基于VOIP的機載話音中繼通信系統(tǒng)設(shè)計*

黃 斌

（海裝重慶局駐十所軍代室，四川 成都 610036）

基于VOIP的機載話音中繼通信系統(tǒng)設(shè)計*

黃 斌

（海裝重慶局駐十所軍代室，四川 成都 610036）

介紹傳統(tǒng)機載通信中繼系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和工作流程，在其基礎(chǔ)上提出一種基于VOIP技術(shù)的新型中繼系統(tǒng)架構(gòu)，并對該新型中繼系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理進行描述，同時詳細闡述其運用的關(guān)鍵技術(shù)——VOIP話音編解碼技術(shù)、傳輸技術(shù)和活動話音檢測技術(shù)。比較分析表明，該新型中繼系統(tǒng)具有高靈活性、跨頻段、中繼距離遠等優(yōu)點，可作為后續(xù)中繼系統(tǒng)研制的重要參考。

機載通信系統(tǒng)；中繼系統(tǒng)；VOIP；話音；跨頻段

0 引 言

直升機執(zhí)行任務(wù)時以超短波作為主要的話音通信手段。由于超短波的視距通信特點，當(dāng)直升機執(zhí)行任務(wù)的距離超出視距范圍或遇地形遮擋時，將不能保證其與地面指揮所之間的有效話音通信。為滿足執(zhí)行任務(wù)時的需要，須延伸地面指揮所與直升機的話音通信距離，以支持地面指揮所對直升機的遠程指揮引導(dǎo)[1]。

典型的中繼應(yīng)用場景如圖1所示。

圖1 話音中繼應(yīng)用場景示意

本文介紹傳統(tǒng)機載話音中繼系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理，并在此基礎(chǔ)上提出一種新型中繼方式，重點描述新型話音中繼系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)等方面的內(nèi)容。

1 中繼方案設(shè)計

1.1 傳統(tǒng)中繼系統(tǒng)

傳統(tǒng)中繼采用電臺與電臺之間的離散線與音頻線相互連接，直接轉(zhuǎn)發(fā)中繼控制信號（PTT）及中繼話音。這種方式只能在位置相鄰的兩部電臺間構(gòu)建中繼通信鏈路，且只能實現(xiàn)同種調(diào)制方式的中繼。

1.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)中繼系統(tǒng)由超短波鏈路（至少2條）及通信控制管理設(shè)備CCU組成，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)話音中繼系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)各組成部分功能如下：

（1）控制設(shè)備CCU：對中繼鏈路參數(shù)進行控制管理；

（2）超短波鏈路：①對射頻信號進行解調(diào)恢復(fù)話音，并通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)口轉(zhuǎn)發(fā)；②對中繼轉(zhuǎn)發(fā)音頻進行調(diào)制，并通過天線口發(fā)射。

1.1.2 工作流程

（1）上行話音中繼過程

通信控制設(shè)備CCU設(shè)置超短波鏈路1/2處于中繼模式。地面指揮所超短波電臺以波道1發(fā)送話音；中繼超短波電臺1收到射頻信號后，解調(diào)出話音信號，通過電臺轉(zhuǎn)發(fā)接口將轉(zhuǎn)發(fā)音頻及轉(zhuǎn)發(fā)控制信號PTT送至中繼超短波電臺2；中繼臺超短波電臺2將話音調(diào)制后通過波道2發(fā)送至無線信道；直升機超短波電臺接收信號后解調(diào)出話音。

（2）下行話音中繼過程

下行話音中繼過程則為上行話音中繼過程的逆過程，此處不再贅述。

1.2 新型中繼系統(tǒng)

新型中繼系統(tǒng)在傳統(tǒng)中繼系統(tǒng)上進行了改進，采用基于IP話音編解碼和活動話音檢測的方法，不再受限于電臺安裝位置和調(diào)制方式，可實現(xiàn)任意鏈路、任意調(diào)制方式之間的中繼。

1.2.1 組成

新型中繼系統(tǒng)由不同頻段的無線通信鏈路、通信控制管理設(shè)備CCU、音頻接口單元GIU、光以太網(wǎng)交換機組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 新型話 音中繼系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)各組成部分功能如下：

（1）通信控制管理設(shè)備：對中繼鏈路參數(shù)進行控制管理，實時檢測IP活動話音，并產(chǎn)生中繼轉(zhuǎn)發(fā)控制信號及中繼音頻；

