戴銀芳

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

機(jī)載音頻系統(tǒng)主要用于直升機(jī)與外部的話音通信、機(jī)內(nèi)成員間話音通信、以及接收各種導(dǎo)航音和告警音，是直升機(jī)飛行員獲取信息的重要手段。在傳統(tǒng)直升機(jī)上，機(jī)載音頻系統(tǒng)采用模擬音頻信號(hào)傳輸和處理，其特點(diǎn)是擴(kuò)展能力差、集成度低，在面對(duì)通信時(shí)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(jī)通信要求也在不斷提高，機(jī)載音頻系統(tǒng)的有效性、響應(yīng)速度以及可靠性等都直接影響直升機(jī)的性能和飛行安全，因此直升機(jī)機(jī)載音頻系統(tǒng)的技術(shù)也亟待發(fā)展。

1 機(jī)載音頻系統(tǒng)的現(xiàn)狀及特點(diǎn)

1.1 現(xiàn)狀

機(jī)載音頻系統(tǒng)按信號(hào)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(hào)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(shè)計(jì)中采用和傳輸?shù)男盘?hào)是模擬音頻信號(hào)，其功能完全通過硬件電路來實(shí)現(xiàn)。雖然它在時(shí)間上的連續(xù)性是數(shù)字音頻系統(tǒng)無法比擬的，但所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品一旦形成后，就再難以更改和擴(kuò)展，更談不上集成。

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

然而，目前國內(nèi)直升機(jī)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(jí)等等問題。隨著機(jī)載數(shù)字音頻系統(tǒng)在直升機(jī)的應(yīng)用，延時(shí)、失真和噪聲等成為使用中最常反映的問題。耳機(jī)和機(jī)載數(shù)字音頻系統(tǒng)的指標(biāo)匹配也多次出現(xiàn)問題，還有耳機(jī)插座的插拔困難和松脫問題。系統(tǒng)交聯(lián)設(shè)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(shè)計(jì)。這樣，供應(yīng)商將大量的時(shí)間耗費(fèi)在產(chǎn)品的改型研制上，相應(yīng)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(jī)上應(yīng)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(tái)和耳機(jī)等，面板刻字標(biāo)簽也可取下直接更換，等等設(shè)計(jì)理念非常值得借鑒。所以，當(dāng)前國內(nèi)亟需設(shè)計(jì)一款通用化的音頻效果較好的機(jī)載音頻系統(tǒng)。

1.2 特點(diǎn)

機(jī)載音頻系統(tǒng)作為直升機(jī)上音頻信號(hào)處理的核心部件。語音信號(hào)是該系統(tǒng)的重要傳輸內(nèi)容，它在時(shí)間連續(xù)性方面的要求非常高。因?yàn)檎Z音信號(hào)的延遲，會(huì)帶來話音的不連續(xù)，甚至?xí)谢芈曅Ч?，這都會(huì)嚴(yán)重破壞音質(zhì)。語音信號(hào)不僅僅是聲音的載體，同時(shí)還攜帶了情感，所以對(duì)語音信號(hào)的處理，不僅是信號(hào)處理問題，還應(yīng)抽取語意等其他信息。由此會(huì)涉及到語言學(xué)、社會(huì)學(xué)、聲學(xué)等其他學(xué)科。所以，處理語音信號(hào)時(shí)需要多方面考慮，如若處理不當(dāng)?shù)脑?，則可能會(huì)帶來延時(shí)、回音、失真等。

機(jī)載音頻系統(tǒng)與直升機(jī)上通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、告警設(shè)備和耳機(jī)等多個(gè)設(shè)備交聯(lián)。其交聯(lián)設(shè)備輸入輸出的電平和阻抗的匹配非常關(guān)鍵，假如其基準(zhǔn)電平的選值不合理或者兩端不匹配，則對(duì)系統(tǒng)工作電平會(huì)產(chǎn)生較大影響，甚至?xí)p小信噪比、增大失真，相應(yīng)的系統(tǒng)性能也會(huì)隨之變差。

直升機(jī)上電磁環(huán)境較為復(fù)雜，機(jī)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(dǎo)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(hào)失真。噪聲和失真對(duì)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(dāng)或電源供電電壓的不穩(wěn)定等外界條件的影響也會(huì)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(huì)產(chǎn)生一些不諧和的附加聲音，進(jìn)而引起聲音混濁、發(fā)毛、發(fā)炸和發(fā)破等。

綜上，機(jī)載音頻系統(tǒng)具有交聯(lián)設(shè)備多、音頻信號(hào)多、容易受干擾等特點(diǎn)。音頻信號(hào)的時(shí)延、信噪比和保真度等都是機(jī)載音頻控制系統(tǒng)的重要性能。如何在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)提升這些性能指標(biāo)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重中之重。

2 機(jī)載音頻系統(tǒng)技術(shù)分析

2.1 系統(tǒng)的定義

機(jī)載音頻系統(tǒng)是直升機(jī)音頻信號(hào)處理中心，其功能是接收機(jī)組成員話筒、無線電通信導(dǎo)航設(shè)備、告警設(shè)備等的音頻信號(hào)；另外，輸出音頻信號(hào)給機(jī)組成員耳機(jī)和供直升機(jī)無線電通信設(shè)備發(fā)送出去。

（1）系統(tǒng)配置。一般情況下，機(jī)載音頻系統(tǒng)在直升機(jī)上的配置：一個(gè)音頻處理管理部件、多個(gè)音頻控制部件，多個(gè)耳機(jī)插座及耳機(jī)，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(jī)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(diǎn)非常關(guān)鍵。

