基于VOIP的机载话音中继通信系统设计*

黄 斌

（海装重庆局驻十所军代室，四川 成都 610036）

基于VOIP的机载话音中继通信系统设计*

黄 斌

（海装重庆局驻十所军代室，四川 成都 610036）

介绍传统机载通信中继系统的系统架构和工作流程，在其基础上提出一种基于VOIP技术的新型中继系统架构，并对该新型中继系统的系统架构、工作原理进行描述，同时详细阐述其运用的关键技术——VOIP话音编解码技术、传输技术和活动话音检测技术。比较分析表明，该新型中继系统具有高灵活性、跨频段、中继距离远等优点，可作为后续中继系统研制的重要参考。

机载通信系统；中继系统；VOIP；话音；跨频段

0 引 言

直升机执行任务时以超短波作为主要的话音通信手段。由于超短波的视距通信特点，当直升机执行任务的距离超出视距范围或遇地形遮挡时，将不能保证其与地面指挥所之间的有效话音通信。为满足执行任务时的需要，须延伸地面指挥所与直升机的话音通信距离，以支持地面指挥所对直升机的远程指挥引导[1]。

典型的中继应用场景如图1所示。

图1 话音中继应用场景示意

本文介绍传统机载话音中继系统架构、工作原理，并在此基础上提出一种新型中继方式，重点描述新型话音中继系统架构、工作原理、关键技术等方面的内容。

1 中继方案设计

1.1 传统中继系统

传统中继采用电台与电台之间的离散线与音频线相互连接，直接转发中继控制信号（PTT）及中继话音。这种方式只能在位置相邻的两部电台间构建中继通信链路，且只能实现同种调制方式的中继。

1.1.1 系统架构

传统中继系统由超短波链路（至少2条）及通信控制管理设备CCU组成，系统架构图如图2所示。

图2 传统话音中继系统架构

系统各组成部分功能如下：

（1）控制设备CCU：对中继链路参数进行控制管理；

（2）超短波链路：①对射频信号进行解调恢复话音，并通过中继转发口转发；②对中继转发音频进行调制，并通过天线口发射。

1.1.2 工作流程

（1）上行话音中继过程

通信控制设备CCU设置超短波链路1/2处于中继模式。地面指挥所超短波电台以波道1发送话音；中继超短波电台1收到射频信号后，解调出话音信号，通过电台转发接口将转发音频及转发控制信号PTT送至中继超短波电台2；中继台超短波电台2将话音调制后通过波道2发送至无线信道；直升机超短波电台接收信号后解调出话音。

（2）下行话音中继过程

下行话音中继过程则为上行话音中继过程的逆过程，此处不再赘述。

1.2 新型中继系统

新型中继系统在传统中继系统上进行了改进，采用基于IP话音编解码和活动话音检测的方法，不再受限于电台安装位置和调制方式，可实现任意链路、任意调制方式之间的中继。

1.2.1 组成

新型中继系统由不同频段的无线通信链路、通信控制管理设备CCU、音频接口单元GIU、光以太网交换机组成。系统架构如图3所示。

图3 新型话 音中继系统架构

系统各组成部分功能如下：

（1）通信控制管理设备：对中继链路参数进行控制管理，实时检测IP活动话音，并产生中继转发控制信号及中继音频；

（2）音频接口单元GIU：提供与各信道链路的模拟接口，完成模拟话音与IP话音的相互转换；

（3）光以太网交换机：完成IP数据的传输交换；

（4）超短波、短波链路、卫通链路：完成音频信号的调制与解调、射频信号的接收与发送。

1.2.2 工作流程

（1）上行话音中继过程

通信信息处理器设置任意两条链路处于中继模式。

图4为话音中继过程示意图。地面指挥所通过任意链路（短波/超短波/卫通）发送话音；中继飞机对应中继链路接收到射频信号，解调出模拟音频送至音频接口单元（GIU）；GIU按照G.711标准将模拟话音转化为IP话音，并送至以太网；通信控制管理设备（CCU）通过内置活动话音检测算法实时检测以太网上的IP话音，当检测到某中继链路有话音输入时，CCU自动生成中继话音控制信号PTT，并将该数字PTT及中继音频送至中继目标链路对应的GIU；GIU将IP话音及数字控制PTT信号还原为模拟话音和离散PTT信号，并送至中继目标链路（超短波）；中继目标链路（超短波）将音频调制后发送至无线信道；作战平台对应链路（超短波）接收后解调出话音。

（2）下行话音中继过程

图4 话音中继过程

下行话音中继过程则为上行话音中继过程的逆过程，此处不再赘述。

1.3 中继系统特点对比

从传统与新型中继系统的架构及工作原理可以看出，新型中继系统具有中继灵活性更强、中继覆盖范围更广、中继频段更宽等优势。两个中继系统特点的详细对比如表1所示。

表1 中继特点 对比情况

2 关键技术及解决途径

新型中继方式所具备的优点，源于在传统中继系统基础上采用了VOIP话音编解码技术、传输技术和活动话音检测技术。

2.1 VOIP话音编解码

VOIP是Voice over IP的缩写。这种技术对模拟话音信号进行编码数字化，压缩处理成压缩帧，然后转换为IP数据包在网络上进行传输，从而达到在以太网上传输话音的目的。目前，ITU-T定义的主要编码标准有G.711、G.729、G.723.1等[2-3]。

表2为主流压缩编码技术的比较。从表2可以看出，每种压缩算法（G.729/G.723.1）虽然节省了带宽，但对话音质量都有一定影响。G.711编码标准未经压缩，则可获得更高的话音质量和更短的编码延时，但占用的带宽较大。由于系统采用百兆光以太网，可满足G.711编码方式的传输带宽，故系统采用话音质量更高的G.711编码方式。

