基于DSP的機(jī)載選呼解碼器設(shè)計(jì)　

作者 李鋒 中國西南電子技術(shù)研究所(四川 成都 610036)

李鋒（1980-），男，碩士，工程師，研究方向：音頻設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)，航空電子技術(shù)。

摘要：針對機(jī)載電子設(shè)備綜合化的需求，本文以DSP處理器為核心實(shí)現(xiàn)了機(jī)載選擇呼叫數(shù)字化解碼器系統(tǒng)，利用數(shù)字信號處理算法設(shè)計(jì)解碼方法及通過狀態(tài)機(jī)方法設(shè)計(jì)解碼控制流程，完成解碼純軟件化實(shí)現(xiàn)。通過在高強(qiáng)度噪聲環(huán)境下仿真實(shí)驗(yàn)及某型飛機(jī)試驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

引言

　　機(jī)載選擇呼叫系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)地面塔臺與空域中指定的一架或一組飛機(jī)的高頻或甚高頻通信鏈路的建立，實(shí)現(xiàn)地面與飛機(jī)點(diǎn)對點(diǎn)的話音通信。

　　解碼器作為選呼系統(tǒng)的核心單元，決定是否開啟飛機(jī)靜噪開關(guān)，建立機(jī)內(nèi)與地面的話音通信。目前，許多服役的飛機(jī)仍然采用模擬電路實(shí)現(xiàn)機(jī)載選擇呼叫系統(tǒng)^[1]。隨著民用航空機(jī)載電子技術(shù)的發(fā)展，目前航空電子的發(fā)展趨勢為綜合化，許多單獨(dú)的設(shè)備已經(jīng)模塊化，甚至軟件化^[2]。因此，本文提出了一種基于DSP的數(shù)字化機(jī)載選呼系統(tǒng)解碼器，使得選呼系統(tǒng)融合到機(jī)載音響設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，不再單獨(dú)存在，可降低飛機(jī)重量，提高飛機(jī)可維護(hù)性。

1 機(jī)載選呼系統(tǒng)概述

　　傳統(tǒng)機(jī)載選呼系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。地面工作人員通過編碼面板指定選呼碼，編碼器根據(jù)設(shè)定的選呼碼生成特定格式的模擬選呼信號，通過短波電臺或超短波電臺將信號發(fā)送給空域飛機(jī)。機(jī)載選呼解碼器不斷檢測接收信號，若收到選呼信號且選呼碼與自身固有編碼相同，則通過告警面板輸出燈光及聲音提示，提醒飛行員收聽并打開該電臺靜噪開關(guān)，否則不響應(yīng)。

　　選呼信號數(shù)據(jù)格式如圖2所示^[1]，共由2個(gè)音調(diào)脈沖組成，每個(gè)脈沖由2個(gè)同時(shí)發(fā)送的音調(diào)構(gòu)成。每個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為1±0.25秒，脈沖間隔時(shí)間為0.2±0.1秒。

　　其中，發(fā)送音調(diào)共16種，其頻率如表1所示，用字母A到S標(biāo)識(除去I、N和O)。選呼碼由四個(gè)音調(diào)標(biāo)識構(gòu)成(如AB-CD)，選呼碼中不允許重復(fù)標(biāo)識(AB-BC是無效選呼碼)。

　　機(jī)載選呼系統(tǒng)解碼器主要需完成的功能包括對電臺接收機(jī)收到信號的采集，對接收信號頻率成分的分析，以及對解碼結(jié)果的判決，并將結(jié)果輸出給告警面板。

2 解碼器硬件設(shè)計(jì)

　　機(jī)載選呼解碼器主要完成對電臺接收信號的采集、信號頻率成分的分析、解碼結(jié)果的判決，以及將結(jié)果輸出到告警面板。

　　為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合化，在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，考慮兼容機(jī)載音響設(shè)備，解碼器采用DSP+AD架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，告警面板集成到音頻控制面板中。硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。解碼器對電臺接收到的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對采集到的數(shù)字信號進(jìn)行解碼，解碼成功則將提示信息輸出到音頻控制面板。同時(shí)，解碼器中的DSP及A/D轉(zhuǎn)換芯片在完成選呼解碼建立通信連接后，進(jìn)入正常工作模式，負(fù)責(zé)完成后續(xù)話通的語音采集及語音信號處理相關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)了電臺通話功能和選擇呼叫功能的資源共用。

　　A/D芯片選用TI公司推出的高性能、高集成度的語音編解碼芯片TLV320AIC23B^[3-4]。其在48kHz采樣的情況下信噪比高達(dá)90dB，采樣率8kHz ~96kHz可調(diào)，軟件控制及數(shù)據(jù)傳輸均支持多種接口協(xié)議，且具有旁路及低功耗模式，可兼顧選呼信號及音頻信號的采集。