（2）位置布局?；诳刹僮餍钥紤]，控制面板和耳機(jī)應(yīng)布置在用戶較便利的區(qū)域。例如，某民用直升機(jī)上耳機(jī)插座最初布置在駕駛員后方，參考國外直升機(jī)及國內(nèi)其他機(jī)型的布置，更改至駕駛艙頂部；耳機(jī)掛架也由駕駛員后方更改至其側(cè)上方?？梢姼暮蟮脑O(shè)計(jì)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(shí)時(shí)的通信是機(jī)載數(shù)據(jù)總線最基本的要求。為了保證直升機(jī)飛行中大容量數(shù)據(jù)的正常傳輸，解決機(jī)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(dòng)著機(jī)載數(shù)據(jù)總線不斷發(fā)展。目前國內(nèi)直升機(jī)上機(jī)載數(shù)字音頻系統(tǒng)信號(hào)傳輸大都是采用RS485總線技術(shù)，采用更先進(jìn)的總線技術(shù)將會(huì)是機(jī)載數(shù)字音頻系統(tǒng)的應(yīng)用趨勢。而總線的發(fā)展也必然會(huì)有助于提高機(jī)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(jī)話音通信的過程中，其信號(hào)不可避免地會(huì)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(hào)基本一致的語音信號(hào)，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(zhǔn)確。常用的語音信號(hào)處理技術(shù)還有語音端點(diǎn)檢測算法、自適應(yīng)噪聲抑制算法、自動(dòng)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(jìn)行去噪預(yù)處理，可增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，使得系統(tǒng)能夠直升機(jī)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(shè)置機(jī)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(shí)延，同時(shí)也影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，卻是逆向影響。所以設(shè)計(jì)時(shí)必須找到一個(gè)平衡點(diǎn)，才能保證在機(jī)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(gè)不斷摸索的過程。

（4）A/D和D/A轉(zhuǎn)換。因?yàn)橐纛l信號(hào)是一種連續(xù)的模擬信號(hào)，數(shù)字音頻系統(tǒng)必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這個(gè)過程實(shí)際上就是對(duì)信號(hào)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(hào)上等間隔地拾取足夠多的“點(diǎn)”，就可以更為逼真地模擬出真實(shí)準(zhǔn)確的音頻。這個(gè)“取點(diǎn)”的過程就稱為“采樣”，采樣精度越高（“取點(diǎn)”越多）數(shù)字聲音越逼真。其中信號(hào)幅度（電壓值）方向采樣精度稱之為“采樣位數(shù)”，時(shí)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(jī)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(shí)也有賴于軟件設(shè)計(jì)能力的提升。目前直升機(jī)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(duì)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(xué)科領(lǐng)域的研究也將有助于推動(dòng)機(jī)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(hào)還原成音頻信號(hào)，這便是D/A轉(zhuǎn)換。

（5）混音技術(shù)?；煲艏夹g(shù)是解決機(jī)載音頻系統(tǒng)需要播放多路語音的需求?；煲艨煞譃橛布煲艉蛙浖煲簟?duì)于機(jī)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(shí)現(xiàn)；而導(dǎo)航音、告警音、機(jī)內(nèi)通話和機(jī)外通話的混音則采用軟件混音的方式實(shí)現(xiàn)。混音技術(shù)也很關(guān)鍵，如若處理的不好，可能會(huì)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(jī)載音頻系統(tǒng)傳輸語音的同時(shí)很容易伴隨著噪聲，噪聲的存在會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)載音頻系統(tǒng)的性能，使人耳舒適度急劇下降，嚴(yán)重時(shí)甚至讓人無法獲得有用的信號(hào)。所以，降噪技術(shù)對(duì)機(jī)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(shè)計(jì)中通過設(shè)置一個(gè)閾值電平，僅讓高于閾值電平的信號(hào)通過，這樣能有效地消除間歇式的背景底噪，而對(duì)原始聲音無破壞，這種方法稱之為噪聲門。缺點(diǎn)是當(dāng)人聲出來的同時(shí)，噪聲門打開，噪聲信號(hào)也就跟著進(jìn)來。當(dāng)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(huì)影響音質(zhì)，因此設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)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(shí)上直升機(jī)上環(huán)境是復(fù)雜而多變的，在應(yīng)用中應(yīng)針對(duì)具體情況采用相應(yīng)的降噪方法，使噪聲盡可能得到抑制以提高信噪比。

機(jī)載音頻系統(tǒng)為了達(dá)到更好的使用性能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)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(yīng)加深對(duì)系統(tǒng)涉及到的每一項(xiàng)技術(shù)的研究和進(jìn)行新技術(shù)的探索，來解決目前機(jī)載音頻系統(tǒng)面臨的問題。隨著直升機(jī)的發(fā)展和機(jī)載數(shù)字音頻系統(tǒng)的應(yīng)用，更多的生產(chǎn)商愿意加入到研究機(jī)載數(shù)字音頻系統(tǒng)的隊(duì)伍中來。而與此同時(shí)，用戶提出了很多的應(yīng)用問題，這些寶貴的意見建議提供了探索和改進(jìn)的方向。

3 結(jié)語

機(jī)載音頻系統(tǒng)的可靠性、有效性、響應(yīng)速度等都直接影響直升機(jī)的通信性能。隨著機(jī)載音頻系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)當(dāng)以提升系統(tǒng)性能并設(shè)計(jì)一款實(shí)用好用通用的產(chǎn)品為首要目標(biāo)。為此，還應(yīng)多借鑒國際上先進(jìn)技術(shù)和典型的設(shè)計(jì)理念。