机载数字音响处理平台实现方案

2022-03-17 10:02:29 | 浏览次数：

摘要：机载数字音响处理平台的设计目标：提供一个数字音频信号处理硬件平台，完成机载环境中的音频通道控制、语音处理、音频告警产生、语音编解码等功能。数字音响处理平台是机载系统的一个重要组成部分，它的主要功能是向飞行员提供机内和机外通话的硬件平台，使得飞行员能在机载的环境下清晰地进行话音交流。

关键词：机载；数字音响处理；系统功能；电路设计

中图分类号：TN912.2 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 04-0005-03

一、简介

随着科学技术的飞速发展，信息技术对经济和社会发展产生了巨大而深刻的影响，通信或信息交换已经成为信息化社会最主要的特征。在通常在机载语言系统中，采用头盔式耳机话筒组进行语音通信，其声信息频率范围宽（150 Hz～6 800 Hz）。

数字信号处理理论与电子技术的发展，大大地提高了声学语音信号处理理论的实用化进程。如何针对飞机舱内环境，将声学语音信号处理技术应用到机载话音通信系统中，设计满足机载应用需求的数字话音综合处理系统，是当前机载语音通信的一个重要课题。如今，超大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，为数字话音综合处理系统应用于机载环境下提供了可能。

机载数字音响处理平台的设计目标：提供一个数字音频信号处理硬件平台，完成机载环境中的音频通道控制、语音处理、音频告警产生、语音编解码等功能。数字音响处理平台是机载系统的一个重要组成部分，它的主要功能是向飞行员提供机内和机外通话的硬件平台，使得飞行员能在机载的环境下清晰地进行话音交流。传统的音响处理平台是将这些需要处理的模拟信号通过模拟开关、运放、继电器等外围器件的对语音信号进行滤波、放大、通路选择与加权等处理。这种处理手段的缺点在于外围电路复杂繁多，每条线路只传输一个信号，功能较为单一难以改变，并且容易产生噪声。

随着系统的进一步发展，对机载音响处理平台系统的可靠性，抗噪能力，语音通路的选择控制以及加权的灵活性等提出了更高的要求。同时，随着高速数字实时信号处理技术的不断进步，数字信号处理较以往的模拟信号处理所具有的灵活、精确、抗干扰强、速度快等突出优点已为大家认识，因此在机载音响处理平台中引入数字处理平台的新技术已经成为必然。

二、国内外现状和发展趋势

为了加快信息通信产业的发展步伐，世界各国都非常重视关键技术研究，各国音频技术的发展趋势是数字化、集成化和网络化。

（一）目前国外该领域正在发展的主要技术有

1.寻求压缩码率更高、算法更先进的音频数字信号压缩编码、解码技术，传输效率更高、传输质量更优的数字信号调制解调技术；

2.加快已成熟的数字音频技术产品的商品化，实现模拟音频技术向数字音频技术的过渡；

3.研制存储容量更大的蓝光技术，积极推进新一代高密度、多波长的音频数字激光技术产品；

4.积极推进已成熟的音频技术在其他领域的应用，目前已实现商品化的数字音、视频产品有数字照相机、彩屏手机、数字录像机、数字摄像机、家庭影院系统、互联网系统、MP3播放机等；

5.积极开发存储容量更大的存储媒体，例如高集成度的CMOS半导体存储器、固体存储器、蓝光技术的高密度光盘等；

6.积极开发集成度更高的超大规模集成电路，在同一芯片上集成更多的功能电路，实现系统集成；这样可以简化电路，降低成本，提高数字音频产品的稳定性和可靠性；

7.积极研究、发展新型电声器件和数字音频技术，包括微传声器、基于传声器阵列的语言增强和说话定位技术、多声道回声低效技术等。

（二）我国音频的发展现状主要表现在以下几个方面

1.我国音频行业基本掌握了产品的设计技术和生产制造技术，能自行设计、制造出具有先进水平的音频产品，成为名副其实的生产大国、制造大国，出口大国，产品价廉物美，在中、低档产品上具有国际竞争能力；

2.音频产品的飞速发展，使我国音频产品的普及率达到中等发达国家水平；

3.彻底结束了音频产品依赖进口的局面；国内市场上国产品牌占有绝对优势，并逐渐向高档产品和高技术领域拓展市场；

4.高起点的音频技术引进，特别是关键技术、器件、整件生产技术的引进，提高了电子信息产业的技术水平和质量水平；

5.音频技术领域的飞速发展，带动了相关产业的发展。

（三）与国外先进国家相比，我国在音频技术领域仍有不少差距，主要表现在以下几个方面

1.健全的科技创新体制尚未成熟，在音频领域的专利技术很少，关键技术均掌握在国外大公司手中；

2.音频产品的关键器件仍要依靠进口，特别是专用超大规模集成电路我国仍不能自主开发、生产，音频产品中的专用集成电路95%以上需要进口，因此我国音频产品行业很难实现跨越式发展，很难在总体技术超越发达国家。

我国虽然是世界音频产品的生产大国、制造基地，但不是音频产品的技术强国，为了保证我国音频行业的健康、稳定、快速发展，必须健全科技创新体制，切实加强基础研究和高技术研究，提高自主开发新产品的能力，提高产品的技术含量，提倡严谨的学风和科学务实的态度，通过技术预测，力争在一些关键技术领域取得突破，掌握核心技术，并拥有一批技术含量高的自主知识产权。

三、系统实现方案

根据机载数字音响处理需求，为了有效完成设计要求，机载数字音响处理系统一般包括以下功能：输入信号匹配功能、数模转换处理功能、数字信号处理功能和模拟信号输出匹配与切换功能。

