基于DSP的机载选呼解码器设计　

作者 李锋 中国西南电子技术研究所(四川 成都 610036)

李锋（1980-），男，硕士，工程师，研究方向：音频设备系统架构，航空电子技术。

摘要：针对机载电子设备综合化的需求，本文以DSP处理器为核心实现了机载选择呼叫数字化解码器系统，利用数字信号处理算法设计解码方法及通过状态机方法设计解码控制流程，完成解码纯软件化实现。通过在高强度噪声环境下仿真实验及某型飞机试验室实验，验证了系统的有效性。

引言

　　机载选择呼叫系统用于实现地面塔台与空域中指定的一架或一组飞机的高频或甚高频通信链路的建立，实现地面与飞机点对点的话音通信。

　　解码器作为选呼系统的核心单元，决定是否开启飞机静噪开关，建立机内与地面的话音通信。目前，许多服役的飞机仍然采用模拟电路实现机载选择呼叫系统^[1]。随着民用航空机载电子技术的发展，目前航空电子的发展趋势为综合化，许多单独的设备已经模块化，甚至软件化^[2]。因此，本文提出了一种基于DSP的数字化机载选呼系统解码器，使得选呼系统融合到机载音响设备中实现，不再单独存在，可降低飞机重量，提高飞机可维护性。

1 机载选呼系统概述

　　传统机载选呼系统的系统框图如图1所示。地面工作人员通过编码面板指定选呼码，编码器根据设定的选呼码生成特定格式的模拟选呼信号，通过短波电台或超短波电台将信号发送给空域飞机。机载选呼解码器不断检测接收信号，若收到选呼信号且选呼码与自身固有编码相同，则通过告警面板输出灯光及声音提示，提醒飞行员收听并打开该电台静噪开关，否则不响应。

　　选呼信号数据格式如图2所示^[1]，共由2个音调脉冲组成，每个脉冲由2个同时发送的音调构成。每个脉冲持续时间为1±0.25秒，脉冲间隔时间为0.2±0.1秒。

　　其中，发送音调共16种，其频率如表1所示，用字母A到S标识(除去I、N和O)。选呼码由四个音调标识构成(如AB-CD)，选呼码中不允许重复标识(AB-BC是无效选呼码)。

　　机载选呼系统解码器主要需完成的功能包括对电台接收机收到信号的采集，对接收信号频率成分的分析，以及对解码结果的判决，并将结果输出给告警面板。

2 解码器硬件设计

　　机载选呼解码器主要完成对电台接收信号的采集、信号频率成分的分析、解码结果的判决，以及将结果输出到告警面板。

　　为实现系统综合化，在硬件电路设计时，考虑兼容机载音响设备，解码器采用DSP+AD架构实现，告警面板集成到音频控制面板中。硬件系统框图如图3所示。解码器对电台接收到的信号进行A/D转换，对采集到的数字信号进行解码，解码成功则将提示信息输出到音频控制面板。同时，解码器中的DSP及A/D转换芯片在完成选呼解码建立通信连接后，进入正常工作模式，负责完成后续话通的语音采集及语音信号处理相关功能，实现了电台通话功能和选择呼叫功能的资源共用。

　　A/D芯片选用TI公司推出的高性能、高集成度的语音编解码芯片TLV320AIC23B^[3-4]。其在48kHz采样的情况下信噪比高达90dB，采样率8kHz ~96kHz可调，软件控制及数据传输均支持多种接口协议，且具有旁路及低功耗模式，可兼顾选呼信号及音频信号的采集。

　　DSP选用ADI公司的SHARC系列ADSP21368。ADSP21368时钟频率高达400MHz，采样单指令多数据的运算方式，支持32位定点及32/40位浮点运算。同时，针对信号处理中常用算法提供专用硬件结构，如蝶形运算及循环寻址，完成1024点浮点运算仅需23.2µs^[5]，非常适用于音频信号处理。

　　根据系统设计，选呼解码的硬件数据流为：电台将解调后的模拟信号输入到解码器中，TLV320AIC23B利用8kHz采样率对信号采样，通过DSP兼容模式同步串行接口将转换的数字信号送入ADSP21368中，ADSP21368解码后通过RS422接口将解码结果通知音频控制面板。

3 解码算法实现

　　考虑到DSP存储及运算能力有限，无法对整个选呼信号一次性处理，需要采用分帧处理的方法。综合考虑频率分辨率及DSP运算能力，选取每帧信号长度为1024点，即每帧信号长度为128ms进行处理。而选呼信号中每个脉冲音持续时间为1秒，脉冲间隔为0.2秒，则每段信号最多包含一个脉冲中的两种频率信号。

　　综合上述分析，利用DSP实现解码的关键问题包含以下两个：第一是设计控制流程综合单帧信号分段处理的结果，完成选呼解有效性的判决;第二是针对单帧信号设计信号处理算法，进行特征分析，判断其是否由两选呼音调信号构成。

　　对于解码控制流程设计，本文采用有限状态机的方式实现，状态跳转图如图4所示^[6]。状态机由6个状态构成，初始状态为“Idle”状态，当无信号输入或未检测到选呼音调信号时，状态机停留在“Idle”状态;当第一次检测到单帧信号符合选呼音调信号时，状态机跳转到“Pulse1”状态。进入“Pulse1”状态后，连续判断五段信号，其中大于三段有效则跳转到“Interval_checking”状态，否则认为信号无效状态跳转回“Idle”状态重新检测;“Interval_checking”状态主要负责对脉冲间隙进行检测，当检测到信号较前一段信号在信号构成上有显著区别，则认为进行脉冲间隙，跳转到“Interval_state”，否则继续检测;若长时间未检测到间隙，则认为状态错误自动转跳回“Idle”状态重新检测;在“Interval_state”状态对第2个脉冲继续进行检测，若信号有效，跳转到“Pulse2”，若长时间无有效信号，则跳转回“Idle”状态;“Pulse2”状态判决进行操作与“Pulse1”状态相同，若连续两段信号仍有效，则跳转到“Finishing”状态，否则跳转回“Idle”状态重新检测;最后，在“Finishing”状态下检测到信号无效，则认为一帧选呼信号解码完毕。将状态机复位到“Idle”状态，将解码结果与飞机固有编码相比对，若相同，则通知音频控制面板输出提示音，否则不进行响应，等待下一次选呼解码。

　　对于单帧信号符合选呼音调信号的分析判决采用基于FFT的频率域分析方法，算法流程图如图 5所示。首先，对单帧信号经过Hanning窗调制，减轻频谱泄露的影响。接着对信号进行FFT变换获得信号幅度谱;然后，对选呼参考频点的幅值进行判决，若幅度最大值与次大值相差过大，判定信号无效，最大值与第三大值相差过小，判定信号无效;最后，对最大值及次大值对应的频率与理论频率比较，频差过大判定信号无效。若上述三点均满足条件，则判定信号有效，状态机进行相应跳转。