張 琪，田華明，郭維波

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041）

0 引言

電臺校波是機場一項必備、常規(guī)性的飛行準備工作，通過電臺的實際通話來檢驗電臺之間的通信效果，排除電磁干擾、設(shè)備故障等影響信號質(zhì)量的因素，確保對空指揮通信的質(zhì)量。當(dāng)前，電臺飛行校波工作仍采用人工校波的方式，按照規(guī)定的程序，雙方通過喊話和收聽的方式來判斷話音的質(zhì)量。人工校波方式存在校波時間長、喊話話音不標(biāo)準、對話音質(zhì)量判斷標(biāo)準不明確等問題，質(zhì)效比較低。因此，解決當(dāng)前人工校波的不足，研制電臺自動校波裝置，能夠有效提高校波效率和質(zhì)量，提高飛行保障的智能化水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用基于ARM 的電臺自動校波設(shè)計，基本思想是通過自動校波裝置，實現(xiàn)與兩部電臺之間信號的傳輸，控制電臺波道轉(zhuǎn)換、收發(fā)交替、標(biāo)準音頻信號產(chǎn)生、音頻信號質(zhì)量分析[1]、結(jié)果記錄存儲并外接鍵盤和顯示屏，從而完成自動校波功能。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

飛行前的電臺校波是在不同指揮塔電臺之間或指揮塔電臺與機載電臺之間進行的，涉及兩部或電臺聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的多部電臺?，F(xiàn)以不同指揮塔兩部電臺之間的校波為例進行系統(tǒng)設(shè)計，電臺自動校波裝置的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 電臺自動校波裝置的結(jié)構(gòu)模型

圖1 中，電臺A、電臺B 是兩個指揮塔中需要校波的電臺，能夠進行話音信號的收發(fā)通信。ARM板作為中控單元，使兩路音頻信號通過兩個不同串口和電臺控制線，完成電臺自動校波裝置與兩部電臺之間信號的傳輸，并控制波道轉(zhuǎn)換、收發(fā)轉(zhuǎn)換、標(biāo)準音頻信號產(chǎn)生、音頻信號質(zhì)量分析評估以及人機交互等單元的工作，按照校波的流程實現(xiàn)相應(yīng)功能，輸出并顯示校波的結(jié)果[2]。

1.2 各部分功能設(shè)計

電臺自動校波裝置的功能包括以下4 個方面。

1.2.1 產(chǎn)生標(biāo)準音頻信號

為了提高校波中音頻判決的準確性，需要一個標(biāo)準的音頻信號作為客觀語音質(zhì)量評估的基準。本裝置的設(shè)計中，由ARM 板的STM32F3 產(chǎn)生一個1 000 Hz 的方波信號，通過外接濾波電路濾除諧波，形成幅度為15 mV、頻率為1 000 Hz 的標(biāo)準正弦信號，來模擬校波中的調(diào)制音頻信號。由于此正弦信號為單音信號，頻譜純凈，便于判決。此音頻信號由固定串口的控制線傳輸至發(fā)射電臺進行調(diào)制發(fā)射，并作為標(biāo)準音頻與電臺接收到的音頻進行比對[3]，作為校波質(zhì)量判斷的依據(jù)。

1.2.2 收發(fā)交替控制

電臺校波的過程較為復(fù)雜，需檢驗多部電臺在不同工作參數(shù)、不同收發(fā)狀態(tài)時的通話質(zhì)量。如圖1 所示，既要檢驗電臺A 發(fā)射和電臺B 接收時的話音質(zhì)量，也要檢驗電臺B 發(fā)射和電臺A 接收時的話音質(zhì)量。因此，自動校波裝置要完成兩部甚至多部電臺之間的收發(fā)轉(zhuǎn)換，提高校波的自動化程度。

1.2.3 自動波道轉(zhuǎn)換

通常，電臺工作時有多個波道，校波是按照電臺預(yù)設(shè)的波道逐一完成，裝置需要具備按照校波程序進行波道自動轉(zhuǎn)換的功能，不需要電臺工作人員的操作。

1.2.4 音頻質(zhì)量分析與評定

語音質(zhì)量評價方法按照評價主體可分為主觀評價和客觀評價兩大類。目前電臺校波主要采用主觀評定，即以人工平均主觀打分（Mean Opinion Score，MOS）來度量，分為優(yōu)、良、中、差、劣5級，分值分別為5，4，3，2，1，來評價校波的質(zhì)量。本方案采用語音質(zhì)量感知評估（Perceptual Evaluation of Speech Quality，PESQ）客觀評定方式，對收發(fā)的音頻信號在時域和頻域上研究合理的算法，對音頻信號的頻譜、失真度、信噪比等參數(shù)進行分析，得出評估結(jié)果，更能反映電臺的通話質(zhì)量。

