劉 紅 廖 峰

中國(guó)民航飛行學(xué)院模擬訓(xùn)練中心，四川 廣漢 618300

引言

飛行模擬機(jī)使飛行員在實(shí)施飛行操作時(shí)產(chǎn)生真實(shí)的“三覺”，即“感覺”(由模擬機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)完成)、“視覺”(由模擬機(jī)視景系統(tǒng)來(lái)完成)及“聽覺”(由模擬機(jī)音響系統(tǒng)來(lái)完成)。對(duì)各種各樣聲音的真實(shí)反映是保證飛行員快速正確處理各種緊急情況的前提。聲音模擬不正確，直接影響飛行員的判斷能力，同時(shí)會(huì)使飛行員產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作，這樣很有可能帶來(lái)意想不到的嚴(yán)重后果；為此進(jìn)行聲音實(shí)時(shí)仿真研究，完善音響系統(tǒng)具有重要意義。

1 音響系統(tǒng)的生成和合成

音響系統(tǒng)通過一系列的頻率發(fā)生器 、噪音發(fā)生器生成具有一定強(qiáng)度的初始音響信號(hào)，這些信號(hào)通過濾波、放大、修整，最后通過混合器合成為真實(shí)飛機(jī)座艙中可以聽見的各種聲音。飛行模擬機(jī)所仿真的音響通常有以下類型：

1）動(dòng)力裝置音響：如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行聲、螺旋槳聲、排氣聲、進(jìn)氣聲、轉(zhuǎn)子聲、拍頻聲等；

2）空氣動(dòng)力音響：如氣流噪聲以及擾流片、起落架、襟翼失速等抖振引起的噪聲；

3）起落架音響：如起落架上鎖、下鎖、著陸接地發(fā)出的聲音及輪胎爆炸聲；

4）跑道效應(yīng)音響：飛機(jī)的主輪和前輪在地面上滑跑產(chǎn)生的摩擦聲、隆隆聲；

5）其他的聲音包括飛機(jī)碰撞和墜毀時(shí)的聲音、風(fēng)擋雨刮器開啟時(shí)的聲音等；

6）大氣效應(yīng)聲音：如雨聲、冰雹聲、雷聲等。

飛行模擬器音響系統(tǒng)生成過程和合成原理：首先，通過離線分析飛行中各種聲音的頻譜，獲得生成各種聲音的數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的音響數(shù)據(jù)文件。其次，在飛行模擬機(jī)主計(jì)算機(jī)中建立產(chǎn)生各種聲音的數(shù)學(xué)模型和軟件，包括：判別在各種不同狀態(tài)和條件下，實(shí)時(shí)計(jì)算不同聲音的幅值和頻率以及進(jìn)行必要的修正。然后將不同波形聲音的幅值和頻率輸送到音響發(fā)生器中。為了獲取飛行中各種音響的頻譜首先要對(duì)飛機(jī)飛行過程進(jìn)行錄音。在飛機(jī)進(jìn)行地面開車、空中飛行、起飛著陸時(shí)，對(duì)各種音響和噪聲進(jìn)行錄音。音響有瞬態(tài)音響（如起落架上鎖）和穩(wěn)態(tài)音響。將記錄的瞬態(tài)音響通過窄帶分析儀進(jìn)行頻譜分析，穩(wěn)態(tài)音響通過頻譜分析儀進(jìn)行頻譜分析和電平儀進(jìn)行記錄。得到穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的音響頻譜曲線及所需的音響數(shù)據(jù)。

2 夏延ⅢA模擬機(jī)的音響系統(tǒng)

夏延ⅢA模擬機(jī)的音響系統(tǒng)采用了數(shù)字式音響發(fā)生器，采用數(shù)字序列來(lái)表示音響信號(hào)波形，并用數(shù)字的方式去處理這些序列，即對(duì)信號(hào)進(jìn)行產(chǎn)生、濾波、交換、調(diào)制、延時(shí)、增強(qiáng)等加工處理，以得到我們所希望的音響信號(hào)的頻率與幅值。其數(shù)字序列最后經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC（Digital-to-Analog Converter）和功率放大器送至揚(yáng)聲器得到逼真的音響。在主計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字音響信號(hào)通過以太網(wǎng)（ETHERNET）送入以太網(wǎng)內(nèi)存控制總線卡（CME），再進(jìn)入微機(jī)總線控制器卡（DMC），通過DMC卡，對(duì)各個(gè)處理器進(jìn)行選通和加載。如圖1所示。

