民航E&M信令测试盒研制

缑朋帅

摘 要：本文以STM32F413为核心，搭配音频处理、信令匹配和人机交互等外围电路构建了测试盒的电路系统，在Keil开发环境下完成了测试盒的程序设计。经验证，测试盒可用于E&M信令传输链路多项指标的测试，性能良好。

关键词：地空通信;E&M信令;STM32F413;W681310

中图分类号：TN915.85文献标识码：A文章编号：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;

甚高频地空通信系统是民航管制员与飞行员的主要通信手段，为区域、进近与塔台等管制单位和飞行机组之间提供语音通信服务，其通话质量直接关系到飞行安全，因此及时可靠的地空通信是航空器飞行安全的基本保障之一。随着国力发展，我国民航运输业也飞速前进。高峰时期，郑州新郑国际机场单日起降航班已突破700架次。为了应对飞速发展的航空业务需求，保障管制员与飞行员之间具有高质量的通话，中国民用航空局空中交通管理局建设了大量的甚高频（VHF）通信台，目前由中国民用航空中南地区空中交通管理局河南分局保障的VHF信道已超过100条。

为了保证甚高频通信系统能够正常运行，设备保障部门需要对其进行定期维护。一方面，装备的甚高频电台数量快速增加，另一方面，管制单位迫切要求提高地空通信质量，因此设备保障部门承担了极大的压力。为了提高甚高频电台维护效率，改善地空通信服务质量，满足我国空管设備保障业务的使用及发展需求，人们需要借助先进的技术手段来提高保障效率。本文设计了一种用于对E&M信令传输链路各项指标进行测试的E&M信令测试盒。在地空通信中断的应急保障或定期维护过程中，利用测试盒能够节省大量的时间，对保障地空通信安全具有重要的意义。

1 E&M信令应用情况

内话系统与传输设备之间及传输设备与甚高频收发电台之间多采用E&M V类信令进行语音信号传输[1-2]，线序如表1所示。

在V类信令中，信号和信令由不同通道传输。E线和M线是信令控制线，其中，E线为信号接收控制线，M线为信号发送控制线。信号发送和接收也由不同路径传输，发送时使用T、R线对将语音信号发送至电台发射机;接收时使用T1、R1线对接收来自电台接收机的语音信号。

2 设计需求

对VHF信令传输系统进行维护及调试或对故障系统进行排故时，需要测试管制中心与VHF台之间E&M信令通断情况，因此设计一种E&M信令测试设备用于对E&M信令传输系统进行测试很有必要。本文设计了一种基于嵌入式技术的E&M信令测试盒，测试盒能够模拟出E&M信令，可用于链路通断测试、信令触发效果测试、链路延迟测试和传输链路信号质量测试等。

3 硬件设计

由以上分析可知，E&M信令接口是一种模拟接口，V类信令接口包括发语音信号收和发以及控制信号收和发四种。信令起控方式普遍采用接地触发[2]，语音信号采用平衡600 Ω的线路进行传输。E&M信令测试盒硬件结构如图1所示，系统以单片机为核心，外围搭配音频编解码及收发电路、信令匹配及光电隔离电路、人机接口及存储电路。

E&M信令测试盒对链路的传输功能性能进行测试时需要测试盒模拟出E&M信令并对传输链路各项指标进行测试，测试盒还应具备显控功能以及与上位机通信等功能。整个测试过程涉及数字音频信号处理、信令电平匹配和USB通信等技术。综合考虑设计需求，决定选用STM32F413单片机作为数字音频信号处理和E&M信令收发转换等的运算及控制单元，采用W681310用于音频信号的编解码，采用TLP290和AQY212S构建M和E信令电平转换电路。

本文的测试盒基于嵌入式思想设计，故选用合适的MCU尤为重要。测试盒对E&M传输链路进行测试时需要快速处理大量的数字音频信号，因此要求该MCU运算速度要快。另外，为了实现人机交互功能，MCU必须既能够采集按键或键盘输入的指令而执行相应任务，也必须能够接收上位机通过USB接口送过来的指令或数据，该功能的实现要求MCU必须具备丰富的接口资源。综合考虑这些需求，决定采用STM32F413作为信号处理、信令模拟以及与上位机通信的控制核心。STM32F413是基于Cortex M4的微控制器，具备数字信号协处理器，具有较高的运算速度，满足快速进行数字音频信号处理的需求。利用其丰富的接口资源，可以方便构建测试盒的人机交互以及与上位机通信等电路。STM32F413的串行音频接口（SAI）可以与各种音频编解码芯片互联，利用该特点容易搭建性能良好的音频电路。

