數(shù)字音頻傳輸在民航通信應(yīng)用中的優(yōu)勢與發(fā)展

邵瑋

（中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局技術(shù)保障中心，上海 200335）

1 引言

民航行業(yè)發(fā)展迅速，航班量連續(xù)保持高增長，與此同時(shí)設(shè)備量大規(guī)模增加，運(yùn)行壓力不斷提升，在管制指揮扇區(qū)不斷細(xì)分以及民航法規(guī)對于區(qū)域管制中心信號備份的強(qiáng)制要求下，傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)很難滿足現(xiàn)有需求，本文探討了基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字音頻傳輸以及VoIP技術(shù)所能提供的全新解決方案，基于IP數(shù)字音頻的新架構(gòu)完成替代后將有效緩解傳統(tǒng)通信傳輸劣勢。

2 數(shù)字音頻分析

隨著計(jì)算機(jī)編碼技術(shù)的發(fā)展，以前普遍采用磁帶以及光盤存儲的模擬音頻現(xiàn)如今有了翻天覆地的變化。磁帶使用磁場磁化來保存數(shù)據(jù)，通過磁場改變磁粉的排列，使得磁帶經(jīng)過磁頭時(shí)產(chǎn)生的磁場磁通量變化，發(fā)出不同的聲音。光盤使用激光對基板進(jìn)行燒錄，在極其微小的間隙下形成不同的凹槽，然后通過反射層來反射激光束，還原記錄的數(shù)據(jù)。數(shù)字音頻基于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)編碼的原理，通過編碼采樣原理，對一段模擬信號進(jìn)行細(xì)致的劃分，不斷細(xì)化的采樣速率代表了不同的音質(zhì)等級，具有極佳的可控性，如果需要較高的壓縮率，提高數(shù)據(jù)容量使用效率，那就可以使用較低的采樣率，以音質(zhì)降級的代價(jià)換取效率提升。三種技術(shù)相比之下，磁帶存儲量小，不易保存，容易被磁化導(dǎo)致失效，使得磁帶已經(jīng)越來越少使用。光盤雖然保存期限長，以及音質(zhì)出眾，但由于成本及便捷度原因，也已經(jīng)日漸式微。數(shù)字音頻編碼具有幾乎無損的傳輸效率，這是模擬信號傳輸無法做到的，由于采用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)，在交流應(yīng)用領(lǐng)域，使用數(shù)字音頻編碼可以免去煩瑣低效的數(shù)模轉(zhuǎn)換過程，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的協(xié)助，遠(yuǎn)程傳輸可以實(shí)現(xiàn)低延遲以及低誤碼率。在具體生產(chǎn)應(yīng)用中，由于行業(yè)對音質(zhì)要求不同，如果只需基本辨識度的音頻信號，那就非常有利于采用數(shù)字音頻編碼技術(shù)。

3 VoIP的實(shí)現(xiàn)原理

3.1 基于VoIP應(yīng)用的空管語音服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)解析

EUROCAE（European Organization for Civil Aviation Equipment）的67工作組早在2009年就開始陸續(xù)地頒布空管行業(yè)內(nèi)的VoIP語音服務(wù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(包含在ED-136至ED-139相關(guān)文檔中)，目前已更新至第四版，并在2010年獲得了美國聯(lián)邦航空局（FAA）和國際民航組織（ICAO）的認(rèn)可，將相關(guān)文件均列入其標(biāo)準(zhǔn)性文件。

其中ED136定義明確了A/G通信和G/G通信的技術(shù)規(guī)格，而ED137則是針對ED136所提出要求而做的實(shí)現(xiàn)規(guī)范。

信令延時(shí)要求：PTT激活總延時(shí)≤100ms,其中發(fā)射機(jī)激活時(shí)間（TAT）≤20ms。SQ接收總延時(shí)≤100ms。其中接收機(jī)激活時(shí)間（RAT）≤50ms，剩余至面板顯示SQ信號的時(shí)延應(yīng)在20-50ms之間。

