基于DSP的機載選呼解碼器設計　

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：音頻設備系統(tǒng)架構(gòu)，航空電子技術(shù)。

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

引言

　　機載選擇呼叫系統(tǒng)用于實現(xiàn)地面塔臺與空域中指定的一架或一組飛機的高頻或甚高頻通信鏈路的建立，實現(xiàn)地面與飛機點對點的話音通信。

　　解碼器作為選呼系統(tǒng)的核心單元，決定是否開啟飛機靜噪開關(guān)，建立機內(nèi)與地面的話音通信。目前，許多服役的飛機仍然采用模擬電路實現(xiàn)機載選擇呼叫系統(tǒng)^[1]。隨著民用航空機載電子技術(shù)的發(fā)展，目前航空電子的發(fā)展趨勢為綜合化，許多單獨的設備已經(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)字化機載選呼系統(tǒng)解碼器，使得選呼系統(tǒng)融合到機載音響設備中實現(xiàn)，不再單獨存在，可降低飛機重量，提高飛機可維護性。

1 機載選呼系統(tǒng)概述

　　傳統(tǒng)機載選呼系統(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。機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。

　　選呼信號數(shù)據(jù)格式如圖2所示^[1]，共由2個音調(diào)脈沖組成，每個脈沖由2個同時發(fā)送的音調(diào)構(gòu)成。每個脈沖持續(xù)時間為1±0.25秒，脈沖間隔時間為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標識(除去I、N和O)。選呼碼由四個音調(diào)標識構(gòu)成(如AB-CD)，選呼碼中不允許重復標識(AB-BC是無效選呼碼)。

　　機載選呼系統(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 解碼器硬件設計

　　機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。

　　為實現(xiàn)系統(tǒng)綜合化，在硬件電路設計時，考慮兼容機載音響設備，解碼器采用DSP+AD架構(gòu)實現(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行A/D轉(zhuǎn)換，對采集到的數(shù)字信號進行解碼，解碼成功則將提示信息輸出到音頻控制面板。同時，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，進入正常工作模式，負責完成后續(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時鐘頻率高達400MHz，采樣單指令多數(shù)據(jù)的運算方式，支持32位定點及32/40位浮點運算。同時，針對信號處理中常用算法提供專用硬件結(jié)構(gòu)，如蝶形運算及循環(huán)尋址，完成1024點浮點運算僅需23.2μs^[5]，非常適用于音頻信號處理。

　　根據(jù)系統(tǒng)設計，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 解碼算法實現(xiàn)

　　考慮到DSP存儲及運算能力有限，無法對整個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運算能力，選取每幀信號長度為1024點，即每幀信號長度為128ms進行處理。而選呼信號中每個脈沖音持續(xù)時間為1秒，脈沖間隔為0.2秒，則每段信號最多包含一個脈沖中的兩種頻率信號。

　　綜合上述分析，利用DSP實現(xiàn)解碼的關(guān)鍵問題包含以下兩個：第一是設計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計信號處理算法，進行特征分析，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計，本文采用有限狀態(tài)機的方式實現(xiàn)，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖如圖4所示^[6]。狀態(tài)機由6個狀態(tài)構(gòu)成，初始狀態(tài)為“Idle”狀態(tài)，當無信號輸入或未檢測到選呼音調(diào)信號時，狀態(tài)機停留在“Idle”狀態(tài);當?shù)谝淮螜z測到單幀信號符合選呼音調(diào)信號時，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到“Pulse1”狀態(tài)。進入“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)主要負責對脈沖間隙進行檢測，當檢測到信號較前一段信號在信號構(gòu)成上有顯著區(qū)別，則認為進行脈沖間隙，跳轉(zhuǎn)到“Interval_state”，否則繼續(xù)檢測;若長時間未檢測到間隙，則認為狀態(tài)錯誤自動轉(zhuǎn)跳回“Idle”狀態(tài)重新檢測;在“Interval_state”狀態(tài)對第2個脈沖繼續(xù)進行檢測，若信號有效，跳轉(zhuǎn)到“Pulse2”，若長時間無有效信號，則跳轉(zhuǎn)回“Idle”狀態(tài);“Pulse2”狀態(tài)判決進行操作與“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，則認為一幀選呼信號解碼完畢。將狀態(tài)機復位到“Idle”狀態(tài)，將解碼結(jié)果與飛機固有編碼相比對，若相同，則通知音頻控制面板輸出提示音，否則不進行響應，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。接著對信號進行FFT變換獲得信號幅度譜;然后，對選呼參考頻點的幅值進行判決，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。若上述三點均滿足條件，則判定信號有效，狀態(tài)機進行相應跳轉(zhuǎn)。