光以太網機內音頻通信設備總體設計

摘 要： 提出了研制光以太網機內音頻通信設備的必要性，并設計了光以太網機內音頻通信設備的總體方案。這種設計方案能夠有效實現機內話音數據的實時通信，具有接入互聯方便，安裝簡單、功能配置靈活、可靠性高、軟件升級方便等優點。

關鍵詞： 機通； RS 485； 光纖以太網； TCP/IP

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0086?02

0 引 言

機內音頻通信設備（簡稱“機通”）是一種機載通信及控制設備，能支持多名乘員進行機內通話，使用電臺、衛通、JIDS對外聯絡，監聽特定的無線電導航、告警等設備的音響信號；在地面檢修飛機時，供維修人員之間進行通話聯絡。

隨著本世紀初電子信息技術的飛速發展，網絡互聯技術開始應用于軍事通信領域中，并引發了一場軍事作戰方式的變革——網絡中心戰。為適應網絡中心戰這一軍事變革的需要，將來的機載網絡能在高速機動的戰場環境下實現網絡化的話音、數據和圖像信息的傳輸和共享、交換，從而可以有效實現空空、空地之間的信息互聯與共享，并通過這種互聯與共享將信息及信息優勢轉化為空中作戰能力。

基于現裝備我軍的機通，按使用技術分為模擬機通，數字機通，以太網機通。因模擬機通不能傳輸數字信號，易被干擾，構建網絡連接無從談起。數字機通采用RS 485總線形式，在總線上傳輸的是一種數字信號，連接簡單，通話質量良好，容易擴展。但受RS 485總線本身的限制，數傳速率低，也不能為數字設備構建網絡連接，無法直接接入現代化的信息網絡中，不能滿足將來的網絡中心戰建設的需要。

以太網通信技術在商用領域已非常成熟，廣泛的影響著人類的現代生活。在軍事領域也逐步開始有一些設備使用以太網通信技術。以太網傳輸總線通信速率高，可容納更多的終端設備擴展，極大地減少數據傳輸延遲，帶來更好的音頻聽覺體驗。同時采用光纖線纜，有利于整個飛機的減重設計，光纖線纜不受電磁干擾，電磁兼容性好。隨著以太網技術在軍事領域應用的日益增加和飛機內部各設備間互聯互通需求擴大的趨勢，研制具備光纖以太網總線機通勢在必行。

1 系統功能

本文針對數字機內音頻通信設備的應用需求，設計開發了一種分布式光以太網機內音頻通信設備，各個組成單元能夠靈活地加入或離開系統網絡，不影響其他設備的正常工作，其數據總線為標準的100 Mb/s光以太網，方便與具備該接口的機內音頻通信設備以外的其他設備進行通信。該系統采用了大規模集成電路、數字信號處理、有源抗噪、網絡通信和語音實時性傳輸等技術。具有接入互聯方便，安裝簡單、功能配置靈活、可靠性高、軟件升級方便等優點。

機內音頻通信設備主要包含8個音頻控制面板（簡稱ACP）、4個音頻接口單元（簡稱GIU）、1個載機機通接口單元（簡稱FIU）及其配套的耳機話筒組和廣播等，具體如圖1所示。

2 總體設計方案

2.1 傳輸介質的選用

與其他傳輸介質相比，光纖通信具有以下特點：頻帶極寬，通信容量大；損耗低，中繼距離長；抗電磁干擾能力強；無串音干擾，保密性好。

加之現代軍用飛機的機載電子設備不斷增加，互連用的電線電纜群集。因此，減小機載電子設備的重量和體積，成為提高軍用飛機作戰性能的重要問題之一。而光纖重量輕、體積小，可解決這一難題。所以說光纖技術對機載電子設備的更新換代起著重要的作用，故選用了光纖作為機通的總線傳輸介質。

2.2 系統拓撲結構的選用

依照機通的總性能要求，具體來說，就是將ACP，ICP，GIU，FIU等構建成一個有具體需求的通信局域網。

局域網的拓撲結構主要有星型、環型、總線型以及混合型。光纖局域網也是局域網的一種，所以其拓撲結構大致也可分為這幾種，這幾種拓撲結構各有優缺點。

在一定帶寬的前提下，因總線型和環型都要共享傳輸介質，在話音實時性要求很高的機通中實現有困難。

在以往研制的以太網產品中，都采用了星形網絡結構，對星型結構有了較深的理解及應用，所以從網絡的小延時性、可靠性、易實現性、易開發性上，選用有源星型光纖網絡作為機通的通信網絡。

