民航甚高頻通信比選配置方案研究

何 洋

（中國(guó)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(yǔ)音信號(hào)，甚高頻頻段的無(wú)線電波在傳播時(shí)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(gè)管制扇區(qū)的完整覆蓋通常需要配置多個(gè)同頻的甚高頻收發(fā)臺(tái)站。通常考慮到管制作業(yè)的連續(xù)性，不會(huì)由管制員根據(jù)航空器位置來(lái)頻繁手動(dòng)切換甚高頻收發(fā)臺(tái)站，而是采用比選功能來(lái)完成最優(yōu)收發(fā)臺(tái)站的自動(dòng)選擇。比選功能可由外置比選器或語(yǔ)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(yīng)用的JPS外置比選器的比選配置方案及應(yīng)用方法。

1 比選的原理

比選功能需要解決的是管制員與機(jī)組通話時(shí)，最優(yōu)發(fā)射臺(tái)站與最優(yōu)接收臺(tái)站選擇的問(wèn)題。對(duì)于最優(yōu)接收臺(tái)站的選擇，本端已經(jīng)取得了最終的接收信號(hào)，即可以通過(guò)對(duì)實(shí)際接收到的信號(hào)進(jìn)行分析。評(píng)判信號(hào)質(zhì)量的方式有很多，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量可以采取感知評(píng)估，現(xiàn)有MOS、PESQ、POLQA等多種成熟評(píng)估算法。但是結(jié)合民航應(yīng)用實(shí)際，管制員與機(jī)組之間的通信通常是簡(jiǎn)短、交替的指令式交互，這對(duì)信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的速率有很高的要求，通常需要在語(yǔ)音的開(kāi)頭，幾十毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)得出最優(yōu)信號(hào)的結(jié)果，感知評(píng)估算法就不適合了。最快的信號(hào)選擇方法當(dāng)然可以是選擇信號(hào)強(qiáng)度最大的或者最早到的信號(hào)，但是這種方法只能是判斷出電臺(tái)到比選終端傳輸鏈路的情況，不能評(píng)估出在當(dāng)前機(jī)組發(fā)射位置實(shí)際接收效果最好的接收臺(tái)站。所以，比選設(shè)備通常選擇的接收信號(hào)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(shí)際比選線路中，噪聲水平往往是相近的，通過(guò)信噪比就能有效地判斷出有用信號(hào)最強(qiáng)即接收效果最佳的線路。

以JPS比選器為例，在接收信號(hào)進(jìn)行比選時(shí)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(hào)，無(wú)法得到原始的純凈的語(yǔ)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(guò)FFT算法得到的結(jié)果用式（2）表示。

其中，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)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(gè)采樣點(diǎn)。那么經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，X(k)則是用來(lái)存儲(chǔ)不同頻率點(diǎn)上的幅值，k相當(dāng)于頻域上的采樣次數(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，利用FFT算法可以得到音頻信號(hào)的功率譜的離散采樣。在已知信號(hào)是語(yǔ)音信號(hào)的前提下，利用功率譜信息計(jì)算出信噪比是相對(duì)容易的。因?yàn)樵肼曂ǔ７植荚谡麄€(gè)頻段，而有用的語(yǔ)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(hào)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(yùn)算過(guò)程在JPS比選器中由位于CPM板卡上的DSP芯片完成，整個(gè)基于信噪比的接收信號(hào)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(shí)間內(nèi)為管制員選擇信號(hào)最佳的接收臺(tái)站，那么如何為管制員選擇最佳的發(fā)射臺(tái)站呢？管制員通過(guò)不同臺(tái)站發(fā)射的話音，最終的接收信號(hào)只存在于機(jī)組接收端，這使我們不能通過(guò)對(duì)信號(hào)狀態(tài)的分析來(lái)判斷出最佳發(fā)射臺(tái)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(shí)，由所有被標(biāo)記為可用的發(fā)射臺(tái)站同時(shí)發(fā)射；發(fā)射跟隨則是根據(jù)接收比選的結(jié)果來(lái)確定發(fā)射臺(tái)站，已接收效果最佳來(lái)等同發(fā)射效果最佳。這兩種模式其實(shí)各自都有缺陷，將在本文第三部分詳細(xì)分析。在此之前，先對(duì)JPS外置比選器的實(shí)際配置方案進(jìn)行分析。

2 JPS外置比選器配置方案

JPS比選器的組成及簡(jiǎn)易拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 JPS比選器簡(jiǎn)易拓?fù)?/p>

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(tái)接口模塊，提供了比選器到VHF電臺(tái)的接口，基于EM信令。一個(gè)比選器機(jī)框最多可以容納12塊SVM板卡，這意味著可以同時(shí)接入12個(gè)同頻異址臺(tái)站進(jìn)行比選。

（4）CPM：控制處理模塊，負(fù)責(zé)處理所有事物的模塊，包括比選結(jié)果的計(jì)算。

為了讓配置方案適應(yīng)不同的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，在調(diào)試比選器時(shí)需要關(guān)注的重點(diǎn)撥碼配置如下。

