夏延模拟机音响仿真系统研究

2013-07-17刘红廖峰

中国科技信息 2013年2期

刘红廖峰

中国民航飞行学院模拟训练中心，四川广汉 618300

引言

飞行模拟机使飞行员在实施飞行操作时产生真实的“三觉”，即“感觉”(由模拟机运动系统来完成)、“视觉”(由模拟机视景系统来完成)及“听觉”(由模拟机音响系统来完成)。对各种各样声音的真实反映是保证飞行员快速正确处理各种紧急情况的前提。声音模拟不正确，直接影响飞行员的判断能力，同时会使飞行员产生错误的动作，这样很有可能带来意想不到的严重后果；为此进行声音实时仿真研究，完善音响系统具有重要意义。

1 音响系统的生成和合成

音响系统通过一系列的频率发生器、噪音发生器生成具有一定强度的初始音响信号，这些信号通过滤波、放大、修整，最后通过混合器合成为真实飞机座舱中可以听见的各种声音。飞行模拟机所仿真的音响通常有以下类型：

1）动力装置音响：如发动机启动和运行声、螺旋桨声、排气声、进气声、转子声、拍频声等；

2）空气动力音响：如气流噪声以及扰流片、起落架、襟翼失速等抖振引起的噪声；

3）起落架音响：如起落架上锁、下锁、着陆接地发出的声音及轮胎爆炸声；

4）跑道效应音响：飞机的主轮和前轮在地面上滑跑产生的摩擦声、隆隆声；

5）其他的声音包括飞机碰撞和坠毁时的声音、风挡雨刮器开启时的声音等；

6）大气效应声音：如雨声、冰雹声、雷声等。

飞行模拟器音响系统生成过程和合成原理：首先，通过离线分析飞行中各种声音的频谱，获得生成各种声音的数据，建立相应的音响数据文件。其次，在飞行模拟机主计算机中建立产生各种声音的数学模型和软件，包括：判别在各种不同状态和条件下，实时计算不同声音的幅值和频率以及进行必要的修正。然后将不同波形声音的幅值和频率输送到音响发生器中。为了获取飞行中各种音响的频谱首先要对飞机飞行过程进行录音。在飞机进行地面开车、空中飞行、起飞着陆时，对各种音响和噪声进行录音。音响有瞬态音响（如起落架上锁）和稳态音响。将记录的瞬态音响通过窄带分析仪进行频谱分析，稳态音响通过频谱分析仪进行频谱分析和电平仪进行记录。得到稳态和瞬态的音响频谱曲线及所需的音响数据。

2 夏延ⅢA模拟机的音响系统

夏延ⅢA模拟机的音响系统采用了数字式音响发生器，采用数字序列来表示音响信号波形，并用数字的方式去处理这些序列，即对信号进行产生、滤波、交换、调制、延时、增强等加工处理，以得到我们所希望的音响信号的频率与幅值。其数字序列最后经数/模转换器DAC（Digital-to-Analog Converter）和功率放大器送至扬声器得到逼真的音响。在主计算机生成的数字音响信号通过以太网（ETHERNET）送入以太网内存控制总线卡（CME），再进入微机总线控制器卡（DMC），通过DMC卡，对各个处理器进行选通和加载。如图1所示。

数字信号发生器产生正弦波、方波、三角波、锯齿波和以上波形的混合波。数字信号发生器DSG(Digital Signal Generator) 卡是一个可编程的按要求产生声音信号的数字波形发生器。所需要的声音是被在DSG卡上型号为TMS320C25的16位可寻址微型处理卡处理成为16位数据字。DMC-16处理器能直接传送2K字节的数据到DSG卡上的16位共享内存，并且利用这个传送下载的代码和数据到DSG卡内。DSG然后处于等待状态，直到一个所需声音信号通过同一条线路被传送。所需的音响信号被加载信号波形发生器处理并且送到三个DSP卡其中的一个，进行处理和噪音的添加。声音波形提供给主机计算机负责处理飞行舱里噪声的程序，把产生的声音波形转换为对应的数据并在启动的时间从主计算机发送出去，因此任何修改或补充都必须通过主计算机来完成。然而，产生声音信号的波形是动态可编程的。所有的声音都要求一个至少包含512个数据点的表或阵列。如果需要更多的数据点，那么有可能按照512的倍数增加。每一个数据点代表在一个时间点上的声音级别，以致这样的数据阵列描述在很短时间内的声音振幅。对于每一种声音的数据阵列都被存储到32K字节的16位波表存储器中。这个卡产生被其他周期信号调幅的周期信号，和被窄带低通噪音调幅或调频的周期信号。要注意到，DSP卡是产生低通噪声信号的。产生信号的数目取决于所要求的采样率。

