楊啟帆，劉少龍，李文衡

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引言

為了更好地提升民用飛機(jī)飛行安全，駕駛艙語音信息回放愈發(fā)成為日常飛行不安全事件調(diào)查的方法之一，同時為了規(guī)范機(jī)組通話，無論是民航安全管理部門還是航空公司越發(fā)需要一種記錄語音信息與CVR相同，但記錄時間更長、數(shù)據(jù)讀取方便的輔助記錄駕駛艙語音的機(jī)載設(shè)備，因此QACVR應(yīng)運(yùn)而生。QACVR記錄的音頻數(shù)據(jù)特性也直接影響到民航安全管理部門和航空公司對記錄音頻的調(diào)查和分析。

為了使QACVR設(shè)備滿足歐洲民用航空設(shè)備組織(European Organization for CivilAviation Equipment)制定的EUROCAE ED-112A[1]《抗墜毀的機(jī)載記錄系統(tǒng)最低工作性能要求》標(biāo)準(zhǔn)。需要對QACVR設(shè)備的4路音頻通道進(jìn)行通道串?dāng)_、頻率響應(yīng)、總諧波失真、信噪比性能進(jìn)行測試。

1 音頻指標(biāo)解析

在對QACVR設(shè)備進(jìn)行音頻信號定量測量時，如何正確理解這些指標(biāo)，對于正確測量QACVR設(shè)備具有現(xiàn)實意義[2,3]。

1.1 通道串?dāng)_

通道串?dāng)_是指音頻信號在一路通道上傳輸時，因電磁耦合而對相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生不期望的影響。串?dāng)_形成的根源在于耦合，由于QACVR設(shè)備是多音頻通道采集設(shè)備，印制板走線、電纜、連接器插針等導(dǎo)體之間通過電場與磁場發(fā)生耦合，把一部分能量傳遞到相鄰的導(dǎo)體上，進(jìn)而形成干擾噪聲。

1.2 頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)[4]在一定的頻帶內(nèi)，在音頻輸入電平保持不變時，音頻輸出電平與頻率之間的關(guān)系。理想的頻率響應(yīng)曲線是一條與頻率軸平行的直線，也就是說在音頻設(shè)備工作的頻帶范圍內(nèi)，放大倍數(shù)的幅值與頻率無關(guān)。

1.3 總諧波失真

一個理想的正弦信號僅有一個頻率，而在實際中由于設(shè)備元器件的非線性改變了輸入信號，當(dāng)單正弦信號通過設(shè)備后會產(chǎn)生諧波失真，失真的頻率是輸入單正弦信號的倍數(shù)。THD測量的是全部失真的總和，該值統(tǒng)計了信號中所有外來諧波能量。

IEEE[5]定義了總諧波失真標(biāo)準(zhǔn)，其計算公式為:

(1)

其中,P1為輸入基波頻率分量的幅值，Pn為第n個諧波分量的幅值。

1.4 信噪比

信噪比描述了在一定輸入信號電平下，音頻設(shè)備的輸出噪聲的量級。在實際應(yīng)用中，由于音頻輸出信號非常強(qiáng)，噪聲根本聽不見，但是當(dāng)音頻輸出信號非常小時，那么噪聲就會對信號產(chǎn)生不良的影響。信噪比用來表征音頻輸出信號和噪聲之間的相對強(qiáng)度。

2 測試過程

2.1 測試環(huán)境搭建

本文以信息管理系統(tǒng)中的音頻數(shù)據(jù)采集模塊(Audio Collection Module，ACM)為例，通過搭建實驗環(huán)境，對該模塊的4路音頻通道進(jìn)行詳細(xì)的測試與分析，測試環(huán)境如圖1所示。ACM模塊測試采用專業(yè)的音頻發(fā)生/分析儀Agilent U8903A，配合音頻分析軟件Audacity，完成音頻信號的采集和分析[6,7]。

圖1 測試環(huán)境示意圖

ACM模塊以飛思卡爾公司的IMX6作為CPU，采用cirrus logic公司出品的音頻編、解碼專用芯片CS42888作為音頻文件的解碼芯片，該模塊主要用于采集并記錄來自飛機(jī)音頻系統(tǒng)的4路語音信息，同時完成音頻數(shù)據(jù)的壓縮、加密、存儲等子功能，有效滿足了新一代渦槳支線客機(jī)快速存取駕駛艙語音記錄功能。

2.2 測試方法

2.2.1 通道串?dāng)_

將音頻發(fā)生/分析儀輸出連接至ACM的任一通道，其它通道懸空，設(shè)置輸出頻率為1kHz的正弦信號，調(diào)整輸出為參考信號電平，記錄1分鐘(根據(jù)系統(tǒng)要求，4路音頻中三路為單端輸入，參考電平為5.3VRMS，另一路為差分輸入，參考電平為8.48Vpp(3VRMS))。回放記錄音頻信息到音頻發(fā)生/分析儀，記錄3個通道1 kHz頻域信號的幅值。其它音頻通道重復(fù)以上測試程序。本測試僅針對三路單端輸入進(jìn)行分析。

通過音頻發(fā)生/分析儀分析結(jié)果如表1所示。

表1 通道串?dāng)_測試結(jié)果

由所示任意兩個通道回放信號電平的差異均大于40dB，滿足ED-112A第I-3.2.7章節(jié)要求。

2.2.2 頻率響應(yīng)

