一種分布式光以太網(wǎng)機內(nèi)音頻通信系統(tǒng)設計

0 引言

機內(nèi)音頻通信設備(簡稱“機通”)是一種機載通信及控制設備，能支持多名乘員進行機內(nèi)通話，使用電臺、衛(wèi)通、JIDS對外聯(lián)絡，監(jiān)聽特定的無線電導航、告警等設備的音響信號;在地面檢修飛機時，供維修人員之間進行通話聯(lián)絡。

隨著本世紀初電子信息技術的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡互聯(lián)技術開始應用于軍事通信領域中，并引發(fā)了一場軍事作戰(zhàn)方式的變革--網(wǎng)絡中心戰(zhàn)。為適應網(wǎng)絡中心戰(zhàn)這一軍事變革的需要，將來的機載網(wǎng)絡能在高速機動的戰(zhàn)場環(huán)境下實現(xiàn)網(wǎng)絡化的話音、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)勢轉(zhuǎn)化為空中作戰(zhàn)能力。

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

以太網(wǎng)通信技術在商用領域已非常成熟，廣泛的影響著人類的現(xiàn)代生活。在軍事領域也逐步開始有一些設備使用以太網(wǎng)通信技術。以太網(wǎng)傳輸總線通信速率高，可容納更多的終端設備擴展，極大地減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，帶來更好的音頻聽覺體驗。同時采用光纖線纜，有利于整個飛機的減重設計，光纖線纜不受電磁干擾，電磁兼容性好。隨著以太網(wǎng)技術在軍事領域應用的日益增加和飛機內(nèi)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)總線機通勢在必行。

1 系統(tǒng)功能

本文針對數(shù)字機內(nèi)音頻通信設備的應用需求，設計開發(fā)了一種分布式光以太網(wǎng)機內(nèi)音頻通信設備，各個組成單元能夠靈活地加入或離開系統(tǒng)網(wǎng)絡，不影響其他設備的正常工作，其數(shù)據(jù)總線為標準的100 Mb/s 光以太網(wǎng)，方便與具備該接口的機內(nèi)音頻通信設備以外的其他設備進行通信。該系統(tǒng)采用了大規(guī)模集成電路、數(shù)字信號處理、有源抗噪、網(wǎng)絡通信和語音實時性傳輸?shù)燃夹g。具有接入互聯(lián)方便，安裝簡單、功能配置靈活、可靠性高、軟件升級方便等優(yōu)點。

機內(nèi)音頻通信設備主要包含8個音頻控制面板(簡稱ACP)、4個音頻接口單元(簡稱GIU)、1個載機機通接口單元(簡稱FIU)及其配套的耳機話筒組和廣播等，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：頻帶極寬，通信容量大;損耗低，中繼距離長;抗電磁干擾能力強;無串音干擾，保密性好。

加之現(xiàn)代軍用飛機的機載電子設備不斷增加，互連用的電線電纜群集。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(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。所以說光纖技術對機載電子設備的更新?lián)Q代起著重要的作用，故選用了光纖作為機通的總線傳輸介質(zhì)。

2.2 系統(tǒng)拓撲結構的選用

依照機通的總性能要求，具體來說，就是將ACP,ICP,GIU,FIU等構建成一個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。

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)，在話音實時性要求很高的機通中實現(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)絡結構，對星型結構有了較深的理解及應用，所以從網(wǎng)絡的小延時性、可靠性、易實現(xiàn)性、易開發(fā)性上，選用有源星型光纖網(wǎng)絡作為機通的通信網(wǎng)絡。

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

2.4.1 語音數(shù)據(jù)實時性

為保障構建的機通網(wǎng)絡具有較小的傳輸時延，提高機通網(wǎng)絡的語音傳輸?shù)膶崟r性，從以下3個方面加以設計：

(1)丟包補償技術是針對長距離傳輸?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)送端補償?shù)那跋虿铄e糾正技術，還是基于接收端補償?shù)牟铄e隱藏技術，都會引入時延和帶寬的增加。對于交互式的語音應用，對延時很敏感;構架的機通網(wǎng)絡是一個小型、相對簡單的內(nèi)部獨立網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)包丟失的概率很小。因此，在本系統(tǒng)中不采用丟包補償技術。

(2)因網(wǎng)絡抖動，會使數(shù)據(jù)到達時間不可預料。但是話音的傳輸是需要數(shù)據(jù)的適時的到達用以播放和回放。對話音信號采用了實時傳輸協(xié)議(RTP/RTCP)和UDP(User Datagram Protocol)封裝來進行傳輸。RTP協(xié)議為音頻、視頻等實時數(shù)據(jù)提供了端到端的傳輸機制，可以向接收端點傳送恢復實時信號的定時和順序信息;RTCP 協(xié)議來監(jiān)視和控制實時數(shù)據(jù)的傳輸。UDP 的傳輸時延低于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(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)字機通的自檢，無論是加電自檢、啟動自檢、周期自檢、手動自檢，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。但仍然不能真實地反映設備工作能力，往往會發(fā)生自檢正常但發(fā)話無輸出或者收聽無聲音的故障。徹底解決機通自檢功能，真實反映機通是否故障的問題，同時兼顧自檢方案的簡化，完善可靠的自檢設計是未來機通的設計關鍵之一。

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，在手動自檢時，對機通音頻通路進行自檢及故障定位;啟動自檢、周期自檢與加電自檢測不對音頻通路進行自檢，只對數(shù)字部分及模擬部分的電流進行檢測。

3 實物研制

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

4 結語

光以太網(wǎng)機內(nèi)音頻通信設備是對傳統(tǒng)RS 485總線機內(nèi)音頻通信設備的一次革新，其星型的連接方式保證了系統(tǒng)的可擴展性，通道真實自檢提高了系統(tǒng)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(tǒng)的重量及增強了抗電磁干擾性。諸多的優(yōu)點使其有理由成為下一代機內(nèi)音頻通信設備。