民用飞机QACVR设备测试方法与分析*
2020-12-16杨启帆刘少龙李文衡
杨启帆，刘少龙，李文衡
(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)
0 引言
为了更好地提升民用飞机飞行安全，驾驶舱语音信息回放愈发成为日常飞行不安全事件调查的方法之一，同时为了规范机组通话，无论是民航安全管理部门还是航空公司越发需要一种记录语音信息与CVR相同，但记录时间更长、数据读取方便的辅助记录驾驶舱语音的机载设备，因此QACVR应运而生。QACVR记录的音频数据特性也直接影响到民航安全管理部门和航空公司对记录音频的调查和分析。
为了使QACVR设备满足欧洲民用航空设备组织(European Organization for CivilAviation Equipment)制定的EUROCAE ED-112A[1]《抗坠毁的机载记录系统最低工作性能要求》标准。需要对QACVR设备的4路音频通道进行通道串扰、频率响应、总谐波失真、信噪比性能进行测试。
1 音频指标解析
在对QACVR设备进行音频信号定量测量时，如何正确理解这些指标，对于正确测量QACVR设备具有现实意义[2,3]。
1.1 通道串扰
通道串扰是指音频信号在一路通道上传输时，因电磁耦合而对相邻通道产生不期望的影响。串扰形成的根源在于耦合，由于QACVR设备是多音频通道采集设备，印制板走线、电缆、连接器插针等导体之间通过电场与磁场发生耦合，把一部分能量传递到相邻的导体上，进而形成干扰噪声。
1.2 频率响应
频率响应[4]在一定的频带内，在音频输入电平保持不变时，音频输出电平与频率之间的关系。理想的频率响应曲线是一条与频率轴平行的直线，也就是说在音频设备工作的频带范围内，放大倍数的幅值与频率无关。
1.3 总谐波失真
一个理想的正弦信号仅有一个频率，而在实际中由于设备元器件的非线性改变了输入信号，当单正弦信号通过设备后会产生谐波失真，失真的频率是输入单正弦信号的倍数。THD测量的是全部失真的总和，该值统计了信号中所有外来谐波能量。
IEEE[5]定义了总谐波失真标准，其计算公式为:
(1)
其中,P1为输入基波频率分量的幅值，Pn为第n个谐波分量的幅值。
1.4 信噪比
信噪比描述了在一定输入信号电平下，音频设备的输出噪声的量级。在实际应用中，由于音频输出信号非常强，噪声根本听不见，但是当音频输出信号非常小时，那么噪声就会对信号产生不良的影响。信噪比用来表征音频输出信号和噪声之间的相对强度。
2 测试过程
2.1 测试环境搭建
本文以信息管理系统中的音频数据采集模块(Audio Collection Module，ACM)为例，通过搭建实验环境，对该模块的4路音频通道进行详细的测试与分析，测试环境如图1所示。ACM模块测试采用专业的音频发生/分析仪Agilent U8903A，配合音频分析软件Audacity，完成音频信号的采集和分析[6,7]。
图1 测试环境示意图
ACM模块以飞思卡尔公司的IMX6作为CPU，采用cirrus logic公司出品的音频编、解码专用芯片CS42888作为音频文件的解码芯片，该模块主要用于采集并记录来自飞机音频系统的4路语音信息，同时完成音频数据的压缩、加密、存储等子功能，有效满足了新一代涡桨支线客机快速存取驾驶舱语音记录功能。
2.2 测试方法
2.2.1 通道串扰
将音频发生/分析仪输出连接至ACM的任一通道，其它通道悬空，设置输出频率为1kHz的正弦信号，调整输出为参考信号电平，记录1分钟(根据系统要求，4路音频中三路为单端输入，参考电平为5.3VRMS，另一路为差分输入，参考电平为8.48Vpp(3VRMS))。回放记录音频信息到音频发生/分析仪，记录3个通道1 kHz频域信号的幅值。其它音频通道重复以上测试程序。本测试仅针对三路单端输入进行分析。
通过音频发生/分析仪分析结果如表1所示。
表1 通道串扰测试结果
