CN106714036A - 一种数字通讯控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字通讯控制器及控制方法，该控制器主要由显示板、音频板、数字处理板组成，所述音频板包括电源电路、音频接收放大器、话筒信号压缩放大器、音量选通和控制数码输出电路以及开关切换电路，接收的音频信号通过音频接收放大器进行电压和功率放大，然后转换成差分输出，接收的话筒信号通过话筒信号压缩放大器实现差分输入转为单端输入，然后进行压缩放大送出。本发明通讯控制器不易受电磁干扰，且能很好的过滤呼吸声，增强语音清晰度。

Description

一种数字通讯控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及数字通讯领域，尤其是涉及一种数字通讯控制器及控制方法。

背景技术

机载设备上语音、导航、告警信号音量控制的灵活性要求越来越高。不仅要求通讯控制器体积要小，重量要轻，工作环境温度宽，性能指标要稳定可靠，而且要求通讯控制器具备对语音数字处理功能，能适应更加恶劣的飞行环境。

然而教九飞机上所使用的通讯控制器是模拟通讯控制器，模拟通讯控制器在没有干扰的情况下语音通信的质量很好，但现在飞机上的电子设备越来越多，电磁环境越来复杂，模拟通讯控制器已经无法满足当前飞机的使用要求。同时，飞机上的操作设备很多，特别是教练机在高空飞行时学员与教员之间通话都是在机内通信长通状态下进行的，而高空飞行需带氧气面罩，这就不可避免带来飞行员的呼吸声，且呼吸声还很大，让飞行员无法接受，模拟通讯控制器无法解决这个问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种数字通讯控制器及控制方法，解决现有模拟通讯控制器易受电磁干扰，且无法过滤呼吸声的问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种数字通讯控制器，其特征在于，该控制器主要由显示板、音频板、数字处理板组成，所述音频板包括电源电路、音频接收放大器、话筒信号压缩放大器、音量选通和控制数码输出电路以及开关切换电路，接收的音频信号通过音频接收放大器进行电压和功率放大，然后转换成差分输出，接收的话筒信号通过话筒信号压缩放大器实现差分输入转为单端输入，然后进行压缩放大送出。数字处理板是音频信号处理和控制的核心，将接收的音频信号和话筒送出的话音信号进行语音数字信号处理，抑制呼吸声和其它干扰信号，同时将多路音频信号进行数字合路处理，控制其输出。数字处理板还保留一组由RS422接口和RS485接口组成的数字接口，用于连接具有数字接口的设备。

作为进一步的技术方案，所述电源电路由两个LMZ14203H开关电源组成。

作为进一步的技术方案，所述数字处理板包括语音数字处理核心FPGA芯片、A/D和D/A转换电路、多路选择器、音频压缩放大电路、电阻阻抗匹配电路和阻抗变换电路，所述阻抗变换电路由进行阻抗变换的音频输出变压器和两路低通滤波器组成。

一种数字通讯控制方法，该方法包括步骤：

将话筒信号转换成数字音频信号送入FPGA芯片，通过FPGA芯片分成四路信号：一路信号经静音后，当PTT1控制有效时由FPGA芯片输出，作为电台1调制输出；一路信号经静音后，当PTT2控制有效时由FPGA芯片输出，作为电台2调制输出；一路信号通过FPGA芯片降低干扰信号，然后当PTT3控制有效时输出一路机通信号；一路信号通过FPGA芯片降低干扰信号，作为合路信号；

将接收的十路音频信号转换成数字音频信号后送入FPGA芯片；然后由FPGA芯片设置十路音频信号的开关门限滤除干扰信号；再将这十路数字音频信号和所述合路信号合路成一路数字信号，经带通滤波器由FPGA芯片输出；输出信号转换成模拟音频信号。

作为进一步的技术方案，在由FPGA芯片设置十路音频信号的开关门限滤除干扰信号后，通过大/小组合旋钮选择所控制的音频信号通道和改变音量。

作为进一步的技术方案，十路音频信号的具体处理方法如下：FPGA芯片对十路音频信号分别求信号能量，设置静音能量阀值，进行静音判决；对通过静音后的音频信号进行音量调节，音量调节后进行合路；先对十路音频信号进行相加，然后判断相加值是否溢出，若未溢出，则直接输出相加结果，若溢出，则再将十路话音进行动态变权重线性混音，然后混音输出。

