基于VOIP的機載話音中繼通信系統設計*

黃 斌

（海裝重慶局駐十所軍代室，四川 成都 610036）

基于VOIP的機載話音中繼通信系統設計*

黃 斌

（海裝重慶局駐十所軍代室，四川 成都 610036）

介紹傳統機載通信中繼系統的系統架構和工作流程，在其基礎上提出一種基于VOIP技術的新型中繼系統架構，并對該新型中繼系統的系統架構、工作原理進行描述，同時詳細闡述其運用的關鍵技術——VOIP話音編解碼技術、傳輸技術和活動話音檢測技術。比較分析表明，該新型中繼系統具有高靈活性、跨頻段、中繼距離遠等優點，可作為后續中繼系統研制的重要參考。

機載通信系統；中繼系統；VOIP；話音；跨頻段

0 引 言

直升機執行任務時以超短波作為主要的話音通信手段。由于超短波的視距通信特點，當直升機執行任務的距離超出視距范圍或遇地形遮擋時，將不能保證其與地面指揮所之間的有效話音通信。為滿足執行任務時的需要，須延伸地面指揮所與直升機的話音通信距離，以支持地面指揮所對直升機的遠程指揮引導[1]。

典型的中繼應用場景如圖1所示。

圖1 話音中繼應用場景示意

本文介紹傳統機載話音中繼系統架構、工作原理，并在此基礎上提出一種新型中繼方式，重點描述新型話音中繼系統架構、工作原理、關鍵技術等方面的內容。

1 中繼方案設計

1.1 傳統中繼系統

傳統中繼采用電臺與電臺之間的離散線與音頻線相互連接，直接轉發中繼控制信號（PTT）及中繼話音。這種方式只能在位置相鄰的兩部電臺間構建中繼通信鏈路，且只能實現同種調制方式的中繼。

1.1.1 系統架構

傳統中繼系統由超短波鏈路（至少2條）及通信控制管理設備CCU組成，系統架構圖如圖2所示。

圖2 傳統話音中繼系統架構

系統各組成部分功能如下：

（1）控制設備CCU：對中繼鏈路參數進行控制管理；

（2）超短波鏈路：①對射頻信號進行解調恢復話音，并通過中繼轉發口轉發；②對中繼轉發音頻進行調制，并通過天線口發射。

1.1.2 工作流程

（1）上行話音中繼過程

通信控制設備CCU設置超短波鏈路1/2處于中繼模式。地面指揮所超短波電臺以波道1發送話音；中繼超短波電臺1收到射頻信號后，解調出話音信號，通過電臺轉發接口將轉發音頻及轉發控制信號PTT送至中繼超短波電臺2；中繼臺超短波電臺2將話音調制后通過波道2發送至無線信道；直升機超短波電臺接收信號后解調出話音。