（1）智能發(fā)射跟隨模式開(kāi)關(guān)（STARS）：當(dāng)關(guān)閉發(fā)射跟隨模式時(shí)，使用設(shè)置的“默認(rèn)臺(tái)”來(lái)發(fā)射，“默認(rèn)臺(tái)”可以設(shè)置為任意一個(gè)臺(tái)站或是群發(fā)。當(dāng)打開(kāi)發(fā)射跟隨模式時(shí)，會(huì)自動(dòng)選擇上一次接收比選得出的最優(yōu)臺(tái)站來(lái)發(fā)射。這里還要注意“發(fā)射翻轉(zhuǎn)時(shí)間”的設(shè)置，接收比選得出結(jié)果后會(huì)保持有效一段時(shí)間，這期間發(fā)射跟隨起效，當(dāng)保持時(shí)間超過(guò)“發(fā)射翻轉(zhuǎn)時(shí)間”后，發(fā)射跟隨就會(huì)失效，下一次發(fā)射會(huì)回到使用默認(rèn)發(fā)射臺(tái)發(fā)射。“發(fā)射翻轉(zhuǎn)時(shí)間”存在的作用及合適的設(shè)置值將在本文第三部分詳細(xì)說(shuō)明。

（2）單工/雙工模式。這里的單工模式是指發(fā)射時(shí)不進(jìn)行接收比選，對(duì)于使用發(fā)射跟隨模式的比選應(yīng)用，應(yīng)該使用單工模式，否則在發(fā)射時(shí)其余接收臺(tái)會(huì)因?yàn)榻邮盏皆摴苤普Z(yǔ)音給出一個(gè)比選結(jié)果，導(dǎo)致下一次發(fā)射會(huì)鎖定一個(gè)非期望的發(fā)射臺(tái)（采用發(fā)射跟隨模式時(shí)比選結(jié)果應(yīng)該都是由接收機(jī)組語(yǔ)音計(jì)算得出）。

（3）發(fā)射優(yōu)先級(jí)。當(dāng)比選器采用單工模式時(shí)，該優(yōu)先級(jí)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(hào)。以往使用習(xí)慣，發(fā)射都是可以打斷接收的，所以應(yīng)該設(shè)置為是遙控終端優(yōu)先。

（4）比選禁止保持時(shí)間。當(dāng)比選器工作在單工模式時(shí)，發(fā)射的同時(shí)不進(jìn)行接收比選，使用單工模式的原因在介紹單工/雙工模式時(shí)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(hào)得出，考慮到發(fā)射信號(hào)傳輸?shù)桨l(fā)射臺(tái)并由其他接收臺(tái)接收后從遠(yuǎn)端傳回比選器還需要一定時(shí)間，所以除了在發(fā)射的同時(shí)不能進(jìn)行接收比選，發(fā)射結(jié)束后不能馬上恢復(fù)接收比選，該參數(shù)保證發(fā)射后仍禁止一段時(shí)間比選，在保證比選功能恢復(fù)時(shí)，不會(huì)把其他臺(tái)站剛剛接收到的管制語(yǔ)音計(jì)算進(jìn)去。以某一比選應(yīng)用場(chǎng)景為例，利用民航大網(wǎng)傳輸，各個(gè)信道中最大單向延時(shí)為140 ms，那么該參數(shù)需要大于兩倍單向傳輸延時(shí)，300 ms是合適值。

（5）發(fā)射延時(shí)。強(qiáng)制為發(fā)射音頻增加一個(gè)前端延時(shí)，防止發(fā)射語(yǔ)音比PTT激活信號(hào)先到造成發(fā)話時(shí)前端吃字，將延時(shí)設(shè)置為60 ms能適配大多數(shù)情況。

（6）接收延時(shí)。為了使信噪比比選是有意義的或者說(shuō)公平的，我們應(yīng)該使參與比選的接收信號(hào)同時(shí)到達(dá)，但是各個(gè)遙控臺(tái)的距離及傳輸設(shè)備通常都是不同的。此選項(xiàng)是為該塊板對(duì)應(yīng)的臺(tái)站接收到的音頻信號(hào)增加延時(shí)，使得先到的音頻信號(hào)通過(guò)增加延時(shí)后達(dá)到與其他臺(tái)站音頻信號(hào)同時(shí)到的效果。這項(xiàng)設(shè)置的范圍為0～512 ms，步進(jìn)為2 ms。

