戴銀芳

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

機載音頻系統(tǒng)主要用于直升機與外部的話音通信、機內成員間話音通信、以及接收各種導航音和告警音，是直升機飛行員獲取信息的重要手段。在傳統(tǒng)直升機上，機載音頻系統(tǒng)采用模擬音頻信號傳輸和處理，其特點是擴展能力差、集成度低，在面對通信時出現的噪聲、嘯叫等問題，缺乏必要的處理手段。隨著集成電路以及數字音頻處理技術的發(fā)展，直升機通信要求也在不斷提高，機載音頻系統(tǒng)的有效性、響應速度以及可靠性等都直接影響直升機的性能和飛行安全，因此直升機機載音頻系統(tǒng)的技術也亟待發(fā)展。

1 機載音頻系統(tǒng)的現狀及特點

1.1 現狀

機載音頻系統(tǒng)按信號傳輸類型可分為模擬音頻系統(tǒng)和數字音頻系統(tǒng)。

模擬技術曾經是音頻處理和傳輸的主流手段，而數字信號處理技術的產生和發(fā)展，音頻處理和傳輸也開始了數字化的演變。模擬音頻系統(tǒng)的電路設計中采用和傳輸的信號是模擬音頻信號，其功能完全通過硬件電路來實現。雖然它在時間上的連續(xù)性是數字音頻系統(tǒng)無法比擬的，但所設計的產品一旦形成后，就再難以更改和擴展，更談不上集成。

數字音頻系統(tǒng)因其靈活性好、便于擴展更改和便于集成等的優(yōu)點，已在直升機上得到用戶的認可并逐漸取代模擬音頻系統(tǒng)。同時，音頻信號識別等新興技術的發(fā)展，也推動著數字音頻系統(tǒng)的成熟，所以機載數字音頻系統(tǒng)的應用成為必然發(fā)展趨勢。

然而，目前國內直升機上的數字音頻系統(tǒng)存在成本高、干擾大、可靠性不高，且參數不易修改，產品不易升級等等問題。隨著機載數字音頻系統(tǒng)在直升機的應用，延時、失真和噪聲等成為使用中最常反映的問題。耳機和機載數字音頻系統(tǒng)的指標匹配也多次出現問題，還有耳機插座的插拔困難和松脫問題。系統(tǒng)交聯設備接口一旦發(fā)生改變，帶來的便是產品的改型和面板的重新設計。這樣，供應商將大量的時間耗費在產品的改型研制上，相應的用于提升產品性能的精力卻少之又少。英國Cobham公司早期研制的ACP51和ACP53系列貨架產品已在國內某型直升機上應用，使用前可通過軟件配置接口參數，可適配不同參數的電臺和耳機等，面板刻字標簽也可取下直接更換，等等設計理念非常值得借鑒。所以，當前國內亟需設計一款通用化的音頻效果較好的機載音頻系統(tǒng)。

1.2 特點

機載音頻系統(tǒng)作為直升機上音頻信號處理的核心部件。語音信號是該系統(tǒng)的重要傳輸內容，它在時間連續(xù)性方面的要求非常高。因為語音信號的延遲，會帶來話音的不連續(xù)，甚至會有回聲效果，這都會嚴重破壞音質。語音信號不僅僅是聲音的載體，同時還攜帶了情感，所以對語音信號的處理，不僅是信號處理問題，還應抽取語意等其他信息。由此會涉及到語言學、社會學、聲學等其他學科。所以，處理語音信號時需要多方面考慮，如若處理不當的話，則可能會帶來延時、回音、失真等。

機載音頻系統(tǒng)與直升機上通信設備、導航設備、告警設備和耳機等多個設備交聯。其交聯設備輸入輸出的電平和阻抗的匹配非常關鍵，假如其基準電平的選值不合理或者兩端不匹配，則對系統(tǒng)工作電平會產生較大影響，甚至會減小信噪比、增大失真，相應的系統(tǒng)性能也會隨之變差。