語音延時(shí)要求：語音傳輸總延時(shí)≤100ms,其中發(fā)射機(jī)部分≤10ms。接收向語音傳輸同理。

G/G通信性能關(guān)鍵要求：這里首先明確DA和IDA的區(qū)別,DA由系統(tǒng)完成撥號，IDA則為手動完成撥號，另外DA無需通過鈴音判斷撥號狀態(tài)，IDA需要通過鈴音判斷。規(guī)范要求DA建立時(shí)間≤2s的概率大于99%，ATS-R2方式不在此規(guī)范適用范圍內(nèi)1。

3.2 A/G通信的實(shí)現(xiàn)規(guī)范

使用SIP+RTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)A/G通信的VoIP應(yīng)用。SIP負(fù)責(zé)會話鏈路的建立，當(dāng)無語音數(shù)據(jù)交換時(shí)輔以R2S協(xié)議監(jiān)控鏈路狀態(tài)；RTP協(xié)議負(fù)責(zé)語音數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

3.3 SIP簡介

SIP（Session Initiation Protocol，會話初始協(xié)議）是一個(gè)用于建立、更改和終止多媒體會話的應(yīng)用層控制協(xié)議，其中的會話可以是IP電話、多媒體會話或多媒體會議。SIP是IETF多媒體數(shù)據(jù)和控制體系結(jié)構(gòu)的核心協(xié)議（最新RFC文檔是RFC 3261）。

SIP協(xié)議主要用來處理5個(gè)方面的參數(shù)：用戶位置參數(shù)：用來判斷連接用戶的終端系統(tǒng)標(biāo)識；用戶功能參數(shù)：用來判斷此次連接使用的方式以及參數(shù)；用戶有效性參數(shù)：用來判斷被連接用戶是否能夠進(jìn)行通信傳輸；呼叫計(jì)劃參數(shù)：用來建立振鈴方式、主叫方和被叫方的連接；呼叫管理參數(shù)：用來實(shí)現(xiàn)傳輸和終止會話、修改會話參數(shù)以及調(diào)用服務(wù)功能。

用戶代理UA也稱SIP終端，是指支持SIP協(xié)議的多媒體會話終端。一般使用支持SIP協(xié)議的路由器作為SIP UA。UA包括用戶代理客戶端UAC和用戶代理服務(wù)器UAS。一般所說的UA是二者的總稱，因?yàn)樵谝淮魏艚兄?，同一個(gè)SIP終端既是SIP請求處理方也是SIP請求發(fā)起方。

4 數(shù)字甚高頻多信道無線電通信系統(tǒng)的特點(diǎn)

數(shù)字甚高頻電臺使用了數(shù)字信號處理器（DSP）技術(shù)，融合先進(jìn)的靜噪算法使得接收機(jī)和發(fā)射機(jī)信道（甚高頻）都有一個(gè)高水平的線性數(shù)字調(diào)節(jié)器，確保了高品質(zhì)的語音質(zhì)量以及低干擾，從而提高空中交通管制員之間通信的可靠性。由于大量語音的接入及小區(qū)域內(nèi)無線電信道的連接，使得頻率正逐漸變得擁擠，因此是非常重要的。目前華東地區(qū)常用的甚高頻數(shù)字電臺，如R&S 4200系列電臺本身提供數(shù)字輸出接口（X13，X14）可直接連接語言交換系統(tǒng)，提供IP數(shù)字聯(lián)網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)VoIP功能。

5 FREQUENTIS公司關(guān)于VoIP應(yīng)用產(chǎn)品

5.1 DIF模塊

DIF模塊和JIF模塊的硬件架構(gòu)和作用類似，但DIF新增了VoIP應(yīng)用處理功能，相當(dāng)于VCS內(nèi)部與外部以太網(wǎng)之間的通信模塊，每塊DIF板有八個(gè)以太網(wǎng)端口。

