机载数字音频通信体系构设与实现

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1、机载数字音频通信体系构设与实现第一章绪论1.1课题的提出与研究意义航空器音频通信系统是航空器空-空/空-地话音通信重要组成部分，其核心功能是接收机组成员话筒、无线电通信/导航设备等终端的音频信号，根据预定需求，执行音频信号的路由、加权、混音等功能，输出音频信号以驱动机组成员耳机或供航空器无线电通信设备调制发送。航空器音频通信系统发展大致可分为四个阶段：第一个阶段，作为无线电通信、导航系统辅助装置存在，采用无源设计，通过阻抗匹配、导线端接等方式完成电气信号互联，负载为高阻抗负载，驱动源设计为高电压驱动，系统扩展能力弱、抗干扰性能差；第二个

2、阶段，随着航空器无线电通信、导航设备装机种类增多，航空器音频通信系统逐渐独立出来作为一个子系统存在，这阶段音频通信系统以运算放大器为核心构建混音网络，负载阻抗降低，追求更高的驱动效率，系统扩展能力有明显提高；第三个阶段，随着处理器技术发展，局部进行数字化处理，率先采用数字化技术的是音频信号路由电路，利用电子开关阵列进行控制，系统设计复杂度改善效果明显，但音频信号处理采用的依然是模拟技术，仍以运算放大器为核心构建混音网络；第四个阶段，随着大规模集成电路（VLSI）和数字信号处理（DSP）技术发展，航空器音频通信系统在系统前端进行音频信号数

3、字化，引入数字总线进行传输，极大提高了传输抗干扰能力，同时，音频混音摆脱了对运算放大器的依赖，简化了系统设计复杂度并提高了扩展能力，基本达到了功能软件化的设计目标。本文研究的机载数字音频通信系统是第四个阶段的产品。目前投入商用的该类产品主要是进口端机和系统，多数采用以太网分组语音传输技术，存在以下几点不足：1)总线完备性待提高航空总线完备性体现在故障隔离、时间和存储器空间三个方面[2]，其中，时间完备性体现传输在传输时延和总线带宽两个方面，存储空间是为了保证总线扩展性能满足应用要求，故障隔离一方面要求能够隔离故障节点，使故障不会蔓延，另

4、一方面，要求总线设计之初考虑余度（并行）设计能力。以太网语音分组语音传输技术采用的以太网总线，传输时延存在不确定性，服务质量有待提高，且余度设计硬件消耗较大，在成本、功耗方面有待进一步提升。2)平台处理余量不足，扩展受限采用以太网语音分组语音传输技术的音频通信系统以通用处理器平台为核心构建，其处理能力在数字音频信号处理算法方面明显不足，系统扩展应用受限，如非特定人孤立词语音识别算法作为一种人机交互输入装置的扩展不能部署。针对上述不足，结合工程应用需求，本论文拟设计和实现一个以FlexRay总线为传输总线的机载数字音频通信系统，系统中各端

5、机以数字信号处理器平台为核心运算部件构建，该系统的音频指标满足CTSO-C139《中国民用航空技术标准规定航空器音频系统和设备》（2011年9月19日发布）和RTCADO-214《航空器音频系统特性和最低性能标准》要求，且能有效改善系统总线完备性和平台处理能力，以此硬件平台为基础，评估非特定人孤立词语音识别算法和耳机虚拟声重放算法的应用效果，具有较大的社会和经济效益。1.2本文主要工作和结构安排本文的主要工作是研究机载数字音频通信系统的性能需求，实现过程中的分组语音传输组网、孤立词语音识别、耳机虚拟声重放等关键技术，结合用户实际需求和行

6、业标准，提出机载数字音频通信系统的设计实施方案，并加以具体实现和验证。本文共分成六章，具体结构安排如下：第一章绪论。介绍了机载数字音频通信系统发展趋势，阐述了本课题的必要性和重要意义，并对采用的核心技术发展现状进行了介绍，最后，对本文工作内容和结构安排进行了梳理。第二章系统关键技术。是本文的理论部分，首先，介绍了FlexRay总线协议特点及其通信协议，作为机载数字音频通信系统拓扑结构设计基础；随后，介绍了本论文采用的孤立词语音识别算法原理及其处理过程，为算法实时实现奠定基础；最后，通过分析三维虚拟声环绕系统的发展趋势，引出了本文中采用的

7、基于头相关传输函数(HRTF)实现的耳机虚拟声重放算法，并对头相关传输函数(HRTF)获取、插值理论进行了介绍。第三章系统需求分析。从本章开始是本论文的实践部分，本章主要梳理航空器驾驶员/机组用户的功能需求，并结合行业标准CTSO-C139、RTCADO-214，执行机载数字音频通信系统性能需求，上述两类需求构成论文实践部分的顶层需求。第四章系统设计。本章从系统架构设计、端机设计两个层面论述了系统的设计与实现，并对系统需求进行了分解，完成了软件功能的部署。第五章核心模块设计与实现。首先，介绍了FlexRay通信协议软件、音频分组处理软件

8、、孤立词语音识别算法、耳机虚拟声重放算法的具体实施，其次，按RTCADO-214规定的测试方法对机载数字音频通信系统功能、性能指标进行了测试和分析，最后，对语音识别算法、虚拟立体声算法的运行结果进行了评估。