作为进一步的技术方案，通过FPGA芯片降低干扰信号的方法：利用FPGA芯片对呼吸声建立数学模型，通过语音数字处理算法实现对话筒输入的呼吸声及其它干扰信号的抑制。

与现有技术相比，本发明可以达到以下效果：

1)对十路接收的音频信号进行音量调节，从关断到最大，并且显示和存储当前音量。

2)对十路接收的音频信号进行静音，避免其它设备的音频干扰信号进入该数字通讯控制器。

3)对话筒通路做抑制呼吸声和静音处理，避免飞行员高空飞行时带氧气面罩带来的呼吸声，以及发动机带来的噪音。

4)提高了抗啸叫能力。

附图说明

图1为本发明的硬件电路原理图；

图2为本发明的面板布置图；

图3为本发明的工作原理图；

图4为数码管显示控制原理图；

图5为旋钮扫描流程图；

图6为数码驱动显示流程图；

图7为混音流程图；

图8为去呼吸声算法方框图；

图9为PTT控制流程图；

图10为读写ROM流程图；

图11为控制DA流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明数字通讯控制器主要配备教九飞机，它不仅汇集飞机所有音响信号，而且与电台配合，可进行空对空、空对地之间的通信。该数字通讯控制器接收十路音频信号分别对十路信号进行数字处理，处理后的语音信号送给飞行员，同时也对需发射的话音信号也进行数字处理，抑制呼吸声和静音处理，总而言之该数字通讯控制器较以往的模拟通讯控制器具有如下不同功能：

分别对十路接收的音频信号进行压缩处理，以适应更宽幅度范围音频信号；

分别对十路接收的音频信号进行数字静音、音量控制、音量显示、数字合路处理；

对话音信号进行静音、输出控制，以及进行语音数字信号处理抑制呼吸声；

还保留了原来的模拟接收通路，以备数字通道出故障时应急使用；

该数字通讯控制器界面简单、操作方便；

扩展性强，只需适当调整硬件并配置相应软件便可以实现“综合控制”的功能。

本发明数字通讯控制器的外形尺寸、安装方式与原有的模拟通讯控制器一致，电路上在模拟通讯控制器基础上增加了由FPGA芯片为主的语音数字处理电路、音量数码管显示电路、音量选择和控制的大小组合旋钮，作为正常工作通道。适当调整原模拟电路作为应急通道。并增加了一组由RS422接口和RS485接口组成的数字接口，用于连接具有数字接口的设备。

将该数字通讯控制器内部划分为三块电路板，它们是数字处理板、音频板和显示板，三块印制板自上层显示板、中层音频板、下层数字处理板平行安装，印制板之间插针连接，三块板子原理框图如图1所示。

显示板主要是通过八段数码管显示十路音频通道当前音量大小，数字由0～9，“0”代表当前通道被关断，“9”代表当前音量为最大，当某一路小数点被点亮，代表当前音量可以控制。该电路选用了MC14489DW数码显示驱动集成块，该集成块的优点是可以同时通过扫描方式驱动五个数码管，并且是串行送数，减小了印制板之间的接口数量，减小对模拟通路的干扰。

音频板主要包括电源电路、音频接收放大器、话筒信号压缩放大器、音量选通和控制数码输出电路以及开关切换电路，音频板主要实现的功能：

1)将话筒信号由差分输入转为单端输入，然后进行压缩放大送出；

2)将接收的十路经合路后音频信号进行电压和功率放大，然后转换成差分输出

3)为所有电路提供不同的电压；

4)利用大小组合旋钮为数字处理板的FPGA芯片送数，用以控制十路接收音量和选择控制通道。

5)利用送话器/咽喉话筒开关来选择两种不同的话筒，利用正常/应急开关来选择数字和模拟接收通道。

由于该音频板话筒输入(只有4mV)和功放耳机输出都采用了差分模式，所以提高了电路自身的抗干扰能力，而耳机功放采用两路最大输出功率为3.2W的功放作为耳机输出正负端，这样不仅增大耳机最大输出功率为7.5W，提高功放的利用率，而且提高了共模抑制比，避免功放由于接收频率变化由耦合电容和变压器组成的谐振电路引起的谐振，导致电源电流增大，通过地和电源对话筒压缩放大器的干扰。音频板还组装了大小组合旋钮，两个旋钮分别完成音量调节和音频通道选同任务，而模拟通道需要十个电位器才能完成该任务，这样使面板布局更简单，操作更灵活，如图2所示。

