Dante 技术在飞行训练模拟器上的应用
2023-07-25王建普吴慧钦杨宛璐
王建普，吴慧钦，杨宛璐，王 云
（航空工业洪都，江西 南昌，330024）
0 引言
飞行训练模拟器是用于训练飞行员的重要装备，具备安全、不受气象条件影响、训练成本低等优点。声音模拟分系统模拟飞行过程中的各种声音效果，包括座舱环境噪音、提示告警音，模拟前/后舱飞行人员和教员之间的语音通话，是飞行模拟器不可缺少的组成部分。
随着飞行员训练任务要求的提高，迫切需要多台模拟器联网实现编队飞行、战术协同和战术对抗等模拟训练。联网语音通讯则是模拟器联网中非常重要的一个方面，它是保证多台模拟器共同训练过程中指挥命令能够顺利传达的基础，是联网训练任务能够正常进行的前提保障[1]。
本文以某型飞行训练模拟器为例，使用Dante 数字音频技术设计声音模拟分系统，使它具备低延时、高精度、布线简单等优点，同时能更好地满足模拟器联网训练的需求。
1 设计与实现
传统的音频系统使用的是模拟音频信号，系统构建中使用大量的音频线缆，布线复杂，远距离传输会产生阻抗、衰减、干扰等问题[2]。同时，传统矩阵通道数量有限，无法满足日益增长的需求。而使用Dante协议构建的数字音频系统摒弃了传统的模拟音频线缆布线，数字音频信号使用以太网线传送，能保持信号的准确还原。
1.1 原理
声音模拟分系统通过接收飞机状态参数，实时生成环境噪音、告警语音及提示音信号，与前/后舱、教员控制台处的语音信号经由Dante 协议的数字音频信号网络分别输入至混音设备。音频信号经分配后，环境噪音由座舱音箱输出，告警语音、提示音信号和语音信号输出至前/后舱耳麦、教员控制台处音箱和耳麦，告警语音和提示音也可选择由座舱音箱输出。同时混音设备预留接口，可接入其他模拟器的Dante 协议的语音信号，实现多台模拟器联网语音通讯功能。
1.2 硬件设计
声音模拟分系统的硬件主要包括音频控制计算机、音频矩阵、音频接口盒、音频网络交换机、功率放大器、耳麦、送话器、音箱等设备。硬件连接关系如图1 所示。音频网络交换机选用千兆以太网交换机，耳麦选用航材耳麦，送话器、功率放大器、音箱等采用商用成品。
图1 声音模拟分系统连接关系
音频控制计算机和音频矩阵等设备通过音频网络交换机接入同一局域网内，组建Dante 协议的内部数字音频信号网络。同时连接其他模拟器的音频网络交换机，实现同其他模拟器声音联网功能。教员台送话器、音箱、耳麦和飞行员耳麦等设备通过音频接口盒接入Dante 网络，座舱音箱通过音频线连接至功率放大器的输出接口。
通过运行在音频控制计算机上的Dante controller 软件可以查看网络上所有启动了Dante 的音频设备及其通道，在设备之间进行音频路径布线，并查看现有的音频路径布线状态。
1.2.1 Dante 虚拟声卡
音频控制计算机实时生成的音频信号通过Dante 虚拟声卡输出，Dante 虚拟声卡可以使计算机通过网线建立音频传输通道，无需其他硬件设备。Dante 虚拟声卡具有良好的兼容性，声音模拟软件可以像使用普通声卡一样使用Dante 虚拟声卡[3]。
1.2.2 音频矩阵
混音设备选用数字化音频矩阵，可提供32*32 通道输入、输出音频处理功能，将输入的Dante 协议数字音频信号经过混音后，传输至各Dante 音频设备。音频矩阵配置如下：
输入输出音频流：32*32；
音量及混音分量增益范围：-84dB 至+12dB,对应控制数据0x0 至0xffff。
1.2.3 音频接口盒
音频接口盒具有模拟输入和输出接口，将输入的模拟音频信号转换为Dante 协议数字音频信号后，通过网络传输至其他dante 音频设备，同时将网络上传入的Dante 协议数字音频信号转换为模拟音频信号输出。通过音频接口盒可以使音箱、耳麦等不具备Dante 功能的音频设备接入Dante 网络。音频接口盒配置如下：
网络数字音频接口：RJ45*1；
输入输出音频流：4*4；
音量及混音分量增益范围：-84dB 至+12dB,对应控制数据0x0 至0xffff。
1.3 软件设计
主要包含声音模拟软件设计。
声音模拟软件主要实现系统初始化功能、网络通讯功能、声音实时播放功能和用户界面管理功能。声音模拟软件运行在音频控制计算机上，运行环境如下：
操作系统：Windows 7；
运行环境：Microsoft .Net 3.5；
