王建普，吳慧欽，楊宛璐，王 云

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛行訓(xùn)練模擬器是用于訓(xùn)練飛行員的重要裝備，具備安全、不受氣象條件影響、訓(xùn)練成本低等優(yōu)點(diǎn)。聲音模擬分系統(tǒng)模擬飛行過程中的各種聲音效果，包括座艙環(huán)境噪音、提示告警音，模擬前/后艙飛行人員和教員之間的語音通話，是飛行模擬器不可缺少的組成部分。

隨著飛行員訓(xùn)練任務(wù)要求的提高，迫切需要多臺(tái)模擬器聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同和戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗等模擬訓(xùn)練。聯(lián)網(wǎng)語音通訊則是模擬器聯(lián)網(wǎng)中非常重要的一個(gè)方面，它是保證多臺(tái)模擬器共同訓(xùn)練過程中指揮命令能夠順利傳達(dá)的基礎(chǔ)，是聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練任務(wù)能夠正常進(jìn)行的前提保障[1]。

本文以某型飛行訓(xùn)練模擬器為例，使用Dante 數(shù)字音頻技術(shù)設(shè)計(jì)聲音模擬分系統(tǒng)，使它具備低延時(shí)、高精度、布線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能更好地滿足模擬器聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練的需求。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的音頻系統(tǒng)使用的是模擬音頻信號(hào)，系統(tǒng)構(gòu)建中使用大量的音頻線纜，布線復(fù)雜，遠(yuǎn)距離傳輸會(huì)產(chǎn)生阻抗、衰減、干擾等問題[2]。同時(shí)，傳統(tǒng)矩陣通道數(shù)量有限，無法滿足日益增長(zhǎng)的需求。而使用Dante協(xié)議構(gòu)建的數(shù)字音頻系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的模擬音頻線纜布線，數(shù)字音頻信號(hào)使用以太網(wǎng)線傳送，能保持信號(hào)的準(zhǔn)確還原。

1.1 原理

聲音模擬分系統(tǒng)通過接收飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)，實(shí)時(shí)生成環(huán)境噪音、告警語音及提示音信號(hào)，與前/后艙、教員控制臺(tái)處的語音信號(hào)經(jīng)由Dante 協(xié)議的數(shù)字音頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)分別輸入至混音設(shè)備。音頻信號(hào)經(jīng)分配后，環(huán)境噪音由座艙音箱輸出，告警語音、提示音信號(hào)和語音信號(hào)輸出至前/后艙耳麥、教員控制臺(tái)處音箱和耳麥，告警語音和提示音也可選擇由座艙音箱輸出。同時(shí)混音設(shè)備預(yù)留接口，可接入其他模擬器的Dante 協(xié)議的語音信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)模擬器聯(lián)網(wǎng)語音通訊功能。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

聲音模擬分系統(tǒng)的硬件主要包括音頻控制計(jì)算機(jī)、音頻矩陣、音頻接口盒、音頻網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、功率放大器、耳麥、送話器、音箱等設(shè)備。硬件連接關(guān)系如圖1 所示。音頻網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)選用千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，耳麥選用航材耳麥，送話器、功率放大器、音箱等采用商用成品。

圖1 聲音模擬分系統(tǒng)連接關(guān)系

音頻控制計(jì)算機(jī)和音頻矩陣等設(shè)備通過音頻網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入同一局域網(wǎng)內(nèi)，組建Dante 協(xié)議的內(nèi)部數(shù)字音頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)連接其他模擬器的音頻網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)同其他模擬器聲音聯(lián)網(wǎng)功能。教員臺(tái)送話器、音箱、耳麥和飛行員耳麥等設(shè)備通過音頻接口盒接入Dante 網(wǎng)絡(luò)，座艙音箱通過音頻線連接至功率放大器的輸出接口。

通過運(yùn)行在音頻控制計(jì)算機(jī)上的Dante controller 軟件可以查看網(wǎng)絡(luò)上所有啟動(dòng)了Dante 的音頻設(shè)備及其通道，在設(shè)備之間進(jìn)行音頻路徑布線，并查看現(xiàn)有的音頻路徑布線狀態(tài)。

1.2.1 Dante 虛擬聲卡

音頻控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)生成的音頻信號(hào)通過Dante 虛擬聲卡輸出，Dante 虛擬聲卡可以使計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線建立音頻傳輸通道，無需其他硬件設(shè)備。Dante 虛擬聲卡具有良好的兼容性，聲音模擬軟件可以像使用普通聲卡一樣使用Dante 虛擬聲卡[3]。

