基于飞坤内话语音信号比选技术的分析与研究_李勇.pdf

长沙航空职业技术学院学报JOURNAL OF CHANGSHA AERONAUTICAL VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE第 23 卷第 1 期2023 年 3 月Vol.23 No.1Mar.2023-16-DOI:10.13829/ki.issn.1671-9654.2023.01.005基于飞坤内话语音信号比选技术的分析与研究李勇（中国民用航空西北地区空中交通管理局，宁夏银川750009）摘要：在民航地空通信中通过外接比选器或使用内话系统的比选功能来实现话音最佳信号选择有着非常重要的意义。阐述了基于快速傅里叶变换（FFT）的话音质量评估算法，分析和研究了飞坤内话在无线信号比选过程中的实现原理，对相关参数的设置方法进行了阐述。关键词：飞坤内话；快速傅里叶变换（FFT）；最佳信号选择（BSS）中图分类号：V243.1文献标识码：A文章编号：1671-9654(2023)01-0016-04Analysis and Research of Voice Signal Comparison and Selection Technology Based on Frequentis Voice Communication Switching SystemLI Yong(Northwest Regional Air Traffic Management Ningxia Branch of CAAC,Yinchuan Ningxia 750009)Abstract:In the civil aviation ground-air communication,it is very important to realize the best voice signal selection by connecting an external comparator or using the Best Signal Selection(BSS)function of the Frequentis Voice Communication Switching System(VCS).This paper expounds the voice quality evaluation algorithm based on Fast Fourier Transform(FFT),analyzes and studies the realization principle of Frequentis in the process of wireless best signal selection,and expounds the setting method of related parameters.Key words:Frequentis VCS;Fast Fourier Transform(FFT);Best Signal Selection(BSS)收稿日期：2022-09-29作者简介：李勇（1986），男，四川眉山人，高级工程师，研究方向为民航地空通信设备保障与维护维修。目前，民航甚高频通信仍以话音通信为主。大部分航路管制区域面积较大，单个台站无法完全覆盖，一般需要多个台站才能实现管制扇区全覆盖。由于各台站位置不同，接收到同一架飞机的信号强度不同，受到的干扰程度也不相同，所以接收到的话音质量不同1。另外，不同台站的话音信号传到管制用户终端时也存在时延差，现在一般通过比选的方式选择最优的一路话音信号送到席位供管制指挥使用，如图 1 所示。1 内话比选基础理论话音比选功能可以通过外接比选器或使用内话系统的比选功能来实现。对于内话系统的比选功能，根据 MH/T 4027-2019民用航空空中交通管制语音通信交换系统技术要求，比选采用的指标为信噪比、语音信号能量、语音信号频谱特性、噪声电平、RSSI 等其中的一种或几种；比选后的发射有手动选择模式和自动选择模式；超出比选图 1 民航地空通信系统话音比选模型-17-李勇：基于飞坤内话语音信号比选技术的分析与研究第 1 期时间范围后，自动选择分组内某一个或者多个设定的无线信道进行发射。对于同一个航空器发出的信号，所有台站接收到的音频信号强度和信号质量均有所不同，不同台站接收到的信号传输到内话端的时间也不一样。在实际使用中，15 ms 以内的时延差可以被管制员接受。对齐所有无线信号的音频延迟可以避免回声的出现，也有利于实现话音信号的比选2。不同台站通过线路环路延迟法可以测量出信号延迟时间。针对不同线路设置相应信号延迟时间，通过这种方法可以完成音频信号的手动时间对齐3。但由于传输线路多路复用器路由等问题，线路延迟可能发生不可预测的变化。对于 IP 无线频道，在 ED137/1B和 ED137/1C 协议中定义了自动延迟补偿设置，有基于测量音频往返延迟估算的相对延迟补偿和基于内话与电台NTP服务的绝对延迟补偿两种方式。另外，接收到的原始话音信号中，除了机组发出的有用话音信号外，还包含信道中的噪声信号。有用话音信号又称优势信号，频谱用 m 表示，噪声信号频谱用 n 表示。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，在内话系统内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4。FFT 一般用下式表示：其中 x(n)为语音信号各采样值，X(k)表示不同频点幅值，k 为频域上采样次数。在进行语音信号的质量评估时一般使用以下 3 个指标：语音电平；传声准率；信噪比。1.1 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。1.2 传声准率传声准率也称信号的清晰度，由频域中的优势频率分量决定。