王興林

（民航云南空管分局技術(shù)保障部，云南 昆明 650000）

關(guān)鍵字：最佳信號選擇；內(nèi)話系統(tǒng)；激活方式

0 引言

隨著我國民航事業(yè)不斷快速的發(fā)展，語音通信對于空中交通管制起著越來越重要的作用?！睹裼煤娇湛罩薪煌ü苤品?wù)地空通信設(shè)備配置 第1 部分：語音通信》等相關(guān)行業(yè)規(guī)范規(guī)定了民用航空空中交通管制地空語音通信的地面設(shè)備包括甚高頻地空通信系統(tǒng)、語音交換系統(tǒng)、應(yīng)急通信終端設(shè)備等的配置要求。甚高頻信號覆蓋應(yīng)滿足管制區(qū)內(nèi)現(xiàn)行管制運行需求。云南管制區(qū)航班流量較大，屬于A 級管制單位，主用管制頻率、備用管制頻率應(yīng)有2 個或2 個以上的不同臺站提供服務(wù)，并達到管制需求范圍內(nèi)雙重覆蓋。為了滿足管制的業(yè)務(wù)需求，扇區(qū)內(nèi)配置了多個甚高頻臺站，管制員頻繁手動切換臺站會給通信安全造成一定隱患。內(nèi)話系統(tǒng)最佳信號選擇（Best Signal Selection，BSS）功能（以下簡稱比選）可以很好地解決這一問題，可以對同一頻率多個信道的接收信號質(zhì)量進行對比，并輸出質(zhì)量較好的一路。比選主要應(yīng)用在同頻多址的接收信號選擇，能夠有效地降低工作負荷，提升管制工作效率[1-2]。

1 原理

由于語音信號是模擬連續(xù)的信號，不利于系統(tǒng)的處理，因此需要將信號由模擬信號經(jīng)采樣、量化、編碼后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。國內(nèi)主流的Frequentis、SCHMID 等語音交換系統(tǒng)都采用類似的辦法處理語音信號。SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)接收機的比選是通過DSP 數(shù)字芯片處理技術(shù)和快速傅里葉變換進行快速信號質(zhì)量評估來實現(xiàn)的。比選是在內(nèi)話系統(tǒng)的控制單元Controller 板卡中完成的，服務(wù)器單元能在50 ms 內(nèi)評估多達24 個無線接收機的信號質(zhì)量，并將最好的信號提供給相應(yīng)的管制席位。其原理如圖1 所示。接收到的原始話音信號中，除了機組回復(fù)的有用話音信號，還包含信道中的噪聲信號，圖中的有用話音信號又稱優(yōu)勢信號，用m=max 信號表示，噪聲信號用n=min 信號表示。

圖1 BSS 最佳信號選擇評估算法

內(nèi)話的激活方式不同，可以分為電壓激活、話音激活及帶內(nèi)單音激活，下節(jié)將詳細講解不同激活方式下信號比選的區(qū)別。接收到的語音信號必須同時伴有靜噪信號，沒有靜噪的語音信號不參與系統(tǒng)的信號比選。接收信號的比選過程為：將接收到的語音信號進行數(shù)字化處理后，進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT），得出頻譜上的各頻率信號分量的幅值，再對信號進行質(zhì)量評估。進行語音信號的質(zhì)量評估，需要用到以下3 個指標[3]。

（1）語音電平。語音電平是頻域各離散頻率分量的幅值的加和，主要衡量信號電平值的大小。語音電平的計算式為：

式中：ai為離散頻率分量的幅值。

（2）傳聲準率。傳聲準率也稱信號的清晰度，是由頻域中的優(yōu)勢頻率分量決定的，也稱信號的清晰度，通過計算優(yōu)勢頻率分量中的最大兩個分量幅值之和m2+m3與最小的兩個分量幅值之和m1+m4的比值得到，主要衡量話音信號的清晰程度。傳聲準率A的值越大，說明話音信號越清晰。