E&M信令中包含音频信号和电平触发信号。为了模拟出完整的E&M信令，测试盒还必须具备语音信号收发功能。本文采用W681310作为音频信号编解码以及A/D、D/A转换芯片。W681310支持u律和A律编码，符合ITU G.711和G.712标准，也兼容民航相关标准。W681310片上集成功率放大器，可以驱动300 Ω的负载，不需要其他功放芯片即可实现平衡600 Ω线路传输，简化了电路设计[3]。W681310数据传输支持PCM同步通信，可以与STM32F413的SAI接口互联搭建性能良好的音频电路。

由于测试盒电路系统采用3.3 V电平设计，为了兼容外部不同信令电平，且隔离外部尖峰电压，保护电路系统不受损坏，人们需要设计隔离电路，通过隔离电路进行M信令的发送以及E信令的接收。

隔离电路如图2所示，芯片TLP290将外部系统的M信令转换为3.3 V逻辑电平，STM32F405RG通过外部中断功能检测节点SQ_SAMPLE的边沿信号作为测试盒收到的E信令。芯片AQY212S将来自STM32F405RG的触发信号PTT_TRIGGER转换为测试盒发送的M信令。

4 软件设计

程序设计在Keil集成开发环境下完成。程序主要包括MCU及外围器件初始化、测试盒自检以及对被测单元测试等几部分，程序流程如图3所示。

测试盒上电后，MCU会执行初始化程序。首先，STM32F413初始化锁相环并确定主时钟频率，然后初始化SPI、SAI以及USB等通信接口以及其他外设，使其处于适用状态。MCU自身初始化完成后，STM32F413通过SAI、SDIO以及SPI等外部接口对外围器件W681310、SD卡以及LCD液晶执行初始化操作。为了防止因测试盒自身故障或状态异常影响测试结果准确性，所以初始化程序完成后STM32F413会执行自检程序。自检程序对测试盒的状态进行全面自检，使测试盒处于可靠的工作状态。通过自检后，测试盒处于等待接收指令状态。操作员可以使用按键给测试盒输入下一步执行何种操作的指令，还可以通过上位机从USB口给测试盒下发指令或其他测试数据。测试盒根据收到的不同指令将会驱使被测单元执行M信令，触发效果测试、E&M信令链路通断测试、E&M信令链路延迟测试或链路传输质量测试。测试结果既会实时显示在测试盒的液晶屏上，还会被存储于SD卡中。操作员可以通过按键操作查看或导出SD卡中存储的历史测试档案。

5 测试盒功能验证

本文设计了多种应用场景对测试盒的功能做了验证。此处举一例说明，验证示意图如图4所示。

测试盒1通过E&M线缆接入近端E&M配线架，测试盒2接入远端E&M配线架。近端和远端音频配线架通过传输设备之间的光缆进行通信。当进行链路延迟测试时，设置测试盒1和测试盒2为主机或从机不同模式。主机发送一个测试信号，从机收到该信号后立即返回一个应答信号。根据主机测量发送信号和应答信号之间的时间差，人们即可计算出信号在链路中传输的往返延迟。同样，通过类似方式，还可以对E&M信令触发效果、E&M信令链路通断和传输链路信号质量进行测试。

6 结论

本文设计了基于STM32F413和W681310的E&M信令测试盒，测试盒采用嵌入式技术设计，具有结构简单、可靠性高、成本低的特点。本文对测试盒的语音收发转换电路以及E&M信令接口匹配电路设计方法做了详细说明。测试盒能够模拟出标准的E&M信令，可用于E&M信令触发效果测试、传输链路延迟测试、传输链路通断测试和传输链路信号质量测试等。测试盒能够帮助设备保障部门快速对传输链路进行维护及调试，快速对通信故障進行排查与诊断，这些应用对提高甚高频地空通信系统应急保障或维护效率以及改善地空通信服务质量有重要的意义。

参考文献：

[1]奚正豪.E&M接口V类信令中SB针脚对接口的影响[J].科技与创新，2014（15）：136.

[2]王瑞军.E&M信令下甚高频通信系统PTT的传输与控制[J].科技传播，2014（12）：238-240.

[3]柯建伟，周嘉农.低电压语音编解码芯片W681310在移动终端中的应用[J].世界电子元器件，2004（3）：48-49.