（2）下行話音中繼過程

下行話音中繼過程則為上行話音中繼過程的逆過程，此處不再贅述。

1.2 新型中繼系統

新型中繼系統在傳統中繼系統上進行了改進，采用基于IP話音編解碼和活動話音檢測的方法，不再受限于電臺安裝位置和調制方式，可實現任意鏈路、任意調制方式之間的中繼。

1.2.1 組成

新型中繼系統由不同頻段的無線通信鏈路、通信控制管理設備CCU、音頻接口單元GIU、光以太網交換機組成。系統架構如圖3所示。

圖3 新型話 音中繼系統架構

系統各組成部分功能如下：

（1）通信控制管理設備：對中繼鏈路參數進行控制管理，實時檢測IP活動話音，并產生中繼轉發控制信號及中繼音頻；

（2）音頻接口單元GIU：提供與各信道鏈路的模擬接口，完成模擬話音與IP話音的相互轉換；

（3）光以太網交換機：完成IP數據的傳輸交換；

（4）超短波、短波鏈路、衛通鏈路：完成音頻信號的調制與解調、射頻信號的接收與發送。

1.2.2 工作流程

（1）上行話音中繼過程

通信信息處理器設置任意兩條鏈路處于中繼模式。

圖4為話音中繼過程示意圖。地面指揮所通過任意鏈路（短波/超短波/衛通）發送話音；中繼飛機對應中繼鏈路接收到射頻信號，解調出模擬音頻送至音頻接口單元（GIU）；GIU按照G.711標準將模擬話音轉化為IP話音，并送至以太網；通信控制管理設備（CCU）通過內置活動話音檢測算法實時檢測以太網上的IP話音，當檢測到某中繼鏈路有話音輸入時，CCU自動生成中繼話音控制信號PTT，并將該數字PTT及中繼音頻送至中繼目標鏈路對應的GIU；GIU將IP話音及數字控制PTT信號還原為模擬話音和離散PTT信號，并送至中繼目標鏈路（超短波）；中繼目標鏈路（超短波）將音頻調制后發送至無線信道；作戰平臺對應鏈路（超短波）接收后解調出話音。

（2）下行話音中繼過程

圖4 話音中繼過程

下行話音中繼過程則為上行話音中繼過程的逆過程，此處不再贅述。

1.3 中繼系統特點對比

從傳統與新型中繼系統的架構及工作原理可以看出，新型中繼系統具有中繼靈活性更強、中繼覆蓋范圍更廣、中繼頻段更寬等優勢。兩個中繼系統特點的詳細對比如表1所示。

表1 中繼特點 對比情況

2 關鍵技術及解決途徑

新型中繼方式所具備的優點，源于在傳統中繼系統基礎上采用了VOIP話音編解碼技術、傳輸技術和活動話音檢測技術。

2.1 VOIP話音編解碼

VOIP是Voice over IP的縮寫。這種技術對模擬話音信號進行編碼數字化，壓縮處理成壓縮幀，然后轉換為IP數據包在網絡上進行傳輸，從而達到在以太網上傳輸話音的目的。目前，ITU-T定義的主要編碼標準有G.711、G.729、G.723.1等[2-3]。

表2為主流壓縮編碼技術的比較。從表2可以看出，每種壓縮算法（G.729/G.723.1）雖然節省了帶寬，但對話音質量都有一定影響。G.711編碼標準未經壓縮，則可獲得更高的話音質量和更短的編碼延時，但占用的帶寬較大。由于系統采用百兆光以太網，可滿足G.711編碼方式的傳輸帶寬，故系統采用話音質量更高的G.711編碼方式。

表2 主流壓縮編碼技術的比較

2.2 VOIP話音傳輸

音頻接口單元GIU采用RTP協議來確保話音傳輸的實時性。RTP協議提供序列號、時間戳、數據源標識等信息，使接收端能夠根據這些信息重新恢復正確的數據流[4-6]。GIU進行話音編碼后將話音數據封裝成RTP包，由UDP協議進行網絡傳輸。

為防止以太網網絡傳輸抖動對GIU中繼音頻恢復造成影響，GIU需對中繼音頻報文有3幀的緩沖平滑處理能力。

2.3 話音活動檢測

通信控制管理器實時檢測通話過程中有效的活動話音，剔除靜音片段，對靜音的數據部分不進行中繼轉發，對有效的活動話音部分則生成相應的控制信號PTT并轉發話音。采用活動話音檢測技術后，當中繼鏈路沒有收到話音時，通信信息處理器將不會發出轉發發射控制信號PTT，從而不會引起長時間單向占用信道的現象。

本系統的活動話音檢測算法選取短時能量和短時過零率作為檢測算法的參數，屬于時域的檢測方法[3]。

（1）短時能量：直觀反映一段時間內語音信號的強度，只要有語音信號存在，就會有一定的能量；

（2）短時過零率：過零是指時域波形穿過坐標軸，直觀數值反映即相鄰兩個采樣值異號，短時間過零發生的次數為短時過零率。

活動話音檢測判定準則有兩個：話音檢測輸出有效和話音檢測輸出無效。

（1）話音檢測輸出有效

一幀數據能量幅度絕對值大于等于門限值A的次數大于等于B（A和B參數可配置，A為一個字節的輸出有效能量幅度門限），則該幀依據能量幅度判定為有效幀；一幀數據（40 Byte）的過零次數大于等于過零門限值C（C參數可配置），則該幀依據過零判定為有效幀；在連續X幀數據（X參數可配置）中，依據能量幅度判定為有效幀的幀數大于等于D（D參數可配置）或者依據過零判定為有效幀的幀數大于等于E（E參數可配置），則認為話音檢測輸出有效。