式中：m2，m3為優(yōu)勢頻率分量中幅值最大的兩個分量，m1，m4為優(yōu)勢頻率分量中幅值最小的兩個分量。

（3）信噪比。信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）是接收到的信號中有用話音信號與噪聲信號的比值，是衡量信號可讀性的標準，通過計算優(yōu)勢頻率分量中最大兩個的分量幅值之和m2+m3與噪聲信號頻率分量中最小的兩個分量幅值之和n3+n4的比值得到。信噪比SNR越大，說明有用話音信號的可讀性越強。

式中：m2，m3為優(yōu)勢頻率分量中幅值最大的兩個分量，n3，n4為噪聲頻率分量中幅值最小的兩個分量。

最后計算得到該話音信號的質(zhì)量Q=L+A+SNR，Q值最大的即為最佳信號。但比選算法在對上述3種因素進行比較時還要遵循下面幾個主要原則：

（1）對于一次無線通話中輸出最佳信號的接收機，下次通話時假定該接收機為最佳；

（2）一次新通話的快速評估將快速切換到最佳接收機；

（3）在已選擇的信道信號質(zhì)量變差時慢速切換；

（4）在已選擇的信道信號消失時快速切換；

（5）沒有靜噪信號的信道不進行切換。

該功能除系統(tǒng)自動選擇接收機外，也允許管制員解除自動功能手動選擇接收機。同時，系統(tǒng)的自動發(fā)射跟隨功能可在自動選擇最佳接收機的同時自動選擇對應(yīng)的發(fā)射機。

2 兩種激活方式下的信號比選研究

內(nèi)話系統(tǒng)和甚高頻（Very High Frequency，VHF）電臺之間的信號傳輸，需要信令控制信號發(fā)射和接收。如果一直長收和長發(fā)，對通信系統(tǒng)來說是災(zāi)難性的。通常，地空通信傳輸采用E&M 信令，發(fā)射話音TX 和接收話音RX 采用600 Ω 平衡傳輸，內(nèi)話端的SQ 話音接收信令（E 信令）有4 種傳輸方式，分別是“Against signal ground”“Against earth ground”“Phantom signaling”“External signal source”，內(nèi)話端的PTT 話音發(fā)射起控信令（M 信令）有4 種傳輸方式，分別是“Without signal source”“Against earth ground”“Phantom signaling”“With signal source”。

昆明管制區(qū)現(xiàn)有兩套SCHMID 內(nèi)話系統(tǒng)，信號的引接采取配線架并接的方式。兩套內(nèi)話系統(tǒng)的激活方式是不一樣的。主用內(nèi)話系統(tǒng)采用電壓激活，即SQ 話音接收信令（E 信令）為“Against earth ground”，如圖2 所示；備用內(nèi)話系統(tǒng)采用語音激活，即SQ 話音接收信令（E 信令）為“Phantom signaling”，如圖3 所示；PTT 話音發(fā)射起控信令（M信令）兩套系統(tǒng)都為“Without signal source”，如圖4所示。

圖2 主用內(nèi)話系統(tǒng)電壓激活

圖3 備用內(nèi)話系統(tǒng)語音激活

圖4 PTT 話音發(fā)射起控信令

因此，兩套內(nèi)話系統(tǒng)在不同的激活方式下，系統(tǒng)進行信號比選的過程也是有差別的。

2.1 電壓激活下的信號比選

采取電壓激活時，內(nèi)話端的E 線電壓14.75 V。當接收到信號話音信號時，電臺端會向內(nèi)話端發(fā)送靜噪信號，內(nèi)話端的E 線電壓變?yōu)?，內(nèi)話的無線板卡被激活，接收話音信號，同時服務(wù)器單元檢測到SQ 信號才進行信號的比選。因此，電壓激活可以可靠地偵測甚高頻，幾乎是實時探測，其原理如圖5 所示。

圖5 電壓激活的偵測原理

但這種方式可能存在問題：同一個頻率下會有多個不同的接收機，因而信號傳輸會有先后到達的情況，如果某一個臺站的信號延遲比較大，則會造成系統(tǒng)已經(jīng)比選了信號送給席位管制員，然后又會重復(fù)收到機組的話音信號的情況。

解決辦法：可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)中接收信號的時延，對于較早達到的信號進行延遲，使延遲后的信號與較晚信號可以進行信號的比選[4]。