（一）输入信号匹配功能实现

该类信号额定幅度为0.25V～10V，输入阻抗为150Ω或600Ω。该类信号进行幅度匹配后再进行A/D采样，A/D采样的器件是3.3V供电，单端输入采样，因此需要将该类信号幅度匹配在0V～3.3V之间，差分信号转换为单端信号。幅度匹配和转换由集成器件及其周围电阻网路完成，电阻网路实现滤波隔直和幅度匹配功能，集成器件实现将差分信号转换为单端信号，选用的集成器件具有如下特点：

1.实现单端与双端转换；

2.低失真率：0.0005% （频率为1kHz）；

3.固定增益：0dB（1V/V）；

（二）数模转换处理功能实现

数模转换处理功能实现的核心在于选用一款合适的A/D转换器件，将匹配后的模拟信号数字化以及将数字信号模拟化。模拟信号的A/D转换由TLV320AIC23B完成，TLV320AIC23B是一款高性能的音频编/解码器，具有如下特点：

1.内部集成一路A/D转化和一路D/A转换；

2.A/D转换的信噪比可以达到90dB，D/A转换的信噪比可以达到100 dB；

3.串行数据传输；

4.支持16/20/24/32位数据长度；

5.支持8kHz～96kHz采样率。

A/D转换为周期性过程，其周期过程由芯片产生中断进行控制，实现DSP对外围模拟电路的控制。

（三）数字信号处理功能实现

DSP芯片、SDRAM存储器、FLASH存储器以及部分FPGA资源实现的控制逻辑实现最小DSP运行系统，它是话音信号的匹配、放大、分路、选通、混合、调节音量、加权以及话音增强降噪算法等软件功能的硬件基础。

模块设计选用的DSP芯片ADSP 21161是AD公司SHARC系列浮点处理器的最新产品，具有如下特点：

ADSP21161是一款高性能的32位浮点DSP处理器，它具有高主频（100MHz、600MFLOPs）和SIMD（单指令多数据流）的内部结构，具有两套独立的运算核，两套独立的地址产生器，每套运算核有独立的乘法器、累加器、移位寄存器以及寄存器组；

ADSP21161内部集成两个8位LINK口，两片DSP之间LINK口通讯可以达到200Mbytes/s传输输率。两片DSP LINK口直接连接，可以实现DSP之间的点对点通信，完成多处理器的松耦合架构。松耦合架构可以灵活的实现双DSP协作处理同一链路数据或者双DSP处理各自独立的链路数据；

ADSP21161提供14条DMA通道，数据传输由DMA控制器控制，并自动完成不同字宽数据格式间数据的打包和展开。DMA数据传输过程中无需运算控制单元干预，从而提高程序执行效率，保证模块内数据处理的实时性；

ADSP21161内部集成1MBit的片内双端口SRAM，SRAM存储器支持三条总线PM总线、DM总线、I/O总线访问，在同一周期内，处理器核对SRAM的访问与I/O处理器对SRAM的访问是独立透明的。在模块内双处理器松耦合系统中，DSP芯片通过外部LINK口可以直接访问另一片DSP芯片内部SRAM；

片内集成SDRAM控制器，支持100MHz、64M外部SDRAM；

外部接口工作频率在处理器核工作频率、1/2处理器核工作频率可选；

提供标准IEEE1149.1 JTAG仿真口。

ADSP21161的浮点处理能力，IO能力在目前市面上的产品中都处于前列，表1中列出了ADSP21161与TI公司的浮点DSP TMS320C6711，TMS320C6712的性能参数。（如表1）。

通过表1中的比较可以看出，ADSP21161的浮点处理能力，外部I/O速度不弱于TI公司的两款同类型的浮点DSP。在模块的设计中选用ADSP主要考虑到以下几点：

1.ADSP21161是目前市面上比较出色的DSP，其数据处理能力以及外部I/O速度能够满足多功能音响告警模块设计需求；

2.多功能音响告警模块设计和J10G多功能音响告警模块选用同型号DSP，技术相互支持，硬件设计标准化。

FLASH存储器选用AMD公司AM29LV033C FLASH存储器，存储容量为32Mbit。FLASH存储器用来固化DSP模块执行程序以及需要掉电保持的数据信息。模块上电后，存储在FLASH中的程序代码通过引导程序控制搬移至芯片内部RAM中执行，程序运行以后FLASH存储器可以作为数据存储器被访问。

SDRAM存储器选用MICRO公司的MT48LC2M32存储器，具有64Mbit的存储容量，外部数据总线为32位。MT48LC2M32最高支持200MHz同步访问速度，在模块处理大量突发数据时，能够节约模块访问存储器的时间开销，充分发挥DSP芯片的高速处理能力。

（四）模拟信号输出匹配与切换功能

该类信号输出功率大，功率放大由OPA547及其周围电阻网路完成，OPA547具有如下特点：

1.支持单端供电/双端供电，支持单端供电电压（+8V～+60V）；

2.大电流输出（最大500mA），满足模块设计各负载的功率输出要求；

3.OPA547过热或者过载时能够内部进行保护；

4.OPA547是一个大功率输出功率放大器，在合理的供电电压下，能够满足模块设计要求的耳机功率输出要求；

在输出前采用继电器芯片进行切换，该类信号电流大，可靠性要求高，开关的缺省状态为断开输出，在收到模块开启命令后再接通输。

四、小结

机载数字音响处理平台是为了满足机载系统机通要求而研究的数字音响处理平台，应用于机通系统的处理平台处理板功能包括：

1.满足多路语音信号的输入/输出控制及处理；

2.满足多路语音信号的高复杂度、并行信号处理；