數字音頻傳輸在民航通信應用中的優勢與發展

邵瑋

摘 要：隨著網絡傳輸技術發展以及基于高速網絡的VoIP技術成熟，長期以來數字電臺使用模擬接口導致與語音交換系統的錯配問題有了重新構建系統結構的基礎。

關鍵詞：數字電臺；數字音頻；VoIP；

一、引言

民航行業發展迅速，航班量連續保持高增長，與此同時設備量大規模增加，運行壓力不斷提升，在管制指揮扇區不斷細分以及民航法規對于區域管制中心信號備份的強制要求下，傳統技術已經很難滿足現有需求，本文探討了基于IP網絡的數字音頻傳輸以及VoIP技術所能提供的全新解決方案，基于IP數字音頻的新架構完成替代后將有效緩解傳統通信傳輸劣勢。

二、數字音頻特點

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

數字音頻是以數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。數字音頻的宗旨即盡可能真實的存儲以及還原聲信號。

三、數字音頻編碼

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量。

語音編碼的目標在于：設計低復雜度的編碼器以盡可能低的比特率實現高品質數據傳輸。

1.靜音閾值曲線：只在安靜環境下，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：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：在一個很短的時間內，若出現了2個聲音，SPL較大的聲音會掩蔽SPL較小的聲音。

四、VoIP的實現原理

1.基于VoIP應用的空管語音服務標準解析

EUROCAE的67工作組早在2009年就開始陸續地頒布空管行業內的VoIP語音服務相關標準，目前已更新至第四版，并在2010年獲得了FAA和ICAO的認可，將相關文件均列入其標準性文件。

其中ED136定義明確了A/G通信和G/G通信的技術規格，而ED137則是針對ED136所提出要求而做的實現規范。

信令延時要求：PTT激活總延時≤100ms，其中發射機激活時間≤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信號的時延應在20-50ms之間。

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

2.A/G通信的實現規范

使用SIP+RTP協議實現A/G通信的VoIP應用。SIP負責會話鏈路的建立，當無語音數據交換時輔以R2S協議監控鏈路狀態；RTP協議負責語音數據的雙向傳輸。

3.SIP簡介

SIP是一種應用層控制協議，用于在IP網上建立、修改以及終止多媒體會話或呼叫，現由SIP工作組負責，參考規范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；可以用來標識一個人、一個組里第一個可以訪問的人、或者標識一個組。

SIP是基于客戶機/服務器結構的。基本分為用戶代理和網絡服務器。以下是對用戶代理解釋，因為實際使用中的SIP會話分別是在系統端和無線設備端的用戶代理應用程序之間交互完成。

用戶代理客戶端UAC：發起SIP呼叫的客戶端應用程序。

用戶代理服務器UAS：接受SIP請求的服務器程序。作為用戶的代理，根據接受到的請求代表用戶返回相應的響應：接受、拒絕、轉接。

SIP消息分為兩大類：請求和響應，響應又分為最終響應和臨時響應。在關鍵的請求及響應消息中必須包含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實時傳輸協議。它是IETF提出的一個標準，對應的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，但并不保證服務質量，服務質量由RTCP來提供。RTCP在ED137雖不是必須采用，但在實際產品中均采用相關協議保證QoS。

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

五、數字甚高頻多信道無線電通信系統的特點

數字甚高頻電臺使用了數字信號處理器（DSP）技術，融合先進的靜噪算法使得接收機和發射機信道（甚高頻）都有一個高水平的線性數字調節器，確保了高品質的語音質量以及低干擾，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域內無線電信道的連接，使得頻率正逐漸變得擁擠，因此是非常重要的。

目前華東地區常用的甚高頻數字電臺，如R&S4200系列電臺本身提供數字輸出接口（X13，X14）可直接連接語言交換系統，提供IP數字聯網功能，實現VoIP功能。

六、模擬音頻信號的現實缺陷

1.大型空中交通指揮樞紐，如區域管制中心由于其本身設備及人員數量龐大，導致設備現場布線長度較長，遙控臺信號經過長距離傳輸接入設備機房后仍然需要經過布線及跳接接入語音交換系統，線路衰減較大，往往需要調整語音交換系統門限參數來提高音頻信號，修改參數將同時導致線路噪音放大，反而導致了音頻信號質量的下降。

2.區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，備用語音交換系統，應急遙控盒，比選器等等大量設備，多個信號的并接將導致信號強度減小，同時由于語音交換系統使用自帶SQ信號，沒有控制信號輔助容易由于一個系統音頻信號異常，導致干擾并接的其他系統正常運行。

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

七、數字音頻在民航通信領域的應用優勢

1.語音交換系統本身為全數字語音交換系統，甚高頻電臺使用數字接口輸出音頻不存在導致音頻質量下降的可能性。

2.使用IP網絡傳輸將大大減少線路資源消耗

3.重新構建基于IP網絡的全數字通信系統后，協同自動化系統，可便捷的實現異地辦公，異地備份，備份系統復用等大量應用方式

4.整體通信系統將實現集成化以及輕量化

5.將異地內話系統及遙控臺甚高頻信號聯網后將實現更多系統聯網功能

6.將大大降低維護成本，減少設備故障率

八、結語

基于IP網絡的語言交換系統和甚高頻電臺融合將是大勢所趨，在保障目前階段的設備安全運行基礎上，做好過渡階段的技術儲備及基礎設備建設是關鍵，轉變傳統民航通信系統架構建設思路，不在局限在模擬傳輸的線路規劃，放棄集中式設備管理方式，轉向保障傳輸穩定率的IP網絡拓撲研究以及分布式設備管理及建設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