一种基于ARM芯片的模数音频转换器的设计

文｜张瑞祥 马赛

本文介绍了一种基于ARM芯片处理器的模拟数字音频转换器，从设备的选型、硬件设计、软件设计和典型电路等多方面进行了阐述，此转换器目前应用于某型机载短波设备前端，经试运行验证，转换器功能满足设计需求、性能可靠稳定。

一、引言

某型机载短波通信设备的信号处理链路包括耳机话筒组（用户体验端）、PTT键控器、音频信号适配器、短波电台和天馈系统, 其中耳机话筒组是用户体验设备，用于音频信号终端播放和音频信号的始端输入；PTT键控器是用于控制短波通信链路的收/发状态的切换；音频信号适配器负责将模拟语音信号进行双向适配放大处理；短波电台负责对音频信号进行采样、编解码、信道处理、2~30MHz射频信号的上下变频处理和射频信号功率放大；天馈系统负责匹配天线的阻抗，以最佳的性能将功放传输来的射频信号发射到无线空间。由于此机载设备经常工作在恶劣的环境下，经常受到电击声、严重噪音（舱内噪声）、复杂电磁波等干扰，在使用短波进行通信时音频效果较差，且偶发PTT键控器收发状态转换误响应，严重影响客户体验。现基于音频信号适配器原功能的基础上，设计一款模拟数字音频转化器替代原音频信号适配器，在耳机话筒组与短波电台之间进行模拟/数字信号的转换与传输，利用数字信号抗干扰强的特点，提升本型飞机短波频段的通信效果。

二、ARM芯片资源简介

ARM处理器选取的芯片型号为STM32H743， 此芯片内潜高性能内核处理器，芯片内自带2 Mbytes 的Flash memory、2 Mbytes 的RAM、1个高速memory直接访问接口、22个定时器（最高精细到2.1 ns max resolution）、3× ADCs with 16-bit max. resolution(up to 36channels, up to 3.6 MSPS)、 2× 12-bit D/A converters (1 MHz)，本次设计中用到了片内的Flash模块、RAM模块、2个定时器、AD模块、DA模块、和串口模块。芯片的资源在满足本设计的基础上，为以后多路音频通道对单路短波电台和单路音频通道对多路短波电台的处理留下了较强的扩展能力。

三、音频信号转换器的硬件设计

音频信号转换器的主要功能包括三方面：耳机话筒组模拟音频信号和短波电台数字音频之间的转换与传输、将收发状态PTT控制键的模拟信号转换为数字信号送给短波电台、适配耳机和话筒等音频终端。

由于短波电台射频信号的输出与接收使用同一根天线，故工作于半双工通信方式，音频信号转换器的音频信号流根据PTT的键控也分两个状态：音频信号发射状态和音频信号接收状态。在发射状态，音频信号转换器先将话筒Mic输入的模拟音频信号放大到0dbm，进行平衡-不平衡信号转换处理，然后做适配AD采样电路的电平处理，再将信号以32K采样率做16位深度的A/D采样，音频信号采样后，ARM将采样数据进行滤波处理和速率转换，以921600串口速率经422串口驱动电路发送给短波电台；在接收状态，ARM芯片将422串口收到的数据进行协议解析等相关处理，经D/A完成数字信号到模拟信号的转换，相关电路对信号进行有源滤波和信号17db的放大处理，为适配耳机端进行不平衡到平衡的信号处理，并输出到耳机。

四、音频转换器典型电路设计

音频转换器接收状态下的滤波电路和平衡转换电路如图1所示，ARM处理器对短波电台送来的数据进行相关处理后，经DA口将信号送到ARM_DA_Audio端，型号为OP213ES的N131对信号进行滤波，滤波后的信号由型号为LM386M-1的N141完成进一步放大，型号为MET-35的T1电路对N141输出的不平衡信号做平衡转换和后端匹配，输出给耳机端Phone_Audio。

