数字音频传输在民航通信应用中的优势与发展

邵玮

（中国民用航空华东地区空中交通管理局技术保障中心，上海 200335）

1 引言

民航行业发展迅速，航班量连续保持高增长，与此同时设备量大规模增加，运行压力不断提升，在管制指挥扇区不断细分以及民航法规对于区域管制中心信号备份的强制要求下，传统技术已经很难满足现有需求，本文探讨了基于IP网络的数字音频传输以及VoIP技术所能提供的全新解决方案，基于IP数字音频的新架构完成替代后将有效缓解传统通信传输劣势。

2 数字音频分析

随着计算机编码技术的发展，以前普遍采用磁带以及光盘存储的模拟音频现如今有了翻天覆地的变化。磁带使用磁场磁化来保存数据，通过磁场改变磁粉的排列，使得磁带经过磁头时产生的磁场磁通量变化，发出不同的声音。光盘使用激光对基板进行烧录，在极其微小的间隙下形成不同的凹槽，然后通过反射层来反射激光束，还原记录的数据。数字音频基于计算机基础编码的原理，通过编码采样原理，对一段模拟信号进行细致的划分，不断细化的采样速率代表了不同的音质等级，具有极佳的可控性，如果需要较高的压缩率，提高数据容量使用效率，那就可以使用较低的采样率，以音质降级的代价换取效率提升。三种技术相比之下，磁带存储量小，不易保存，容易被磁化导致失效，使得磁带已经越来越少使用。光盘虽然保存期限长，以及音质出众，但由于成本及便捷度原因，也已经日渐式微。数字音频编码具有几乎无损的传输效率，这是模拟信号传输无法做到的，由于采用了计算机系统架构，在交流应用领域，使用数字音频编码可以免去烦琐低效的数模转换过程，通过网络传输设备和网络传输协议的协助，远程传输可以实现低延迟以及低误码率。在具体生产应用中，由于行业对音质要求不同，如果只需基本辨识度的音频信号，那就非常有利于采用数字音频编码技术。

3 VoIP的实现原理

3.1 基于VoIP应用的空管语音服务标准解析

EUROCAE（European Organization for Civil Aviation Equipment）的67工作组早在2009年就开始陆续地颁布空管行业内的VoIP语音服务相关标准(包含在ED-136至ED-139相关文档中)，目前已更新至第四版，并在2010年获得了美国联邦航空局（FAA）和国际民航组织（ICAO）的认可，将相关文件均列入其标准性文件。

其中ED136定义明确了A/G通信和G/G通信的技术规格，而ED137则是针对ED136所提出要求而做的实现规范。

信令延时要求：PTT激活总延时≤100ms,其中发射机激活时间（TAT）≤20ms。SQ接收总延时≤100ms。其中接收机激活时间（RAT）≤50ms，剩余至面板显示SQ信号的时延应在20-50ms之间。

语音延时要求：语音传输总延时≤100ms,其中发射机部分≤10ms。接收向语音传输同理。

G/G通信性能关键要求：这里首先明确DA和IDA的区别,DA由系统完成拨号，IDA则为手动完成拨号，另外DA无需通过铃音判断拨号状态，IDA需要通过铃音判断。规范要求DA建立时间≤2s的概率大于99%，ATS-R2方式不在此规范适用范围内1。

3.2 A/G通信的实现规范

使用SIP+RTP协议实现A/G通信的VoIP应用。SIP负责会话链路的建立，当无语音数据交换时辅以R2S协议监控链路状态；RTP协议负责语音数据的双向传输。

3.3 SIP简介

SIP（Session Initiation Protocol，会话初始协议）是一个用于建立、更改和终止多媒体会话的应用层控制协议，其中的会话可以是IP电话、多媒体会话或多媒体会议。SIP是IETF多媒体数据和控制体系结构的核心协议（最新RFC文档是RFC 3261）。

SIP协议主要用来处理5个方面的参数：用户位置参数：用来判断连接用户的终端系统标识；用户功能参数：用来判断此次连接使用的方式以及参数；用户有效性参数：用来判断被连接用户是否能够进行通信传输；呼叫计划参数：用来建立振铃方式、主叫方和被叫方的连接；呼叫管理参数：用来实现传输和终止会话、修改会话参数以及调用服务功能。

