一種分布式光以太網(wǎng)機(jī)內(nèi)音頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

機(jī)內(nèi)音頻通信設(shè)備(簡(jiǎn)稱“機(jī)通”)是一種機(jī)載通信及控制設(shè)備，能支持多名乘員進(jìn)行機(jī)內(nèi)通話，使用電臺(tái)、衛(wèi)通、JIDS對(duì)外聯(lián)絡(luò)，監(jiān)聽特定的無線電導(dǎo)航、告警等設(shè)備的音響信號(hào);在地面檢修飛機(jī)時(shí)，供維修人員之間進(jìn)行通話聯(lián)絡(luò)。

隨著本世紀(jì)初電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)開始應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)域中，并引發(fā)了一場(chǎng)軍事作戰(zhàn)方式的變革--網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)。為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)這一軍事變革的需要，將來的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)能在高速機(jī)動(dòng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的話音、數(shù)據(jù)和圖像信息的傳輸和共享、交換，從而可以有效實(shí)現(xiàn)空空、空地之間的信息互聯(lián)與共享，并通過這種互聯(lián)與共享將信息及信息優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為空中作戰(zhàn)能力。

基于現(xiàn)裝備我軍的機(jī)通，按使用技術(shù)分為模擬機(jī)通，數(shù)字機(jī)通，以太網(wǎng)機(jī)通。因模擬機(jī)通不能傳輸數(shù)字信號(hào)，易被干擾，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)連接無從談起。數(shù)字機(jī)通采用RS 485總線形式，在總線上傳輸?shù)氖且环N數(shù)字信號(hào)，連接簡(jiǎn)單，通話質(zhì)量良好，容易擴(kuò)展。但受RS 485總線本身的限制，數(shù)傳速率低，也不能為數(shù)字設(shè)備構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)連接，無法直接接入現(xiàn)代化的信息網(wǎng)絡(luò)中，不能滿足將來的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)建設(shè)的需要。

以太網(wǎng)通信技術(shù)在商用領(lǐng)域已非常成熟，廣泛的影響著人類的現(xiàn)代生活。在軍事領(lǐng)域也逐步開始有一些設(shè)備使用以太網(wǎng)通信技術(shù)。以太網(wǎng)傳輸總線通信速率高，可容納更多的終端設(shè)備擴(kuò)展，極大地減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，帶來更好的音頻聽覺體驗(yàn)。同時(shí)采用光纖線纜，有利于整個(gè)飛機(jī)的減重設(shè)計(jì)，光纖線纜不受電磁干擾，電磁兼容性好。隨著以太網(wǎng)技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的日益增加和飛機(jī)內(nèi)部各設(shè)備間互聯(lián)互通需求擴(kuò)大的趨勢(shì)，研制具備光纖以太網(wǎng)總線機(jī)通勢(shì)在必行。

1 系統(tǒng)功能

本文針對(duì)數(shù)字機(jī)內(nèi)音頻通信設(shè)備的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種分布式光以太網(wǎng)機(jī)內(nèi)音頻通信設(shè)備，各個(gè)組成單元能夠靈活地加入或離開系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，不影響其他設(shè)備的正常工作，其數(shù)據(jù)總線為標(biāo)準(zhǔn)的100 Mb/s 光以太網(wǎng)，方便與具備該接口的機(jī)內(nèi)音頻通信設(shè)備以外的其他設(shè)備進(jìn)行通信。該系統(tǒng)采用了大規(guī)模集成電路、數(shù)字信號(hào)處理、有源抗噪、網(wǎng)絡(luò)通信和語音實(shí)時(shí)性傳輸?shù)燃夹g(shù)。具有接入互聯(lián)方便，安裝簡(jiǎn)單、功能配置靈活、可靠性高、軟件升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)。

機(jī)內(nèi)音頻通信設(shè)備主要包含8個(gè)音頻控制面板(簡(jiǎn)稱ACP)、4個(gè)音頻接口單元(簡(jiǎn)稱GIU)、1個(gè)載機(jī)機(jī)通接口單元(簡(jiǎn)稱FIU)及其配套的耳機(jī)話筒組和廣播等，具體如圖1所示。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 傳輸介質(zhì)的選用

與其他傳輸介質(zhì)相比，光纖通信具有以下特點(diǎn)：頻帶極寬，通信容量大;損耗低，中繼距離長(zhǎng);抗電磁干擾能力強(qiáng);無串音干擾，保密性好。

加之現(xiàn)代軍用飛機(jī)的機(jī)載電子設(shè)備不斷增加，互連用的電線電纜群集。因此，減小機(jī)載電子設(shè)備的重量和體積，成為提高軍用飛機(jī)作戰(zhàn)性能的重要問題之一。而光纖重量輕、體積小，可解決這一難題。所以說光纖技術(shù)對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的更新?lián)Q代起著重要的作用，故選用了光纖作為機(jī)通的總線傳輸介質(zhì)。

2.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選用

依照機(jī)通的總性能要求，具體來說，就是將ACP,ICP,GIU,FIU等構(gòu)建成一個(gè)有具體需求的通信局域網(wǎng)。

局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星型、環(huán)型、總線型以及混合型。光纖局域網(wǎng)也是局域網(wǎng)的一種，所以其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致也可分為這幾種，這幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

