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

飛行訓練模擬器是用于訓練飛行員的重要裝備，具備安全、不受氣象條件影響、訓練成本低等優(yōu)點。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。

隨著飛行員訓練任務要求的提高，迫切需要多臺模擬器聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)編隊飛行、戰(zhàn)術協(xié)同和戰(zhàn)術對抗等模擬訓練。聯(lián)網(wǎng)語音通訊則是模擬器聯(lián)網(wǎng)中非常重要的一個方面，它是保證多臺模擬器共同訓練過程中指揮命令能夠順利傳達的基礎，是聯(lián)網(wǎng)訓練任務能夠正常進行的前提保障[1]。

本文以某型飛行訓練模擬器為例，使用Dante 數(shù)字音頻技術設計聲音模擬分系統(tǒng)，使它具備低延時、高精度、布線簡單等優(yōu)點，同時能更好地滿足模擬器聯(lián)網(wǎng)訓練的需求。

1 設計與實現(xiàn)

傳統(tǒng)的音頻系統(tǒng)使用的是模擬音頻信號，系統(tǒng)構(gòu)建中使用大量的音頻線纜，布線復雜，遠距離傳輸會產(chǎn)生阻抗、衰減、干擾等問題[2]。同時，傳統(tǒng)矩陣通道數(shù)量有限，無法滿足日益增長的需求。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)字音頻信號使用以太網(wǎng)線傳送，能保持信號的準確還原。

1.1 原理

聲音模擬分系統(tǒng)通過接收飛機狀態(tài)參數(shù)，實時生成環(huán)境噪音、告警語音及提示音信號，與前/后艙、教員控制臺處的語音信號經(jīng)由Dante 協(xié)議的數(shù)字音頻信號網(wǎng)絡分別輸入至混音設備。音頻信號經(jīng)分配后，環(huán)境噪音由座艙音箱輸出，告警語音、提示音信號和語音信號輸出至前/后艙耳麥、教員控制臺處音箱和耳麥，告警語音和提示音也可選擇由座艙音箱輸出。同時混音設備預留接口，可接入其他模擬器的Dante 協(xié)議的語音信號，實現(xiàn)多臺模擬器聯(lián)網(wǎng)語音通訊功能。

1.2 硬件設計

聲音模擬分系統(tǒng)的硬件主要包括音頻控制計算機、音頻矩陣、音頻接口盒、音頻網(wǎng)絡交換機、功率放大器、耳麥、送話器、音箱等設備。硬件連接關系如圖1 所示。音頻網(wǎng)絡交換機選用千兆以太網(wǎng)交換機，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)連接關系

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

通過運行在音頻控制計算機上的Dante controller 軟件可以查看網(wǎng)絡上所有啟動了Dante 的音頻設備及其通道，在設備之間進行音頻路徑布線，并查看現(xiàn)有的音頻路徑布線狀態(tài)。

1.2.1 Dante 虛擬聲卡

音頻控制計算機實時生成的音頻信號通過Dante 虛擬聲卡輸出，Dante 虛擬聲卡可以使計算機通過網(wǎng)線建立音頻傳輸通道，無需其他硬件設備。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)字音頻信號經(jīng)過混音后，傳輸至各Dante 音頻設備。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,對應控制數(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轉(zhuǎn)換為Dante 協(xié)議數(shù)字音頻信號后，通過網(wǎng)絡傳輸至其他dante 音頻設備，同時將網(wǎng)絡上傳入的Dante 協(xié)議數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號輸出。通過音頻接口盒可以使音箱、耳麥等不具備Dante 功能的音頻設備接入Dante 網(wǎng)絡。音頻接口盒配置如下：

網(wǎng)絡數(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,對應控制數(shù)據(jù)0x0 至0xffff。

1.3 軟件設計

主要包含聲音模擬軟件設計。

聲音模擬軟件主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化功能、網(wǎng)絡通訊功能、聲音實時播放功能和用戶界面管理功能。聲音模擬軟件運行在音頻控制計算機上，運行環(huán)境如下：

操作系統(tǒng)：Windows 7；

運行環(huán)境：Microsoft .Net 3.5；

開發(fā)語言：標準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，將控件關聯(lián)其顯示或設置的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建用戶界面定時器，設定周期，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)絡和虛擬聲卡的配置信息，網(wǎng)絡配置信息包括本地IP、本地端口、目標IP、目標端口等，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輸出的虛擬聲卡通道ID；

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

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分配至對應虛擬聲卡通道中，實現(xiàn)不同通道輸出不同聲音。

1.3.2 網(wǎng)絡通訊功能

用于創(chuàng)建與飛機仿真軟件及音頻矩陣的UDP 點對點通訊任務，實現(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：

點對點通訊功能： 提供UDP 點對點通訊網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)發(fā)送及接收功能；

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

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

1.3.3 聲音實時播放功能

用于創(chuàng)建聲音播放任務，實現(xiàn)環(huán)境噪音、告警語音及提示音信號播放，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：創(chuàng)建聲音播放任務，設定仿真周期，實現(xiàn)實時播放環(huán)境噪音、告警語音及提示音信號以及話音通訊功能；

環(huán)境噪音播放：根據(jù)飛機當前飛行狀態(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，驅(qū)動座艙音箱實現(xiàn)環(huán)境噪音聲音效果模擬；

告警語音播放：根據(jù)飛機告警信號和告警等級，進行語音告警信號排序，并按飛機告警邏輯從音源庫調(diào)用對應語音告警聲音文件，生成音頻信號，實現(xiàn)語音告警聲音效果模擬；

提示音信號播放：根據(jù)飛機當前飛行狀態(tài)，從音源庫調(diào)用對應提示音聲音文件，生成音頻信號，實現(xiàn)提示音信號聲音效果模擬；

話音通訊功能：根據(jù)用戶界面設置的矩陣通道，判斷前/后艙飛行員之間、與教員之間的語音通訊通斷，同時通過接收座艙機內(nèi)通話控制盒對超收調(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

通過可視化界面實現(xiàn)對網(wǎng)絡及虛擬聲卡配置的修改保存功能，對數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)、播放信息的監(jiān)控功能，以及對音頻矩陣通道通斷、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網(wǎng)絡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：實時更新界面中顯示的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)及聲音播放信息；

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

2 優(yōu)點分析

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

布線簡單：Dante 技術是以IP 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在以太網(wǎng)中傳遞實時音頻信號的技術，允許在一條以太網(wǎng)線上同時發(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，模擬音頻信號通過音頻線纜傳輸會產(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，不必擔心與其他電器設備的干擾、線纜之間的串擾，或長距離傳輸信號衰減等問題；

低延時：Dante 具備低延時和嚴格的同步播放性能，Dante 最低延遲可以達到83.3μs；

具備遠距離傳輸能力：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，遠低于網(wǎng)線。

3 結(jié)語

使用Dante 數(shù)字網(wǎng)絡音頻技術設計聲音模擬分系統(tǒng)架構(gòu)簡單、使用操作簡單、易于擴展，可以使音頻信號高質(zhì)量、低延時傳輸，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練效果。模擬器聯(lián)網(wǎng)訓練時，使用Dante 技術可以解決音頻信號干擾、信號衰減等問題，而且音頻通道數(shù)量多、傳輸距離遠，能更好地滿足多臺模擬器聲音聯(lián)網(wǎng)的需求。