　　DSP選用ADI公司的SHARC系列ADSP21368。ADSP21368時(shí)鐘頻率高達(dá)400MHz，采樣單指令多數(shù)據(jù)的運(yùn)算方式，支持32位定點(diǎn)及32/40位浮點(diǎn)運(yùn)算。同時(shí)，針對信號處理中常用算法提供專用硬件結(jié)構(gòu)，如蝶形運(yùn)算及循環(huán)尋址，完成1024點(diǎn)浮點(diǎn)運(yùn)算僅需23.2μs^[5]，非常適用于音頻信號處理。

　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選呼解碼的硬件數(shù)據(jù)流為：電臺將解調(diào)后的模擬信號輸入到解碼器中，TLV320AIC23B利用8kHz采樣率對信號采樣，通過DSP兼容模式同步串行接口將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號送入ADSP21368中，ADSP21368解碼后通過RS422接口將解碼結(jié)果通知音頻控制面板。

3 解碼算法實(shí)現(xiàn)

　　考慮到DSP存儲及運(yùn)算能力有限，無法對整個(gè)選呼信號一次性處理，需要采用分幀處理的方法。綜合考慮頻率分辨率及DSP運(yùn)算能力，選取每幀信號長度為1024點(diǎn)，即每幀信號長度為128ms進(jìn)行處理。而選呼信號中每個(gè)脈沖音持續(xù)時(shí)間為1秒，脈沖間隔為0.2秒，則每段信號最多包含一個(gè)脈沖中的兩種頻率信號。

　　綜合上述分析，利用DSP實(shí)現(xiàn)解碼的關(guān)鍵問題包含以下兩個(gè)：第一是設(shè)計(jì)控制流程綜合單幀信號分段處理的結(jié)果，完成選呼解有效性的判決;第二是針對單幀信號設(shè)計(jì)信號處理算法，進(jìn)行特征分析，判斷其是否由兩選呼音調(diào)信號構(gòu)成。

　　對于解碼控制流程設(shè)計(jì)，本文采用有限狀態(tài)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖如圖4所示^[6]。狀態(tài)機(jī)由6個(gè)狀態(tài)構(gòu)成，初始狀態(tài)為“Idle”狀態(tài)，當(dāng)無信號輸入或未檢測到選呼音調(diào)信號時(shí)，狀態(tài)機(jī)停留在“Idle”狀態(tài);當(dāng)?shù)谝淮螜z測到單幀信號符合選呼音調(diào)信號時(shí)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到“Pulse1”狀態(tài)。進(jìn)入“Pulse1”狀態(tài)后，連續(xù)判斷五段信號，其中大于三段有效則跳轉(zhuǎn)到“Interval_checking”狀態(tài)，否則認(rèn)為信號無效狀態(tài)跳轉(zhuǎn)回“Idle”狀態(tài)重新檢測;“Interval_checking”狀態(tài)主要負(fù)責(zé)對脈沖間隙進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到信號較前一段信號在信號構(gòu)成上有顯著區(qū)別，則認(rèn)為進(jìn)行脈沖間隙，跳轉(zhuǎn)到“Interval_state”，否則繼續(xù)檢測;若長時(shí)間未檢測到間隙，則認(rèn)為狀態(tài)錯(cuò)誤自動轉(zhuǎn)跳回“Idle”狀態(tài)重新檢測;在“Interval_state”狀態(tài)對第2個(gè)脈沖繼續(xù)進(jìn)行檢測，若信號有效，跳轉(zhuǎn)到“Pulse2”，若長時(shí)間無有效信號，則跳轉(zhuǎn)回“Idle”狀態(tài);“Pulse2”狀態(tài)判決進(jìn)行操作與“Pulse1”狀態(tài)相同，若連續(xù)兩段信號仍有效，則跳轉(zhuǎn)到“Finishing”狀態(tài)，否則跳轉(zhuǎn)回“Idle”狀態(tài)重新檢測;最后，在“Finishing”狀態(tài)下檢測到信號無效，則認(rèn)為一幀選呼信號解碼完畢。將狀態(tài)機(jī)復(fù)位到“Idle”狀態(tài)，將解碼結(jié)果與飛機(jī)固有編碼相比對，若相同，則通知音頻控制面板輸出提示音，否則不進(jìn)行響應(yīng)，等待下一次選呼解碼。

　　對于單幀信號符合選呼音調(diào)信號的分析判決采用基于FFT的頻率域分析方法，算法流程圖如圖 5所示。首先，對單幀信號經(jīng)過Hanning窗調(diào)制，減輕頻譜泄露的影響。接著對信號進(jìn)行FFT變換獲得信號幅度譜;然后，對選呼參考頻點(diǎn)的幅值進(jìn)行判決，若幅度最大值與次大值相差過大，判定信號無效，最大值與第三大值相差過小，判定信號無效;最后，對最大值及次大值對應(yīng)的頻率與理論頻率比較，頻差過大判定信號無效。若上述三點(diǎn)均滿足條件，則判定信號有效，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)跳轉(zhuǎn)。