直升機上電磁環(huán)境較為復雜，機載音頻系統(tǒng)屬于敏感系統(tǒng)，因而常被電磁干擾問題困擾。干擾方式諸如電源傳導干擾、線間耦合干擾、空間輻射干擾、靜電干擾等，由此帶來噪聲和音頻信號失真。噪聲和失真對音質的影響極大。除此之外，產品內部部件或器件的缺陷，過載、自激、聲反饋等處理上的不當或電源供電電壓的不穩(wěn)定等外界條件的影響也會引起失真。削波失真、諧波失真和互調失真等各種失真都會產生一些不諧和的附加聲音，進而引起聲音混濁、發(fā)毛、發(fā)炸和發(fā)破等。

綜上，機載音頻系統(tǒng)具有交聯設備多、音頻信號多、容易受干擾等特點。音頻信號的時延、信噪比和保真度等都是機載音頻控制系統(tǒng)的重要性能。如何在系統(tǒng)設計時提升這些性能指標，是產品設計時考慮的重中之重。

2 機載音頻系統(tǒng)技術分析

2.1 系統(tǒng)的定義

機載音頻系統(tǒng)是直升機音頻信號處理中心，其功能是接收機組成員話筒、無線電通信導航設備、告警設備等的音頻信號；另外，輸出音頻信號給機組成員耳機和供直升機無線電通信設備發(fā)送出去。

（1）系統(tǒng)配置。一般情況下，機載音頻系統(tǒng)在直升機上的配置：一個音頻處理管理部件、多個音頻控制部件，多個耳機插座及耳機，另可為駕駛員配置頭盔及氧氣面罩話筒。按用戶使用需求，可為前艙和后艙配置不同的音頻控制部件。因直升機上可謂重量惜金，找到系統(tǒng)的配置、可靠度、使用需求和重量等之間的平衡點非常關鍵。

（2）位置布局?；诳刹僮餍钥紤]，控制面板和耳機應布置在用戶較便利的區(qū)域。例如，某民用直升機上耳機插座最初布置在駕駛員后方，參考國外直升機及國內其他機型的布置，更改至駕駛艙頂部；耳機掛架也由駕駛員后方更改至其側上方?？梢姼暮蟮脑O計更具人性化。

2.2 系統(tǒng)的重要技術

（1）總線傳輸技術。在航空電子系統(tǒng)中，能夠提供高速、可靠、實時的通信是機載數據總線最基本的要求。為了保證直升機飛行中大容量數據的正常傳輸，解決機載數據總線的帶寬和傳輸能力的問題已經迫在眉睫，必然推動著機載數據總線不斷發(fā)展。目前國內直升機上機載數字音頻系統(tǒng)信號傳輸大都是采用RS485總線技術，采用更先進的總線技術將會是機載數字音頻系統(tǒng)的應用趨勢。而總線的發(fā)展也必然會有助于提高機載數字音頻系統(tǒng)的傳輸速率和保真度等性能。

（2）語音處理技術。在直升機話音通信的過程中，其信號不可避免地會摻雜著來自周圍環(huán)境和傳輸介質帶來的噪聲。語音處理技術的目的是盡可能地削弱背景噪聲、提高信噪比，并且盡可能的得到和原始信號基本一致的語音信號，使得話音通信的清晰度、可懂度以及舒適度提高，這樣獲得的話音效果將更加準確。常用的語音信號處理技術還有語音端點檢測算法、自適應噪聲抑制算法、自動增益控制、舒適背景噪聲算法等等。為此通過在系統(tǒng)前端加入語音處理環(huán)節(jié)，進行去噪預處理，可增強系統(tǒng)的抗干擾能力，使得系統(tǒng)能夠直升機這樣高噪聲環(huán)境下也能夠正常工作。

（3）話音采集技術。話音采集技術是由Steinberg公司在1997年提出的一種音頻技術規(guī)范。在ASIO規(guī)范中，設置機載數字音頻數據的緩沖區(qū)大小非常關鍵，直接影響到音頻數據處理的時延，同時也影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，卻是逆向影響。所以設計時必須找到一個平衡點，才能保證在機載數字音頻系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎上獲得最低的延遲效果，這也是需要一個不斷摸索的過程。

