通用航空音频管理系统设计与实现

任晓波，李莉

（中电科西北集团有限公司西安公司，西安 710068）

0 引言

音频管理系统是通用航空飞行器不可缺少的重要部件之一，直接影响着民用飞机安全性、经济性和舒适性。它管理和控制VHF（甚高频）通信系统，无线电导航系统以及内话系统等航空器上所有的音频信号[1]，本文针对通用航空中音频信号的应用需求设计了一套小型化，多通道，抗干扰的音频管理系统，通过和音频面板相联，可以任意调节和控制不同通路的音频输入信号和飞机上的话音信号。同时对飞机上所有的音频信号和状态进行监视，发出告警语音，保障飞行器安全。通过软件配置，设置音频组件的工作状态。同时采用专用音效控制芯片和静噪调节电路，提高音频信号的信噪比，保障系统的抗干扰性。

1 总体架构设计

1.1 系统组成

本文设计的音频管理系统主要支持的无线电设备包括超短波电台，ADF（无线电罗盘）接收机，VOR/ILS（伏尔仪表）接收机，MB（指点信标）接收机等；支持的内话包括前舱内话和后舱内话。主要实现对所有音频信号的管理和控制，能够根据控制面板发送指令要求完成不同音频通道音量调节，混音输出，并且可以完成前后舱通话，以及和地勤的通话，根据监测的音频状态发出报警语音信号。音频管理系统总体架构如图1所示。主要由音频控制面板，机通处理器，指点标接收机组成。

图1 总体架构示意图

其中音频控制面板（ACP）用于提供音频信号音量调节、静噪门限设置、下显主备显示切换、主备机通切换等功能。机通处理器完成对各路输入音频信号的预处理，滤波，降噪，放大，以及音量调节，混音等功能，同时对输出的音频信号进行功率放大阻抗匹配，并控制电台的语音输出及PPT控制等功能。指点标（MB）接收机是一个一次变频超外差式接收机。主要实现接收地面台站发播的距离指示信号[2,3]。

1.2 工作原理

音频控制面板通过按键选择对应的音频输入通道和飞机上所有内话信号，并将选择的按键信息和旋钮信息发送给机通处理器。机通处理器对按键和旋钮方向进行识别，控制相应的音频输入信号音量调节，将调节后的音频信号混音和放大，输出到前舱耳机，后舱耳机，以及地勤耳机。同时将飞行器中内话1和内话2信号经过滤波、静噪处理、功率放大后输出到电台1和电台2。除此之外机通处理器还可以根据指点标接收机识别MB的站台识别音，给出相应的距离指示信号。根据飞行器监测的音频状态发出报警信号。

1.3 系统特点

（1）强抗干扰性

音频管理系统包含多个音频信号，在传输和处理中会受到各种因素干扰，为了提高系统的抗干扰特性，本文设计时首先在音频信号传输通路中采用平衡输入输出，其次电路设计中采用屏蔽单点接地，同时结合数字滤波和降噪处理，保障系统可靠性[6]。

（2）高信噪比

本文通过采用高性能低噪声处理电路和高性能立体声音编解码器，完成音频信号滤波，采用静噪电路处理完成系统的噪声抑制。同时 CPU处理器产生可变的静噪门限，输入音频信号大于静噪门限则输出信号接地，如果输入信号大于静噪门限则输出滤波后的输入信号。静噪输出部分采用PMOS管开关电路，减少了静噪开关带来的抖动，具有较好的一个音质效果。提高了整个系统的信噪比。

（3）具有自检功能

为了保障系统的可靠性和安全性，设计中在模块内部通过采用硬件电路闭环自检、检查点监测、测试性读写等方式实现硬件自检操作，通过与多功能综合模块的周期性自检数据以及通信握手机制实现外部接口定性检测。

2 子模块设计

2.1 音频控制面板

音频控制面板按照飞行员的按键，旋钮操作，向综合航电单元发送对机上话音、电台、导航设备识别码等音频信号的音量调节指令。对话音音频信号进行放大，并按照飞行员在面板上的静噪门限调节操作进行静噪门限处理，最后输出至综合航电单元。按照飞行员的面板操作，向下显输出主备切换指令(离散量)。按照飞行员的面板操作，向综合航电单元发送主备机通切换指令。同时该控制面板具有接受航空电子启动版的加电控制功能、接受灯光控制盒的昼夜模式切换功能、按照照明供电提供的背光控制脉宽调制信号调节面板背光亮度以及自检功能。

配套连接框图如图2所示。

图2 音频控制面板配套连接框图

面板上共设计有 16个按键开关，采用一体化设计的背光按键，按键要求操作手感好、寿命长、可靠性高。按键采用点动式，当电源打开时，由音频控制板对按键开关进行初始状态设置（指示灯或亮或灭），每按动一次按键，其状态改变一次（指示灯点亮或熄灭）。应急模式按键采用红色的按键开关。背光采用白色，亮度可以随环境光的强度自动调节。按键上的指示灯采用浅黄色方形的发光二极管（LED），其功耗小，寿命长。静噪调节旋钮采用旋转式电位器。电源开关/音量调节是带电位器的旋转式旋钮开关。电源指示灯采用绿色的圆形LED。

自检测试按钮采用小型点接触式按钮开关，当按纽按下时开始进行音频控制面板的自检，如果音频控制板自检正常，按键上的指示灯全部点亮，直至松开按钮，如果音频控制板自检不正常，按键上的指示灯全部闪烁，直至松开按钮。