图1 音频转换器典型电路图

五、音频转换器的软件设计

音频转换器的软件处理流程如下，设备上电后首先对处理器内部外部的资源进行初始化，判断PTT引脚状态（低电平为发状态有效），如果检测到PTT引脚为低电平，即短波电台处于发射状态，音频转换器首先向短波电台发送PTT状态控制包，然后处理器以32K采样率对音频信号进行A/D采样，将量化后的数据进行采样率转换、数字滤波处理、音频数据分包、信息段打包、数据CRC校验、SLIP封装等处理后，通过串口发给短波电台，完成模拟音频和数字音频信号的转换与传输；如果检测到此引脚为高电平，则短波电台处于接收状态，处理器对串口读取到的数据进行SLIP解封装、CRC解校验，然后对校验成功的信息段进行有效音频数据内容摘取和数字音频合包，并进行数字静噪和降噪处理，然后完成8K-32K的采用率转换，进行数字滤波处理，最终由D/A送出，完成数字音频信号到模拟音频信号的传输与转换。

上电初始化包括：系统时钟、LED控制口、GPIO口配置、串口初始化、缓冲区初始化、AD与DA口初始化、定时器初始化、看门狗配置、PTT引脚配置等。

信息段包括：源地址与目的地址（预留多路音频扩展）、序列号（用于短波电台丢包校验处理）、信令控制ID（用于区分音频信令、PTT信令或其他控制命令）、有效数据。

CRC校验：采用了标准的CRC-16-IBM 16位循环冗余校验，校验范围包括源地址、目的地址、序列号、信令控制ID、有效数据。CRC-16计算公式是信息M（x）左移16位后除G（x），其中多项式G（x）=x16+x15+x2+1。

SLIP协议封装：采用SLIP协议进行封装是为了方便接收方的环形缓冲区可通过SLIP帧头帧尾快速识别每包数据，并排查线路干扰引起的错包，本设计所使用的是标准的SLIP协议，即在有效数据包前增加帧头 “0xC0”,包后增加帧尾“0x C0”,包中间的数据在进入输出缓冲区之前进行转义，规则如下：如果某字节为“0x C0”，则包长度增加1，“0x C0”字节更换成“0x DB”，其后增加1Byte“0x DC”；如果某字节为“0x DB”，则包长度同样增加1，“0x DB”保持不动，其后增加1Byte“0x DD”。接收端在环形缓冲区中探测包头“0x C0”，捕获到包头后解封装包内数据并探测包尾，在包中识别到“0x DB”字节，此字节暂存并探测下一字节，如果是“0x DD”则认定该字节为“0x DB”，如果是“0x DC”则认定该字节为“0x C0”。

PTT引脚探测处理：处理器周期查询PTT引脚的高低电平，对电平的每一次反转都进行防抖处理并发送PTT状态控制包给短波电台，此状态控制包的打包、校验、封装等处理方式通音频数据处的理一样，仅信令控制ID不同。

静噪降噪处理：音频转换器在和短波电台周期交互的过程中，识别到信息段中信令控制ID为静噪和降噪控制包，则根据短波电台的命令对音频信号进行不同深度的静噪和降噪处理，可有效抑制混入信道中的噪声。本设计中静噪处理深度包括五个等级：零、一、二、三、四级。零级表示旁路状态，即对音频信号不做任何静噪处理；处理深度挡位为一到四级时，随着等级的增加，静噪处理器相应提高音频信号谱功率门槛，等有效音频信号达到一定强度才可冲破静噪器，送往下一处理模块。降噪器与静噪器是采用串行处理的方式，即降噪器的输入口是静噪处理器的输出端口，降噪处理分为旁路和降噪两个等级，选择旁路时降噪处理器将输入口的音频信号直接送往输出口，选择降噪处理时，将对音频信号中的噪音部分进行抑制后送往输出口。

采样率转换和滤波：本设计中采样率转换采用拉格朗日插值法，滤波处理采用滑动平均滤波法。

六、 结论

经试验验证，本文方案设计的音频模拟数字信号转换器，通过模拟信号转换为数字信号的手段可适应更远距离的传输；通过在音频信号转换器中进行静噪降噪处理和PTT信号数字化，可有效降低音频中无用噪声和提高PTT收发链路状态识别的可靠性。在电磁干扰较大的环境中，其失真低、抗干扰强等优点提高了短波频段的通信效果，提升了用户体验，得到了应用方的高度认可；同时该设备具有较大的可扩展性，以后通过硬件不动软件升级的方式，可实现多频段设备的音频信号统一处理，也可支持同频段多台设备的音频信号的并行处理。同时该转换器也适用于其他机载短波通信系统链路前端音频的处理，对以后的相关设计具有借鉴意义。