基于ZYNQ平台的机载话音处理系统及方法与流程

本发明属于机载通信，应用于航空机载环境下的通话过程中，具体为基于zynq平台的机载话音处理系统及方法。

背景技术：

1、音响中心是机载航空电子系统的重要功能单元，它用于完成飞行员的机内通话、机外通话、指挥引导和飞行状态告警等任务，对飞机的安全和指挥控制有着关键作用。

2、传统的音响中心采用了模拟音频技术，来传输话音信号。但模拟设备存在着易受干扰、频带窄、可靠性差和体积重量大等缺点，已不再适用于有着减重需求和复杂电磁环境的航空电子领域，因此数字音频处理技术应运而生。

3、数字音频处理技术将模拟声音信号转换为数字信号，通过现代数字处理方法进行话音的处理和传输；随着技术的发展，数字音频系统表现出抗干扰性强、设备体积小、重量轻和音频信号质量好等特点。

4、当面对航空机载环境下通话噪声大、时延要求小和实时性要求高的特定情况时，如何设计出适用的数字音频处理系统，完成机载话音处理任务，就成为了本领域技术人员的研究要点。

技术实现思路

1、基于背景技术中的现状，同时为了解决机载环境下飞行员通话强噪声干扰的问题，本发明提出了基于zynq平台的机载话音处理系统，以及对应的处理方法；系统由模拟处理单元和数字处理单元组成，模拟处理单元完成模拟语音信号的预处理、滤波和ad/da转换，数字处理单元以zynq处理器为核心，在zynq-pl和zynq-ps上运行数字话音处理算法，对数字音频信号进行自适应噪声抑制和话音增强。本发明极其适用于机载环境，有效抑制了噪声，改善了话音质量，取得了较好的话音增强效果。

2、本发明采用了以下技术方案来实现目的：

3、一种基于zynq平台的机载话音处理系统，所述系统包括模拟音频电路和数字音频电路；模拟音频电路用于将外部输入的模拟音频信号进行预处理及ad转换，转换为数字音频信号后送入数字音频电路中；模拟音频电路还用于将经过数字音频电路处理后的数字音频信号进行da转换，并对外输出至音频设备中；数字音频电路包括主控芯片，主控芯片分为处理器系统的zynq-ps单元和可编程逻辑的zynq-pl单元；zynq-ps单元用于完成数字音频算法的处理，zynq-pl单元用于完成对模拟音频信号和数字音频信号的ad串并转换及配置。

4、进一步的，模拟音频电路包括音频输入单元、ad/da单元和音频输出单元；音频输入单元用于将外部输入的模拟音频信号进行阻抗匹配、信号采集、滤波和预放大处理，处理完成后将信号送入ad/da单元；ad/da单元用于将来自外部输入的预处理后的模拟音频信号转换为数字音频信号，还用于将来自数字音频电路处理后的数字音频信号转换为模拟音频信号；音频输出单元用于将转换后的重新得到的模拟音频信号进行混音、加权和放大处理，对外输出并驱动音频设备。

5、进一步的，数字音频电路中的主控芯片为具有fmql架构的处理器，型号为fmql45t900-as；fmql架构将主控芯片内部分为处理器系统的zynq-ps单元和可编程逻辑的zynq-pl单元；在zynq-ps单元处外接有ddr3和/或spi-flash存储器，用于完成数字音频算法对应程序的固化和加载；zynq-ps单元与zynq-pl单元间通过axi总线进行通信。

6、具体的，zynq-ps单元完成的数字音频算法包括话音端点检测算法、自适应噪声抑制算法和自动增益控制算法；zynq-pl单元则用于对模拟音频信号和数字音频信号的ad串并转换、采样率切换及配置和音频通路切换及选通。

7、进一步的，zynq-ps单元包括供电单元、复位逻辑单元、ddr存储器和flash存储器；zynq-ps单元中的内存0基地址分配给flash存储器，用于存储固化程序与音频告警数据；内存1基地址分配给ddr存储器，用于暂存程序代码与运行数据；内存2基地址分配给zynq-pl单元，用于对与其相连的fpga的数据读写寻址。

8、进一步的，zynq-pl单元包括时钟单元、配置单元和fpga逻辑单元；时钟单元用于为zynq-pl单元的工作提供时钟源；配置单元用于存储fpga逻辑单元的固化代码，并在上电时通过固化代码完成zynq-pl单元的配置加载；zynq-pl单元在加载完成后，输出时钟信号与复位信号，在zynq-ps单元中复位逻辑单元的作用下，完成zynq-ps单元的初始化配置。