（4）A/D和D/A轉換。因為音頻信號是一種連續(xù)的模擬信號，數字音頻系統(tǒng)必須對信號進行A/D轉換，這個過程實際上就是對信號的采樣和量化。根據傅立葉定理推理得出，只要能夠在音頻信號上等間隔地拾取足夠多的“點”，就可以更為逼真地模擬出真實準確的音頻。這個“取點”的過程就稱為“采樣”，采樣精度越高（“取點”越多）數字聲音越逼真。其中信號幅度（電壓值）方向采樣精度稱之為“采樣位數”，時間方向的采樣精度稱為“采樣頻率”。所以，采樣頻率和采樣位數越高，就能獲得更接近原聲的音質，聲音的保真度也就越高，也能降低數字音頻系統(tǒng)的底噪。國內機載數字音頻系統(tǒng)采樣頻率和采樣位數的水平很大程度上受元器件國產化的限制，同時也有賴于軟件設計能力的提升。目前直升機上該系統(tǒng)大都采用的是8位編解碼技術，這樣的采樣位數對聲音的保真度和系統(tǒng)的底噪的提高都是不利的，所以其他學科領域的研究也將有助于推動機載音頻系統(tǒng)的發(fā)展。A/D轉換完成后，需要將數字信號還原成音頻信號，這便是D/A轉換。

（5）混音技術。混音技術是解決機載音頻系統(tǒng)需要播放多路語音的需求?；煲艨煞譃橛布煲艉蛙浖煲?。對于機載音頻系統(tǒng)來說，一般自聽音的混音通過系統(tǒng)硬件混音的方式實現；而導航音、告警音、機內通話和機外通話的混音則采用軟件混音的方式實現。混音技術也很關鍵，如若處理的不好，可能會出現失真、語音爆破和不連續(xù)，引入噪聲等情況。

（6）降噪技術。機載音頻系統(tǒng)傳輸語音的同時很容易伴隨著噪聲，噪聲的存在會嚴重影響機載音頻系統(tǒng)的性能，使人耳舒適度急劇下降，嚴重時甚至讓人無法獲得有用的信號。所以，降噪技術對機載音頻系統(tǒng)的處理是非常重要的。為了削弱一部分噪聲，系統(tǒng)軟件設計中通過設置一個閾值電平，僅讓高于閾值電平的信號通過，這樣能有效地消除間歇式的背景底噪，而對原始聲音無破壞，這種方法稱之為噪聲門。缺點是當人聲出來的同時，噪聲門打開，噪聲信號也就跟著進來。當然，單一頻率或帶寬窄的雜聲可利用濾波器來消除，但這樣的降噪算法可能會影響音質，因此設計產品時應根據雜聲的頻率特性選擇功能不同的濾波器來消除噪聲，如高通濾波器或低通濾波器等。事實上直升機上環(huán)境是復雜而多變的，在應用中應針對具體情況采用相應的降噪方法，使噪聲盡可能得到抑制以提高信噪比。

機載音頻系統(tǒng)為了達到更好的使用性能，在系統(tǒng)設計中采用的技術并不是單一的，而是多種技術的融合。國內的機載數字音頻系統(tǒng)的處理技術還有很多不足，還有很長的路需要走。應加深對系統(tǒng)涉及到的每一項技術的研究和進行新技術的探索，來解決目前機載音頻系統(tǒng)面臨的問題。隨著直升機的發(fā)展和機載數字音頻系統(tǒng)的應用，更多的生產商愿意加入到研究機載數字音頻系統(tǒng)的隊伍中來。而與此同時，用戶提出了很多的應用問題，這些寶貴的意見建議提供了探索和改進的方向。

3 結語

機載音頻系統(tǒng)的可靠性、有效性、響應速度等都直接影響直升機的通信性能。隨著機載音頻系統(tǒng)的應用和發(fā)展，數字化、小型化、集成化和智能化必然成為發(fā)展趨勢。但無論系統(tǒng)如何發(fā)展，還是應當以提升系統(tǒng)性能并設計一款實用好用通用的產品為首要目標。為此，還應多借鑒國際上先進技術和典型的設計理念。