表2 主流压缩编码技术的比较

2.2 VOIP话音传输

音频接口单元GIU采用RTP协议来确保话音传输的实时性。RTP协议提供序列号、时间戳、数据源标识等信息，使接收端能够根据这些信息重新恢复正确的数据流[4-6]。GIU进行话音编码后将话音数据封装成RTP包，由UDP协议进行网络传输。

为防止以太网网络传输抖动对GIU中继音频恢复造成影响，GIU需对中继音频报文有3帧的缓冲平滑处理能力。

2.3 话音活动检测

通信控制管理器实时检测通话过程中有效的活动话音，剔除静音片段，对静音的数据部分不进行中继转发，对有效的活动话音部分则生成相应的控制信号PTT并转发话音。采用活动话音检测技术后，当中继链路没有收到话音时，通信信息处理器将不会发出转发发射控制信号PTT，从而不会引起长时间单向占用信道的现象。

本系统的活动话音检测算法选取短时能量和短时过零率作为检测算法的参数，属于时域的检测方法[3]。

（1）短时能量：直观反映一段时间内语音信号的强度，只要有语音信号存在，就会有一定的能量；

（2）短时过零率：过零是指时域波形穿过坐标轴，直观数值反映即相邻两个采样值异号，短时间过零发生的次数为短时过零率。

活动话音检测判定准则有两个：话音检测输出有效和话音检测输出无效。

（1）话音检测输出有效

一帧数据能量幅度绝对值大于等于门限值A的次数大于等于B（A和B参数可配置，A为一个字节的输出有效能量幅度门限），则该帧依据能量幅度判定为有效帧；一帧数据（40 Byte）的过零次数大于等于过零门限值C（C参数可配置），则该帧依据过零判定为有效帧；在连续X帧数据（X参数可配置）中，依据能量幅度判定为有效帧的帧数大于等于D（D参数可配置）或者依据过零判定为有效帧的帧数大于等于E（E参数可配置），则认为话音检测输出有效。

（2）话音检测输出无效

一帧数据能量幅度绝对值大于等于门限值F的次数小于G（F和G参数可配置，F为一个字节的输出无效能量幅度门限），则该帧依据能量幅度判定为无效帧；一帧数据（40 Byte）的过零次数小于过零门限值H（H参数可配置），则该帧依据过零判定为无效帧；在连续X帧数据（X参数可配置）中，依据能量幅度判定为无效帧的帧数大于等于I（I参数可配置）且依据过零判定为无效帧的帧数大于等于J（J参数可配置），则认为话音检测输出无效。

话音活动检测采用抢占机制，即一旦某个方向话音检测输出为有效，则立刻启动该方向的中继，且不再进行反方向的话音活动检测，直到该方向话音检测输出为无效。

3 结 语

本文在传统中继系统的基础上提出了一种基于VOIP技术的新型中继系统，并详细阐述了新型中继系统的系统架构、工作原理及关键技术等内容。通过比较，新型中继系统相较传统中继系统具有灵活性强、中继距离远、中继频段宽等优势，对后续中继系统设计具有参考价值。

[1] 任喜录,于宪峰.野战局间中继的新方法-单工无线自动中继[J].火力与指挥控制,2011(04):30-32. REN Xi-lu,YU Xian-feng.New Relay Method Between Exchanges for Field Operation-Half-duplex Automatic Radio Relay[J].Fire Control and Command Control,2011(04):30-32.

[2] 李凡.基于VOIP技术的小型VHF通信网设计[D].大连:大连海事大学,2011. LI Fan.The VoIP-based Design of VHF Communication Network[D].Dalian:Dalian Maritime University,2011.

[3] 吕海波.VOIP关键技术研究及终端模块实现[D].西安:西北工业大学,2007. LV Hai-bo.Reasearch on Key Technologies of VOIP and Implement of Endpoint Model[D].Xian:Northwestern Polytechnic University,2007.

[4] 张登银,孙精科.VOIP技术分析与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2003. ZHANG Deng-yin,SUN Jing-ke.VOIP Technology Analysis and System Design[M].Beijing:People's Posts and Telecommunications Press,2003.

[5] 蔡云刚.VOIP网络浅析[J].网络安全技术与应用,2009(12):34-36. CAI Yun-gang.Analysis of VOIP Network[J].Network Security Technology and Application,2009(12):34-36.

[6] 高春刚.VOIP原理和应用概述[J].科技广场, 2011(03):40-42. GAO Chun-gang.Overview of VOIP Principle and Application[J].Technology Square,2011(03):40-42.

Airborne Voice-Relay Communication System based on VOIP Technology

HUANG Bin
(Military Representative Office Stationed in No.10 Institute of CETC, Chongqing Bureau of Navy Equipment, Chengdu Sichuan 610036,China)

The system architecture and working flow of traditional airborne communication relay system is described. Based on traditional relay communication system, a new relay communication system based on VOIP technology is proposed. This paper tells of the principle and key-technology of the new relay communication system, including the application of VOIP speech coding and decoding technology, transmission technology and active voice detection technology.Comparative analysis shows that this new relay communication system for its strong flexibility, cross frequency band and far relay-range, may serve as an important reference for the future engineering development of relay communication system.

airborne communication system; relay system; VOIP;Voice; cross frequency band

TN919.8

A

1002-0802(2016)-07-0876-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.016

2016-03-17;

2016-06-11 Received date:2016-03-17;Revised date:2016-06-11

黄 斌（1979—），男，学士，工程师，主要研究方向为通信技术。