電壓激活的相關(guān)參數(shù)不需要進行特別的設(shè)置，默認就是電壓激活。

2.2 語音激活下的信號比選

語音激活下的信號比選是通過設(shè)置信號的門限實現(xiàn)的，又稱人工靜噪VOX。當接收到的話音信號大于系統(tǒng)設(shè)置的門限，則產(chǎn)生信號指示SQ，接收語音信號，系統(tǒng)進行信號的比選。基于這樣的機制，這種方式在識別偵測話音時有一定的延遲，第一個音節(jié)被丟掉，其原理如圖6 所示。

圖6 語音激活的偵測原理

可能存在的問題：圖6 中信號上有條虛線，就是系統(tǒng)設(shè)置的門限，只有大于該門限才會產(chǎn)生VOX靜噪，存在第一個音節(jié)丟失的情況。如果該門限設(shè)置不合理，比如設(shè)置過大，會造成一部分語音信號被丟棄，即所謂的丟字情況，無法接收完整的機組話音；若設(shè)置過小，則會接收到線路噪音，在沒有有效的話音信號時，系統(tǒng)就能收到噪音。

解決辦法：設(shè)置合適的VOX 門限，反復(fù)嘗試，直至找到最佳的數(shù)值。減少線路的并線，減少線路上的衰減，或者調(diào)高甚高頻電臺的語音電平，盡可能地減少信號的衰減。

2.3 語音激活的參數(shù)設(shè)置

語音激活的參數(shù)設(shè)置方面，對于2*Radio 硬件板卡，有兩個地方可以進行設(shè)置。在“Physical Components” →“Details” →“Radio-3 Device Init String”中進行設(shè)置，為全局變量，對所有的2*Radio硬件板卡都有效。另一個參數(shù)是在2*Radio 硬件板卡下的“Details”頁面中的“Init String”選項進行設(shè)置。例如，參數(shù)設(shè)置為“$V0：1$T0：-200$V1：1$T1：-200”，“$”代表硬件初始化，“V0”表示第1個通道，“$V0：1”表示給第1 個通道賦值為1，即開啟語音激活功能，“T0：-200”表示第1 個通道的激活門限為-200。第2 個通道的設(shè)置也是如此[5]。

對于4線EM板卡，也有兩個地方可以進行設(shè)置。一個是“Radio Components”→“Details”→“VOX Threshold Level”，值的范圍為-25～0 dB。另一個在4 線EM 板卡下的“Details”→“VOX inputs”頁面中，可分別對VOX1 和VOX2 兩個通道進行設(shè)置。

當全局變量和硬件板卡的激活參數(shù)都設(shè)置時，系統(tǒng)采用硬件板卡自己的激活參數(shù)，優(yōu)先級比全局變量高。

2.4 兩種激活方式的實際應(yīng)用

對于兩種激活方式來說，電壓激活可以更好地偵測信號，及時地將接收到的信號進行比選后送給席位上的管制員；語音激活在識別信號時存在一定的延遲，從而導(dǎo)致信號的第一個音節(jié)丟失。但是，兩套同樣的內(nèi)話系統(tǒng)并接時，如果都采用電壓激活會帶來一些問題，不利于故障的排查。例如，其中一套內(nèi)話硬件板卡故障，出現(xiàn)內(nèi)話端的E 線電壓變?yōu)? V，另一套內(nèi)話系統(tǒng)的E 線也會拉地，出現(xiàn)長收的情況，此時無法判斷是內(nèi)話端的問題還是電臺端的問題。所以，兩套內(nèi)話系統(tǒng)并接時，一套采用電壓激活方式，另一套采用語音激活方式，并合理地設(shè)置激活門限，可以有效地避免以上問題。

3 結(jié)語

本文對內(nèi)話系統(tǒng)的比選原理做了研究，但比選并非人工智能，在實際的運用中，某些復(fù)雜信號的比選情況可能不如單臺站的信號質(zhì)量好。因此，需要制定完備的應(yīng)急處置程序，提高維護人員的技術(shù)水平，以確保通信正常、可靠。對于語音信號的比選是一個有意義的課題，不僅是對現(xiàn)在傳統(tǒng)的TDM時分復(fù)用內(nèi)話系統(tǒng)，對于VOIP 技術(shù)內(nèi)話系統(tǒng)來說，也是非常值得研究的。