2.3 總體協議構架

總體協議構架如圖2所示。機通主要由一個100 Mb/s星形工業以太網組成，它的物理層協議與MAC層協議都是基于IEEE 802.3，網絡層協議為TCP/IP。語音信息將依次被封裝入RTP消息、UDP消息、IP包、邏輯鏈路層消息、MAC層消息和物理層幀，然后被發送出去。數據信息除不通過RTP消息以外，基本與語音信息的傳輸過程相同。

2.4 采用的主要技術

2.4.1 語音數據實時性

為保障構建的機通網絡具有較小的傳輸時延，提高機通網絡的語音傳輸的實時性，從以下3個方面加以設計：

（1）丟包補償技術是針對長距離傳輸的不確定性和干擾等因素，可能引起數據包丟失而采取的一種方法。但無論是基于發送端補償的前向差錯糾正技術，還是基于接收端補償的差錯隱藏技術，都會引入時延和帶寬的增加。對于交互式的語音應用，對延時很敏感；構架的機通網絡是一個小型、相對簡單的內部獨立網絡，數據包丟失的概率很小。因此，在本系統中不采用丟包補償技術。

（2）因網絡抖動，會使數據到達時間不可預料。但是話音的傳輸是需要數據的適時的到達用以播放和回放。對話音信號采用了實時傳輸協議（RTP/RTCP）和UDP（User Datagram Protocol）封裝來進行傳輸。RTP協議為音頻、視頻等實時數據提供了端到端的傳輸機制，可以向接收端點傳送恢復實時信號的定時和順序信息；RTCP協議來監視和控制實時數據的傳輸。UDP 的傳輸時延低于TCP ，能與音頻和視頻很好地配合。

（3）構建百兆的局域網平臺，為數據傳輸提供高的傳輸速率。

2.4.2 完善可靠的自檢功能

以前數字機通的自檢，無論是加電自檢、啟動自檢、周期自檢、手動自檢，自檢的范圍僅僅局限于數字電路部分及模擬部分電流檢測。但仍然不能真實地反映設備工作能力，往往會發生自檢正常但發話無輸出或者收聽無聲音的故障。徹底解決機通自檢功能，真實反映機通是否故障的問題，同時兼顧自檢方案的簡化，完善可靠的自檢設計是未來機通的設計關鍵之一。

在本機通設計中增加信號發生電路模塊和信號幅度檢測模塊，在手動自檢時，對機通音頻通路進行自檢及故障定位；啟動自檢、周期自檢與加電自檢測不對音頻通路進行自檢，只對數字部分及模擬部分的電流進行檢測。

3 實物研制

2012年5月完成C型件樣機的研制，2012年9月完成與系統的聯試工作，聯試結果表明該光以太網機內音頻通信設備滿足用戶使用要求。

4 結 語

光以太網機內音頻通信設備是對傳統RS 485總線機內音頻通信設備的一次革新，其星型的連接方式保證了系統的可擴展性，通道真實自檢提高了系統的可靠性，標準的以太網接口增強了與其他設備通信的便利性，光纜的使用減輕了系統的重量及增強了抗電磁干擾性。諸多的優點使其有理由成為下一代機內音頻通信設備。

參考文獻

[1] [美] FOROUZAN B A.TCP/IP協議族[M].謝希仁，譯.北京：清華大學出版社，2001.

[2] [美] FOROUZAN B A.數據通信與網絡[M].王嘉禎，譯.北京：機械工業出版社，2002.

[3] 樊留群.實時以太網及運動控制技術[M].上海：同濟大學出版社，2009.

[4] 李正軍.現場總線與工業以太網及其應用技術[M].北京：機械工業出版社，2011.

[5] [美] Stevens W R.TCP/IP詳解[M].陸雪瑩，譯.北京：機械工業出版社，2011.

[6] 許洪華.現場總線與工業以太網技術[M].北京：電子工業出版社，2013.