數字音頻傳輸在民航通信應用中的優勢與發展

邵瑋

（中國民用航空華東地區空中交通管理局技術保障中心，上海 200335）

1 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。

2 數字音頻分析

隨著計算機編碼技術的發展，以前普遍采用磁帶以及光盤存儲的模擬音頻現如今有了翻天覆地的變化。磁帶使用磁場磁化來保存數據，通過磁場改變磁粉的排列，使得磁帶經過磁頭時產生的磁場磁通量變化，發出不同的聲音。光盤使用激光對基板進行燒錄，在極其微小的間隙下形成不同的凹槽，然后通過反射層來反射激光束，還原記錄的數據。數字音頻基于計算機基礎編碼的原理，通過編碼采樣原理，對一段模擬信號進行細致的劃分，不斷細化的采樣速率代表了不同的音質等級，具有極佳的可控性，如果需要較高的壓縮率，提高數據容量使用效率，那就可以使用較低的采樣率，以音質降級的代價換取效率提升。三種技術相比之下，磁帶存儲量小，不易保存，容易被磁化導致失效，使得磁帶已經越來越少使用。光盤雖然保存期限長，以及音質出眾，但由于成本及便捷度原因，也已經日漸式微。數字音頻編碼具有幾乎無損的傳輸效率，這是模擬信號傳輸無法做到的，由于采用了計算機系統架構，在交流應用領域，使用數字音頻編碼可以免去煩瑣低效的數模轉換過程，通過網絡傳輸設備和網絡傳輸協議的協助，遠程傳輸可以實現低延遲以及低誤碼率。在具體生產應用中，由于行業對音質要求不同，如果只需基本辨識度的音頻信號，那就非常有利于采用數字音頻編碼技術。

3 VoIP的實現原理

3.1 基于VoIP應用的空管語音服務標準解析

EUROCAE（European Organization for Civil Aviation Equipment）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(包含在ED-136至ED-139相關文檔中)，目前已更新至第四版，并在2010年獲得了美國聯邦航空局（FAA）和國際民航組織（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（TAT）≤20ms。SQ接收總延時≤100ms。其中接收機激活時間（RAT）≤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。

G/G通信性能關鍵要求：這里首先明確DA和IDA的區別,DA由系統完成撥號，IDA則為手動完成撥號，另外DA無需通過鈴音判斷撥號狀態，IDA需要通過鈴音判斷。規范要求DA建立時間≤2s的概率大于99%，ATS-R2方式不在此規范適用范圍內1。

3.2 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。

3.3 SIP簡介

SIP（Session Initiation Protocol，會話初始協議）是一個用于建立、更改和終止多媒體會話的應用層控制協議，其中的會話可以是IP電話、多媒體會話或多媒體會議。SIP是IETF多媒體數據和控制體系結構的核心協議（最新RFC文檔是RFC 3261）。

SIP協議主要用來處理5個方面的參數：用戶位置參數：用來判斷連接用戶的終端系統標識；用戶功能參數：用來判斷此次連接使用的方式以及參數；用戶有效性參數：用來判斷被連接用戶是否能夠進行通信傳輸；呼叫計劃參數：用來建立振鈴方式、主叫方和被叫方的連接；呼叫管理參數：用來實現傳輸和終止會話、修改會話參數以及調用服務功能。

用戶代理UA也稱SIP終端，是指支持SIP協議的多媒體會話終端。一般使用支持SIP協議的路由器作為SIP UA。UA包括用戶代理客戶端UAC和用戶代理服務器UAS。一般所說的UA是二者的總稱，因為在一次呼叫中，同一個SIP終端既是SIP請求處理方也是SIP請求發起方。

4 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&S 4200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。

5 FREQUENTIS公司關于VoIP應用產品

5.1 DIF模塊

DIF模塊和JIF模塊的硬件架構和作用類似，但DIF新增了VoIP應用處理功能，相當于VCS內部與外部以太網之間的通信模塊，每塊DIF板有八個以太網端口。

5.2 GateX2

Frequentis VCX-IP系統提供了一種網關設備，可用于模擬、數字以及現有的數據端口和IP網絡之間建立連接，即GateX2。

GateX2有8路E1/T1端口，10個以太網端口，并提供2個高速鏈接和2個千兆以太網連接。它既可以作為3020X系統的通信服務器，也可用作IP網關。

5.3 IRIF模塊

IRIF具有模數轉換功能，具備雙核處理器、兩條模擬線路、數據串口，使用SIP協議和RTP協議。

IRIF有8個數據端口。其中1、2口以太網端口，互為冗余；3、4 口四線語音端口，5 口通用的 IN/OUT 端口，6、7、8 口為RS232端口2。

6 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。

7 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。

8 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，不再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。