擬音頻信號傳輸和處理，其特點是擴展能力差、集成度低，在面對通信時出現(xiàn)的噪聲、嘯叫等問題，缺乏必要的處理手段。隨著集成電路以及數(shù)字音頻處理技術(shù)的發(fā)展，直升機通信要求也在不斷提高，機載音頻系統(tǒng)的有效性、響應速度以及可靠性等都直接影響直升機的性能和飛行安全，因此直升機機載音頻系統(tǒng)的技術(shù)也亟待發(fā)展。

1 機載音頻系統(tǒng)的現(xiàn)狀及特點

1.1 現(xiàn)狀

機載音頻系統(tǒng)按信號傳輸類型可分為模擬音頻系統(tǒng)和數(shù)字音頻系統(tǒng)。

模擬技術(shù)曾經(jīng)是音頻處理和傳輸?shù)闹髁魇侄危鴶?shù)字信號處理技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，音頻處理和傳輸也開始了數(shù)字化的演變。模擬音頻系統(tǒng)的電路設計中采用和傳輸?shù)男盘柺悄M音頻信號，其功能完全通過硬件電路來實現(xiàn)。雖然它在時間上的連續(xù)性是數(shù)字音頻系統(tǒng)無法比擬的，但所設計的產(chǎn)品一旦形成后，就再難以更改和擴展，更談不上集成。

數(shù)字音頻系統(tǒng)因其靈活性好、便于擴展更改和便于集成等的優(yōu)點，已在直升機上得到用戶的認可并逐漸取代模擬音頻系統(tǒng)。同時，音頻信號識別等新興技術(shù)的發(fā)展，也推動著數(shù)字音頻系統(tǒng)的成熟，所以機載數(shù)字音頻系統(tǒng)的應用成為必然發(fā)展趨勢。

然而，目前國內(nèi)直升機上的數(shù)字音頻系統(tǒng)存在成本高、干擾大、可靠性不高，且參數(shù)不易修改，產(chǎn)品不易升級等等問題。隨著機載數(shù)字音頻系統(tǒng)在直升機的應用，延時、失真和噪聲等成為使用中最常反映的問題。耳機和機載數(shù)字音頻系統(tǒng)的指標匹配也多次出現(xiàn)問題，還有耳機插座的插拔困難和松脫問題。系統(tǒng)交聯(lián)設備接口一旦發(fā)生改變，帶來的便是產(chǎn)品的改型和面板的重新設計。這樣，供應商將大量的時間耗費在產(chǎn)品的改型研制上，相應的用于提升產(chǎn)品性能的精力卻少之又少。英國Cobham公司早期研制的ACP51和ACP53系列貨架產(chǎn)品已在國內(nèi)某型直升機上應用，使用前可通過軟件配置接口參數(shù)，可適配不同參數(shù)的電臺和耳機等，面板刻字標簽也可取下直接更換，等等設計理念非常值得借鑒。所以，當前國內(nèi)亟需設計一款通用化的音頻效果較好的機載音頻系統(tǒng)。

1.2 特點

機載音頻系統(tǒng)作為直升機上音頻信號處理的核心部件。語音信號是該系統(tǒng)的重要傳輸內(nèi)容，它在時間連續(xù)性方面的要求非常高。因為語音信號的延遲，會帶來話音的不連續(xù)，甚至會有回聲效果，這都會嚴重破壞音質(zhì)。語音信號不僅僅是聲音的載體，同時還攜帶了情感，所以對語音信號的處理，不僅是信號處理問題，還應抽取語意等其他信息。由此會涉及到語言學、社會學、聲學等其他學科。所以，處理語音信號時需要多方面考慮，如若處理不當?shù)脑挘瑒t可能會帶來延時、回音、失真等。

機載音頻系統(tǒng)與直升機上通信設備、導航設備、告警設備和耳機等多個設備交聯(lián)。其交聯(lián)設備輸入輸出的電平和阻抗的匹配非常關(guān)鍵，假如其基準電平的選值不合理或者兩端不匹配，則對系統(tǒng)工作電平會產(chǎn)生較大影響，甚至會減小信噪比、增大失真，相應的系統(tǒng)性能也會隨之變差。

