民航甚高頻通信比選配置方案研究

何 洋

（中國民用航空溫州空中交通管理站，浙江 溫州 325024）

0 引言

民用甚高頻地空通信系統(tǒng)采用甚高頻頻段調(diào)制語音信號，甚高頻頻段的無線電波在傳播時具有視距傳輸特性，它的傳輸距離有限并且容易受到山體遮擋。為此，一個管制扇區(qū)的完整覆蓋通常需要配置多個同頻的甚高頻收發(fā)臺站。通常考慮到管制作業(yè)的連續(xù)性，不會由管制員根據(jù)航空器位置來頻繁手動切換甚高頻收發(fā)臺站，而是采用比選功能來完成最優(yōu)收發(fā)臺站的自動選擇。比選功能可由外置比選器或語言通信交換系統(tǒng)的內(nèi)置功能提供，本文將研究在民航中有較多應用的JPS外置比選器的比選配置方案及應用方法。

1 比選的原理

比選功能需要解決的是管制員與機組通話時，最優(yōu)發(fā)射臺站與最優(yōu)接收臺站選擇的問題。對于最優(yōu)接收臺站的選擇，本端已經(jīng)取得了最終的接收信號，即可以通過對實際接收到的信號進行分析。評判信號質(zhì)量的方式有很多，對語音信號質(zhì)量可以采取感知評估，現(xiàn)有MOS、PESQ、POLQA等多種成熟評估算法。但是結(jié)合民航應用實際，管制員與機組之間的通信通常是簡短、交替的指令式交互，這對信號質(zhì)量評估的速率有很高的要求，通常需要在語音的開頭，幾十毫秒級的時間內(nèi)得出最優(yōu)信號的結(jié)果，感知評估算法就不適合了。最快的信號選擇方法當然可以是選擇信號強度最大的或者最早到的信號，但是這種方法只能是判斷出電臺到比選終端傳輸鏈路的情況，不能評估出在當前機組發(fā)射位置實際接收效果最好的接收臺站。所以，比選設備通常選擇的接收信號比選方案都是基于信噪比的，信噪比可以由以式（1）表示

在實際比選線路中，噪聲水平往往是相近的，通過信噪比就能有效地判斷出有用信號最強即接收效果最佳的線路。

以JPS比選器為例，在接收信號進行比選時就是使用了基于信噪比的方案。我們可以取得的是話音與噪音混合的音頻信號，無法得到原始的純凈的語言部分或噪聲部分，那么，如何快速地得到它的信噪比值？常用并且也是該比選器使用地方法是利用FFT（快速傅里葉變換）算法[1]。通過FFT算法得到的結(jié)果用式（2）表示。

其中，模擬信號經(jīng)過采樣量化之后形成一串離散的數(shù)組，也就是式（2）中的x(n)，有n個采樣點。那么經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，X(k)則是用來存儲不同頻率點上的幅值，k相當于頻域上的采樣次數(shù)。簡單來說，利用FFT算法可以得到音頻信號的功率譜的離散采樣。在已知信號是語音信號的前提下，利用功率譜信息計算出信噪比是相對容易的。因為噪聲通常分布在整個頻段，而有用的語音則集中在300～3400 Hz的范圍內(nèi)，將功率譜中300～3400 Hz范圍內(nèi)的功率和記作有用信號功率，將通帶內(nèi)其余功率和記作噪聲功率即可求出信噪比。以上運算過程在JPS比選器中由位于CPM板卡上的DSP芯片完成，整個基于信噪比的接收信號比選結(jié)果可以在80 ms內(nèi)得出。

基于信噪比的分析可以在短時間內(nèi)為管制員選擇信號最佳的接收臺站，那么如何為管制員選擇最佳的發(fā)射臺站呢？管制員通過不同臺站發(fā)射的話音，最終的接收信號只存在于機組接收端，這使我們不能通過對信號狀態(tài)的分析來判斷出最佳發(fā)射臺站。目前比選使用的發(fā)射方案通常只有群發(fā)與發(fā)射跟隨兩種。群發(fā)即每次管制員發(fā)射時，由所有被標記為可用的發(fā)射臺站同時發(fā)射；發(fā)射跟隨則是根據(jù)接收比選的結(jié)果來確定發(fā)射臺站，已接收效果最佳來等同發(fā)射效果最佳。這兩種模式其實各自都有缺陷，將在本文第三部分詳細分析。在此之前，先對JPS外置比選器的實際配置方案進行分析。