數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波和以上波形的混合波。數(shù)字信號(hào)發(fā)生器DSG(Digital Signal Generator) 卡是一個(gè)可編程的按要求產(chǎn)生聲音信號(hào)的數(shù)字波形發(fā)生器。所需要的聲音是被在DSG卡上型號(hào)為TMS320C25的16位可尋址微型處理卡處理成為16位數(shù)據(jù)字。DMC-16處理器能直接傳送2K字節(jié)的數(shù)據(jù)到DSG卡上的16位共享內(nèi)存，并且利用這個(gè)傳送下載的代碼和數(shù)據(jù)到DSG卡內(nèi)。DSG然后處于等待狀態(tài)，直到一個(gè)所需聲音信號(hào)通過同一條線路被傳送。所需的音響信號(hào)被加載信號(hào)波形發(fā)生器處理并且送到三個(gè)DSP卡其中的一個(gè)，進(jìn)行處理和噪音的添加。聲音波形提供給主機(jī)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)處理飛行艙里噪聲的程序，把產(chǎn)生的聲音波形轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)并在啟動(dòng)的時(shí)間從主計(jì)算機(jī)發(fā)送出去，因此任何修改或補(bǔ)充都必須通過主計(jì)算機(jī)來(lái)完成。然而，產(chǎn)生聲音信號(hào)的波形是動(dòng)態(tài)可編程的。所有的聲音都要求一個(gè)至少包含512個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的表或陣列。如果需要更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，那么有可能按照512的倍數(shù)增加。每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的聲音級(jí)別，以致這樣的數(shù)據(jù)陣列描述在很短時(shí)間內(nèi)的聲音振幅。對(duì)于每一種聲音的數(shù)據(jù)陣列都被存儲(chǔ)到32K字節(jié)的16位波表存儲(chǔ)器中。這個(gè)卡產(chǎn)生被其他周期信號(hào)調(diào)幅的周期信號(hào)，和被窄帶低通噪音調(diào)幅或調(diào)頻的周期信號(hào)。要注意到，DSP卡是產(chǎn)生低通噪聲信號(hào)的。產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)目取決于所要求的采樣率。

圖1 夏延Ⅲ模擬機(jī)音響系統(tǒng)框圖Fig.1 (Cheyenne Ⅲ simulation) sound system block diagram

WAVEGEN（Wave Generator）波形控制器的工具通常配置在DSG(Digital Signal Generator)卡上的WAVEGEN（Wave Generator）波形控制器，這個(gè)控制器的功用是創(chuàng)建一個(gè)列表的控制字碼。在初始化時(shí)，這個(gè)列表就被下載到每一個(gè)系統(tǒng)卡中。這個(gè)DSG(Digital Signal Generator)板裝有一個(gè)型號(hào)為TMS320C25的DSP(Digital Signal Processor)芯片，該芯片被用于對(duì)信號(hào)的處理和控制。這個(gè)TMS芯片有32K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和2個(gè)用于高速數(shù)據(jù)傳送的16位并行數(shù)據(jù)端口。這個(gè)TMS320芯片完成所有正常的DSP(Digital Signal Processor)的工作，并且提高它的性能，這個(gè)芯片也能使用查詢波表的硬件。波形發(fā)生器WAVEGEN（Wave Generator）是一個(gè)用于波形合成的特殊處理器，然而，它擁有一個(gè)非常有限的指令裝置。TMS320裝載WAVEGEN（Wave Generator）指令，并讓指令程序運(yùn)行，然后WAVEGEN（Wave Generator）處理它的指令，并且排列所得到的結(jié)果。與此同時(shí)，TMS320在處理其他的工作任務(wù)。當(dāng)WAVEGEN（Wave Generator）的工作完成了，它給TMS320發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)。而當(dāng)WAVEGEN（Wave Generator）正忙于處理指令的時(shí)候，它也通過BIO引腳向TMS320輸入信號(hào)。有WAVEGEN（Wave Generator）的原因是它利用線性插值的方法進(jìn)行波表的查詢。事實(shí)證明，為了聲音的生成，大量的這些查詢是有必要的；接著也有時(shí)間的因素。一個(gè)TMS320芯片處理一個(gè)信號(hào)的插值大概需要5微秒；另外，WAVEGEN（Wave Generator）能在250納秒里完成一個(gè)線性插值，這個(gè)方法變成快20倍了。還有，WAVEGEN（Wave Generator）能夠在250納秒里總結(jié)幾個(gè)查詢。每個(gè)WAVEGEN（Wave Generator）的指令都有幾個(gè)運(yùn)算的對(duì)象，如下面所示：頻率、振幅比例因子、調(diào)幅調(diào)制尺度因子、波數(shù)代碼和控制字碼等。另外，跟蹤當(dāng)前每個(gè)指令的指針到波表，這個(gè)被稱作相位值。如果有需要，可以寫入相位值，例如，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。WAVEGEN（Wave Generator）有足夠的內(nèi)存存儲(chǔ)256個(gè)上述的指令，因此在64微秒里能完成多達(dá)256個(gè)波表查詢。通過在指令控制字碼中設(shè)置適當(dāng)?shù)奈?，WAVEGEN可以在0到256個(gè)指令中實(shí)現(xiàn)任何一個(gè)。TMS320和WAVEGEN（Wave Generator）都是完全地可編程的，打開電源，TMS320處于等待位置并啟用一個(gè)主處理器——DMC-16。為了高速度地與DMC-16通信，DSG(Digital Signal Generator)板有一個(gè)共享內(nèi)存的SC總線接口。完整的TMS320地址空間也映射到SC總線的空間。在使TMS320運(yùn)行前，這個(gè)特點(diǎn)能夠使DMC-16在DSG上處理獨(dú)立的硬件診斷。DMC-16通過存儲(chǔ)器的接口下載TMS320的代碼和數(shù)據(jù)，選擇的內(nèi)存有利于把SC總線尋址要求減少為8K字節(jié)（8192）。為了通過分時(shí)數(shù)據(jù)總線TSD(Time-shared Data)與其他卡直接互連，DSG(Digital Signal Generator)擁有兩個(gè)額外的輸入/輸出端口。這兩個(gè)端口根據(jù)輸出或者輸入是可編程的，這個(gè)TSD(Time-shared Data)總線連接輸入和輸出的端口。