1.2.2 音頻矩陣

混音設(shè)備選用數(shù)字化音頻矩陣，可提供32*32 通道輸入、輸出音頻處理功能，將輸入的Dante 協(xié)議數(shù)字音頻信號(hào)經(jīng)過混音后，傳輸至各Dante 音頻設(shè)備。音頻矩陣配置如下：

輸入輸出音頻流：32*32；

音量及混音分量增益范圍：-84dB 至+12dB,對(duì)應(yīng)控制數(shù)據(jù)0x0 至0xffff。

1.2.3 音頻接口盒

音頻接口盒具有模擬輸入和輸出接口，將輸入的模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為Dante 協(xié)議數(shù)字音頻信號(hào)后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至其他dante 音頻設(shè)備，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)上傳入的Dante 協(xié)議數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)輸出。通過音頻接口盒可以使音箱、耳麥等不具備Dante 功能的音頻設(shè)備接入Dante 網(wǎng)絡(luò)。音頻接口盒配置如下：

網(wǎng)絡(luò)數(shù)字音頻接口：RJ45*1；

輸入輸出音頻流：4*4；

音量及混音分量增益范圍：-84dB 至+12dB,對(duì)應(yīng)控制數(shù)據(jù)0x0 至0xffff。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

主要包含聲音模擬軟件設(shè)計(jì)。

聲音模擬軟件主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化功能、網(wǎng)絡(luò)通訊功能、聲音實(shí)時(shí)播放功能和用戶界面管理功能。聲音模擬軟件運(yùn)行在音頻控制計(jì)算機(jī)上，運(yùn)行環(huán)境如下：

操作系統(tǒng)：Windows 7；

運(yùn)行環(huán)境：Microsoft .Net 3.5；

開發(fā)語言：標(biāo)準(zhǔn)C/C++語言；

開發(fā)工具：Microsoft Visual Studio 2010；

開發(fā)環(huán)境：DirectX SDK （June 2010）、jrtplib 庫、audiomatrix 庫。

1.3.1 系統(tǒng)初始化功能

用于創(chuàng)建用戶界面，根據(jù)讀取的配置文件信息，配置虛擬聲卡通道輸出，并創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)連接。子功能及功能描述如下：

用戶界面初始化：創(chuàng)建用戶界面的各MFC 控件，將控件關(guān)聯(lián)其顯示或設(shè)置的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建用戶界面定時(shí)器，設(shè)定周期，用于刷新顯示數(shù)據(jù)；

配置文件讀?。鹤x取配置文件，獲取所有網(wǎng)絡(luò)和虛擬聲卡的配置信息，網(wǎng)絡(luò)配置信息包括本地IP、本地端口、目標(biāo)IP、目標(biāo)端口等，虛擬聲卡配置信息包括環(huán)境噪音、告警語音及提示音信號(hào)輸出的虛擬聲卡通道ID；

網(wǎng)絡(luò)通訊初始化：檢測(cè)本地連接狀態(tài)，在本地已連接狀態(tài)下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置信息創(chuàng)建并初始化與飛機(jī)仿真軟件及音頻矩陣的UDP 網(wǎng)絡(luò)連接；

枚舉虛擬聲卡通道：創(chuàng)建播放引擎，根據(jù)虛擬聲卡配置信息，將所有環(huán)境噪音、告警語音及提示音信號(hào)分配至對(duì)應(yīng)虛擬聲卡通道中，實(shí)現(xiàn)不同通道輸出不同聲音。

1.3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊功能

用于創(chuàng)建與飛機(jī)仿真軟件及音頻矩陣的UDP 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊任務(wù)，實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)接收及矩陣通道控制字發(fā)送功能。 子功能及功能描述如下：

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊功能： 提供UDP 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)發(fā)送及接收功能；

飛機(jī)仿真數(shù)據(jù)接收任務(wù)：為接收數(shù)據(jù)端口創(chuàng)建獨(dú)立的接收任務(wù)，采用阻塞接收模式接收飛機(jī)仿真系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)；

矩陣通道控制字發(fā)送任務(wù)：為發(fā)送數(shù)據(jù)端口創(chuàng)建獨(dú)立的發(fā)送任務(wù)，將封裝的數(shù)據(jù)按周期發(fā)送至音頻矩陣。