图1 夏延Ⅲ模拟机音响系统框图Fig.1 (Cheyenne Ⅲ simulation) sound system block diagram

WAVEGEN（Wave Generator）波形控制器的工具通常配置在DSG(Digital Signal Generator)卡上的WAVEGEN（Wave Generator）波形控制器，这个控制器的功用是创建一个列表的控制字码。在初始化时，这个列表就被下载到每一个系统卡中。这个DSG(Digital Signal Generator)板装有一个型号为TMS320C25的DSP(Digital Signal Processor)芯片，该芯片被用于对信号的处理和控制。这个TMS芯片有32K字节的数据存储器和2个用于高速数据传送的16位并行数据端口。这个TMS320芯片完成所有正常的DSP(Digital Signal Processor)的工作，并且提高它的性能，这个芯片也能使用查询波表的硬件。波形发生器WAVEGEN（Wave Generator）是一个用于波形合成的特殊处理器，然而，它拥有一个非常有限的指令装置。TMS320装载WAVEGEN（Wave Generator）指令，并让指令程序运行，然后WAVEGEN（Wave Generator）处理它的指令，并且排列所得到的结果。与此同时，TMS320在处理其他的工作任务。当WAVEGEN（Wave Generator）的工作完成了，它给TMS320发送一个中断信号。而当WAVEGEN（Wave Generator）正忙于处理指令的时候，它也通过BIO引脚向TMS320输入信号。有WAVEGEN（Wave Generator）的原因是它利用线性插值的方法进行波表的查询。事实证明，为了声音的生成，大量的这些查询是有必要的；接着也有时间的因素。一个TMS320芯片处理一个信号的插值大概需要5微秒；另外，WAVEGEN（Wave Generator）能在250纳秒里完成一个线性插值，这个方法变成快20倍了。还有，WAVEGEN（Wave Generator）能够在250纳秒里总结几个查询。每个WAVEGEN（Wave Generator）的指令都有几个运算的对象，如下面所示：频率、振幅比例因子、调幅调制尺度因子、波数代码和控制字码等。另外，跟踪当前每个指令的指针到波表，这个被称作相位值。如果有需要，可以写入相位值，例如，实现相位调制。WAVEGEN（Wave Generator）有足够的内存存储256个上述的指令，因此在64微秒里能完成多达256个波表查询。通过在指令控制字码中设置适当的位，WAVEGEN可以在0到256个指令中实现任何一个。TMS320和WAVEGEN（Wave Generator）都是完全地可编程的，打开电源，TMS320处于等待位置并启用一个主处理器——DMC-16。为了高速度地与DMC-16通信，DSG(Digital Signal Generator)板有一个共享内存的SC总线接口。完整的TMS320地址空间也映射到SC总线的空间。在使TMS320运行前，这个特点能够使DMC-16在DSG上处理独立的硬件诊断。DMC-16通过存储器的接口下载TMS320的代码和数据，选择的内存有利于把SC总线寻址要求减少为8K字节（8192）。为了通过分时数据总线TSD(Time-shared Data)与其他卡直接互连，DSG(Digital Signal Generator)拥有两个额外的输入/输出端口。这两个端口根据输出或者输入是可编程的，这个TSD(Time-shared Data)总线连接输入和输出的端口。

数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）卡被用作为一个噪声发生器或者一个信号混合器，如果它作为一个混合器的用途，那么它就通过一个INFIFO和OUT-FIFO连接到TSD(Timeshared Data)总线上。如果这个DSP(Digital Signal Processor)作为一个撞击声或者噪声的发生器，那么只通过OUT-FIFO连接到TSD(Time-shared Data)总线上。在这个或其他更多的方面，DSP(Digital Signal Processor)卡与DSG(Digital Signal Generator)卡是相类似的。主要的不同点是DSP(Digital Signal Processor)卡没有WAVEGEN（Wave Generator）；在DSP(Digital Signal Processor)上，这一点被数字滤波器和其他电路代替了。

D A C（D i g i t a l-t o-A n a l o g Converter）卡通过一根至P3端的电缆连接到TSD（Time-Shared Data ）总线，因此这个卡能够使DSG (Digital Signal Generator)卡和DSP (Digital Signal Processor)卡隔离开，并且视为一个独立的数模转换卡。这个卡能够把16位的数字输入数据转换为能够带动一个双功率放大器的模拟信号。这个输入数据也必须包括RESET,CYCLE和RDY信号。当DAC（Digital-to-Analog Converter）卡能够运行SC总线的数据时，它必须已经知道在通道寄存器设定的4位通道数。然后16位的寄存器会收集TSD（Time-Shared Data）总线正常工作时提供的数据，伴随着控制板载插槽柜台的CYCLE和RESET信号。DAC（Digital-to-Analog Converter）卡也包括着两个SC总线的数据写入或读出可寻址的间隔定时器，这定时器是用于控制任何声音接受的期间。