（2）話音檢測輸出無效

一幀數據能量幅度絕對值大于等于門限值F的次數小于G（F和G參數可配置，F為一個字節的輸出無效能量幅度門限），則該幀依據能量幅度判定為無效幀；一幀數據（40 Byte）的過零次數小于過零門限值H（H參數可配置），則該幀依據過零判定為無效幀；在連續X幀數據（X參數可配置）中，依據能量幅度判定為無效幀的幀數大于等于I（I參數可配置）且依據過零判定為無效幀的幀數大于等于J（J參數可配置），則認為話音檢測輸出無效。

話音活動檢測采用搶占機制，即一旦某個方向話音檢測輸出為有效，則立刻啟動該方向的中繼，且不再進行反方向的話音活動檢測，直到該方向話音檢測輸出為無效。

3 結 語

本文在傳統中繼系統的基礎上提出了一種基于VOIP技術的新型中繼系統，并詳細闡述了新型中繼系統的系統架構、工作原理及關鍵技術等內容。通過比較，新型中繼系統相較傳統中繼系統具有靈活性強、中繼距離遠、中繼頻段寬等優勢，對后續中繼系統設計具有參考價值。

[1] 任喜錄,于憲峰.野戰局間中繼的新方法-單工無線自動中繼[J].火力與指揮控制,2011(04):30-32. REN Xi-lu,YU Xian-feng.New Relay Method Between Exchanges for Field Operation-Half-duplex Automatic Radio Relay[J].Fire Control and Command Control,2011(04):30-32.

[2] 李凡.基于VOIP技術的小型VHF通信網設計[D].大連:大連海事大學,2011. LI Fan.The VoIP-based Design of VHF Communication Network[D].Dalian:Dalian Maritime University,2011.

[3] 呂海波.VOIP關鍵技術研究及終端模塊實現[D].西安:西北工業大學,2007. LV Hai-bo.Reasearch on Key Technologies of VOIP and Implement of Endpoint Model[D].Xian:Northwestern Polytechnic University,2007.

[4] 張登銀,孫精科.VOIP技術分析與系統設計[M].北京:人民郵電出版社,2003. ZHANG Deng-yin,SUN Jing-ke.VOIP Technology Analysis and System Design[M].Beijing:People's Posts and Telecommunications Press,2003.

[5] 蔡云剛.VOIP網絡淺析[J].網絡安全技術與應用,2009(12):34-36. CAI Yun-gang.Analysis of VOIP Network[J].Network Security Technology and Application,2009(12):34-36.

[6] 高春剛.VOIP原理和應用概述[J].科技廣場, 2011(03):40-42. GAO Chun-gang.Overview of VOIP Principle and Application[J].Technology Square,2011(03):40-42.

Airborne Voice-Relay Communication System based on VOIP Technology

HUANG Bin
(Military Representative Office Stationed in No.10 Institute of CETC, Chongqing Bureau of Navy Equipment, Chengdu Sichuan 610036,China)

The system architecture and working flow of traditional airborne communication relay system is described. Based on traditional relay communication system, a new relay communication system based on VOIP technology is proposed. This paper tells of the principle and key-technology of the new relay communication system, including the application of VOIP speech coding and decoding technology, transmission technology and active voice detection technology.Comparative analysis shows that this new relay communication system for its strong flexibility, cross frequency band and far relay-range, may serve as an important reference for the future engineering development of relay communication system.

airborne communication system; relay system; VOIP;Voice; cross frequency band

TN919.8

A

1002-0802(2016)-07-0876-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.016

2016-03-17;

2016-06-11 Received date:2016-03-17;Revised date:2016-06-11

黃 斌（1979—），男，學士，工程師，主要研究方向為通信技術。