（2）音頻接口單元GIU：提供與各信道鏈路的模擬接口，完成模擬話音與IP話音的相互轉(zhuǎn)換；

（3）光以太網(wǎng)交換機：完成IP數(shù)據(jù)的傳輸交換；

（4）超短波、短波鏈路、衛(wèi)通鏈路：完成音頻信號的調(diào)制與解調(diào)、射頻信號的接收與發(fā)送。

1.2.2 工作流程

（1）上行話音中繼過程

通信信息處理器設(shè)置任意兩條鏈路處于中繼模式。

圖4為話音中繼過程示意圖。地面指揮所通過任意鏈路（短波/超短波/衛(wèi)通）發(fā)送話音；中繼飛機對應(yīng)中繼鏈路接收到射頻信號，解調(diào)出模擬音頻送至音頻接口單元（GIU）；GIU按照G.711標(biāo)準(zhǔn)將模擬話音轉(zhuǎn)化為IP話音，并送至以太網(wǎng)；通信控制管理設(shè)備（CCU）通過內(nèi)置活動話音檢測算法實時檢測以太網(wǎng)上的IP話音，當(dāng)檢測到某中繼鏈路有話音輸入時，CCU自動生成中繼話音控制信號PTT，并將該數(shù)字PTT及中繼音頻送至中繼目標(biāo)鏈路對應(yīng)的GIU；GIU將IP話音及數(shù)字控制PTT信號還原為模擬話音和離散PTT信號，并送至中繼目標(biāo)鏈路（超短波）；中繼目標(biāo)鏈路（超短波）將音頻調(diào)制后發(fā)送至無線信道；作戰(zhàn)平臺對應(yīng)鏈路（超短波）接收后解調(diào)出話音。

（2）下行話音中繼過程

圖4 話音中繼過程

下行話音中繼過程則為上行話音中繼過程的逆過程，此處不再贅述。

1.3 中繼系統(tǒng)特點對比

從傳統(tǒng)與新型中繼系統(tǒng)的架構(gòu)及工作原理可以看出，新型中繼系統(tǒng)具有中繼靈活性更強、中繼覆蓋范圍更廣、中繼頻段更寬等優(yōu)勢。兩個中繼系統(tǒng)特點的詳細對比如表1所示。

表1 中繼特點 對比情況

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

新型中繼方式所具備的優(yōu)點，源于在傳統(tǒng)中繼系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用了VOIP話音編解碼技術(shù)、傳輸技術(shù)和活動話音檢測技術(shù)。

2.1 VOIP話音編解碼

VOIP是Voice over IP的縮寫。這種技術(shù)對模擬話音信號進行編碼數(shù)字化，壓縮處理成壓縮幀，然后轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上進行傳輸，從而達到在以太網(wǎng)上傳輸話音的目的。目前，ITU-T定義的主要編碼標(biāo)準(zhǔn)有G.711、G.729、G.723.1等[2-3]。

表2為主流壓縮編碼技術(shù)的比較。從表2可以看出，每種壓縮算法（G.729/G.723.1）雖然節(jié)省了帶寬，但對話音質(zhì)量都有一定影響。G.711編碼標(biāo)準(zhǔn)未經(jīng)壓縮，則可獲得更高的話音質(zhì)量和更短的編碼延時，但占用的帶寬較大。由于系統(tǒng)采用百兆光以太網(wǎng)，可滿足G.711編碼方式的傳輸帶寬，故系統(tǒng)采用話音質(zhì)量更高的G.711編碼方式。

表2 主流壓縮編碼技術(shù)的比較

2.2 VOIP話音傳輸

音頻接口單元GIU采用RTP協(xié)議來確保話音傳輸?shù)膶崟r性。RTP協(xié)議提供序列號、時間戳、數(shù)據(jù)源標(biāo)識等信息，使接收端能夠根據(jù)這些信息重新恢復(fù)正確的數(shù)據(jù)流[4-6]。GIU進行話音編碼后將話音數(shù)據(jù)封裝成RTP包，由UDP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)傳輸。

為防止以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸抖動對GIU中繼音頻恢復(fù)造成影響，GIU需對中繼音頻報文有3幀的緩沖平滑處理能力。