开发语言：标准C/C++语言；
开发工具：Microsoft Visual Studio 2010；
开发环境：DirectX SDK （June 2010）、jrtplib 库、audiomatrix 库。
1.3.1 系统初始化功能
用于创建用户界面，根据读取的配置文件信息，配置虚拟声卡通道输出，并创建网络连接。子功能及功能描述如下：
用户界面初始化：创建用户界面的各MFC 控件，将控件关联其显示或设置的数据，创建用户界面定时器，设定周期，用于刷新显示数据；
配置文件读取：读取配置文件，获取所有网络和虚拟声卡的配置信息，网络配置信息包括本地IP、本地端口、目标IP、目标端口等，虚拟声卡配置信息包括环境噪音、告警语音及提示音信号输出的虚拟声卡通道ID；
网络通讯初始化：检测本地连接状态，在本地已连接状态下，根据网络配置信息创建并初始化与飞机仿真软件及音频矩阵的UDP 网络连接；
枚举虚拟声卡通道：创建播放引擎，根据虚拟声卡配置信息，将所有环境噪音、告警语音及提示音信号分配至对应虚拟声卡通道中，实现不同通道输出不同声音。
1.3.2 网络通讯功能
用于创建与飞机仿真软件及音频矩阵的UDP 点对点通讯任务，实现仿真数据接收及矩阵通道控制字发送功能。 子功能及功能描述如下：
点对点通讯功能： 提供UDP 点对点通讯网络连接、数据发送及接收功能；
飞机仿真数据接收任务：为接收数据端口创建独立的接收任务，采用阻塞接收模式接收飞机仿真系统发送的数据；
矩阵通道控制字发送任务：为发送数据端口创建独立的发送任务，将封装的数据按周期发送至音频矩阵。
1.3.3 声音实时播放功能
用于创建声音播放任务，实现环境噪音、告警语音及提示音信号播放，以及话音通讯功能。子功能及功能描述如下：
创建声音播放任务：创建声音播放任务，设定仿真周期，实现实时播放环境噪音、告警语音及提示音信号以及话音通讯功能；
环境噪音播放：根据飞机当前飞行状态，调整音源库声音素材的频率和音量，合成环境噪音音频信号，驱动座舱音箱实现环境噪音声音效果模拟；
告警语音播放：根据飞机告警信号和告警等级，进行语音告警信号排序，并按飞机告警逻辑从音源库调用对应语音告警声音文件，生成音频信号，实现语音告警声音效果模拟；
提示音信号播放：根据飞机当前飞行状态，从音源库调用对应提示音声音文件，生成音频信号，实现提示音信号声音效果模拟；
话音通讯功能：根据用户界面设置的矩阵通道，判断前/后舱飞行员之间、与教员之间的语音通讯通断，同时通过接收座舱机内通话控制盒对超收调节的音量，控制语音通讯音量。
1.3.4 用户界面管理功能
通过可视化界面实现对网络及虚拟声卡配置的修改保存功能，对数据收发状态、播放信息的监控功能，以及对音频矩阵通道通断、音量控制功能。子功能及功能描述如下：
配置信息修改：接收用户在界面操作中对网络及声卡配置的修改保存指令，更新配置文件；
播放信息监控：实时更新界面中显示的网络数据收发状态及声音播放信息；
矩阵通道设置：在用户界面上可控制矩阵32 路音频输入、32 路音频输出的关系，并设置音频输出音量，在响应函数中获取操作信息，更新发送任务中的封装数据。
2 优点分析
Dante 技术的数字音频系统相比传统音频系统具备以下优势：
布线简单：Dante 技术是以IP 数据结构在以太网中传递实时音频信号的技术，允许在一条以太网线上同时发送和接收许多的音频通道，避免了传统模拟音频系统中大量的音频线缆布线；
抗干扰性好：传统的音频系统中，模拟音频信号通过音频线缆传输会产生阻抗、衰减、干扰等问题，Dante 采用无压缩的数字音频传输，不必担心与其他电器设备的干扰、线缆之间的串扰，或长距离传输信号衰减等问题；
低延时：Dante 具备低延时和严格的同步播放性能，Dante 最低延迟可以达到83.3μs；
具备远距离传输能力：网线有效传输距离不超过100 米，而高质量的音频线有效传输距离不超过50米，远低于网线。
3 结语
使用Dante 数字网络音频技术设计声音模拟分系统架构简单、使用操作简单、易于扩展，可以使音频信号高质量、低延时传输，能为飞行员提供更逼真的声音环境，使模拟器具有更好的训练效果。模拟器联网训练时，使用Dante 技术可以解决音频信号干扰、信号衰减等问题，而且音频通道数量多、传输距离远，能更好地满足多台模拟器声音联网的需求。