由于国军标要求通讯控制器的总消耗功率小于12W，而该数字通讯控制器由于增加了语音数字处理部分、功放、十路压缩放大电路以及提高了输出功率，所以电源消耗增加了，该音频板采用了两个LMZ14203H开关电源，这样整个数字通讯控制器消耗电流降到300mA以内，但带来了开关电源的干扰，对音频板的布线要求提高了，对音频板模拟的大信号地、小信号地和电源地进行分割，采用单点磁珠隔离接地，使干扰信号没有地回路，而开关电源尽量不直接给电路供电，它们之间用模拟电源隔开，这样消除了开关电源干扰。

数字处理板主要包括语音数字处理核心FPGA芯片、A/D和D/A转换电路、多路选择器、音频压缩放大电路、电阻阻抗匹配电路、阻抗变换电路。

FPGA芯片采用EP3C40F484I7芯片，该芯片集成了39400个逻辑单元，通过互联线和I/O口，能够随意连接，应用强大和灵活，方便了软件的设计，该芯片实现的功能是将从外部设备接收的十路音频信号经模数转换电路一转换成数字音频信号后送入FPGA芯片，然后由FPGA芯片设置十路音频信号的开关门限滤除干扰信号，此时可以通过大/小组合旋钮选择所控制的音频信号通道和改变音量，再将这十路数字音频信号和来自话筒一路数字信号(机通自听信号)合路成一路数字信号，经300Hz～3500Hz带通滤波器由FPGA芯片输出，输出信号至数模转换电路一转换成模拟音频信号。另一路来自压缩放大电路的话筒信号经模数转换电路二转换成数字音频信号，送入FPGA芯片，通过FPGA芯片分成四路信号，一路经静音后，当PTT1控制有效时由FPGA芯片输出，作作为电台1调制输出，一路也经静音后，当PTT2控制有效时由FPGA芯片输出，作为电台2调制输出，另两路信号通过FPGA芯片建立数学模型，实现去呼吸声算法，降低呼吸声及发动机等干扰信号，然后当PTT3控制有效时输出一路机通信号，另一路自听音信号由FPGA芯片通过内部送给接收进行合路，如图3所示。

A/D和D/A转换电路主要实现音频模拟信号和数字信号之间的转换。多路选择器采用CD4051BM芯片，其目的是为了简化电路设计，实现7路模拟音频信号分时的A/D采样。音频压缩放大器采用了9个OPA2228U放大器，实现对9路音频信号的压缩处理，然后将模拟音频信号送给A/D转换器，其目的是为了防止采样的音频信号过大而引起失真。电阻阻抗匹配电路主要与外接电路进行阻抗匹配。阻抗变换电路是由进行阻抗变换的音频输出变压器和两路低通滤波器组成的，其主要是进行阻抗变换和升压，以及滤出由耳机进来的干扰信号。

下面阐述本发明的流程方法部分：

1)显控功能

控制器需要完成十路接收话音通道的音量控制和音量显示，为了实现该功能，硬件设置了一组大/小组合旋钮和十个八段数码管。FPGA芯片软件则由需检测扫描大/小组合旋钮的输入信息，并驱动数码管显示该信息，完成人机交互，如图4显控框图所示。这部分功能由FPGA芯片软件中的显控模块完成，显控模块包括旋钮检测逻辑和数码管驱动逻辑。旋钮检测逻辑采用状态机的方式对两路旋转旋钮进行检测扫描，如图5旋钮扫描流程图所示。而后将扫描结果(即用户输入)一边送到数码管进行显示，一边送入数字混音模块参与混音处理和存储模块保存输入。数码管控制逻辑则完成SPI接口时序，如图6数码驱动显示流程图所示，并在此基础上配置完成内部寄存器和具体数字的显示。

2)音频数字处理功能

控制器需要完成十路接收音频信号的静音、音量大小变化、合路。FPGA芯片对十路音频信号分别求信号能量，设置静音能量阀值，然后进行静音判决，通过静音后的音频信号由大小组合旋钮控制，输入音量控制参数，由FPGA芯片按指数步进进行音量调节，音量调节后进行数字音频混音(合路)，先对十路音频信号进行相加，然后判断相加值是否溢出，若未溢出，则直接输出相加结果，若溢出，则再将10路话音进行动态变权重线性混音，然后混音输出，如图7混音流程图所示。

经A/D转换的话筒信号进入FPGA芯片，对话筒信号进行静音，利用FPGA芯片分三路话音通路，通过PTT1、PTT2控制输出两路话音信号作为电台1、电台2调制信号，另一路话音通路利用FPGA芯片对呼吸声建立数学模型，实现去呼吸声算法，如图8去呼吸声算法方框图所示，从而达到抑制呼吸声目的。经抑制呼吸的话音信号在FPGA芯片内部分一路给接收进行合路(PTT3控制有效)，作为机内通信的自听音，再送出一路作为机内通信输出(PTT3控制有效)。