直升機上電磁環(huán)境較為復雜，機載音頻系統(tǒng)屬于敏感系統(tǒng)，因而常被電磁干擾問題困擾。干擾方式諸如電源傳導干擾、線間耦合干擾、空間輻射干擾、靜電干擾等，由此帶來噪聲和音頻信號失真。噪聲和失真對音質(zhì)的影響極大。除此之外，產(chǎn)品內(nèi)部部件或器件的缺陷，過載、自激、聲反饋等處理上的不當或電源供電電壓的不穩(wěn)定等外界條件的影響也會引起失真。削波失真、諧波失真和互調(diào)失真等各種失真都會產(chǎn)生一些不諧和的附加聲音，進而引起聲音混濁、發(fā)毛、發(fā)炸和發(fā)破等。

綜上，機載音頻系統(tǒng)具有交聯(lián)設備多、音頻信號多、容易受干擾等特點。音頻信號的時延、信噪比和保真度等都是機載音頻控制系統(tǒng)的重要性能。如何在系統(tǒng)設計時提升這些性能指標，是產(chǎn)品設計時考慮的重中之重。

2 機載音頻系統(tǒng)技術(shù)分析

2.1 系統(tǒng)的定義

機載音頻系統(tǒng)是直升機音頻信號處理中心，其功能是接收機組成員話筒、無線電通信導航設備、告警設備等的音頻信號；另外，輸出音頻信號給機組成員耳機和供直升機無線電通信設備發(fā)送出去。

（1）系統(tǒng)配置。一般情況下，機載音頻系統(tǒng)在直升機上的配置：一個音頻處理管理部件、多個音頻控制部件，多個耳機插座及耳機，另可為駕駛員配置頭盔及氧氣面罩話筒。按用戶使用需求，可為前艙和后艙配置不同的音頻控制部件。因直升機上可謂重量惜金，找到系統(tǒng)的配置、可靠度、使用需求和重量等之間的平衡點非常關(guān)鍵。

（2）位置布局。基于可操作性考慮，控制面板和耳機應布置在用戶較便利的區(qū)域。例如，某民用直升機上耳機插座最初布置在駕駛員后方，參考國外直升機及國內(nèi)其他機型的布置，更改至駕駛艙頂部；耳機掛架也由駕駛員后方更改至其側(cè)上方。可見更改后的設計更具人性化。

2.2 系統(tǒng)的重要技術(shù)

（1）總線傳輸技術(shù)。在航空電子系統(tǒng)中，能夠提供高速、可靠、實時的通信是機載數(shù)據(jù)總線最基本的要求。為了保證直升機飛行中大容量數(shù)據(jù)的正常傳輸，解決機載數(shù)據(jù)總線的帶寬和傳輸能力的問題已經(jīng)迫在眉睫，必然推動著機載數(shù)據(jù)總線不斷發(fā)展。目前國內(nèi)直升機上機載數(shù)字音頻系統(tǒng)信號傳輸大都是采用RS485總線技術(shù)，采用更先進的總線技術(shù)將會是機載數(shù)字音頻系統(tǒng)的應用趨勢。而總線的發(fā)展也必然會有助于提高機載數(shù)字音頻系統(tǒng)的傳輸速率和保真度等性能。

（2）語音處理技術(shù)。在直升機話音通信的過程中，其信號不可避免地會摻雜著來自周圍環(huán)境和傳輸介質(zhì)帶來的噪聲。語音處理技術(shù)的目的是盡可能地削弱背景噪聲、提高信噪比，并且盡可能的得到和原始信號基本一致的語音信號，使得話音通信的清晰度、可懂度以及舒適度提高，這樣獲得的話音效果將更加準確。常用的語音信號處理技術(shù)還有語音端點檢測算法、自適應噪聲抑制算法、自動增益控制、舒適背景噪聲算法等等。為此通過在系統(tǒng)前端加入語音處理環(huán)節(jié)，進行去噪預處理，可增強系統(tǒng)的抗干擾能力，使得系統(tǒng)能夠直升機這樣高噪聲環(huán)境下也能夠正常工作。

（3）話音采集技術(shù)。話音采集技術(shù)是由Steinberg公司在1997年提出的一種音頻技術(shù)規(guī)范。在ASIO規(guī)范中，設置機載數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)大小非常關(guān)鍵，直接影響到音頻數(shù)據(jù)處理的時延，同時也影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，卻是逆向影響。所以設計時必須找到一個平衡點，才能保證在機載數(shù)字音頻系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上獲得最低的延遲效果，這也是需要一個不斷摸索的過程。