（7）比選鎖定。這是一個(gè)開(kāi)關(guān)，它與“比選鎖定延時(shí)”這一設(shè)置聯(lián)動(dòng)，比選器接收信號(hào)后需要一定的時(shí)間進(jìn)行比選計(jì)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(shí)”的值可以人為增加比選計(jì)算時(shí)間，更長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤計(jì)算得到的結(jié)果自然可信度更高。而打開(kāi)“比選鎖定”開(kāi)關(guān)的作用就是從接收到的最早的靜噪信號(hào)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)“比選鎖定延時(shí)”之后，比選結(jié)果確定并且在這一次靜噪信號(hào)結(jié)束之前不再根據(jù)信號(hào)質(zhì)量變化切換通道，直到下一次新的靜噪信號(hào)到來(lái)。根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，“比選鎖定延時(shí)”設(shè)置為125 ms就有不錯(cuò)的比選效果，建議打開(kāi)“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(lái)回切換導(dǎo)致語(yǔ)音斷續(xù)的問(wèn)題。

（8）接收比選模式。民航特供版JPS比選器增加了這個(gè)功能，除了普通的比選模式，還可以選擇快速比選模式，因?yàn)楸冗x鎖定需要一定時(shí)間，雖然這個(gè)時(shí)間可以設(shè)定得很短，但是如果等比選鎖定后再輸出選中路接收信號(hào)還可能造成前端吃字。快速比選模式解決了這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)快速比選開(kāi)啟時(shí)會(huì)先輸出靜噪信號(hào)最先到的臺(tái)站的接收信號(hào)，待比選鎖定后再將輸出信號(hào)切換至信號(hào)最佳的電臺(tái)接收信號(hào)。在民航的各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景通常都應(yīng)該選擇快速比選模式。

（9）高通濾波器開(kāi)關(guān)。這是一個(gè)開(kāi)關(guān)，打開(kāi)后會(huì)濾除100 Hz以下信號(hào)，對(duì)于民航語(yǔ)音通信應(yīng)用，應(yīng)該打開(kāi)這個(gè)開(kāi)關(guān)。

結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)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(tái)選擇時(shí)仍然會(huì)有不可避免地小問(wèn)題。下一個(gè)部分將對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因及改進(jìn)方法的展望展開(kāi)闡述。

3 問(wèn)題與改進(jìn)展望

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

圖2 民航甚高頻遙控臺(tái)覆蓋模型

如圖2所示，實(shí)際扇區(qū)的覆蓋情況總是會(huì)存在重疊覆蓋區(qū)域及非重疊區(qū)域。上文已經(jīng)說(shuō)明比選器在發(fā)射通道選擇時(shí)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(shí)臺(tái)站A與臺(tái)站B同時(shí)發(fā)射，可以很好地保證目標(biāo)1和目標(biāo)3的接收效果。但是由于目標(biāo)2在重疊區(qū)域，雖然通過(guò)電臺(tái)的頻偏功能可以回避差拍現(xiàn)象引起的嘯叫，信號(hào)間的干涉還是會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量顯著下降的。這點(diǎn)在測(cè)試電臺(tái)頻偏接收能力的時(shí)候也可以有直觀感受，當(dāng)通過(guò)射頻合成網(wǎng)絡(luò)向一臺(tái)接收機(jī)同時(shí)發(fā)射+5 kHz及-5 kHz頻偏測(cè)試信號(hào)，在信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到-93 dBm的時(shí)候都無(wú)法開(kāi)啟靜噪開(kāi)關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，當(dāng)使用群發(fā)模式且重疊區(qū)域較大時(shí)，重疊區(qū)域內(nèi)的機(jī)組經(jīng)常會(huì)反映接收信號(hào)差，導(dǎo)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(dāng)管制員剛剛結(jié)束與目標(biāo)1的通話，此時(shí)比選結(jié)果自然是鎖定臺(tái)站A的。而管制員下一個(gè)就要聯(lián)系目標(biāo)3，那么就會(huì)造成用臺(tái)站A發(fā)射，目標(biāo)3接收不到的情況。為解決這種問(wèn)題，我們只能調(diào)小“發(fā)射翻轉(zhuǎn)時(shí)間”，使接收比選更快失效，發(fā)射重新回到默認(rèn)的群發(fā)方式，但是“發(fā)射翻轉(zhuǎn)時(shí)間”也不能設(shè)置太小，那樣發(fā)射跟隨會(huì)失去意義。即便將“發(fā)射翻轉(zhuǎn)時(shí)間”設(shè)置合適，由于管制員主動(dòng)發(fā)起的聯(lián)系沒(méi)有前面的接收信號(hào)作為參考，第一次發(fā)話是群發(fā)，對(duì)于重疊區(qū)域的目標(biāo)，經(jīng)常也需要管制員第二次發(fā)話時(shí)才能使機(jī)組獲得最佳接收效果。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)民航快速發(fā)展，航班量不斷增加，扇區(qū)劃分更為復(fù)雜，以及更多的合扇運(yùn)行需求需要滿足，比選器會(huì)在甚高頻地空通信中有更多的應(yīng)用機(jī)會(huì)。本文詳細(xì)闡述了外置比選器的配置方案，并對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題與解決方法進(jìn)行了分析與探究。相信隨著民航科技的發(fā)展，將來(lái)一定會(huì)有更高效、更完美的地空通信方案。■