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：音頻設備系統架構，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(shí)現了機載選擇呼叫數字化解碼器系統，利用數字信號處理算法設計解碼方法及通過(guò)狀態(tài)機方法設計解碼控制流程，完成解碼純軟件化實(shí)現。通過(guò)在高強度噪聲環(huán)境下仿真實(shí)驗及某型飛機試驗室實(shí)驗，驗證了系統的有效性。

引言

　　機載選擇呼叫系統用于實(shí)現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(shí)現地面與飛機點(diǎn)對點(diǎn)的話(huà)音通信。

　　解碼器作為選呼系統的核心單元，決定是否開(kāi)啟飛機靜噪開(kāi)關(guān)，建立機內與地面的話(huà)音通信。目前，許多服役的飛機仍然采用模擬電路實(shí)現機載選擇呼叫系統^[1]。隨著(zhù)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的數字化機載選呼系統解碼器，使得選呼系統融合到機載音響設備中實(shí)現，不再單獨存在，可降低飛機重量，提高飛機可維護性。

1 機載選呼系統概述

　　傳統機載選呼系統的系統框圖如圖1所示。地面工作人員通過(guò)編碼面板指定選呼碼，編碼器根據設定的選呼碼生成特定格式的模擬選呼信號，通過(guò)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(guò)告警面板輸出燈光及聲音提示，提醒飛行員收聽(tīng)并打開(kāi)該電臺靜噪開(kāi)關(guān)，否則不響應。

　　選呼信號數據格式如圖2所示^[1]，共由2個(gè)音調脈沖組成，每個(gè)脈沖由2個(gè)同時(shí)發(fā)送的音調構成。每個(gè)脈沖持續時(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(gè)音調標識構成(如AB-CD)，選呼碼中不允許重復標識(AB-BC是無(wú)效選呼碼)。

　　機載選呼系統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，以及對解碼結果的判決，并將結果輸出給告警面板。

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、解碼結果的判決，以及將結果輸出到告警面板。

　　為實(shí)現系統綜合化，在硬件電路設計時(shí)，考慮兼容機載音響設備，解碼器采用DSP+AD架構實(shí)現，告警面板集成到音頻控制面板中。硬件系統框圖如圖3所示。解碼器對電臺接收到的信號進(jìn)行A/D轉換，對采集到的數字信號進(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，負責完成后續話(huà)通的語(yǔ)音采集及語(yǔ)音信號處理相關(guān)功能，實(shí)現了電臺通話(huà)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(yǔ)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，軟件控制及數據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400MHz，采樣單指令多數據的運算方式，支持32位定點(diǎn)及32/40位浮點(diǎn)運算。同時(shí)，針對信號處理中常用算法提供專(zhuān)用硬件結構，如蝶形運算及循環(huán)尋址，完成1024點(diǎn)浮點(diǎn)運算僅需23.2μs^[5]，非常適用于音頻信號處理。

　　根據系統設計，選呼解碼的硬件數據流為：電臺將解調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(guò)DSP兼容模式同步串行接口將轉換的數字信號送入ADSP21368中，ADSP21368解碼后通過(guò)RS422接口將解碼結果通知音頻控制面板。

3 解碼算法實(shí)現

　　考慮到DSP存儲及運算能力有限，無(wú)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運算能力，選取每幀信號長(cháng)度為1024點(diǎn)，即每幀信號長(cháng)度為128ms進(jìn)行處理。而選呼信號中每個(gè)脈沖音持續時(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)現解碼的關(guān)鍵問(wèn)題包含以下兩個(gè)：第一是設計控制流程綜合單幀信號分段處理的結果，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(jìn)行特征分析，判斷其是否由兩選呼音調信號構成。

　　對于解碼控制流程設計，本文采用有限狀態(tài)機的方式實(shí)現，狀態(tài)跳轉圖如圖4所示^[6]。狀態(tài)機由6個(gè)狀態(tài)構成，初始狀態(tài)為“Idle”狀態(tài)，當無(wú)信號輸入或未檢測到選呼音調信號時(shí)，狀態(tài)機停留在“Idle”狀態(tài);當第一次檢測到單幀信號符合選呼音調信號時(shí)，狀態(tài)機跳轉到“Pulse1”狀態(tài)。進(jìn)入“Pulse1”狀態(tài)后，連續判斷五段信號，其中大于三段有效則跳轉到“Interval_checking”狀態(tài)，否則認為信號無(wú)效狀態(tài)跳轉回“Idle”狀態(tài)重新檢測;“Interval_checking”狀態(tài)主要負責對脈沖間隙進(jìn)行檢測，當檢測到信號較前一段信號在信號構成上有顯著(zhù)區別，則認為進(jìn)行脈沖間隙，跳轉到“Interval_state”，否則繼續檢測;若長(cháng)時(shí)間未檢測到間隙，則認為狀態(tài)錯誤自動(dòng)轉跳回“Idle”狀態(tài)重新檢測;在“Interval_state”狀態(tài)對第2個(gè)脈沖繼續進(jìn)行檢測，若信號有效，跳轉到“Pulse2”，若長(cháng)時(shí)間無(wú)有效信號，則跳轉回“Idle”狀態(tài);“Pulse2”狀態(tài)判決進(jìn)行操作與“Pulse1”狀態(tài)相同，若連續兩段信號仍有效，則跳轉到“Finishing”狀態(tài)，否則跳轉回“Idle”狀態(tài)重新檢測;最后，在“Finishing”狀態(tài)下檢測到信號無(wú)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(jìn)行響應，等待下一次選呼解碼。

　　對于單幀信號符合選呼音調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(guò)Hanning窗調制，減輕頻譜泄露的影響。接著(zhù)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(guò)大，判定信號無(wú)效，最大值與第三大值相差過(guò)小，判定信號無(wú)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(guò)大判定信號無(wú)效。若上述三點(diǎn)均滿(mǎn)足條件，則判定信號有效，狀態(tài)機進(jìn)行相應跳轉。