SCHMID 内话系统最佳信号选择的应用研究

王兴林

（民航云南空管分局技术保障部，云南 昆明 650000）

关键字：最佳信号选择；内话系统；激活方式

0 引言

随着我国民航事业不断快速的发展，语音通信对于空中交通管制起着越来越重要的作用。《民用航空空中交通管制服务地空通信设备配置 第1 部分：语音通信》等相关行业规范规定了民用航空空中交通管制地空语音通信的地面设备包括甚高频地空通信系统、语音交换系统、应急通信终端设备等的配置要求。甚高频信号覆盖应满足管制区内现行管制运行需求。云南管制区航班流量较大，属于A 级管制单位，主用管制频率、备用管制频率应有2 个或2 个以上的不同台站提供服务，并达到管制需求范围内双重覆盖。为了满足管制的业务需求，扇区内配置了多个甚高频台站，管制员频繁手动切换台站会给通信安全造成一定隐患。内话系统最佳信号选择（Best Signal Selection，BSS）功能（以下简称比选）可以很好地解决这一问题，可以对同一频率多个信道的接收信号质量进行对比，并输出质量较好的一路。比选主要应用在同频多址的接收信号选择，能够有效地降低工作负荷，提升管制工作效率[1-2]。

1 原理

由于语音信号是模拟连续的信号，不利于系统的处理，因此需要将信号由模拟信号经采样、量化、编码后转换成数字信号。国内主流的Frequentis、SCHMID 等语音交换系统都采用类似的办法处理语音信号。SCHMID 内话系统接收机的比选是通过DSP 数字芯片处理技术和快速傅里叶变换进行快速信号质量评估来实现的。比选是在内话系统的控制单元Controller 板卡中完成的，服务器单元能在50 ms 内评估多达24 个无线接收机的信号质量，并将最好的信号提供给相应的管制席位。其原理如图1 所示。接收到的原始话音信号中，除了机组回复的有用话音信号，还包含信道中的噪声信号，图中的有用话音信号又称优势信号，用m=max 信号表示，噪声信号用n=min 信号表示。

图1 BSS 最佳信号选择评估算法

内话的激活方式不同，可以分为电压激活、话音激活及带内单音激活，下节将详细讲解不同激活方式下信号比选的区别。接收到的语音信号必须同时伴有静噪信号，没有静噪的语音信号不参与系统的信号比选。接收信号的比选过程为：将接收到的语音信号进行数字化处理后，进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT），得出频谱上的各频率信号分量的幅值，再对信号进行质量评估。进行语音信号的质量评估，需要用到以下3 个指标[3]。

（1）语音电平。语音电平是频域各离散频率分量的幅值的加和，主要衡量信号电平值的大小。语音电平的计算式为：

式中：ai为离散频率分量的幅值。

（2）传声准率。传声准率也称信号的清晰度，是由频域中的优势频率分量决定的，也称信号的清晰度，通过计算优势频率分量中的最大两个分量幅值之和m2+m3与最小的两个分量幅值之和m1+m4的比值得到，主要衡量话音信号的清晰程度。传声准率A的值越大，说明话音信号越清晰。

式中：m2，m3为优势频率分量中幅值最大的两个分量，m1，m4为优势频率分量中幅值最小的两个分量。

（3）信噪比。信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）是接收到的信号中有用话音信号与噪声信号的比值，是衡量信号可读性的标准，通过计算优势频率分量中最大两个的分量幅值之和m2+m3与噪声信号频率分量中最小的两个分量幅值之和n3+n4的比值得到。信噪比SNR越大，说明有用话音信号的可读性越强。

式中：m2，m3为优势频率分量中幅值最大的两个分量，n3，n4为噪声频率分量中幅值最小的两个分量。

最后计算得到该话音信号的质量Q=L+A+SNR，Q值最大的即为最佳信号。但比选算法在对上述3种因素进行比较时还要遵循下面几个主要原则：

（1）对于一次无线通话中输出最佳信号的接收机，下次通话时假定该接收机为最佳；

（2）一次新通话的快速评估将快速切换到最佳接收机；

（3）在已选择的信道信号质量变差时慢速切换；

（4）在已选择的信道信号消失时快速切换；

（5）没有静噪信号的信道不进行切换。

该功能除系统自动选择接收机外，也允许管制员解除自动功能手动选择接收机。同时，系统的自动发射跟随功能可在自动选择最佳接收机的同时自动选择对应的发射机。

2 两种激活方式下的信号比选研究

内话系统和甚高频（Very High Frequency，VHF）电台之间的信号传输，需要信令控制信号发射和接收。如果一直长收和长发，对通信系统来说是灾难性的。通常，地空通信传输采用E&M 信令，发射话音TX 和接收话音RX 采用600 Ω 平衡传输，内话端的SQ 话音接收信令（E 信令）有4 种传输方式，分别是“Against signal ground”“Against earth ground”“Phantom signaling”“External signal source”，内话端的PTT 话音发射起控信令（M 信令）有4 种传输方式，分别是“Without signal source”“Against earth ground”“Phantom signaling”“With signal source”。