5.2 GateX2

Frequentis VCX-IP系統(tǒng)提供了一種網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可用于模擬、數(shù)字以及現(xiàn)有的數(shù)據(jù)端口和IP網(wǎng)絡(luò)之間建立連接，即GateX2。

GateX2有8路E1/T1端口，10個(gè)以太網(wǎng)端口，并提供2個(gè)高速鏈接和2個(gè)千兆以太網(wǎng)連接。它既可以作為3020X系統(tǒng)的通信服務(wù)器，也可用作IP網(wǎng)關(guān)。

5.3 IRIF模塊

IRIF具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，具備雙核處理器、兩條模擬線路、數(shù)據(jù)串口，使用SIP協(xié)議和RTP協(xié)議。

IRIF有8個(gè)數(shù)據(jù)端口。其中1、2口以太網(wǎng)端口，互為冗余；3、4 口四線語音端口，5 口通用的 IN/OUT 端口，6、7、8 口為RS232端口2。

6 模擬音頻信號的現(xiàn)實(shí)缺陷

①大型空中交通指揮樞紐，如區(qū)域管制中心由于其本身設(shè)備及人員數(shù)量龐大，導(dǎo)致設(shè)備現(xiàn)場布線長度較長，遙控臺信號經(jīng)過長距離傳輸接入設(shè)備機(jī)房后仍然需要經(jīng)過布線及跳接接入語音交換系統(tǒng)，線路衰減較大，往往需要調(diào)整語音交換系統(tǒng)門限參數(shù)來提高音頻信號，修改參數(shù)將同時(shí)導(dǎo)致線路噪音放大，反而導(dǎo)致了音頻信號質(zhì)量的下降。②區(qū)域管制中心同時(shí)需要將同一遙控臺信號接入主用語音交換系統(tǒng)，備用語音交換系統(tǒng)，應(yīng)急遙控盒，比選器等等大量設(shè)備，多個(gè)信號的并接將導(dǎo)致信號強(qiáng)度減小，同時(shí)由于語音交換系統(tǒng)使用自帶SQ信號，沒有控制信號輔助容易由于一個(gè)系統(tǒng)音頻信號異常，導(dǎo)致干擾并接的其他系統(tǒng)正常運(yùn)行。③區(qū)域外接大量遙控臺信號，大量信號分布在機(jī)房多個(gè)節(jié)點(diǎn)界面，對于機(jī)房線路管理以及線路故障排故效率都有嚴(yán)重影響。

7 數(shù)字音頻在民航通信領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

①語音交換系統(tǒng)本身為全數(shù)字語音交換系統(tǒng)，甚高頻電臺使用數(shù)字接口輸出音頻不存在導(dǎo)致音頻質(zhì)量下降的可能性。②使用IP網(wǎng)絡(luò)傳輸將大大減少線路資源消耗。③重新構(gòu)建基于IP網(wǎng)絡(luò)的全數(shù)字通信系統(tǒng)后，協(xié)同自動化系統(tǒng)，可便捷的實(shí)現(xiàn)異地辦公，異地備份，備份系統(tǒng)復(fù)用等大量應(yīng)用方式。④整體通信系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)集成化以及輕量化。⑤將異地內(nèi)話系統(tǒng)及遙控臺甚高頻信號聯(lián)網(wǎng)后將實(shí)現(xiàn)更多系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能。⑥將大大降低維護(hù)成本，減少設(shè)備故障率。

8 結(jié)語

基于IP網(wǎng)絡(luò)的語言交換系統(tǒng)和甚高頻電臺融合將是大勢所趨，在保障目前階段的設(shè)備安全運(yùn)行基礎(chǔ)上，做好過渡階段的技術(shù)儲備及基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)是關(guān)鍵，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)民航通信系統(tǒng)架構(gòu)建設(shè)思路，不再局限在模擬傳輸?shù)木€路規(guī)劃，放棄集中式設(shè)備管理方式，轉(zhuǎn)向保障傳輸穩(wěn)定率的IP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯恳约胺植际皆O(shè)備管理及建設(shè)將是未來工作中的方向。