在简单模型中，通过计算优势频率分量中的两个最大分量幅值之和(m1+m2)与两个最小分量幅值之和(m3+m4)的比值得到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。其计算式为。1.3 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。在简单模型中，通过计算优势频率分量中最大两个分量幅值之和(m1+m2)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。其计算式为SNR=m1+m2n3+n4。最后计算话音信号的质量 Q=L+A+SNR，Q 值最大的通道信号即为比选出的最佳信号。2 飞坤内话系统语音信号比选工作机制同一频率的多台站接收机为管制用户提供了多个音频流，但具有不同的延迟和不同的音频质量。通过最佳信号比选功能选择其中一个接收信号，可以有效避免多路信号由于不同步而造成的回声。飞坤内话对同频率各台站无线话音信号进行“质量指数（QI）”计算，然后选择具有最佳 QI的无线电台站信号。对于飞坤内话系统，各台站话音信号送到无线 ERIF 板卡后，在对应的 GPIF板卡进行信号质量的计算，标记出该路信号质量指数（QI），将各路无线信号质量指数送给核心机框中的 JIF/DIF 板卡进行比选逻辑计算，选出一路最佳话音信号送至席位 CWP 供管制员使用，如图 2 所示。这里应注意的是第一个 QI 需要在话音开始后 384 ms 后才可用（可设置），各通道至少输送400 ms以上的话音信号对比选来说才有意义。图 2 飞坤内话比选示意图图 3 是一个飞坤内话系统比选工作的基本过程，图中标识的 IDT 为初始决策时间，即我们上文提到的 384 ms；标识的 BCT 为比选决策时间，默认设置为 1 s。-18-长沙航空职业技术学院学报第 23 卷图 3 比选的基本过程图 3 中给出了三个台站接收的话音信号 S1、S2、S3 经比选送给席位后扬声器 LS 输出的例子。通过过程图我们可以看出席位刚开始输出的是最先到达的 S1 信号，经过比选决策时间 BCT 后在t2时刻选择 S2 信号从扬声器输出。当某一路信号传输延迟比较大，出现如图 4所示情况时，第三路信号 S3 的初始决策时间 IDT结束时间在比选决策时间 BCT 之后，由于在 BCT时间内 S3 信号没有可用的 QI 值，信号 S3 不能参与到 BSS 信号比选中，所以各路音频信号传输延迟时间需要尽量一致。图 4 信号 IDT 结束时间在 BCT 后的处理另外在所选无线电接收机 SQU 信号结束后，比选输出音频会选择静音来避免切换到其他信号而产生剩余音频片段的噪声，如图 5 所示。图 5 SQU 信号结束后的处理当所选信号 S2 的 SQU 信号丢失时，比选输出信号静音。在一小段等待时间后重新开始进行比选，在新的比选决策时间 BCT 内先输出之前选择过的 S1 信号，待比选结果出来后输出优选 S3信号，如图 6 所示。基于该情况，如果所选台站常出现 SQU 间隙中断问题，则使用 BSS 的音频质量可能比不使用 BSS 更差。图 6 所选信号 SQU 信号丢失后的处理3 飞坤内话 BSS 相关参数设置飞坤内话比选功能除了在 TMCS 软件频率选项卡下的一些基础设置外，主要参数在 System Settings下设置，包括通用参数设置及初始参数设置。设置通用参数时，主要设置比选结果出来前初始信号的选择及初始信令模式，设置比选决策时间（默认为 1 s）及比选超时重新比选时间（默认500 ms），其中比选决策时间不能太小，应该大于初始决策时间（默认384 ms）,否则比选意义不大。图 7 是 RIF03 无线板卡初始参数设置图，对-19-李勇：基于飞坤内话语音信号比选技术的分析与研究第 1 期照参数含义表（图 8），用户可以根据自己的需求进行设置。其中字节 6 第 5 比特 UseSqu 可以设置为 0 或者 1，其中 0 表示 BSS 比选始终在计算QI 值并将其发送到核心处理 JIF 板，1 表示 BSS比选仅在有静噪信号期间开启计算 QI 值。字节 6默认为 20(hex)=00100000（bin）,其中第 5 比特为1 可以得知比选仅在有静噪信号期间计算 QI 值并将其送给核心处理 JIF 板。图 7 飞坤内话无线板卡底层初始参数设置图 8 飞坤内话无线板卡比选比特含义字节 8 是初始决策时间，范围为 0255，步进为 32 ms，用户可以根据自身需要进行设置，默认为0C(hex)=12(Dec)，1232 ms=384 ms。如果语音路径是固定的，这个时间可以设置得更小。字节 9 为桥接 SQU 间隙时间，范围为 0255，步进为 32 ms，默认为 10(hex)=16(Dec)，1632 ms=512 ms。字节 10 为桥接功率间隙时间，范围为 0255，步进为 32 ms，默 认 为 10(hex)=16(Dec)，1632 ms=512 ms。字 节14 为最小功率，范围为 0100，步进为-1 dBm，默 认 为 44(hex)=68(Dec)，68(-1)dBm=-68 dBm。信号功率指数(PI)必须超过最小功率电平。当 PI低于最小功率电平的时间超过桥接功率间隙时间时，计算结果 QI 指标将被静音。字节 15 为功率指标 PI 权重，范围为 0100，步进为 0.01，默认为01(hex)=1(Dec)，权重为 10.01=0.01。字节 16 为信噪比指标 SRI 权重，范围为 0100，步进为 0.01，默认为 20(hex)=32(Dec)，权重为 320.01=0.32。字节 17 为传声清晰度（传声准率）指标 AI 权重，范围为 0100，步进为 0.01，默认为 50(hex)=80(Dec)，权重为 800.01=0.8。通常情况下，可按如下权重设置：PI=20、SRI=40、AI=100。AI 是 BSS 中最重要的指标，所以在某些情况下可以按如下权重设置：PI=0,SRI=0,AI=100。4