數(shù)字信號(hào)處理器DSP（Digital Signal Processor）卡被用作為一個(gè)噪聲發(fā)生器或者一個(gè)信號(hào)混合器，如果它作為一個(gè)混合器的用途，那么它就通過一個(gè)INFIFO和OUT-FIFO連接到TSD(Timeshared Data)總線上。如果這個(gè)DSP(Digital Signal Processor)作為一個(gè)撞擊聲或者噪聲的發(fā)生器，那么只通過OUT-FIFO連接到TSD(Time-shared Data)總線上。在這個(gè)或其他更多的方面，DSP(Digital Signal Processor)卡與DSG(Digital Signal Generator)卡是相類似的。主要的不同點(diǎn)是DSP(Digital Signal Processor)卡沒有WAVEGEN（Wave Generator）；在DSP(Digital Signal Processor)上，這一點(diǎn)被數(shù)字濾波器和其他電路代替了。

D A C（D i g i t a l-t o-A n a l o g Converter）卡通過一根至P3端的電纜連接到TSD（Time-Shared Data ）總線，因此這個(gè)卡能夠使DSG (Digital Signal Generator)卡和DSP (Digital Signal Processor)卡隔離開，并且視為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡。這個(gè)卡能夠把16位的數(shù)字輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能夠帶動(dòng)一個(gè)雙功率放大器的模擬信號(hào)。這個(gè)輸入數(shù)據(jù)也必須包括RESET,CYCLE和RDY信號(hào)。當(dāng)DAC（Digital-to-Analog Converter）卡能夠運(yùn)行SC總線的數(shù)據(jù)時(shí)，它必須已經(jīng)知道在通道寄存器設(shè)定的4位通道數(shù)。然后16位的寄存器會(huì)收集TSD（Time-Shared Data）總線正常工作時(shí)提供的數(shù)據(jù)，伴隨著控制板載插槽柜臺(tái)的CYCLE和RESET信號(hào)。DAC（Digital-to-Analog Converter）卡也包括著兩個(gè)SC總線的數(shù)據(jù)寫入或讀出可尋址的間隔定時(shí)器，這定時(shí)器是用于控制任何聲音接受的期間。

3 結(jié)語(yǔ)

這篇文章以夏延ⅢA模擬機(jī)的音響系統(tǒng)為例，重點(diǎn)分析該系統(tǒng)的工作原理。介紹音響仿真技術(shù)在夏延ⅢA模擬機(jī)中的應(yīng)用，并對(duì)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)處理器及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。對(duì)模擬機(jī)實(shí)際工作具有一定的指導(dǎo)意義。

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