3)话筒信号发射控制功能

话筒信号有三路键控PTT控制端口，一路是电台1键控PTT，一路是电台2键控PTT，一路是机通键控PTT，分别控制电台1调制输出、电台2调制输出、机通输出、机通自听，三路键控PTT通过场效应管2N7002分别进入FPGA芯片，控制高电平有效。当电台1键控PTT或电台2键控PTT发射时，机通输出和机通自听被切断，如图9 PTT控制流程图所示。

4)存储器控制功能

在每次控制器掉电后要求能记忆上次用户对各通道的音量设置参数，而FPGA属于掉电易失的芯片，故采用E2PROM保存用户对10路语音通路的音量设置数据，该存储器采用I2C串行接口完成数据的读写操作。所以该软件模块主要目的是实现I2C总线的串行时序逻辑。一方面在数字通讯器上电后的初始过程中按I2C时序读取存储芯片串行数据，并转换为并行数据送到显控模块和数字混音模块；而后将显控送来用户设置的并行数据按I2C时序转成串行写入存储芯片。如图10读写ROM流程图所示。

5)AD/DA控制功能

该模块包括产生四路的AD/DA的SPI时序逻辑和七路音频对一路AD芯片分时复用逻辑。SPI时序接口逻辑完成配置AD/DA芯片、接收发送话音数据的任务；分时复用逻辑则需要控制多路选择器和一路AD对七路模拟音频通路进行分时采样完成模数转换任务。AD芯片在SPI接口SCK的控制下直接接收数据，如图11控制DA流程图所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数字通讯控制器，其特征在于，该控制器主要由显示板、音频板、数字处理板组成，所述音频板包括电源电路、音频接收放大器、话筒信号压缩放大器、音量选通和控制数码输出电路以及开关切换电路，接收的音频信号通过音频接收放大器进行电压和功率放大，然后转换成差分输出，接收的话筒信号通过话筒信号压缩放大器实现差分输入转为单端输入，然后进行压缩放大送出。

2.根据权利要求1所述的数字通讯控制器，其特征在于，所述电源电路由两个LMZ14203H开关电源组成。

3.根据权利要求1所述的数字通讯控制器，其特征在于，所述数字处理板包括语音数字处理核心FPGA芯片、A/D和D/A转换电路、多路选择器、音频压缩放大电路、电阻阻抗匹配电路和阻抗变换电路，所述阻抗变换电路由进行阻抗变换的音频输出变压器和两路低通滤波器组成。

4.一种数字通讯控制方法，其特征在于，该方法包括步骤：

将话筒信号转换成数字音频信号送入FPGA芯片，通过FPGA芯片分成四路信号：一路信号经静音后，当PTT1控制有效时由FPGA芯片输出，作为电台1调制输出；一路信号经静音后，当PTT2控制有效时由FPGA芯片输出，作为电台2调制输出；一路信号通过FPGA芯片降低干扰信号，然后当PTT3控制有效时输出一路机通信号；一路信号通过FPGA芯片降低干扰信号，作为合路信号；

将接收的十路音频信号转换成数字音频信号后送入FPGA芯片；然后由FPGA芯片设置十路音频信号的开关门限滤除干扰信号；再将这十路数字音频信号和所述合路信号合路成一路数字信号，经带通滤波器由FPGA芯片输出；输出信号转换成模拟音频信号。

5.根据权利要求4所述的一种数字通讯控制方法，其特征在于，在由FPGA芯片设置十路音频信号的开关门限滤除干扰信号后，通过大/小组合旋钮选择所控制的音频信号通道和改变音量。

6.根据权利要求4所述的一种数字通讯控制方法，其特征在于，十路音频信号的具体处理方法如下：FPGA芯片对十路音频信号分别求信号能量，设置静音能量阀值，进行静音判决；对通过静音后的音频信号进行音量调节，音量调节后进行合路；先对十路音频信号进行相加，然后判断相加值是否溢出，若未溢出，则直接输出相加结果，若溢出，则再将十路话音进行动态变权重线性混音，然后混音输出。

7.根据权利要求4所述的一种数字通讯控制方法，其特征在于，通过FPGA芯片降低干扰信号的方法：利用FPGA芯片对呼吸声建立数学模型。