一种机载音响通信系统话音预放大模块的设计

2021-09-01吴元杰

数字通信世界 2021年8期

吴元杰

（中国电子科技集团有限公司第十研究所，四川成都 610036）

AXU系统是一种机载音响通信系统，完成飞机飞行员与地勤通话、传感告警音通信等功能。话音信号预放大模块（以下简称IO模块）驻留在AXU 系统中，它实现对飞行员耳机话筒组的预放大和切换输出、地勤耳机话筒组的预放大和切换输出，并将放大后的飞行员话筒信号和放大后的地勤话筒信号输出给音响模块、告警音处理模块、应急电台。同时IO模块上安装AXU系统的对外连接器，完成AXU对外信号的交互。

1 IO模块主要功能

1.1 话音放大功能

IO模块中前置音频放大单元完成飞行员和地勤人员话筒小信号话音放大功能并传送给音响模块处理。

1.2 模拟通道切换控制功能

IO模块中继电器组及音频开关完成模拟通道切换控制功能，AXU系统中模拟信号通过继电器组及音频开关控制输出。

2 IO模块的设计

2.1 设计原理框图

IO模块完成音频信号放大，模拟通道切换功能。其主要由两部分功能单元组成，分别是前置音频放大单元和继电器组及音频开关。原理框图如图1所示。

图1 IO模块原理框图

2.2 设计指标

2.2.1 话音放大性能设计

（1）低阻话筒输入：采用HK91低阻话筒，输入阻抗150Ω，动态范围0.3mV-20mV。

（2）放大输出：两路输出均为平衡输出，输出阻抗600Ω。

（3）增益曲线：飞行员和地勤话筒信号放大倍数为单端100±20。

（4）供电电源：+12 V，纹波小于50mV，电压精度不大于2%。

（5）模块功耗：≤2 W。

（6）频响：300 Hz～3.4 k Hz波动≤3dB。

（7）信噪比：≥40dB（1 k Hz）。

2.2.2 模拟通道切换控制性能设计

初始化状态时，默认AXU设备的告警音模块音频输出给耳机。

2.3 硬件设计

2.3.1 电源电路设计

IO模块的外部需求输入电源为+12V，供电来自告警音处理模块、AXU电源模块和应急电台。当任一电源有效时，IO模块都可以正常工作。当任一电源故障时，不影响IO模块正常工作。模块上的运算放大器、功率放大器和模拟开关电路需要的供电为3.3V；继电器需要的供电为12V。

IO模块上经过两次将12V转化为3.3V，用1 片正电压调整器LM1086IS-5.0完成12V到5V电压的转化，用1片电压调整器LT1086IM-3.3#PBF 完成5 V到3.3 V电压的转化。LM1086IS-5.0和LT1086IM-3.3#PBF都可以提供1.5A的电流。

2.3.2 前置音频放大电路设计

IO模块前置频频放大电路主要包括前置放大、AGC控制盒后级驱动输出3个功能电路。如图2所示。

图2 前置音频放大电路原理框图

2.3.2.1 前置放大电路

选用MAXIM公司的牵制放大器MAX4062进行前端输入放大。该芯片具有如下特点：

（1）电源纹波抑制比高达86dB，对应3.3V供电，耦合噪声小于0.2μV。

（2）话音通带失真小于-67dB。

（3）话音通带噪声密度典型。

（4）支持两路话筒的输入和切换。

（5）输入阻抗100kΩ[1]。

2.3.2.2 AGC控制电路

AGC控制电路选用美国AD公司可变音频放大器SSM2167，可以通过电阻的设计自行决定高频截止频率及低频噪声截止频率，从而得到非常平均的语音输出[2]，增大飞行员话筒信号的动态范围，去语音识别设备的放大通路无AGC控制部分。具备以下特点：

（1）可变噪声门限。

（2）可变压缩率和拐点。

（3）自动限制，防止ADC过载。

在IO模块中，其典型AGC控制电路如图3所示：

图3 IO模块中典型AGC电路图

2.3.2.3 后级驱动输出电路

后级输出驱动采用TI公司的音频功率放大器TPA721，工作参数如下：

（1）工作电压3.3-5 V，输出功率250 mW-750 mW/8 Ω。

（2）高电源纹波抑制，最大可达80 dB。

（3）失真度（THD+N），0.5%。

（4）集成去POP噪声电路。

2.3.3 继电器组及音频开关电路设计

继电器组及音频开关电路具有以下功能：

（1）音响模块、告警音处理模块、应急电台到飞行员耳机信号的切换控制。

（2）音响模块、告警音处理模块到地勤耳机信号的切换控制。

继电器选用贵航电器的蜜蜂电磁继电器JZC-064M/012-01-Ⅱ，+12V供电，其动作时间和释放时间均小于4ms，切换速度较快。

音频开关选用美国MAXIM公司的四路SPST 开关，3.3 V供电，可对四路信号进行两组切换。

IO模块的输出与切换控制信号YX_IO_SW及BRUC-EAR的关系如表1所示：

表1 IO模块的输出与控制信号的关系表

飞行员耳机信号及地勤耳机信号切换电路：

飞行员耳机信号切换电路原理框图如图4所示：

图4 飞行员耳机信号切换电路原理框图

2.3.4 信号通道电路设计

IO模块具有直连信号通道的功能，直连信号通过IO模块对外的连接器进行输入输出，在模块的印制板上传输。IO模块通过美国AIRBORN公司的4排220芯的电连接器RM412-220-192-9501-919 与AXU系统相连，用中航光电公司的滤波连接器J599/20WJ35PLN01L1-01和美国SABRITEC公司的连接器012617-3111-N作为AXU对外的连接器。