1.3.3 聲音實(shí)時(shí)播放功能

用于創(chuàng)建聲音播放任務(wù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境噪音、告警語音及提示音信號(hào)播放，以及話音通訊功能。子功能及功能描述如下：

創(chuàng)建聲音播放任務(wù)：創(chuàng)建聲音播放任務(wù)，設(shè)定仿真周期，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)播放環(huán)境噪音、告警語音及提示音信號(hào)以及話音通訊功能；

環(huán)境噪音播放：根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前飛行狀態(tài)，調(diào)整音源庫聲音素材的頻率和音量，合成環(huán)境噪音音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)座艙音箱實(shí)現(xiàn)環(huán)境噪音聲音效果模擬；

告警語音播放：根據(jù)飛機(jī)告警信號(hào)和告警等級(jí)，進(jìn)行語音告警信號(hào)排序，并按飛機(jī)告警邏輯從音源庫調(diào)用對(duì)應(yīng)語音告警聲音文件，生成音頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)語音告警聲音效果模擬；

提示音信號(hào)播放：根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前飛行狀態(tài)，從音源庫調(diào)用對(duì)應(yīng)提示音聲音文件，生成音頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)提示音信號(hào)聲音效果模擬；

話音通訊功能：根據(jù)用戶界面設(shè)置的矩陣通道，判斷前/后艙飛行員之間、與教員之間的語音通訊通斷，同時(shí)通過接收座艙機(jī)內(nèi)通話控制盒對(duì)超收調(diào)節(jié)的音量，控制語音通訊音量。

1.3.4 用戶界面管理功能

通過可視化界面實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)及虛擬聲卡配置的修改保存功能，對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)、播放信息的監(jiān)控功能，以及對(duì)音頻矩陣通道通斷、音量控制功能。子功能及功能描述如下：

配置信息修改：接收用戶在界面操作中對(duì)網(wǎng)絡(luò)及聲卡配置的修改保存指令，更新配置文件；

播放信息監(jiān)控：實(shí)時(shí)更新界面中顯示的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)及聲音播放信息；

矩陣通道設(shè)置：在用戶界面上可控制矩陣32 路音頻輸入、32 路音頻輸出的關(guān)系，并設(shè)置音頻輸出音量，在響應(yīng)函數(shù)中獲取操作信息，更新發(fā)送任務(wù)中的封裝數(shù)據(jù)。

2 優(yōu)點(diǎn)分析

Dante 技術(shù)的數(shù)字音頻系統(tǒng)相比傳統(tǒng)音頻系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢(shì)：

布線簡(jiǎn)單：Dante 技術(shù)是以IP 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在以太網(wǎng)中傳遞實(shí)時(shí)音頻信號(hào)的技術(shù)，允許在一條以太網(wǎng)線上同時(shí)發(fā)送和接收許多的音頻通道，避免了傳統(tǒng)模擬音頻系統(tǒng)中大量的音頻線纜布線；

抗干擾性好：傳統(tǒng)的音頻系統(tǒng)中，模擬音頻信號(hào)通過音頻線纜傳輸會(huì)產(chǎn)生阻抗、衰減、干擾等問題，Dante 采用無壓縮的數(shù)字音頻傳輸，不必?fù)?dān)心與其他電器設(shè)備的干擾、線纜之間的串?dāng)_，或長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)衰減等問題；

低延時(shí)：Dante 具備低延時(shí)和嚴(yán)格的同步播放性能，Dante 最低延遲可以達(dá)到83.3μs；

具備遠(yuǎn)距離傳輸能力：網(wǎng)線有效傳輸距離不超過100 米，而高質(zhì)量的音頻線有效傳輸距離不超過50米，遠(yuǎn)低于網(wǎng)線。

3 結(jié)語

使用Dante 數(shù)字網(wǎng)絡(luò)音頻技術(shù)設(shè)計(jì)聲音模擬分系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單、使用操作簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展，可以使音頻信號(hào)高質(zhì)量、低延時(shí)傳輸，能為飛行員提供更逼真的聲音環(huán)境，使模擬器具有更好的訓(xùn)練效果。模擬器聯(lián)網(wǎng)訓(xùn)練時(shí)，使用Dante 技術(shù)可以解決音頻信號(hào)干擾、信號(hào)衰減等問題，而且音頻通道數(shù)量多、傳輸距離遠(yuǎn)，能更好地滿足多臺(tái)模擬器聲音聯(lián)網(wǎng)的需求。