2 JPS外置比選器配置方案

JPS比選器的組成及簡易拓撲如圖1所示。

圖1 JPS比選器簡易拓撲

比選器主要由以下四種模塊構(gòu)成。

（1）CIM：遙控盒接口模塊，提供了比選器到VCS系統(tǒng)或遙控盒的接口，基于EM信令。

（2）PSM：電源模塊。

（3）SVM：電臺接口模塊，提供了比選器到VHF電臺的接口，基于EM信令。一個比選器機框最多可以容納12塊SVM板卡，這意味著可以同時接入12個同頻異址臺站進行比選。

（4）CPM：控制處理模塊，負責處理所有事物的模塊，包括比選結(jié)果的計算。

為了讓配置方案適應不同的實際應用場景，在調(diào)試比選器時需要關(guān)注的重點撥碼配置如下。

（1）智能發(fā)射跟隨模式開關(guān)（STARS）：當關(guān)閉發(fā)射跟隨模式時，使用設置的“默認臺”來發(fā)射，“默認臺”可以設置為任意一個臺站或是群發(fā)。當打開發(fā)射跟隨模式時，會自動選擇上一次接收比選得出的最優(yōu)臺站來發(fā)射。這里還要注意“發(fā)射翻轉(zhuǎn)時間”的設置，接收比選得出結(jié)果后會保持有效一段時間，這期間發(fā)射跟隨起效，當保持時間超過“發(fā)射翻轉(zhuǎn)時間”后，發(fā)射跟隨就會失效，下一次發(fā)射會回到使用默認發(fā)射臺發(fā)射?！鞍l(fā)射翻轉(zhuǎn)時間”存在的作用及合適的設置值將在本文第三部分詳細說明。

（2）單工/雙工模式。這里的單工模式是指發(fā)射時不進行接收比選，對于使用發(fā)射跟隨模式的比選應用，應該使用單工模式，否則在發(fā)射時其余接收臺會因為接收到該管制語音給出一個比選結(jié)果，導致下一次發(fā)射會鎖定一個非期望的發(fā)射臺（采用發(fā)射跟隨模式時比選結(jié)果應該都是由接收機組語音計算得出）。

（3）發(fā)射優(yōu)先級。當比選器采用單工模式時，該優(yōu)先級決定遙控終端（遙控盒/VCS系統(tǒng)）的PTT能否中斷正在輸出的比選中信號。以往使用習慣，發(fā)射都是可以打斷接收的，所以應該設置為是遙控終端優(yōu)先。

（4）比選禁止保持時間。當比選器工作在單工模式時，發(fā)射的同時不進行接收比選，使用單工模式的原因在介紹單工/雙工模式時已有提及，為了避免接收比選結(jié)果是由管制員自己發(fā)出的信號得出，考慮到發(fā)射信號傳輸?shù)桨l(fā)射臺并由其他接收臺接收后從遠端傳回比選器還需要一定時間，所以除了在發(fā)射的同時不能進行接收比選，發(fā)射結(jié)束后不能馬上恢復接收比選，該參數(shù)保證發(fā)射后仍禁止一段時間比選，在保證比選功能恢復時，不會把其他臺站剛剛接收到的管制語音計算進去。以某一比選應用場景為例，利用民航大網(wǎng)傳輸，各個信道中最大單向延時為140 ms，那么該參數(shù)需要大于兩倍單向傳輸延時，300 ms是合適值。

（5）發(fā)射延時。強制為發(fā)射音頻增加一個前端延時，防止發(fā)射語音比PTT激活信號先到造成發(fā)話時前端吃字，將延時設置為60 ms能適配大多數(shù)情況。

（6）接收延時。為了使信噪比比選是有意義的或者說公平的，我們應該使參與比選的接收信號同時到達，但是各個遙控臺的距離及傳輸設備通常都是不同的。此選項是為該塊板對應的臺站接收到的音頻信號增加延時，使得先到的音頻信號通過增加延時后達到與其他臺站音頻信號同時到的效果。這項設置的范圍為0～512 ms，步進為2 ms。

（7）比選鎖定。這是一個開關(guān)，它與“比選鎖定延時”這一設置聯(lián)動，比選器接收信號后需要一定的時間進行比選計算，比選器最快可以在80 ms得出結(jié)果，而修改“比選鎖定延時”的值可以人為增加比選計算時間，更長時間的跟蹤計算得到的結(jié)果自然可信度更高。而打開“比選鎖定”開關(guān)的作用就是從接收到的最早的靜噪信號開始，經(jīng)過“比選鎖定延時”之后，比選結(jié)果確定并且在這一次靜噪信號結(jié)束之前不再根據(jù)信號質(zhì)量變化切換通道，直到下一次新的靜噪信號到來。根據(jù)實際使用經(jīng)驗，“比選鎖定延時”設置為125 ms就有不錯的比選效果，建議打開“比選鎖定”功能，否則經(jīng)常發(fā)生在一句指令中，最優(yōu)接收通道來回切換導致語音斷續(xù)的問題。

