基于ARM 技术的机场电台自动校波装置设计

张 琪，田华明，郭维波

（海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041）

0 引言

电台校波是机场一项必备、常规性的飞行准备工作，通过电台的实际通话来检验电台之间的通信效果，排除电磁干扰、设备故障等影响信号质量的因素，确保对空指挥通信的质量。当前，电台飞行校波工作仍采用人工校波的方式，按照规定的程序，双方通过喊话和收听的方式来判断话音的质量。人工校波方式存在校波时间长、喊话话音不标准、对话音质量判断标准不明确等问题，质效比较低。因此，解决当前人工校波的不足，研制电台自动校波装置，能够有效提高校波效率和质量，提高飞行保障的智能化水平。

1 系统设计

本系统采用基于ARM 的电台自动校波设计，基本思想是通过自动校波装置，实现与两部电台之间信号的传输，控制电台波道转换、收发交替、标准音频信号产生、音频信号质量分析[1]、结果记录存储并外接键盘和显示屏，从而完成自动校波功能。

1.1 总体结构设计

飞行前的电台校波是在不同指挥塔电台之间或指挥塔电台与机载电台之间进行的，涉及两部或电台联网系统中的多部电台。现以不同指挥塔两部电台之间的校波为例进行系统设计，电台自动校波装置的结构模型如图1 所示。

图1 电台自动校波装置的结构模型

图1 中，电台A、电台B 是两个指挥塔中需要校波的电台，能够进行话音信号的收发通信。ARM板作为中控单元，使两路音频信号通过两个不同串口和电台控制线，完成电台自动校波装置与两部电台之间信号的传输，并控制波道转换、收发转换、标准音频信号产生、音频信号质量分析评估以及人机交互等单元的工作，按照校波的流程实现相应功能，输出并显示校波的结果[2]。

1.2 各部分功能设计

电台自动校波装置的功能包括以下4 个方面。

1.2.1 产生标准音频信号

为了提高校波中音频判决的准确性，需要一个标准的音频信号作为客观语音质量评估的基准。本装置的设计中，由ARM 板的STM32F3 产生一个1 000 Hz 的方波信号，通过外接滤波电路滤除谐波，形成幅度为15 mV、频率为1 000 Hz 的标准正弦信号，来模拟校波中的调制音频信号。由于此正弦信号为单音信号，频谱纯净，便于判决。此音频信号由固定串口的控制线传输至发射电台进行调制发射，并作为标准音频与电台接收到的音频进行比对[3]，作为校波质量判断的依据。

1.2.2 收发交替控制

电台校波的过程较为复杂，需检验多部电台在不同工作参数、不同收发状态时的通话质量。如图1 所示，既要检验电台A 发射和电台B 接收时的话音质量，也要检验电台B 发射和电台A 接收时的话音质量。因此，自动校波装置要完成两部甚至多部电台之间的收发转换，提高校波的自动化程度。

1.2.3 自动波道转换

通常，电台工作时有多个波道，校波是按照电台预设的波道逐一完成，装置需要具备按照校波程序进行波道自动转换的功能，不需要电台工作人员的操作。

1.2.4 音频质量分析与评定

语音质量评价方法按照评价主体可分为主观评价和客观评价两大类。目前电台校波主要采用主观评定，即以人工平均主观打分（Mean Opinion Score，MOS）来度量，分为优、良、中、差、劣5级，分值分别为5，4，3，2，1，来评价校波的质量。本方案采用语音质量感知评估（Perceptual Evaluation of Speech Quality，PESQ）客观评定方式，对收发的音频信号在时域和频域上研究合理的算法，对音频信号的频谱、失真度、信噪比等参数进行分析，得出评估结果，更能反映电台的通话质量。

2 系统工作过程

自动校波装置的工作过程是按照机场校波规定的流程实施的，如图2 所示。

图2 自动校波系统的工作流程图

当操作人员按下自动校波装置的“开始校波”键后，自动校波装置首先对两电台的状态进行检查，判断是否可以开始校波。若不符合条件，则需操作人员重新检查电台，进行调整及处理；若电台状态正常，自动校波装置随即发起校波。需操作人员传送电台列表、波道等参数给自动校波装置。自动校波装置记录两电台原有参数后，将两电台调至校波指定参数，然后控制发射电台发射带有标准音频信号调制的射频信号，接收电台接收该射频信号并解调出音频信号同时送回给自动校波装置。自动校波装置将接收到的音频信号进行分析，与此前发射的标准音频信号对比，进行分析评估。若在某个波道参数校波时，第一次接收音频质量差（MOS分值约为1 和2），则还可再进行一次发射和接收。最终得出符合要求的音频信号质量评估结果并返回，在显示屏上显示校波进程及校波结果，然后恢复两电台原有参数。整个过程是在ARM 的控制下自动完成的。

3 系统关键技术

为了提高校波的准确性和校波装置工作的稳定性，校波装置在设计中采用多项新技术。

3.1 PESQ 语音质量评估方法

PESQ 是主观语音质量评估算法，其基本思想是将失真语音信号与一个标准音频信号进行比较，得出一个差异值。这种差异值充分考虑了人耳听觉特性，并很好契合MOS 五级打分评定标准，符合机场校波的质量要求。本方案采用PESQ 算法的流程如图3 所示。