用户代理UA也称SIP终端，是指支持SIP协议的多媒体会话终端。一般使用支持SIP协议的路由器作为SIP UA。UA包括用户代理客户端UAC和用户代理服务器UAS。一般所说的UA是二者的总称，因为在一次呼叫中，同一个SIP终端既是SIP请求处理方也是SIP请求发起方。

4 数字甚高频多信道无线电通信系统的特点

数字甚高频电台使用了数字信号处理器（DSP）技术，融合先进的静噪算法使得接收机和发射机信道（甚高频）都有一个高水平的线性数字调节器，确保了高品质的语音质量以及低干扰，从而提高空中交通管制员之间通信的可靠性。由于大量语音的接入及小区域内无线电信道的连接，使得频率正逐渐变得拥挤，因此是非常重要的。目前华东地区常用的甚高频数字电台，如R&S 4200系列电台本身提供数字输出接口（X13，X14）可直接连接语言交换系统，提供IP数字联网功能，实现VoIP功能。

5 FREQUENTIS公司关于VoIP应用产品

5.1 DIF模块

DIF模块和JIF模块的硬件架构和作用类似，但DIF新增了VoIP应用处理功能，相当于VCS内部与外部以太网之间的通信模块，每块DIF板有八个以太网端口。

5.2 GateX2

Frequentis VCX-IP系统提供了一种网关设备，可用于模拟、数字以及现有的数据端口和IP网络之间建立连接，即GateX2。

GateX2有8路E1/T1端口，10个以太网端口，并提供2个高速链接和2个千兆以太网连接。它既可以作为3020X系统的通信服务器，也可用作IP网关。

5.3 IRIF模块

IRIF具有模数转换功能，具备双核处理器、两条模拟线路、数据串口，使用SIP协议和RTP协议。

IRIF有8个数据端口。其中1、2口以太网端口，互为冗余；3、4 口四线语音端口，5 口通用的 IN/OUT 端口，6、7、8 口为RS232端口2。

6 模拟音频信号的现实缺陷

①大型空中交通指挥枢纽，如区域管制中心由于其本身设备及人员数量庞大，导致设备现场布线长度较长，遥控台信号经过长距离传输接入设备机房后仍然需要经过布线及跳接接入语音交换系统，线路衰减较大，往往需要调整语音交换系统门限参数来提高音频信号，修改参数将同时导致线路噪音放大，反而导致了音频信号质量的下降。②区域管制中心同时需要将同一遥控台信号接入主用语音交换系统，备用语音交换系统，应急遥控盒，比选器等等大量设备，多个信号的并接将导致信号强度减小，同时由于语音交换系统使用自带SQ信号，没有控制信号辅助容易由于一个系统音频信号异常，导致干扰并接的其他系统正常运行。③区域外接大量遥控台信号，大量信号分布在机房多个节点界面，对于机房线路管理以及线路故障排故效率都有严重影响。

7 数字音频在民航通信领域的应用优势

①语音交换系统本身为全数字语音交换系统，甚高频电台使用数字接口输出音频不存在导致音频质量下降的可能性。②使用IP网络传输将大大减少线路资源消耗。③重新构建基于IP网络的全数字通信系统后，协同自动化系统，可便捷的实现异地办公，异地备份，备份系统复用等大量应用方式。④整体通信系统将实现集成化以及轻量化。⑤将异地内话系统及遥控台甚高频信号联网后将实现更多系统联网功能。⑥将大大降低维护成本，减少设备故障率。

8 结语

基于IP网络的语言交换系统和甚高频电台融合将是大势所趋，在保障目前阶段的设备安全运行基础上，做好过渡阶段的技术储备及基础设备建设是关键，转变传统民航通信系统架构建设思路，不再局限在模拟传输的线路规划，放弃集中式设备管理方式，转向保障传输稳定率的IP网络拓扑研究以及分布式设备管理及建设将是未来工作中的方向。