2 系統(tǒng)工作過程

自動校波裝置的工作過程是按照機場校波規(guī)定的流程實施的，如圖2 所示。

圖2 自動校波系統(tǒng)的工作流程圖

當(dāng)操作人員按下自動校波裝置的“開始校波”鍵后，自動校波裝置首先對兩電臺的狀態(tài)進行檢查，判斷是否可以開始校波。若不符合條件，則需操作人員重新檢查電臺，進行調(diào)整及處理；若電臺狀態(tài)正常，自動校波裝置隨即發(fā)起校波。需操作人員傳送電臺列表、波道等參數(shù)給自動校波裝置。自動校波裝置記錄兩電臺原有參數(shù)后，將兩電臺調(diào)至校波指定參數(shù)，然后控制發(fā)射電臺發(fā)射帶有標(biāo)準音頻信號調(diào)制的射頻信號，接收電臺接收該射頻信號并解調(diào)出音頻信號同時送回給自動校波裝置。自動校波裝置將接收到的音頻信號進行分析，與此前發(fā)射的標(biāo)準音頻信號對比，進行分析評估。若在某個波道參數(shù)校波時，第一次接收音頻質(zhì)量差（MOS分值約為1 和2），則還可再進行一次發(fā)射和接收。最終得出符合要求的音頻信號質(zhì)量評估結(jié)果并返回，在顯示屏上顯示校波進程及校波結(jié)果，然后恢復(fù)兩電臺原有參數(shù)。整個過程是在ARM 的控制下自動完成的。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

為了提高校波的準確性和校波裝置工作的穩(wěn)定性，校波裝置在設(shè)計中采用多項新技術(shù)。

3.1 PESQ 語音質(zhì)量評估方法

PESQ 是主觀語音質(zhì)量評估算法，其基本思想是將失真語音信號與一個標(biāo)準音頻信號進行比較，得出一個差異值。這種差異值充分考慮了人耳聽覺特性，并很好契合MOS 五級打分評定標(biāo)準，符合機場校波的質(zhì)量要求。本方案采用PESQ 算法的流程如圖3 所示。

圖3 PESQ 算法原理框圖

設(shè)計系統(tǒng)時，首先將ARM 板中產(chǎn)生的標(biāo)準音頻信號作為參考，對接收的待評估音頻信號的電平進行調(diào)整，使之符合電平判決的要求，再輸入濾波器進行濾波。通過時間上對齊均衡處理，獲得系統(tǒng)增益和濾波的補償和均衡[4]。對變換后的兩路信號進行擾動處理，信號之間的差值即為干擾度。當(dāng)信號之間差異較大，擾動處理時出現(xiàn)超出預(yù)設(shè)區(qū)間的情況，統(tǒng)稱為壞區(qū)間，就需要重新對壞區(qū)間進行對齊[5]。最后，通過對認知模型處理，在時域和頻域上累計得出PESQ 分值，并與MOS 值進行映射，從而得出校波的音頻信號質(zhì)量。

3.2 認知模型的設(shè)計

PESQ 模型采用認知模型來實現(xiàn)音頻效果的對比，整個過程分為干擾密度計算、非對稱處理、干擾度、壞區(qū)間的重對齊、干擾度的時域平衡以及客觀得分計算共六個步驟[6]。

（1）干擾密度計算。首先計算兩信號的聲強響度密度差，當(dāng)差值為正，說明接收的音頻信號中含有雜音或噪聲分量；當(dāng)差值為負，說明接收音頻信號因波形不完整損失一些分量，此差值即原始干擾密度。

（2）非對稱處理。規(guī)定非對稱因子為標(biāo)準音頻參考信號和接收音頻信號的Bark 譜密度比值的1.2次冪，若非對稱因子小于3，則定0；若非對稱因子大于12，則定為12。干擾密度乘以非對稱因子，即得到接收音頻信號的非對稱干擾密度。