9、本发明同时提供一种基于zynq平台的机载话音处理方法，所述方法的硬件基础为前述的机载话音处理系统，方法包括：机载话音处理系统上电，完成模拟音频电路中ad/da单元、数字音频电路主控芯片中ddr存储器和flash存储器的初始化配置，同时设置中断函数，实时监测来自主控芯片内部可编程逻辑的zynq-pl单元的缓存中断；当监测到缓存中断时，调用中断响应函数，读取音频输入单元内的外部输入的模拟音频信号；将当前读取的信号数据与前两次读取的信号数据进行组帧，对组帧后的信号数据进行加窗，完成连续的模拟音频信号转换为分段的数字音频信号的操作，进行后续的数字处理过程。

10、进一步的，组帧并加窗后的信号数据被送入数字音频电路中，通过数字音频电路中的话音端点检测算法，检测有无话音活动；若无话音活动，重构信号数据的背景噪声，以填补信号数据中的无音段；若有话音活动，通过自适应噪声抑制算法进行降噪处理，经过降噪处理后的信号数据再采用agc自动增益控制算法进行处理；完成上述处理后的信号数据被送入音频输出单元中，通过音频输出单元的处理后，对外输出并驱动音频设备。

11、综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

12、本发明的机载话音处理系统，能够有效抑制飞行员通话噪声，对回声也具有很好的抵消作用，提高了飞行员通话的舒适度。本发明通过对飞行员话音信号的采集与量化，将模拟音频信号转换为数字音频信号，再运用现代数字信号处理算法，对数字化后的话音信号进行噪声抑制和语音增强等处理，有效地增强了通话地可听可懂程度，减少了话音延迟。

13、本发明还可广泛应用于航天、船舶和车载领域中地通信系统，具有广阔的应用前景，基于本发明可实现话音降噪识别方向的进一步深入研究。

技术特征：

1.一种基于zynq平台的机载话音处理系统，其特征在于：所述系统包括模拟音频电路和数字音频电路；模拟音频电路用于将外部输入的模拟音频信号进行预处理及ad转换，转换为数字音频信号后送入数字音频电路中；模拟音频电路还用于将经过数字音频电路处理后的数字音频信号进行da转换，并对外输出至音频设备中；数字音频电路包括主控芯片，主控芯片分为处理器系统的zynq-ps单元和可编程逻辑的zynq-pl单元；zynq-ps单元用于完成数字音频算法的处理，zynq-pl单元用于完成对模拟音频信号和数字音频信号的ad串并转换及配置。

2.根据权利要求1所述的基于zynq平台的机载话音处理系统，其特征在于：模拟音频电路包括音频输入单元、ad/da单元和音频输出单元；音频输入单元用于将外部输入的模拟音频信号进行阻抗匹配、信号采集、滤波和预放大处理，处理完成后将信号送入ad/da单元；ad/da单元用于将来自外部输入的预处理后的模拟音频信号转换为数字音频信号，还用于将来自数字音频电路处理后的数字音频信号转换为模拟音频信号；音频输出单元用于将转换后的重新得到的模拟音频信号进行混音、加权和放大处理，对外输出并驱动音频设备。

3.根据权利要求1所述的基于zynq平台的机载话音处理系统，其特征在于：数字音频电路中的主控芯片为具有fmql架构的处理器，型号为fmql45t900-as；fmql架构将主控芯片内部分为处理器系统的zynq-ps单元和可编程逻辑的zynq-pl单元；在zynq-ps单元处外接有ddr3和/或spi-flash存储器，用于完成数字音频算法对应程序的固化和加载；zynq-ps单元与zynq-pl单元间通过axi总线进行通信。

4.根据权利要求3所述的基于zynq平台的机载话音处理系统，其特征在于：zynq-ps单元完成的数字音频算法包括话音端点检测算法、自适应噪声抑制算法和自动增益控制算法；zynq-pl单元则用于对模拟音频信号和数字音频信号的ad串并转换、采样率切换及配置和音频通路切换及选通。

