Dante 技術在飛行訓練模擬器上的應用

王建普，吳慧欽，楊宛璐，王 云

（航空工業洪都，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、訓練成本低等優點。聲音模擬分系統模擬飛行過程中的各種聲音效果，包括座艙環境噪音、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網實現編隊飛行、戰術協同和戰術對抗等模擬訓練。聯網語音通訊則是模擬器聯網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，是聯網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 數字音頻技術設計聲音模擬分系統，使它具備低延時、高精度、布線簡單等優點，同時能更好地滿足模擬器聯網訓練的需求。

1 設計與實現

傳統的音頻系統使用的是模擬音頻信號，系統構建中使用大量的音頻線纜，布線復雜，遠距離傳輸會產生阻抗、衰減、干擾等問題[2]。同時，傳統矩陣通道數量有限，無法滿足日益增長的需求。而使用Dante協議構建的數字音頻系統摒棄了傳統的模擬音頻線纜布線，數字音頻信號使用以太網線傳送，能保持信號的準確還原。

1.1 原理

聲音模擬分系統通過接收飛機狀態參數，實時生成環境噪音、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由Dante 協議的數字音頻信號網絡分別輸入至混音設備。音頻信號經分配后，環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 協議的語音信號，實現多臺模擬器聯網語音通訊功能。

1.2 硬件設計

聲音模擬分系統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。音頻網絡交換機選用千兆以太網交換機，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 聲音模擬分系統連接關系

音頻控制計算機和音頻矩陣等設備通過音頻網絡交換機接入同一局域網內，組建Dante 協議的內部數字音頻信號網絡。同時連接其他模擬器的音頻網絡交換機，實現同其他模擬器聲音聯網功能。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，并查看現有的音頻路徑布線狀態。

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 協議數字音頻信號經過混音后，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,對應控制數據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換為Dante 協議數字音頻信號后，通過網絡傳輸至其他dante 音頻設備，同時將網絡上傳入的Dante 協議數字音頻信號轉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 網絡。音頻接口盒配置如下：

網絡數字音頻接口：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,對應控制數據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系統初始化功能、網絡通訊功能、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，運行環境如下：

操作系統：Windows 7；

運行環境：Microsoft .Net 3.5；

開發語言：標準C/C++語言；

開發工具：Microsoft Visual Studio 2010；

開發環境：DirectX SDK （June 2010）、jrtplib 庫、audiomatrix 庫。

1.3.1 系統初始化功能

用于創建用戶界面，根據讀取的配置文件信息，配置虛擬聲卡通道輸出，并創建網絡連接。子功能及功能描述如下：

用戶界面初始化：創建用戶界面的各MFC 控件，將控件關聯其顯示或設置的數據，創建用戶界面定時器，設定周期，用于刷新顯示數據；

配置文件讀取：讀取配置文件，獲取所有網絡和虛擬聲卡的配置信息，網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境噪音、告警語音及提示音信號輸出的虛擬聲卡通道ID；

網絡通訊初始化：檢測本地連接狀態，在本地已連接狀態下，根據網絡配置信息創建并初始化與飛機仿真軟件及音頻矩陣的UDP 網絡連接；

枚舉虛擬聲卡通道：創建播放引擎，根據虛擬聲卡配置信息，將所有環境噪音、告警語音及提示音信號分配至對應虛擬聲卡通道中，實現不同通道輸出不同聲音。

1.3.2 網絡通訊功能

用于創建與飛機仿真軟件及音頻矩陣的UDP 點對點通訊任務，實現仿真數據接收及矩陣通道控制字發送功能。 子功能及功能描述如下：

點對點通訊功能： 提供UDP 點對點通訊網絡連接、數據發送及接收功能；

飛機仿真數據接收任務：為接收數據端口創建獨立的接收任務，采用阻塞接收模式接收飛機仿真系統發送的數據；

矩陣通道控制字發送任務：為發送數據端口創建獨立的發送任務，將封裝的數據按周期發送至音頻矩陣。

1.3.3 聲音實時播放功能

用于創建聲音播放任務，實現環境噪音、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：

創建聲音播放任務：創建聲音播放任務，設定仿真周期，實現實時播放環境噪音、告警語音及提示音信號以及話音通訊功能；

環境噪音播放：根據飛機當前飛行狀態，調整音源庫聲音素材的頻率和音量，合成環境噪音音頻信號，驅動座艙音箱實現環境噪音聲音效果模擬；

告警語音播放：根據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用對應語音告警聲音文件，生成音頻信號，實現語音告警聲音效果模擬；

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

話音通訊功能：根據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通話控制盒對超收調節的音量，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對網絡及虛擬聲卡配置的修改保存功能，對數據收發狀態、播放信息的監控功能，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絡及聲卡配置的修改保存指令，更新配置文件；

播放信息監控：實時更新界面中顯示的網絡數據收發狀態及聲音播放信息；

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，在響應函數中獲取操作信息，更新發送任務中的封裝數據。

2 優點分析

Dante 技術的數字音頻系統相比傳統音頻系統具備以下優勢：

布線簡單：Dante 技術是以IP 數據結構在以太網中傳遞實時音頻信號的技術，允許在一條以太網線上同時發送和接收許多的音頻通道，避免了傳統模擬音頻系統中大量的音頻線纜布線；

抗干擾性好：傳統的音頻系統中，模擬音頻信號通過音頻線纜傳輸會產生阻抗、衰減、干擾等問題，Dante 采用無壓縮的數字音頻傳輸，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：網線有效傳輸距離不超過100 米，而高質量的音頻線有效傳輸距離不超過50米，遠低于網線。

3 結語

使用Dante 數字網絡音頻技術設計聲音模擬分系統架構簡單、使用操作簡單、易于擴展，可以使音頻信號高質量、低延時傳輸，能為飛行員提供更逼真的聲音環境，使模擬器具有更好的訓練效果。模擬器聯網訓練時，使用Dante 技術可以解決音頻信號干擾、信號衰減等問題，而且音頻通道數量多、傳輸距離遠，能更好地滿足多臺模擬器聲音聯網的需求。