民航E&M信令測試盒研制

緱朋帥

摘 要：本文以STM32F413為核心，搭配音頻處理、信令匹配和人機交互等外圍電路構建了測試盒的電路系統(tǒng)，在Keil開發(fā)環(huán)境下完成了測試盒的程序設計。經(jīng)驗證，測試盒可用于E&M信令傳輸鏈路多項指標的測試，性能良好。

關鍵詞：地空通信;E&M信令;STM32F413;W681310

中圖分類號：TN915.85文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）14-0036-03

Development of E&M Signaling Test Box for Civil Aviation

GOU Pengshuai

（Henan Branch of CCAC Central and Southern China Air Traffic Management Bureau，Zhengzhou Henan 450019）

Abstract： In this paper， STM32F413 was used as the core， and the circuit system of the test box was constructed with peripheral circuits such as audio processing， signaling matching， and human-computer interaction， the program design of the test box was completed in the Keil development environment. After verification， the test box can be used to test multiple indicators of the E&M signaling transmission link with good performance.

Keywords： ground-air communication;E&M signaling;STM32F413;W681310;

甚高頻地空通信系統(tǒng)是民航管制員與飛行員的主要通信手段，為區(qū)域、進近與塔臺等管制單位和飛行機組之間提供語音通信服務，其通話質量直接關系到飛行安全，因此及時可靠的地空通信是航空器飛行安全的基本保障之一。隨著國力發(fā)展，我國民航運輸業(yè)也飛速前進。高峰時期，鄭州新鄭國際機場單日起降航班已突破700架次。為了應對飛速發(fā)展的航空業(yè)務需求，保障管制員與飛行員之間具有高質量的通話，中國民用航空局空中交通管理局建設了大量的甚高頻（VHF）通信臺，目前由中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局河南分局保障的VHF信道已超過100條。

為了保證甚高頻通信系統(tǒng)能夠正常運行，設備保障部門需要對其進行定期維護。一方面，裝備的甚高頻電臺數(shù)量快速增加，另一方面，管制單位迫切要求提高地空通信質量，因此設備保障部門承擔了極大的壓力。為了提高甚高頻電臺維護效率，改善地空通信服務質量，滿足我國空管設備保障業(yè)務的使用及發(fā)展需求，人們需要借助先進的技術手段來提高保障效率。本文設計了一種用于對E&M信令傳輸鏈路各項指標進行測試的E&M信令測試盒。在地空通信中斷的應急保障或定期維護過程中，利用測試盒能夠節(jié)省大量的時間，對保障地空通信安全具有重要的意義。

1 E&M信令應用情況

內話系統(tǒng)與傳輸設備之間及傳輸設備與甚高頻收發(fā)電臺之間多采用E&M V類信令進行語音信號傳輸[1-2]，線序如表1所示。

在V類信令中，信號和信令由不同通道傳輸。E線和M線是信令控制線，其中，E線為信號接收控制線，M線為信號發(fā)送控制線。信號發(fā)送和接收也由不同路徑傳輸，發(fā)送時使用T、R線對將語音信號發(fā)送至電臺發(fā)射機;接收時使用T1、R1線對接收來自電臺接收機的語音信號。

2 設計需求

對VHF信令傳輸系統(tǒng)進行維護及調試或對故障系統(tǒng)進行排故時，需要測試管制中心與VHF臺之間E&M信令通斷情況，因此設計一種E&M信令測試設備用于對E&M信令傳輸系統(tǒng)進行測試很有必要。本文設計了一種基于嵌入式技術的E&M信令測試盒，測試盒能夠模擬出E&M信令，可用于鏈路通斷測試、信令觸發(fā)效果測試、鏈路延遲測試和傳輸鏈路信號質量測試等。

3 硬件設計

由以上分析可知，E&M信令接口是一種模擬接口，V類信令接口包括發(fā)語音信號收和發(fā)以及控制信號收和發(fā)四種。信令起控方式普遍采用接地觸發(fā)[2]，語音信號采用平衡600 Ω的線路進行傳輸。E&M信令測試盒硬件結構如圖1所示，系統(tǒng)以單片機為核心，外圍搭配音頻編解碼及收發(fā)電路、信令匹配及光電隔離電路、人機接口及存儲電路。

E&M信令測試盒對鏈路的傳輸功能性能進行測試時需要測試盒模擬出E&M信令并對傳輸鏈路各項指標進行測試，測試盒還應具備顯控功能以及與上位機通信等功能。整個測試過程涉及數(shù)字音頻信號處理、信令電平匹配和USB通信等技術。綜合考慮設計需求，決定選用STM32F413單片機作為數(shù)字音頻信號處理和E&M信令收發(fā)轉換等的運算及控制單元，采用W681310用于音頻信號的編解碼，采用TLP290和AQY212S構建M和E信令電平轉換電路。

本文的測試盒基于嵌入式思想設計，故選用合適的MCU尤為重要。測試盒對E&M傳輸鏈路進行測試時需要快速處理大量的數(shù)字音頻信號，因此要求該MCU運算速度要快。另外，為了實現(xiàn)人機交互功能，MCU必須既能夠采集按鍵或鍵盤輸入的指令而執(zhí)行相應任務，也必須能夠接收上位機通過USB接口送過來的指令或數(shù)據(jù)，該功能的實現(xiàn)要求MCU必須具備豐富的接口資源。綜合考慮這些需求，決定采用STM32F413作為信號處理、信令模擬以及與上位機通信的控制核心。STM32F413是基于Cortex M4的微控制器，具備數(shù)字信號協(xié)處理器，具有較高的運算速度，滿足快速進行數(shù)字音頻信號處理的需求。利用其豐富的接口資源，可以方便構建測試盒的人機交互以及與上位機通信等電路。STM32F413的串行音頻接口（SAI）可以與各種音頻編解碼芯片互聯(lián)，利用該特點容易搭建性能良好的音頻電路。