（3）干擾度。對非對稱干擾密度和干擾密度在Bark 域中取加權(quán)平均，得到非對稱幀干擾度和幀干擾度。

（4）壞區(qū)間的重對齊。PESQ 算法將干擾度超過設(shè)定閾值的幀稱作壞幀，把干擾度超過閾值的連續(xù)幀區(qū)間稱為壞區(qū)間，并對其進行重對齊處理。重新對壞區(qū)間內(nèi)標(biāo)準音頻參考信號和接收信號進行最大互相關(guān)的計算，得到新的非對稱干擾度和新的對稱干擾度。

（5）干擾度的時域平衡。幀非對稱干擾度和幀干擾度的時域平衡通常分兩級實現(xiàn)，即求話音持續(xù)時間內(nèi)的干擾總計和瞬態(tài)間隔內(nèi)的干擾總計，分別使用低階范數(shù)和高階范數(shù)進行計算，得到平均非對稱干擾度和平均對稱干擾度。

（6）計算客觀得分。PESQ 語音質(zhì)量評估算法客觀評價分值（MOS 分值），是平均非對稱干擾度和平均對稱干擾度的線性組合[7]，其計算如式（1）所示。

式中：dSYM表示平均對稱干擾度，dASYM表示非平均對稱干擾度。

3.3 標(biāo)準音頻信號產(chǎn)生

STM32F3/L4/F7/H7 等系列的定時器都具備非對稱脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出模式或組合輸出模式。要產(chǎn)生1 kHz、15 mV 的電臺標(biāo)準音頻信號，可使用PWM 產(chǎn)生一定頻率的方波信號，根據(jù)方波具體的VCC 幅值，調(diào)節(jié)原件參數(shù)進行固定比例的降幅處理，再通過低通濾波器轉(zhuǎn)換為正弦波信號，從而得到所需的標(biāo)準音頻。有源低通濾波電路設(shè)計及仿真如圖4 所示。

圖4 有源低通濾波仿真電路

由上述仿真結(jié)果可見：PWM 輸出3.3 V 的方波信號，經(jīng)過圖4 中由100 Ω 電阻和1.6 μF 電容組成的濾波電路后，產(chǎn)生正弦波。再經(jīng)過1.1 kΩ、2.5 Ω 電阻組成的分壓電路和隔離放大電路后，即可生成1 kHz、15 mV 的音頻信號，如圖5 所示，此信號作為校波中的標(biāo)準音頻，進行校波中音頻質(zhì)量的判決。

圖5 仿真電路最終輸出信號波形

3.4 CRC 校驗設(shè)計

機場電臺自動校波裝置功能的實現(xiàn)，是建立在充分分析并實現(xiàn)電臺通信協(xié)議的基礎(chǔ)上的。在圖1 的總體結(jié)構(gòu)模型中，ARM 中控單元通過RS-232/RS-485/RS-422 等串口與電臺收發(fā)信機互聯(lián)，進行波道轉(zhuǎn)換、收發(fā)控制、波道參數(shù)設(shè)置等信息的交換。

基于電臺通信協(xié)議，且考慮到系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性、實時性要求，避免通信數(shù)據(jù)傳輸過程中出錯，本方案采用循環(huán)冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）技術(shù)。CRC 碼由兩部分組成，前部一分是信息碼，后一部分是校驗碼。如果CRC 碼長共nbit，信息碼長kbit，就稱為（n，k）碼，剩余的（n-k）bit 即為校驗位。在本方案設(shè)計中，1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，用簡單的幀封裝結(jié)構(gòu)，加入校驗字節(jié)，執(zhí)行過程比較快，有利于收發(fā)、波道等信息的快速切換。控制信號的具體封裝格式如表1 所示。

表1 發(fā)送數(shù)據(jù)的幀格式

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的電臺自動校波裝置基于ARM 控制技術(shù)，實現(xiàn)了多部電臺之間、多個波道之間的收發(fā)轉(zhuǎn)換，按照實際的校波流程實施自動校波，減少了飛行準備時間，降低了人工校波的煩瑣性，提高了飛行校波的效率。在設(shè)計過程中，通過采用基準音頻信號、PESQ 語音質(zhì)量評估、認知模型設(shè)計以及CRC 編碼校驗等技術(shù)，提高了校波過程的客觀性、準確性。通過這種校波技術(shù)，還可以為多部聯(lián)網(wǎng)超短波電臺、短波電臺以及民用電臺進行聯(lián)網(wǎng)校波。電臺自動校波裝置具有效率高、標(biāo)準明確等特性，可以充分滿足民用和軍用通信對電臺通信質(zhì)量檢驗的需要。