在一定帶寬的前提下，因總線型和環(huán)型都要共享傳輸介質(zhì)，在話音實(shí)時(shí)性要求很高的機(jī)通中實(shí)現(xiàn)有困難。

在以往研制的以太網(wǎng)產(chǎn)品中，都采用了星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)星型結(jié)構(gòu)有了較深的理解及應(yīng)用，所以從網(wǎng)絡(luò)的小延時(shí)性、可靠性、易實(shí)現(xiàn)性、易開發(fā)性上，選用有源星型光纖網(wǎng)絡(luò)作為機(jī)通的通信網(wǎng)絡(luò)。

2.3 總體協(xié)議構(gòu)架

總體協(xié)議構(gòu)架如圖2所示。機(jī)通主要由一個(gè)100 Mb/s星形工業(yè)以太網(wǎng)組成，它的物理層協(xié)議與MAC層協(xié)議都是基于IEEE 802.3,網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議為TCP/IP.語音信息將依次被封裝入RTP消息、UDP消息、IP包、邏輯鏈路層消息、MAC層消息和物理層幀，然后被發(fā)送出去。數(shù)據(jù)信息除不通過RTP消息以外，基本與語音信息的傳輸過程相同。

2.4 采用的主要技術(shù)

2.4.1 語音數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性

為保障構(gòu)建的機(jī)通網(wǎng)絡(luò)具有較小的傳輸時(shí)延，提高機(jī)通網(wǎng)絡(luò)的語音傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，從以下3個(gè)方面加以設(shè)計(jì)：

(1)丟包補(bǔ)償技術(shù)是針對(duì)長(zhǎng)距離傳輸?shù)牟淮_定性和干擾等因素，可能引起數(shù)據(jù)包丟失而采取的一種方法。

但無論是基于發(fā)送端補(bǔ)償?shù)那跋虿铄e(cuò)糾正技術(shù)，還是基于接收端補(bǔ)償?shù)牟铄e(cuò)隱藏技術(shù)，都會(huì)引入時(shí)延和帶寬的增加。對(duì)于交互式的語音應(yīng)用，對(duì)延時(shí)很敏感;構(gòu)架的機(jī)通網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)小型、相對(duì)簡(jiǎn)單的內(nèi)部獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)包丟失的概率很小。因此，在本系統(tǒng)中不采用丟包補(bǔ)償技術(shù)。

(2)因網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，會(huì)使數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間不可預(yù)料。但是話音的傳輸是需要數(shù)據(jù)的適時(shí)的到達(dá)用以播放和回放。對(duì)話音信號(hào)采用了實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP/RTCP)和UDP(User Datagram Protocol)封裝來進(jìn)行傳輸。RTP協(xié)議為音頻、視頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供了端到端的傳輸機(jī)制，可以向接收端點(diǎn)傳送恢復(fù)實(shí)時(shí)信號(hào)的定時(shí)和順序信息;RTCP 協(xié)議來監(jiān)視和控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。UDP 的傳輸時(shí)延低于TCP ,能與音頻和視頻很好地配合。

(3)構(gòu)建百兆的局域網(wǎng)平臺(tái)，為數(shù)據(jù)傳輸提供高的傳輸速率。

2.4.2 完善可靠的自檢功能

以前數(shù)字機(jī)通的自檢，無論是加電自檢、啟動(dòng)自檢、周期自檢、手動(dòng)自檢，自檢的范圍僅僅局限于數(shù)字電路部分及模擬部分電流檢測(cè)。但仍然不能真實(shí)地反映設(shè)備工作能力，往往會(huì)發(fā)生自檢正常但發(fā)話無輸出或者收聽無聲音的故障。徹底解決機(jī)通自檢功能，真實(shí)反映機(jī)通是否故障的問題，同時(shí)兼顧自檢方案的簡(jiǎn)化，完善可靠的自檢設(shè)計(jì)是未來機(jī)通的設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一。

在本機(jī)通設(shè)計(jì)中增加信號(hào)發(fā)生電路模塊和信號(hào)幅度檢測(cè)模塊，在手動(dòng)自檢時(shí)，對(duì)機(jī)通音頻通路進(jìn)行自檢及故障定位;啟動(dòng)自檢、周期自檢與加電自檢測(cè)不對(duì)音頻通路進(jìn)行自檢，只對(duì)數(shù)字部分及模擬部分的電流進(jìn)行檢測(cè)。

3 實(shí)物研制

2012年5月完成C型件樣機(jī)的研制，2012年9月完成與系統(tǒng)的聯(lián)試工作，聯(lián)試結(jié)果表明該光以太網(wǎng)機(jī)內(nèi)音頻通信設(shè)備滿足用戶使用要求。

4 結(jié)語

光以太網(wǎng)機(jī)內(nèi)音頻通信設(shè)備是對(duì)傳統(tǒng)RS 485總線機(jī)內(nèi)音頻通信設(shè)備的一次革新，其星型的連接方式保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，通道真實(shí)自檢提高了系統(tǒng)的可靠性，標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口增強(qiáng)了與其他設(shè)備通信的便利性，光纜的使用減輕了系統(tǒng)的重量及增強(qiáng)了抗電磁干擾性。諸多的優(yōu)點(diǎn)使其有理由成為下一代機(jī)內(nèi)音頻通信設(shè)備。