直升机机载音频系统

2019-02-16戴银芳

设备管理与维修 2019年4期

戴银芳

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333000）

0 引言

机载音频系统主要用于直升机与外部的话音通信、机内成员间话音通信、以及接收各种导航音和告警音，是直升机飞行员获取信息的重要手段。在传统直升机上，机载音频系统采用模拟音频信号传输和处理，其特点是扩展能力差、集成度低，在面对通信时出现的噪声、啸叫等问题，缺乏必要的处理手段。随着集成电路以及数字音频处理技术的发展，直升机通信要求也在不断提高，机载音频系统的有效性、响应速度以及可靠性等都直接影响直升机的性能和飞行安全，因此直升机机载音频系统的技术也亟待发展。

1 机载音频系统的现状及特点

1.1 现状

机载音频系统按信号传输类型可分为模拟音频系统和数字音频系统。

模拟技术曾经是音频处理和传输的主流手段，而数字信号处理技术的产生和发展，音频处理和传输也开始了数字化的演变。模拟音频系统的电路设计中采用和传输的信号是模拟音频信号，其功能完全通过硬件电路来实现。虽然它在时间上的连续性是数字音频系统无法比拟的，但所设计的产品一旦形成后，就再难以更改和扩展，更谈不上集成。

数字音频系统因其灵活性好、便于扩展更改和便于集成等的优点，已在直升机上得到用户的认可并逐渐取代模拟音频系统。同时，音频信号识别等新兴技术的发展，也推动着数字音频系统的成熟，所以机载数字音频系统的应用成为必然发展趋势。

然而，目前国内直升机上的数字音频系统存在成本高、干扰大、可靠性不高，且参数不易修改，产品不易升级等等问题。随着机载数字音频系统在直升机的应用，延时、失真和噪声等成为使用中最常反映的问题。耳机和机载数字音频系统的指标匹配也多次出现问题，还有耳机插座的插拔困难和松脱问题。系统交联设备接口一旦发生改变，带来的便是产品的改型和面板的重新设计。这样，供应商将大量的时间耗费在产品的改型研制上，相应的用于提升产品性能的精力却少之又少。英国Cobham公司早期研制的ACP51和ACP53系列货架产品已在国内某型直升机上应用，使用前可通过软件配置接口参数，可适配不同参数的电台和耳机等，面板刻字标签也可取下直接更换，等等设计理念非常值得借鉴。所以，当前国内亟需设计一款通用化的音频效果较好的机载音频系统。

1.2 特点

机载音频系统作为直升机上音频信号处理的核心部件。语音信号是该系统的重要传输内容，它在时间连续性方面的要求非常高。因为语音信号的延迟，会带来话音的不连续，甚至会有回声效果，这都会严重破坏音质。语音信号不仅仅是声音的载体，同时还携带了情感，所以对语音信号的处理，不仅是信号处理问题，还应抽取语意等其他信息。由此会涉及到语言学、社会学、声学等其他学科。所以，处理语音信号时需要多方面考虑，如若处理不当的话，则可能会带来延时、回音、失真等。

机载音频系统与直升机上通信设备、导航设备、告警设备和耳机等多个设备交联。其交联设备输入输出的电平和阻抗的匹配非常关键，假如其基准电平的选值不合理或者两端不匹配，则对系统工作电平会产生较大影响，甚至会减小信噪比、增大失真，相应的系统性能也会随之变差。

直升机上电磁环境较为复杂，机载音频系统属于敏感系统，因而常被电磁干扰问题困扰。干扰方式诸如电源传导干扰、线间耦合干扰、空间辐射干扰、静电干扰等，由此带来噪声和音频信号失真。噪声和失真对音质的影响极大。除此之外，产品内部部件或器件的缺陷，过载、自激、声反馈等处理上的不当或电源供电电压的不稳定等外界条件的影响也会引起失真。削波失真、谐波失真和互调失真等各种失真都会产生一些不谐和的附加声音，进而引起声音混浊、发毛、发炸和发破等。

综上，机载音频系统具有交联设备多、音频信号多、容易受干扰等特点。音频信号的时延、信噪比和保真度等都是机载音频控制系统的重要性能。如何在系统设计时提升这些性能指标，是产品设计时考虑的重中之重。

2 机载音频系统技术分析

2.1 系统的定义

机载音频系统是直升机音频信号处理中心，其功能是接收机组成员话筒、无线电通信导航设备、告警设备等的音频信号；另外，输出音频信号给机组成员耳机和供直升机无线电通信设备发送出去。

（1）系统配置。一般情况下，机载音频系统在直升机上的配置：一个音频处理管理部件、多个音频控制部件，多个耳机插座及耳机，另可为驾驶员配置头盔及氧气面罩话筒。按用户使用需求，可为前舱和后舱配置不同的音频控制部件。因直升机上可谓重量惜金，找到系统的配置、可靠度、使用需求和重量等之间的平衡点非常关键。