將音頻發(fā)生/分析儀輸出連接至ACM的任一通道，調(diào)整輸出為參考信號電平的一半，以速率不超過0.1倍頻/秒的速度掃頻，對于單端輸入，掃頻范圍為150Hz～3.5kHz，掃頻點至少為46個點，本測試使用50個點；對于差分輸入，掃頻范圍為150Hz～6kHz，掃頻點至少為54個點，本測試使用60個點。針對頻率響應(yīng)的測試，ACM模塊需要配置成邊采集邊回放模式，回放的音頻信息到音頻發(fā)生/分析儀。其它音頻通道重復(fù)以上測試程序。

單端第一通道和差分通道的頻率響應(yīng)測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 道頻率響應(yīng)測試結(jié)果

由圖2所示，單端第一通道和差分通道在其掃頻范圍內(nèi)，ACM模塊采集和回放頻率保持一致，同時通道回放信號電平變化不超過6dB，滿足ED-112A第I-3.2.3章節(jié)要求。

2.2.3 信噪比

將音頻發(fā)生/分析儀輸出連接至ACM的任一通道，其它通道懸空，設(shè)置輸出頻率為1 kHz的正弦信號，調(diào)整輸出為參考信號電平，記錄1分鐘。回放記錄音頻信息到音頻發(fā)生/分析儀，記錄1 kHz頻域信號的幅值。斷開音頻發(fā)生/分析儀輸出，記錄1 kHz頻域信號的幅值。其它音頻通道重復(fù)以上測試程序。測試結(jié)果如表2所示。

表2 信噪比測試結(jié)果

由所示每個通道的信號/無信號值均大于48dB，滿足ED-112A第I-3.2.5章節(jié)要求。

2.2.4 THD

將音頻發(fā)生/分析儀輸出連接至ACM的任一通道，其它通道懸空，調(diào)整輸出以5dB步進(jìn)從參考電平調(diào)節(jié)至-20dB，以1/3倍頻程速度掃頻。記錄不同輸出電平和不同頻率下的正弦信號?；胤庞涗浺纛l信息到音頻發(fā)生/分析儀，此處以單端0dB參考信號和-5dB參考信號為例，記錄單端頻帶各頻點的THD值，考慮到10次以上諧波電平很小，對THD基本無影響，因此THD僅考慮10次諧波以內(nèi)。測試結(jié)果如表3所示，1kHz頻點下的頻譜圖如圖3所示。

表3 第一通道不同頻點下THD測試結(jié)果

圖3 第一通道1kHz頻譜圖

由表3所示在0dB參考信號輸入條件下，頻帶內(nèi)各頻點的THD值均大于24dB，滿足ED-112A第I-3.2.6章節(jié)要求。在以-5dB參考信號輸入條件下，頻帶內(nèi)各頻點的THD值均增加。

通過以上測試可知，在設(shè)計ACM采集通道運(yùn)放前端時，應(yīng)該盡可能的將音頻信號調(diào)整到后端音頻編、解碼專用芯片CS42888輸入的有效范圍內(nèi)，根據(jù)THD具體要求調(diào)整運(yùn)放反饋電路的設(shè)計。

在此測試基礎(chǔ)上直接將采集的信號用音頻分析軟件Audacity進(jìn)行頻譜分析，通過公式(1)計算出THD為25.73dB。

通過以上測試可知，ACM模塊的播放通道帶來的THD失真影響基本可以忽略，主要是采集端音頻開關(guān)、運(yùn)放等器件的非線性導(dǎo)致的諧波失真。

2.3 設(shè)計約束

針對不同的QACVR設(shè)備[8]，在實際應(yīng)用中，需要考慮音頻前端運(yùn)放的閉環(huán)增益設(shè)計以及音頻編、解碼專用芯片工作特性以及QACVR設(shè)備的實際安裝環(huán)境等因素。從器件選型、PCB設(shè)計、屏蔽等方面進(jìn)一步提高QACVR設(shè)備的音頻指標(biāo)。

在PCB疊層設(shè)計階段，明確采樣源端設(shè)備的輸出阻抗，通過仿真計算合適的線寬和端接等方法盡可能的保持阻抗匹配。

在PCB布線設(shè)計階段，必需要考慮各音頻通道之間的布線間隔，在布線空間允許的條件下，增加布線間隔能顯著減少串?dāng)_。采用微帶線布線要明顯優(yōu)于帶狀線。盡可能最小化平行走線長度，條件允許最好能把相互間產(chǎn)生影響的傳輸線在不同層間走線，而且相鄰兩層之間采用垂直的方式布線。

對于安裝環(huán)境干擾嚴(yán)重的設(shè)備，在制作電纜屏蔽時，需要增加對各音頻通道的屏蔽連接。

3 結(jié)論

隨著國產(chǎn)民用飛機(jī)的發(fā)展，QACVR設(shè)備從根本上改變了駕駛艙語音監(jiān)控的性質(zhì)，極大地提升了飛行的安全性能。本文以ED-112A標(biāo)準(zhǔn)第I-3.2為基礎(chǔ)，對ACM模塊進(jìn)行實際測試，測試數(shù)據(jù)表明按照上述試驗測試方法，完全能夠達(dá)到中國民用航空對QACVR的音頻采集要求，同時有助于民航管理部門和各家航空公司以有效和具體的測試結(jié)果評價QACVR設(shè)備的性能。