一種分布式光以太網(wǎng)機內音頻通信系統設計

0 引言

機內音頻通信設備(簡(jiǎn)稱(chēng)“機通”)是一種機載通信及控制設備，能支持多名乘員進(jìn)行機內通話(huà)，使用電臺、衛通、JIDS對外聯(lián)絡(luò )，監聽(tīng)特定的無(wú)線(xiàn)電導航、告警等設備的音響信號;在地面檢修飛機時(shí)，供維修人員之間進(jìn)行通話(huà)聯(lián)絡(luò )。

隨著(zhù)本世紀初電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)技術(shù)開(kāi)始應用于軍事通信領(lǐng)域中，并引發(fā)了一場(chǎng)軍事作戰方式的變革--網(wǎng)絡(luò )中心戰。為適應網(wǎng)絡(luò )中心戰這一軍事變革的需要，將來(lái)的機載網(wǎng)絡(luò )能在高速機動(dòng)的戰場(chǎng)環(huán)境下實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化的話(huà)音、數據和圖像信息的傳輸和共享、交換，從而可以有效實(shí)現空空、空地之間的信息互聯(lián)與共享，并通過(guò)這種互聯(lián)與共享將信息及信息優(yōu)勢轉化為空中作戰能力。

基于現裝備我軍的機通，按使用技術(shù)分為模擬機通，數字機通，以太網(wǎng)機通。因模擬機通不能傳輸數字信號，易被干擾，構建網(wǎng)絡(luò )連接無(wú)從談起。數字機通采用RS 485總線(xiàn)形式，在總線(xiàn)上傳輸的是一種數字信號，連接簡(jiǎn)單，通話(huà)質(zhì)量良好，容易擴展。但受RS 485總線(xiàn)本身的限制，數傳速率低，也不能為數字設備構建網(wǎng)絡(luò )連接，無(wú)法直接接入現代化的信息網(wǎng)絡(luò )中，不能滿(mǎn)足將來(lái)的網(wǎng)絡(luò )中心戰建設的需要。

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(zhù)人類(lèi)的現代生活。在軍事領(lǐng)域也逐步開(kāi)始有一些設備使用以太網(wǎng)通信技術(shù)。以太網(wǎng)傳輸總線(xiàn)通信速率高，可容納更多的終端設備擴展，極大地減少數據傳輸延遲，帶來(lái)更好的音頻聽(tīng)覺(jué)體驗。同時(shí)采用光纖線(xiàn)纜，有利于整個(gè)飛機的減重設計，光纖線(xiàn)纜不受電磁干擾，電磁兼容性好。隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)在軍事領(lǐng)域應用的日益增加和飛機內部各設備間互聯(lián)互通需求擴大的趨勢，研制具備光纖以太網(wǎng)總線(xiàn)機通勢在必行。

1 系統功能

本文針對數字機內音頻通信設備的應用需求，設計開(kāi)發(fā)了一種分布式光以太網(wǎng)機內音頻通信設備，各個(gè)組成單元能夠靈活地加入或離開(kāi)系統網(wǎng)絡(luò )，不影響其他設備的正常工作，其數據總線(xiàn)為標準的100 Mb/s 光以太網(wǎng)，方便與具備該接口的機內音頻通信設備以外的其他設備進(jìn)行通信。該系統采用了大規模集成電路、數字信號處理、有源抗噪、網(wǎng)絡(luò )通信和語(yǔ)音實(shí)時(shí)性傳輸等技術(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、軟件升級方便等優(yōu)點(diǎn)。

機內音頻通信設備主要包含8個(gè)音頻控制面板(簡(jiǎn)稱(chēng)ACP)、4個(gè)音頻接口單元(簡(jiǎn)稱(chēng)GIU)、1個(gè)載機機通接口單元(簡(jiǎn)稱(chēng)FIU)及其配套的耳機話(huà)筒組和廣播等，具體如圖1所示。

2 總體設計方案

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(cháng);抗電磁干擾能力強;無(wú)串音干擾，保密性好。

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

2.2 系統拓撲結構的選用

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

局域網(wǎng)的拓撲結構主要有星型、環(huán)型、總線(xiàn)型以及混合型。光纖局域網(wǎng)也是局域網(wǎng)的一種，所以其拓撲結構大致也可分為這幾種，這幾種拓撲結構各有優(yōu)缺點(diǎn)。