昆明管制区现有两套SCHMID 内话系统，信号的引接采取配线架并接的方式。两套内话系统的激活方式是不一样的。主用内话系统采用电压激活，即SQ 话音接收信令（E 信令）为“Against earth ground”，如图2 所示；备用内话系统采用语音激活，即SQ 话音接收信令（E 信令）为“Phantom signaling”，如图3 所示；PTT 话音发射起控信令（M信令）两套系统都为“Without signal source”，如图4所示。

图2 主用内话系统电压激活

图3 备用内话系统语音激活

图4 PTT 话音发射起控信令

因此，两套内话系统在不同的激活方式下，系统进行信号比选的过程也是有差别的。

2.1 电压激活下的信号比选

采取电压激活时，内话端的E 线电压14.75 V。当接收到信号话音信号时，电台端会向内话端发送静噪信号，内话端的E 线电压变为0，内话的无线板卡被激活，接收话音信号，同时服务器单元检测到SQ 信号才进行信号的比选。因此，电压激活可以可靠地侦测甚高频，几乎是实时探测，其原理如图5 所示。

图5 电压激活的侦测原理

但这种方式可能存在问题：同一个频率下会有多个不同的接收机，因而信号传输会有先后到达的情况，如果某一个台站的信号延迟比较大，则会造成系统已经比选了信号送给席位管制员，然后又会重复收到机组的话音信号的情况。

解决办法：可以调节系统中接收信号的时延，对于较早达到的信号进行延迟，使延迟后的信号与较晚信号可以进行信号的比选[4]。

电压激活的相关参数不需要进行特别的设置，默认就是电压激活。

2.2 语音激活下的信号比选

语音激活下的信号比选是通过设置信号的门限实现的，又称人工静噪VOX。当接收到的话音信号大于系统设置的门限，则产生信号指示SQ，接收语音信号，系统进行信号的比选。基于这样的机制，这种方式在识别侦测话音时有一定的延迟，第一个音节被丢掉，其原理如图6 所示。

图6 语音激活的侦测原理

可能存在的问题：图6 中信号上有条虚线，就是系统设置的门限，只有大于该门限才会产生VOX静噪，存在第一个音节丢失的情况。如果该门限设置不合理，比如设置过大，会造成一部分语音信号被丢弃，即所谓的丟字情况，无法接收完整的机组话音；若设置过小，则会接收到线路噪音，在没有有效的话音信号时，系统就能收到噪音。

解决办法：设置合适的VOX 门限，反复尝试，直至找到最佳的数值。减少线路的并线，减少线路上的衰减，或者调高甚高频电台的语音电平，尽可能地减少信号的衰减。

2.3 语音激活的参数设置

语音激活的参数设置方面，对于2*Radio 硬件板卡，有两个地方可以进行设置。在“Physical Components” →“Details” →“Radio-3 Device Init String”中进行设置，为全局变量，对所有的2*Radio硬件板卡都有效。另一个参数是在2*Radio 硬件板卡下的“Details”页面中的“Init String”选项进行设置。例如，参数设置为“$V0：1$T0：-200$V1：1$T1：-200”，“$”代表硬件初始化，“V0”表示第1个通道，“$V0：1”表示给第1 个通道赋值为1，即开启语音激活功能，“T0：-200”表示第1 个通道的激活门限为-200。第2 个通道的设置也是如此[5]。

对于4线EM板卡，也有两个地方可以进行设置。一个是“Radio Components”→“Details”→“VOX Threshold Level”，值的范围为-25～0 dB。另一个在4 线EM 板卡下的“Details”→“VOX inputs”页面中，可分别对VOX1 和VOX2 两个通道进行设置。

当全局变量和硬件板卡的激活参数都设置时，系统采用硬件板卡自己的激活参数，优先级比全局变量高。

2.4 两种激活方式的实际应用

对于两种激活方式来说，电压激活可以更好地侦测信号，及时地将接收到的信号进行比选后送给席位上的管制员；语音激活在识别信号时存在一定的延迟，从而导致信号的第一个音节丢失。但是，两套同样的内话系统并接时，如果都采用电压激活会带来一些问题，不利于故障的排查。例如，其中一套内话硬件板卡故障，出现内话端的E 线电压变为0 V，另一套内话系统的E 线也会拉地，出现长收的情况，此时无法判断是内话端的问题还是电台端的问题。所以，两套内话系统并接时，一套采用电压激活方式，另一套采用语音激活方式，并合理地设置激活门限，可以有效地避免以上问题。

3 结语

本文对内话系统的比选原理做了研究，但比选并非人工智能，在实际的运用中，某些复杂信号的比选情况可能不如单台站的信号质量好。因此，需要制定完备的应急处置程序，提高维护人员的技术水平，以确保通信正常、可靠。对于语音信号的比选是一个有意义的课题，不仅是对现在传统的TDM时分复用内话系统，对于VOIP 技术内话系统来说，也是非常值得研究的。