图3 PESQ 算法原理框图

设计系统时，首先将ARM 板中产生的标准音频信号作为参考，对接收的待评估音频信号的电平进行调整，使之符合电平判决的要求，再输入滤波器进行滤波。通过时间上对齐均衡处理，获得系统增益和滤波的补偿和均衡[4]。对变换后的两路信号进行扰动处理，信号之间的差值即为干扰度。当信号之间差异较大，扰动处理时出现超出预设区间的情况，统称为坏区间，就需要重新对坏区间进行对齐[5]。最后，通过对认知模型处理，在时域和频域上累计得出PESQ 分值，并与MOS 值进行映射，从而得出校波的音频信号质量。

3.2 认知模型的设计

PESQ 模型采用认知模型来实现音频效果的对比，整个过程分为干扰密度计算、非对称处理、干扰度、坏区间的重对齐、干扰度的时域平衡以及客观得分计算共六个步骤[6]。

（1）干扰密度计算。首先计算两信号的声强响度密度差，当差值为正，说明接收的音频信号中含有杂音或噪声分量；当差值为负，说明接收音频信号因波形不完整损失一些分量，此差值即原始干扰密度。

（2）非对称处理。规定非对称因子为标准音频参考信号和接收音频信号的Bark 谱密度比值的1.2次幂，若非对称因子小于3，则定0；若非对称因子大于12，则定为12。干扰密度乘以非对称因子，即得到接收音频信号的非对称干扰密度。

（3）干扰度。对非对称干扰密度和干扰密度在Bark 域中取加权平均，得到非对称帧干扰度和帧干扰度。

（4）坏区间的重对齐。PESQ 算法将干扰度超过设定阈值的帧称作坏帧，把干扰度超过阈值的连续帧区间称为坏区间，并对其进行重对齐处理。重新对坏区间内标准音频参考信号和接收信号进行最大互相关的计算，得到新的非对称干扰度和新的对称干扰度。

（5）干扰度的时域平衡。帧非对称干扰度和帧干扰度的时域平衡通常分两级实现，即求话音持续时间内的干扰总计和瞬态间隔内的干扰总计，分别使用低阶范数和高阶范数进行计算，得到平均非对称干扰度和平均对称干扰度。

（6）计算客观得分。PESQ 语音质量评估算法客观评价分值（MOS 分值），是平均非对称干扰度和平均对称干扰度的线性组合[7]，其计算如式（1）所示。

式中：dSYM表示平均对称干扰度，dASYM表示非平均对称干扰度。

3.3 标准音频信号产生

STM32F3/L4/F7/H7 等系列的定时器都具备非对称脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）输出模式或组合输出模式。要产生1 kHz、15 mV 的电台标准音频信号，可使用PWM 产生一定频率的方波信号，根据方波具体的VCC 幅值，调节原件参数进行固定比例的降幅处理，再通过低通滤波器转换为正弦波信号，从而得到所需的标准音频。有源低通滤波电路设计及仿真如图4 所示。

图4 有源低通滤波仿真电路

由上述仿真结果可见：PWM 输出3.3 V 的方波信号，经过图4 中由100 Ω 电阻和1.6 μF 电容组成的滤波电路后，产生正弦波。再经过1.1 kΩ、2.5 Ω 电阻组成的分压电路和隔离放大电路后，即可生成1 kHz、15 mV 的音频信号，如图5 所示，此信号作为校波中的标准音频，进行校波中音频质量的判决。

图5 仿真电路最终输出信号波形

3.4 CRC 校验设计

机场电台自动校波装置功能的实现，是建立在充分分析并实现电台通信协议的基础上的。在图1 的总体结构模型中，ARM 中控单元通过RS-232/RS-485/RS-422 等串口与电台收发信机互联，进行波道转换、收发控制、波道参数设置等信息的交换。

基于电台通信协议，且考虑到系统对数据通信的稳定性、实时性要求，避免通信数据传输过程中出错，本方案采用循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）技术。CRC 码由两部分组成，前部一分是信息码，后一部分是校验码。如果CRC 码长共nbit，信息码长kbit，就称为（n，k）码，剩余的（n-k）bit 即为校验位。在本方案设计中，1 位起始位，8 位数据位，1 位停止位，用简单的帧封装结构，加入校验字节，执行过程比较快，有利于收发、波道等信息的快速切换。控制信号的具体封装格式如表1 所示。

表1 发送数据的帧格式

4 结语

本文所设计的电台自动校波装置基于ARM 控制技术，实现了多部电台之间、多个波道之间的收发转换，按照实际的校波流程实施自动校波，减少了飞行准备时间，降低了人工校波的烦琐性，提高了飞行校波的效率。在设计过程中，通过采用基准音频信号、PESQ 语音质量评估、认知模型设计以及CRC 编码校验等技术，提高了校波过程的客观性、准确性。通过这种校波技术，还可以为多部联网超短波电台、短波电台以及民用电台进行联网校波。电台自动校波装置具有效率高、标准明确等特性，可以充分满足民用和军用通信对电台通信质量检验的需要。