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

在以往研制的以太網(wǎng)產(chǎn)品中，都采用了星形網(wǎng)絡(luò )結構，對星型結構有了較深的理解及應用，所以從網(wǎng)絡(luò )的小延時(shí)性、可靠性、易實(shí)現性、易開(kāi)發(fā)性上，選用有源星型光纖網(wǎng)絡(luò )作為機通的通信網(wǎng)絡(luò )。

2.3 總體協(xié)議構架

總體協(xié)議構架如圖2所示。機通主要由一個(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(yǔ)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。數據信息除不通過(guò)RTP消息以外，基本與語(yǔ)音信息的傳輸過(guò)程相同。

2.4 采用的主要技術(shù)

2.4.1 語(yǔ)音數據實(shí)時(shí)性

為保障構建的機通網(wǎng)絡(luò )具有較小的傳輸時(shí)延，提高機通網(wǎng)絡(luò )的語(yǔ)音傳輸的實(shí)時(shí)性，從以下3個(gè)方面加以設計：

(1)丟包補償技術(shù)是針對長(cháng)距離傳輸的不確定性和干擾等因素，可能引起數據包丟失而采取的一種方法。

但無(wú)論是基于發(fā)送端補償的前向差錯糾正技術(shù)，還是基于接收端補償的差錯隱藏技術(shù)，都會(huì )引入時(shí)延和帶寬的增加。對于交互式的語(yǔ)音應用，對延時(shí)很敏感;構架的機通網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)小型、相對簡(jiǎn)單的內部獨立網(wǎng)絡(luò )，數據包丟失的概率很小。因此，在本系統中不采用丟包補償技術(shù)。

(2)因網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)，會(huì )使數據到達時(shí)間不可預料。但是話(huà)音的傳輸是需要數據的適時(shí)的到達用以播放和回放。對話(huà)音信號采用了實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP/RTCP)和UDP(User Datagram Protocol)封裝來(lái)進(jìn)行傳輸。RTP協(xié)議為音頻、視頻等實(shí)時(shí)數據提供了端到端的傳輸機制，可以向接收端點(diǎn)傳送恢復實(shí)時(shí)信號的定時(shí)和順序信息;RTCP 協(xié)議來(lái)監視和控制實(shí)時(shí)數據的傳輸。UDP 的傳輸時(shí)延低于TCP ,能與音頻和視頻很好地配合。

(3)構建百兆的局域網(wǎng)平臺，為數據傳輸提供高的傳輸速率。

2.4.2 完善可靠的自檢功能

以前數字機通的自檢，無(wú)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字電路部分及模擬部分電流檢測。但仍然不能真實(shí)地反映設備工作能力，往往會(huì )發(fā)生自檢正常但發(fā)話(huà)無(wú)輸出或者收聽(tīng)無(wú)聲音的故障。徹底解決機通自檢功能，真實(shí)反映機通是否故障的問(wèn)題，同時(shí)兼顧自檢方案的簡(jiǎn)化，完善可靠的自檢設計是未來(lái)機通的設計關(guān)鍵之一。

在本機通設計中增加信號發(fā)生電路模塊和信號幅度檢測模塊，在手動(dòng)自檢時(shí)，對機通音頻通路進(jìn)行自檢及故障定位;啟動(dòng)自檢、周期自檢與加電自檢測不對音頻通路進(jìn)行自檢，只對數字部分及模擬部分的電流進(jìn)行檢測。

3 實(shí)物研制

2012年5月完成C型件樣機的研制，2012年9月完成與系統的聯(lián)試工作，聯(lián)試結果表明該光以太網(wǎng)機內音頻通信設備滿(mǎn)足用戶(hù)使用要求。

4 結語(yǔ)

光以太網(wǎng)機內音頻通信設備是對傳統RS 485總線(xiàn)機內音頻通信設備的一次革新，其星型的連接方式保證了系統的可擴展性，通道真實(shí)自檢提高了系統的可靠性，標準的以太網(wǎng)接口增強了與其他設備通信的便利性，光纜的使用減輕了系統的重量及增強了抗電磁干擾性。諸多的優(yōu)點(diǎn)使其有理由成為下一代機內音頻通信設備。