数字音频传输在民航通信应用中的优势与发展

邵玮

摘 要：随着网络传输技术发展以及基于高速网络的VoIP技术成熟，长期以来数字电台使用模拟接口导致与语音交换系统的错配问题有了重新构建系统结构的基础。

关键词：数字电台；数字音频；VoIP；

一、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，传統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。

二、数字音频特点

数字音频计算机数据的存储是以0、1的形式存取的，那么数字音频就是首先将音频文件转化，接着再将这些电平信号转化成二进制数据保存，播放的时候就把这些数据转换为模拟的电平信号再送到喇叭播出，数字声音具有存储方便、存储成本低廉、存储和传输的过程中没有声音的失真、编辑和处理非常方便等特点。

数字音频是以数字的方式存储以及处理电声信号，有着模拟方式无法比拟的便捷以及低成本。数字音频的宗旨即尽可能真实的存储以及还原声信号。

三、数字音频编码

语音编码致力于：降低传输所需要的信道带宽，同时保持输入语音的高质量。

语音编码的目标在于：设计低复杂度的编码器以尽可能低的比特率实现高品质数据传输。

1.静音阈值曲线：只在安静环境下，人耳在各个频率能听到声音的阈值。

2.临界频带：由于人耳对不同频率的解析度不同，MPEG1/Audio将22khz内可感知的频率范围，依不同编码层，不同取样频率，划分成23～26个临界频带。

3.频域上的掩蔽效应：幅值较大的信号会掩蔽频率相近的幅值较小的信号。

4.时域上的遮蔽效应：在一个很短的时间内，若出现了2个声音，SPL较大的声音会掩蔽SPL较小的声音。

四、VoIP的实现原理

1.基于VoIP应用的空管语音服务标准解析

EUROCAE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，目前已更新至第四版，并在2010年获得了FAA和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≤20ms。SQ接收总延时≤100ms。其中接收机激活时间≤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。

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.SIP简介

SIP是一种应用层控制协议，用于在IP网上建立、修改以及终止多媒体会话或呼叫，现由SIP工作组负责，参考规范RFC2543。

SIP的基本功能有五种：用户定位，用户能力，用户可用性，呼叫建立，呼叫处理。

SIP地址格式由SIP URI定义， SIP URI 类似于mailto或 telnet URL。包括用户部分和主机部分；可以用来标识一个人、一个组里第一个可以访问的人、或者标识一个组。

SIP是基于客户机/服务器结构的。基本分为用户代理和网络服务器。以下是对用户代理解释，因为实际使用中的SIP会话分别是在系统端和无线设备端的用户代理应用程序之间交互完成。

用户代理客户端UAC：发起SIP呼叫的客户端应用程序。

用户代理服务器UAS：接受SIP请求的服务器程序。作为用户的代理，根据接受到的请求代表用户返回相应的响应：接受、拒绝、转接。

SIP消息分为两大类：请求和响应，响应又分为最终响应和临时响应。在关键的请求及响应消息中必须包含SDP包，因为 SDP的目的是传送会话中的媒体流的信息，以使符合会话描述的接收者可以参加会话。

4.RTP简介

RTP实时传输协议。它是IETF提出的一个标准，对应的RFC文档为RFC3550。RTP为Internet上端到端的实时传输提供时间信息和流同步，但并不保证服务质量，服务质量由RTCP来提供。RTCP在ED137虽不是必须采用，但在实际产品中均采用相关协议保证QoS。

RTP（实时传输协议），顾名思义它是用来提供实时传输的，因而可以看成是传输层的一个子层。

五、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&S4200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。

六、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。

七、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

八、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，不在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。

参考文献：

[1]VoIP in Air Traffic Management-FREQUENTIS

[2]R&S S4200 XU4200 VHF Transceiver Operating Manual-ROHDE&SCHWARZ