（4）A/D和D/A轉(zhuǎn)換。因為音頻信號是一種連續(xù)的模擬信號，數(shù)字音頻系統(tǒng)必須對信號進行A/D轉(zhuǎn)換，這個過程實際上就是對信號的采樣和量化。根據(jù)傅立葉定理推理得出，只要能夠在音頻信號上等間隔地拾取足夠多的“點”，就可以更為逼真地模擬出真實準確的音頻。這個“取點”的過程就稱為“采樣”，采樣精度越高（“取點”越多）數(shù)字聲音越逼真。其中信號幅度（電壓值）方向采樣精度稱之為“采樣位數(shù)”，時間方向的采樣精度稱為“采樣頻率”。所以，采樣頻率和采樣位數(shù)越高，就能獲得更接近原聲的音質(zhì)，聲音的保真度也就越高，也能降低數(shù)字音頻系統(tǒng)的底噪。國內(nèi)機載數(shù)字音頻系統(tǒng)采樣頻率和采樣位數(shù)的水平很大程度上受元器件國產(chǎn)化的限制，同時也有賴于軟件設計能力的提升。目前直升機上該系統(tǒng)大都采用的是8位編解碼技術(shù)，這樣的采樣位數(shù)對聲音的保真度和系統(tǒng)的底噪的提高都是不利的，所以其他學科領(lǐng)域的研究也將有助于推動機載音頻系統(tǒng)的發(fā)展。A/D轉(zhuǎn)換完成后，需要將數(shù)字信號還原成音頻信號，這便是D/A轉(zhuǎn)換。

（5）混音技術(shù)。混音技術(shù)是解決機載音頻系統(tǒng)需要播放多路語音的需求。混音可分為硬件混音和軟件混音。對于機載音頻系統(tǒng)來說，一般自聽音的混音通過系統(tǒng)硬件混音的方式實現(xiàn)；而導航音、告警音、機內(nèi)通話和機外通話的混音則采用軟件混音的方式實現(xiàn)。混音技術(shù)也很關(guān)鍵，如若處理的不好，可能會出現(xiàn)失真、語音爆破和不連續(xù)，引入噪聲等情況。

（6）降噪技術(shù)。機載音頻系統(tǒng)傳輸語音的同時很容易伴隨著噪聲，噪聲的存在會嚴重影響機載音頻系統(tǒng)的性能，使人耳舒適度急劇下降，嚴重時甚至讓人無法獲得有用的信號。所以，降噪技術(shù)對機載音頻系統(tǒng)的處理是非常重要的。為了削弱一部分噪聲，系統(tǒng)軟件設計中通過設置一個閾值電平，僅讓高于閾值電平的信號通過，這樣能有效地消除間歇式的背景底噪，而對原始聲音無破壞，這種方法稱之為噪聲門。缺點是當人聲出來的同時，噪聲門打開，噪聲信號也就跟著進來。當然，單一頻率或帶寬窄的雜聲可利用濾波器來消除，但這樣的降噪算法可能會影響音質(zhì)，因此設計產(chǎn)品時應根據(jù)雜聲的頻率特性選擇功能不同的濾波器來消除噪聲，如高通濾波器或低通濾波器等。事實上直升機上環(huán)境是復雜而多變的，在應用中應針對具體情況采用相應的降噪方法，使噪聲盡可能得到抑制以提高信噪比。

機載音頻系統(tǒng)為了達到更好的使用性能，在系統(tǒng)設計中采用的技術(shù)并不是單一的，而是多種技術(shù)的融合。國內(nèi)的機載數(shù)字音頻系統(tǒng)的處理技術(shù)還有很多不足，還有很長的路需要走。應加深對系統(tǒng)涉及到的每一項技術(shù)的研究和進行新技術(shù)的探索，來解決目前機載音頻系統(tǒng)面臨的問題。隨著直升機的發(fā)展和機載數(shù)字音頻系統(tǒng)的應用，更多的生產(chǎn)商愿意加入到研究機載數(shù)字音頻系統(tǒng)的隊伍中來。而與此同時，用戶提出了很多的應用問題，這些寶貴的意見建議提供了探索和改進的方向。

3 結(jié)語

機載音頻系統(tǒng)的可靠性、有效性、響應速度等都直接影響直升機的通信性能。隨著機載音頻系統(tǒng)的應用和發(fā)展，數(shù)字化、小型化、集成化和智能化必然成為發(fā)展趨勢。但無論系統(tǒng)如何發(fā)展，還是應當以提升系統(tǒng)性能并設計一款實用好用通用的產(chǎn)品為首要目標。為此，還應多借鑒國際上先進技術(shù)和典型的設計理念。