E&M信令中包含音頻信號和電平觸發(fā)信號。為了模擬出完整的E&M信令，測試盒還必須具備語音信號收發(fā)功能。本文采用W681310作為音頻信號編解碼以及A/D、D/A轉換芯片。W681310支持u律和A律編碼，符合ITU G.711和G.712標準，也兼容民航相關標準。W681310片上集成功率放大器，可以驅動300 Ω的負載，不需要其他功放芯片即可實現(xiàn)平衡600 Ω線路傳輸，簡化了電路設計[3]。W681310數(shù)據(jù)傳輸支持PCM同步通信，可以與STM32F413的SAI接口互聯(lián)搭建性能良好的音頻電路。

由于測試盒電路系統(tǒng)采用3.3 V電平設計，為了兼容外部不同信令電平，且隔離外部尖峰電壓，保護電路系統(tǒng)不受損壞，人們需要設計隔離電路，通過隔離電路進行M信令的發(fā)送以及E信令的接收。

隔離電路如圖2所示，芯片TLP290將外部系統(tǒng)的M信令轉換為3.3 V邏輯電平，STM32F405RG通過外部中斷功能檢測節(jié)點SQ_SAMPLE的邊沿信號作為測試盒收到的E信令。芯片AQY212S將來自STM32F405RG的觸發(fā)信號PTT_TRIGGER轉換為測試盒發(fā)送的M信令。

4 軟件設計

程序設計在Keil集成開發(fā)環(huán)境下完成。程序主要包括MCU及外圍器件初始化、測試盒自檢以及對被測單元測試等幾部分，程序流程如圖3所示。

測試盒上電后，MCU會執(zhí)行初始化程序。首先，STM32F413初始化鎖相環(huán)并確定主時鐘頻率，然后初始化SPI、SAI以及USB等通信接口以及其他外設，使其處于適用狀態(tài)。MCU自身初始化完成后，STM32F413通過SAI、SDIO以及SPI等外部接口對外圍器件W681310、SD卡以及LCD液晶執(zhí)行初始化操作。為了防止因測試盒自身故障或狀態(tài)異常影響測試結果準確性，所以初始化程序完成后STM32F413會執(zhí)行自檢程序。自檢程序對測試盒的狀態(tài)進行全面自檢，使測試盒處于可靠的工作狀態(tài)。通過自檢后，測試盒處于等待接收指令狀態(tài)。操作員可以使用按鍵給測試盒輸入下一步執(zhí)行何種操作的指令，還可以通過上位機從USB口給測試盒下發(fā)指令或其他測試數(shù)據(jù)。測試盒根據(jù)收到的不同指令將會驅使被測單元執(zhí)行M信令，觸發(fā)效果測試、E&M信令鏈路通斷測試、E&M信令鏈路延遲測試或鏈路傳輸質量測試。測試結果既會實時顯示在測試盒的液晶屏上，還會被存儲于SD卡中。操作員可以通過按鍵操作查看或導出SD卡中存儲的歷史測試檔案。

5 測試盒功能驗證

本文設計了多種應用場景對測試盒的功能做了驗證。此處舉一例說明，驗證示意圖如圖4所示。

測試盒1通過E&M線纜接入近端E&M配線架，測試盒2接入遠端E&M配線架。近端和遠端音頻配線架通過傳輸設備之間的光纜進行通信。當進行鏈路延遲測試時，設置測試盒1和測試盒2為主機或從機不同模式。主機發(fā)送一個測試信號，從機收到該信號后立即返回一個應答信號。根據(jù)主機測量發(fā)送信號和應答信號之間的時間差，人們即可計算出信號在鏈路中傳輸?shù)耐笛舆t。同樣，通過類似方式，還可以對E&M信令觸發(fā)效果、E&M信令鏈路通斷和傳輸鏈路信號質量進行測試。

6 結論

本文設計了基于STM32F413和W681310的E&M信令測試盒，測試盒采用嵌入式技術設計，具有結構簡單、可靠性高、成本低的特點。本文對測試盒的語音收發(fā)轉換電路以及E&M信令接口匹配電路設計方法做了詳細說明。測試盒能夠模擬出標準的E&M信令，可用于E&M信令觸發(fā)效果測試、傳輸鏈路延遲測試、傳輸鏈路通斷測試和傳輸鏈路信號質量測試等。測試盒能夠幫助設備保障部門快速對傳輸鏈路進行維護及調試，快速對通信故障進行排查與診斷，這些應用對提高甚高頻地空通信系統(tǒng)應急保障或維護效率以及改善地空通信服務質量有重要的意義。

參考文獻：

[1]奚正豪.E&M接口V類信令中SB針腳對接口的影響[J].科技與創(chuàng)新，2014（15）：136.

[2]王瑞軍.E&M信令下甚高頻通信系統(tǒng)PTT的傳輸與控制[J].科技傳播，2014（12）：238-240.

[3]柯建偉，周嘉農(nóng).低電壓語音編解碼芯片W681310在移動終端中的應用[J].世界電子元器件，2004（3）：48-49.