2.2 机通处理器

机通处理器是音频管理系统的核心模块，该模块通过和音频面板之间相互通信共同控制飞机上所有语音信号的音量调节，并对所有的导航设备语音信号和内话信号进行滤波静噪处理，在音频信号传输过程中采用差分屏蔽信号，提高系统的抗干扰特性。

机通处理器硬件电路可划分为 CPU处理器模块、音效调整电路模块、混音输出电路模块、电台话音控制电路模块、告警音存储电路模块等。其中CPU处理器通过SPI总线控制和发送音量调节指令和告警音读写指令。输入的音频信号来源于飞行器航电系统的各种无线通信导航机载设备，输出的音频信号通过混音电路调整输出到前后舱耳机，地勤耳机等。机通处理器原理框图如图3所示。

（1）音效调整电路

音效调整电路部分包括信号预处理模块、音量调节模块、静噪处理模块。其中信号预处理模块，是对输入音频信号进行滤波和幅值调整，以满足处理器有效输入范围。滤波部分采用高性能低噪声运放集成电路，电压范围从-20V到+20V，具有较大的驱动能力和小信号带宽。同时结合高性能立体声音编解码器，对输入音频信号进行采样，处理，数字滤波，输出信噪比可达 100db。音量调节电路主要完成对COM1、COM2、VOR、ILS、ADF、信标、内话1(来自前舱)、内话2(来自后舱)等音频信号的音量控制，音量控制指令来自音频控制面板。CPU通过SPI总线向编解码芯片发出调节音量指令，并对相应的音频信号进行音量控制，最终送入混音电路。静噪处理模块主要是对输入的音频信号进行静噪处理，并且能够根据静噪等级完成不同幅值的静噪处理。

（2）混音输出电路

混音输出电路包括混音模块和功率放大阻抗匹配模块。其中混音模块分为两路，混音 1包括COM1、COM2、VOR、ILS、ADF、信标、内话1(来自前舱)、地勤话筒音和告警音等音频信号，混音2包括COM1、COM2、塔康、ADF、信标、内话2(来自后舱)、地勤话筒音和告警音等音频信号。传统音频管理系统中采用变压器形式的放大电路，适配各类不同耳机。这种方案需要调整设备终端的输入阻抗，很难保证声音质量，调试难度很大。本文采用了全新的混音芯片和音频功放芯片组合，经过调试，不但实现了各种阻抗匹配需求，而且保证了高保真音质输出性能。

图3 机通处理器原理框图

（3）电台话音控制电路

电台话音控制电路完成前舱后舱内话语音信号向VHF电台的输出、以及PTT信号的输出功能。话音选择电路包括离散量处理电路、选择电路和功放电路。选择电路使用转换为TTL电平(5V)的四个PTT信号作为选择控制，使用程控开关选择需要输出的VHF电台通道，将内话音频信号和VHF电台PTT信号输出至相应的VHF电台。

（4）告警音存储电路

告警音存储电路将告警语音存储在语音芯片中，根据处理器的指令将指定告警语音输出至混音电路。

（5）CPU处理器

CPU处理器部分为整个音频控制板的核心，通过与矩阵键盘的扫描芯片的沟通，来选择各个信号的选通，控制相应的按键指示灯进行亮灭，同时与逻辑控制模块沟通，来控制各个信号的选择，静音，以及离散量的输出，输入，调节静噪。并通过控制信号处理模块来调节信号的状态，使得输出到功放的信号达到所需要求。并通过422格式将音频控制盒的信号状态以及自检信息，背光，软件版本号等信息发送到终端显示单元，并与显示单元沟通来调节音频控制盒的警告音与各个信号的音量级别大小以及音量选择使能。

2.3 信标接收机

（1）工作原理

MB天线接收射频信号，经限幅器/预选器滤除包括镜像频率在内的杂散信号，经信号开关进入混频器。本振电路产生64.3MHz的本振信号，经过混频器与75MHz的射频输入信号混频，产生10.7MHz的中频信号，后经AGC中频放大器和中频滤波器，产生10.7MHz中频信号，经解调器解调出基带信号送入三组带通滤波器，分别选通中心频率为400Hz、1300Hz和3000Hz基带信号，经过整流放大后控制选通开关。当某个频率点的信号整流输出幅度达到选通开关的有效值时，该频率点的选通开关输出有效电平，相应的指示灯被点亮、音响电路发生。原理框图如图4所示。

图4 信标接收机原理框图

（2）自检电路

MB自检信号发生器由自检振荡器和调幅器组成。自检振荡器由自检使能信号控制。当自检使能信号有效时，自检振荡器开始工作，产生 75MHz的高频信号，自检音频信号对自检振荡器的输出信号进行幅度调制，顺序模拟MB远、中、近地面台发播的信号，经过开关电路选通，将自检信号送入混频器，进行自检。通过观察和聆听距离指示灯和距离提示音频判断MB接收机自检是否正常，各部分开关状态，按键工作状态是否正常。

3 结束语

音频管理系统是通用航空飞机话音通信系统的传输中枢[4]，可靠、稳定的音频系统能够进一步保障通航飞机的飞行安全。随着音频处理技术的发展，采用模块化，数字化技术解决音频信号的处理是未来发展趋势[5]。本文从系统角度阐述了针对通用航空的音频管理架构的设计和实现，基本满足飞行器上导航设备，通信设备以及话音信号的监测和处理，该系统具有较强的抗干扰特性和信噪比。并且采用软件配置工作模式，灵活性强，可靠性高，具有较好的发展前景。