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

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)發(fā)展以及基于高速網(wǎng)絡(luò)的VoIP技術(shù)成熟，長期以來數(shù)字電臺使用模擬接口導(dǎo)致與語音交換系統(tǒng)的錯配問題有了重新構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電臺；數(shù)字音頻；VoIP；

一、引言

民航行業(yè)發(fā)展迅速，航班量連續(xù)保持高增長，與此同時設(shè)備量大規(guī)模增加，運行壓力不斷提升，在管制指揮扇區(qū)不斷細分以及民航法規(guī)對于區(qū)域管制中心信號備份的強制要求下，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。

二、數(shù)字音頻特點

數(shù)字音頻計算機數(shù)據(jù)的存儲是以0、1的形式存取的，那么數(shù)字音頻就是首先將音頻文件轉(zhuǎn)化，接著再將這些電平信號轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)據(jù)保存，播放的時候就把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬的電平信號再送到喇叭播出，數(shù)字聲音具有存儲方便、存儲成本低廉、存儲和傳輸?shù)倪^程中沒有聲音的失真、編輯和處理非常方便等特點。

數(shù)字音頻是以數(shù)字的方式存儲以及處理電聲信號，有著模擬方式無法比擬的便捷以及低成本。數(shù)字音頻的宗旨即盡可能真實的存儲以及還原聲信號。

三、數(shù)字音頻編碼

語音編碼致力于：降低傳輸所需要的信道帶寬，同時保持輸入語音的高質(zhì)量。

語音編碼的目標(biāo)在于：設(shè)計低復(fù)雜度的編碼器以盡可能低的比特率實現(xiàn)高品質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸。

1.靜音閾值曲線：只在安靜環(huán)境下，人耳在各個頻率能聽到聲音的閾值。

2.臨界頻帶：由于人耳對不同頻率的解析度不同，MPEG1/Audio將22khz內(nèi)可感知的頻率范圍，依不同編碼層，不同取樣頻率，劃分成23～26個臨界頻帶。

3.頻域上的掩蔽效應(yīng)：幅值較大的信號會掩蔽頻率相近的幅值較小的信號。

4.時域上的遮蔽效應(yīng)：在一個很短的時間內(nèi)，若出現(xiàn)了2個聲音，SPL較大的聲音會掩蔽SPL較小的聲音。

四、VoIP的實現(xiàn)原理

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

EUROCAE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)，目前已更新至第四版，并在2010年獲得了FAA和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現(xiàn)規(guī)范。

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

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

2.A/G通信的實現(xiàn)規(guī)范

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

3.SIP簡介

SIP是一種應(yīng)用層控制協(xié)議，用于在IP網(wǎng)上建立、修改以及終止多媒體會話或呼叫，現(xiàn)由SIP工作組負責(zé)，參考規(guī)范RFC2543。

SIP的基本功能有五種：用戶定位，用戶能力，用戶可用性，呼叫建立，呼叫處理。

SIP地址格式由SIP URI定義， SIP URI 類似于mailto或 telnet URL。包括用戶部分和主機部分；可以用來標(biāo)識一個人、一個組里第一個可以訪問的人、或者標(biāo)識一個組。

SIP是基于客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的?；痉譃橛脩舸砗途W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。以下是對用戶代理解釋，因為實際使用中的SIP會話分別是在系統(tǒng)端和無線設(shè)備端的用戶代理應(yīng)用程序之間交互完成。

用戶代理客戶端UAC：發(fā)起SIP呼叫的客戶端應(yīng)用程序。

用戶代理服務(wù)器UAS：接受SIP請求的服務(wù)器程序。作為用戶的代理，根據(jù)接受到的請求代表用戶返回相應(yīng)的響應(yīng)：接受、拒絕、轉(zhuǎn)接。

SIP消息分為兩大類：請求和響應(yīng)，響應(yīng)又分為最終響應(yīng)和臨時響應(yīng)。在關(guān)鍵的請求及響應(yīng)消息中必須包含SDP包，因為 SDP的目的是傳送會話中的媒體流的信息，以使符合會話描述的接收者可以參加會話。

4.RTP簡介

RTP實時傳輸協(xié)議。它是IETF提出的一個標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)的RFC文檔為RFC3550。RTP為Internet上端到端的實時傳輸提供時間信息和流同步，但并不保證服務(wù)質(zhì)量，服務(wù)質(zhì)量由RTCP來提供。RTCP在ED137雖不是必須采用，但在實際產(chǎn)品中均采用相關(guān)協(xié)議保證QoS。

RTP（實時傳輸協(xié)議），顧名思義它是用來提供實時傳輸?shù)?，因而可以看成是傳輸層的一個子層。

五、數(shù)字甚高頻多信道無線電通信系統(tǒng)的特點

數(shù)字甚高頻電臺使用了數(shù)字信號處理器（DSP）技術(shù)，融合先進的靜噪算法使得接收機和發(fā)射機信道（甚高頻）都有一個高水平的線性數(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&S4200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，實現(xiàn)VoIP功能。

六、模擬音頻信號的現(xiàn)實缺陷

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，多個信號的并接將導(dǎo)致信號強度減小，同時由于語音交換系統(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)正常運行。

3.區(qū)域外接大量遙控臺信號，大量信號分布在機房多個節(jié)點界面，對于機房線路管理以及線路故障排故效率都有嚴(yán)重影響。

七、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)后將實現(xiàn)更多系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能

6.將大大降低維護成本，減少設(shè)備故障率

八、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，不在局限在模擬傳輸?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)拓撲研究以及分布式設(shè)備管理及建設(shè)將是未來工作中的方向。

參考文獻：

[1]VoIP in Air Traffic Management-FREQUENTIS

[2]R&S S4200 XU4200 VHF Transceiver Operating Manual-ROHDE&SCHWARZ