（2）位置布局。基于可操作性考虑，控制面板和耳机应布置在用户较便利的区域。例如，某民用直升机上耳机插座最初布置在驾驶员后方，参考国外直升机及国内其他机型的布置，更改至驾驶舱顶部；耳机挂架也由驾驶员后方更改至其侧上方。可见更改后的设计更具人性化。

2.2 系统的重要技术

（1）总线传输技术。在航空电子系统中，能够提供高速、可靠、实时的通信是机载数据总线最基本的要求。为了保证直升机飞行中大容量数据的正常传输，解决机载数据总线的带宽和传输能力的问题已经迫在眉睫，必然推动着机载数据总线不断发展。目前国内直升机上机载数字音频系统信号传输大都是采用RS485总线技术，采用更先进的总线技术将会是机载数字音频系统的应用趋势。而总线的发展也必然会有助于提高机载数字音频系统的传输速率和保真度等性能。

（2）语音处理技术。在直升机话音通信的过程中，其信号不可避免地会掺杂着来自周围环境和传输介质带来的噪声。语音处理技术的目的是尽可能地削弱背景噪声、提高信噪比，并且尽可能的得到和原始信号基本一致的语音信号，使得话音通信的清晰度、可懂度以及舒适度提高，这样获得的话音效果将更加准确。常用的语音信号处理技术还有语音端点检测算法、自适应噪声抑制算法、自动增益控制、舒适背景噪声算法等等。为此通过在系统前端加入语音处理环节，进行去噪预处理，可增强系统的抗干扰能力，使得系统能够直升机这样高噪声环境下也能够正常工作。

（3）话音采集技术。话音采集技术是由Steinberg公司在1997年提出的一种音频技术规范。在ASIO规范中，设置机载数字音频数据的缓冲区大小非常关键，直接影响到音频数据处理的时延，同时也影响到系统的稳定性，却是逆向影响。所以设计时必须找到一个平衡点，才能保证在机载数字音频系统稳定的基础上获得最低的延迟效果，这也是需要一个不断摸索的过程。

（4）A/D和D/A转换。因为音频信号是一种连续的模拟信号，数字音频系统必须对信号进行A/D转换，这个过程实际上就是对信号的采样和量化。根据傅立叶定理推理得出，只要能够在音频信号上等间隔地拾取足够多的“点”，就可以更为逼真地模拟出真实准确的音频。这个“取点”的过程就称为“采样”，采样精度越高（“取点”越多）数字声音越逼真。其中信号幅度（电压值）方向采样精度称之为“采样位数”，时间方向的采样精度称为“采样频率”。所以，采样频率和采样位数越高，就能获得更接近原声的音质，声音的保真度也就越高，也能降低数字音频系统的底噪。国内机载数字音频系统采样频率和采样位数的水平很大程度上受元器件国产化的限制，同时也有赖于软件设计能力的提升。目前直升机上该系统大都采用的是8位编解码技术，这样的采样位数对声音的保真度和系统的底噪的提高都是不利的，所以其他学科领域的研究也将有助于推动机载音频系统的发展。A/D转换完成后，需要将数字信号还原成音频信号，这便是D/A转换。

（5）混音技术。混音技术是解决机载音频系统需要播放多路语音的需求。混音可分为硬件混音和软件混音。对于机载音频系统来说，一般自听音的混音通过系统硬件混音的方式实现；而导航音、告警音、机内通话和机外通话的混音则采用软件混音的方式实现。混音技术也很关键，如若处理的不好，可能会出现失真、语音爆破和不连续，引入噪声等情况。

（6）降噪技术。机载音频系统传输语音的同时很容易伴随着噪声，噪声的存在会严重影响机载音频系统的性能，使人耳舒适度急剧下降，严重时甚至让人无法获得有用的信号。所以，降噪技术对机载音频系统的处理是非常重要的。为了削弱一部分噪声，系统软件设计中通过设置一个阈值电平，仅让高于阈值电平的信号通过，这样能有效地消除间歇式的背景底噪，而对原始声音无破坏，这种方法称之为噪声门。缺点是当人声出来的同时，噪声门打开，噪声信号也就跟着进来。当然，单一频率或带宽窄的杂声可利用滤波器来消除，但这样的降噪算法可能会影响音质，因此设计产品时应根据杂声的频率特性选择功能不同的滤波器来消除噪声，如高通滤波器或低通滤波器等。事实上直升机上环境是复杂而多变的，在应用中应针对具体情况采用相应的降噪方法，使噪声尽可能得到抑制以提高信噪比。

机载音频系统为了达到更好的使用性能，在系统设计中采用的技术并不是单一的，而是多种技术的融合。国内的机载数字音频系统的处理技术还有很多不足，还有很长的路需要走。应加深对系统涉及到的每一项技术的研究和进行新技术的探索，来解决目前机载音频系统面临的问题。随着直升机的发展和机载数字音频系统的应用，更多的生产商愿意加入到研究机载数字音频系统的队伍中来。而与此同时，用户提出了很多的应用问题，这些宝贵的意见建议提供了探索和改进的方向。