5.根据权利要求2所述的基于zynq平台的机载话音处理系统，其特征在于：音频输入单元包括输入接口电路，输入接口电路包括rc低通滤波器，其截止频率为10k，用于滤除模拟音频信号中的杂波干扰，完成模拟音频信号的采集过程；音频输出单元包括输出接口电路，输出接口电路将再次转换后得到的模拟音频信号进行放大匹配，并通过输出接口电路内的高通滤波器和低通滤波器的叠加，完成带通滤波，滤波后的模拟音频信号通过负反馈放大器进行放大与隔直，最后对外输出并驱动音频设备。

6.根据权利要求2所述的基于zynq平台的机载话音处理系统，其特征在于：ad/da单元包括作为音频编解码器的ad/da转换芯片；ad/da转换芯片的型号为tlv320aic23b，供电为3.3v；当进行ad转换过程时，ad/da转换芯片单端输入采样，完成信号匹配和差分单端转换过程，转换后的单端信号送入ad区完成ad转换操作；da转换过程为ad转换的逆过程。

7.根据权利要求3所述的基于zynq平台的机载话音处理系统，其特征在于：zynq-ps单元包括供电单元、复位逻辑单元、ddr存储器和flash存储器；zynq-ps单元中的内存0基地址分配给flash存储器，用于存储固化程序与音频告警数据；内存1基地址分配给ddr存储器，用于暂存程序代码与运行数据；内存2基地址分配给zynq-pl单元，用于对与其相连的fpga的数据读写寻址。

8.根据权利要求7所述的基于zynq平台的机载话音处理系统，其特征在于：zynq-pl单元包括时钟单元、配置单元和fpga逻辑单元；时钟单元用于为zynq-pl单元的工作提供时钟源；配置单元用于存储fpga逻辑单元的固化代码，并在上电时通过固化代码完成zynq-pl单元的配置加载；zynq-pl单元在加载完成后，输出时钟信号与复位信号，在zynq-ps单元中复位逻辑单元的作用下，完成zynq-ps单元的初始化配置。

9.一种基于zynq平台的机载话音处理方法，其特征在于：所述方法的硬件基础为权利要求1至8任一项所述的机载话音处理系统，方法包括：机载话音处理系统上电，完成模拟音频电路中ad/da单元、数字音频电路主控芯片中ddr存储器和flash存储器的初始化配置，同时设置中断函数，实时监测来自主控芯片内部可编程逻辑的zynq-pl单元的缓存中断；当监测到缓存中断时，调用中断响应函数，读取音频输入单元内的外部输入的模拟音频信号；将当前读取的信号数据与前两次读取的信号数据进行组帧，对组帧后的信号数据进行加窗，完成连续的模拟音频信号转换为分段的数字音频信号的操作，进行后续的数字处理过程。

10.根据权利要求9所述的基于zynq平台的机载话音处理系统，其特征在于：组帧并加窗后的信号数据被送入数字音频电路中，通过数字音频电路中的话音端点检测算法，检测有无话音活动；若无话音活动，则采用随机白噪声产生算法，生成背景白噪声，填补话音信号中的无音段；若有话音活动，通过自适应噪声抑制算法进行降噪处理，经过降噪处理后的信号数据再采用agc自动增益控制算法进行处理，agc自动增益控制算法建立在短时帧能量基础上，将话音信号分为25个量化等级，针对不同等级分别进行增益调节和控制；完成上述处理后的信号数据被送入音频输出单元中，通过音频输出单元的模数转换、放大和匹配滤波处理后，对外输出并驱动音频设备。

技术总结
本发明提供基于ZYNQ平台的机载话音处理系统及方法，属于机载通信技术领域，解决了机载环境下飞行员通话强噪声干扰的问题；包括模拟及数字音频电路；模拟音频电路将外部输入的模拟音频信号进行预处理及AD转换，并送入数字音频电路中；模拟音频电路还用于将经过处理后的数字音频信号进行DA转换，并对外输出至音频设备中；数字音频电路包括主控芯片，分为处理器系统的ZYNQ‑PS单元和可编程逻辑的ZYNQ‑PL单元；ZYNQ‑PS单元完成数字音频算法的处理，ZYNQ‑PL单元完成对模拟音频信号和数字音频信号的AD串并转换及配置；本发明适用于机载环境，有效抑制了噪声，改善了话音质量，取得了较好的话音增强效果。

技术研发人员：李声飞,刘文法,顾生辉,雷国志,张浩,张晓强
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11