（8）接收比選模式。民航特供版JPS比選器增加了這個功能，除了普通的比選模式，還可以選擇快速比選模式，因為比選鎖定需要一定時間，雖然這個時間可以設定得很短，但是如果等比選鎖定后再輸出選中路接收信號還可能造成前端吃字。快速比選模式解決了這個問題，當快速比選開啟時會先輸出靜噪信號最先到的臺站的接收信號，待比選鎖定后再將輸出信號切換至信號最佳的電臺接收信號。在民航的各個應用場景通常都應該選擇快速比選模式。

（9）高通濾波器開關(guān)。這是一個開關(guān)，打開后會濾除100 Hz以下信號，對于民航語音通信應用，應該打開這個開關(guān)。

結(jié)合實際的應用場景合理選擇以上配置，可以使管制通信取得較好效果，但是在發(fā)射臺選擇時仍然會有不可避免地小問題。下一個部分將對問題產(chǎn)生的原因及改進方法的展望展開闡述。

3 問題與改進展望

為更清晰地闡述問題產(chǎn)生的原因，以圖2作為簡易的民航甚高頻遙控臺覆蓋模型。

圖2 民航甚高頻遙控臺覆蓋模型

如圖2所示，實際扇區(qū)的覆蓋情況總是會存在重疊覆蓋區(qū)域及非重疊區(qū)域。上文已經(jīng)說明比選器在發(fā)射通道選擇時通常有群發(fā)和發(fā)射跟隨兩種方式。以圖中覆蓋為例，采用群發(fā)模式時臺站A與臺站B同時發(fā)射，可以很好地保證目標1和目標3的接收效果。但是由于目標2在重疊區(qū)域，雖然通過電臺的頻偏功能可以回避差拍現(xiàn)象引起的嘯叫，信號間的干涉還是會造成信號質(zhì)量顯著下降的。這點在測試電臺頻偏接收能力的時候也可以有直觀感受，當通過射頻合成網(wǎng)絡向一臺接收機同時發(fā)射+5 kHz及-5 kHz頻偏測試信號，在信號強度達到-93 dBm的時候都無法開啟靜噪開關(guān)。在實際應用場景中，當使用群發(fā)模式且重疊區(qū)域較大時，重疊區(qū)域內(nèi)的機組經(jīng)常會反映接收信號差，導致不得不放棄群發(fā)方案。

若是選擇發(fā)射跟隨模式，試想一種情況，當管制員剛剛結(jié)束與目標1的通話，此時比選結(jié)果自然是鎖定臺站A的。而管制員下一個就要聯(lián)系目標3，那么就會造成用臺站A發(fā)射，目標3接收不到的情況。為解決這種問題，我們只能調(diào)小“發(fā)射翻轉(zhuǎn)時間”，使接收比選更快失效，發(fā)射重新回到默認的群發(fā)方式，但是“發(fā)射翻轉(zhuǎn)時間”也不能設置太小，那樣發(fā)射跟隨會失去意義。即便將“發(fā)射翻轉(zhuǎn)時間”設置合適，由于管制員主動發(fā)起的聯(lián)系沒有前面的接收信號作為參考，第一次發(fā)話是群發(fā)，對于重疊區(qū)域的目標，經(jīng)常也需要管制員第二次發(fā)話時才能使機組獲得最佳接收效果。

要真正完美解決發(fā)射臺的選擇問題，我們需要在管制員主動發(fā)話時就能選中最佳發(fā)射臺站，而不依靠接收比選。其實比選器提供了用于遙控的串口協(xié)議，可以通過在串口人工控制每一次的發(fā)射臺站，隨著數(shù)字化的推進，若是能聯(lián)動自動化系統(tǒng)，使之可以輸出當下管制員選中的航跡的位置信息，那就可能通過航跡位置智能選擇發(fā)射臺站，解決這一問題。

4 結(jié)束語

隨著中國民航快速發(fā)展，航班量不斷增加，扇區(qū)劃分更為復雜，以及更多的合扇運行需求需要滿足，比選器會在甚高頻地空通信中有更多的應用機會。本文詳細闡述了外置比選器的配置方案，并對現(xiàn)存的問題與解決方法進行了分析與探究。相信隨著民航科技的發(fā)展，將來一定會有更高效、更完美的地空通信方案?！?/p>