由所示任意两个通道回放信号电平的差异均大于40dB，满足ED-112A第I-3.2.7章节要求。
2.2.2 频率响应
将音频发生/分析仪输出连接至ACM的任一通道，调整输出为参考信号电平的一半，以速率不超过0.1倍频/秒的速度扫频，对于单端输入，扫频范围为150Hz～3.5kHz，扫频点至少为46个点，本测试使用50个点；对于差分输入，扫频范围为150Hz～6kHz，扫频点至少为54个点，本测试使用60个点。针对频率响应的测试，ACM模块需要配置成边采集边回放模式，回放的音频信息到音频发生/分析仪。其它音频通道重复以上测试程序。
单端第一通道和差分通道的频率响应测试结果如图2所示。
图2 道频率响应测试结果
由图2所示，单端第一通道和差分通道在其扫频范围内，ACM模块采集和回放频率保持一致，同时通道回放信号电平变化不超过6dB，满足ED-112A第I-3.2.3章节要求。
2.2.3 信噪比
将音频发生/分析仪输出连接至ACM的任一通道，其它通道悬空，设置输出频率为1 kHz的正弦信号，调整输出为参考信号电平，记录1分钟。回放记录音频信息到音频发生/分析仪，记录1 kHz频域信号的幅值。断开音频发生/分析仪输出，记录1 kHz频域信号的幅值。其它音频通道重复以上测试程序。测试结果如表2所示。
表2 信噪比测试结果
由所示每个通道的信号/无信号值均大于48dB，满足ED-112A第I-3.2.5章节要求。
2.2.4 THD
将音频发生/分析仪输出连接至ACM的任一通道，其它通道悬空，调整输出以5dB步进从参考电平调节至-20dB，以1/3倍频程速度扫频。记录不同输出电平和不同频率下的正弦信号。回放记录音频信息到音频发生/分析仪，此处以单端0dB参考信号和-5dB参考信号为例，记录单端频带各频点的THD值，考虑到10次以上谐波电平很小，对THD基本无影响，因此THD仅考虑10次谐波以内。测试结果如表3所示，1kHz频点下的频谱图如图3所示。
表3 第一通道不同频点下THD测试结果
图3 第一通道1kHz频谱图
由表3所示在0dB参考信号输入条件下，频带内各频点的THD值均大于24dB，满足ED-112A第I-3.2.6章节要求。在以-5dB参考信号输入条件下，频带内各频点的THD值均增加。
通过以上测试可知，在设计ACM采集通道运放前端时，应该尽可能的将音频信号调整到后端音频编、解码专用芯片CS42888输入的有效范围内，根据THD具体要求调整运放反馈电路的设计。
在此测试基础上直接将采集的信号用音频分析软件Audacity进行频谱分析，通过公式(1)计算出THD为25.73dB。
通过以上测试可知，ACM模块的播放通道带来的THD失真影响基本可以忽略，主要是采集端音频开关、运放等器件的非线性导致的谐波失真。
2.3 设计约束
针对不同的QACVR设备[8]，在实际应用中，需要考虑音频前端运放的闭环增益设计以及音频编、解码专用芯片工作特性以及QACVR设备的实际安装环境等因素。从器件选型、PCB设计、屏蔽等方面进一步提高QACVR设备的音频指标。
在PCB叠层设计阶段，明确采样源端设备的输出阻抗，通过仿真计算合适的线宽和端接等方法尽可能的保持阻抗匹配。
在PCB布线设计阶段，必需要考虑各音频通道之间的布线间隔，在布线空间允许的条件下，增加布线间隔能显著减少串扰。采用微带线布线要明显优于带状线。尽可能最小化平行走线长度，条件允许最好能把相互间产生影响的传输线在不同层间走线，而且相邻两层之间采用垂直的方式布线。
对于安装环境干扰严重的设备，在制作电缆屏蔽时，需要增加对各音频通道的屏蔽连接。
3 结论
随着国产民用飞机的发展，QACVR设备从根本上改变了驾驶舱语音监控的性质，极大地提升了飞行的安全性能。本文以ED-112A标准第I-3.2为基础，对ACM模块进行实际测试，测试数据表明按照上述试验测试方法，完全能够达到中国民用航空对QACVR的音频采集要求，同时有助于民航管理部门和各家航空公司以有效和具体的测试结果评价QACVR设备的性能。