2.3 話音活動檢測

通信控制管理器實時檢測通話過程中有效的活動話音，剔除靜音片段，對靜音的數(shù)據(jù)部分不進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，對有效的活動話音部分則生成相應(yīng)的控制信號PTT并轉(zhuǎn)發(fā)話音。采用活動話音檢測技術(shù)后，當(dāng)中繼鏈路沒有收到話音時，通信信息處理器將不會發(fā)出轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)射控制信號PTT，從而不會引起長時間單向占用信道的現(xiàn)象。

本系統(tǒng)的活動話音檢測算法選取短時能量和短時過零率作為檢測算法的參數(shù)，屬于時域的檢測方法[3]。

（1）短時能量：直觀反映一段時間內(nèi)語音信號的強度，只要有語音信號存在，就會有一定的能量；

（2）短時過零率：過零是指時域波形穿過坐標(biāo)軸，直觀數(shù)值反映即相鄰兩個采樣值異號，短時間過零發(fā)生的次數(shù)為短時過零率。

活動話音檢測判定準(zhǔn)則有兩個：話音檢測輸出有效和話音檢測輸出無效。

（1）話音檢測輸出有效

一幀數(shù)據(jù)能量幅度絕對值大于等于門限值A(chǔ)的次數(shù)大于等于B（A和B參數(shù)可配置，A為一個字節(jié)的輸出有效能量幅度門限），則該幀依據(jù)能量幅度判定為有效幀；一幀數(shù)據(jù)（40 Byte）的過零次數(shù)大于等于過零門限值C（C參數(shù)可配置），則該幀依據(jù)過零判定為有效幀；在連續(xù)X幀數(shù)據(jù)（X參數(shù)可配置）中，依據(jù)能量幅度判定為有效幀的幀數(shù)大于等于D（D參數(shù)可配置）或者依據(jù)過零判定為有效幀的幀數(shù)大于等于E（E參數(shù)可配置），則認(rèn)為話音檢測輸出有效。

（2）話音檢測輸出無效

一幀數(shù)據(jù)能量幅度絕對值大于等于門限值F的次數(shù)小于G（F和G參數(shù)可配置，F(xiàn)為一個字節(jié)的輸出無效能量幅度門限），則該幀依據(jù)能量幅度判定為無效幀；一幀數(shù)據(jù)（40 Byte）的過零次數(shù)小于過零門限值H（H參數(shù)可配置），則該幀依據(jù)過零判定為無效幀；在連續(xù)X幀數(shù)據(jù)（X參數(shù)可配置）中，依據(jù)能量幅度判定為無效幀的幀數(shù)大于等于I（I參數(shù)可配置）且依據(jù)過零判定為無效幀的幀數(shù)大于等于J（J參數(shù)可配置），則認(rèn)為話音檢測輸出無效。

話音活動檢測采用搶占機制，即一旦某個方向話音檢測輸出為有效，則立刻啟動該方向的中繼，且不再進行反方向的話音活動檢測，直到該方向話音檢測輸出為無效。

3 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)中繼系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種基于VOIP技術(shù)的新型中繼系統(tǒng)，并詳細闡述了新型中繼系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理及關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容。通過比較，新型中繼系統(tǒng)相較傳統(tǒng)中繼系統(tǒng)具有靈活性強、中繼距離遠、中繼頻段寬等優(yōu)勢，對后續(xù)中繼系統(tǒng)設(shè)計具有參考價值。

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Airborne Voice-Relay Communication System based on VOIP Technology

HUANG Bin
(Military Representative Office Stationed in No.10 Institute of CETC, Chongqing Bureau of Navy Equipment, Chengdu Sichuan 610036,China)

The system architecture and working flow of traditional airborne communication relay system is described. Based on traditional relay communication system, a new relay communication system based on VOIP technology is proposed. This paper tells of the principle and key-technology of the new relay communication system, including the application of VOIP speech coding and decoding technology, transmission technology and active voice detection technology.Comparative analysis shows that this new relay communication system for its strong flexibility, cross frequency band and far relay-range, may serve as an important reference for the future engineering development of relay communication system.

airborne communication system; relay system; VOIP;Voice; cross frequency band

TN919.8

A

1002-0802(2016)-07-0876-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.016

2016-03-17;

2016-06-11 Received date:2016-03-17;Revised date:2016-06-11

黃 斌（1979—），男，學(xué)士，工程師，主要研究方向為通信技術(shù)。