光以太网机内音频通信设备总体设计

0 引言

机内音频通信设备(简称“机通”)是一种机载通信及控制设备，能支持多名乘员进行机内通话，使用电台、卫通、JIDS对外联络，监听特定的无线电导航、告警等设备的音响信号;在地面检修飞机时，供维修人员之间进行通话联络。

随着本世纪初电子信息技术的飞速发展，网络互联技术开始应用于军事通信领域中，并引发了一场军事作战方式的变革--网络中心战。为适应网络中心战这一军事变革的需要，将来的机载网络能在高速机动的战场环境下实现网络化的话音、数据和图像信息的传输和共享、交换，从而可以有效实现空空、空地之间的信息互联与共享，并通过这种互联与共享将信息及信息优势转化为空中作战能力。

基于现装备我军的机通，按使用技术分为模拟机通，数字机通，以太网机通。因模拟机通不能传输数字信号，易被干扰，构建网络连接无从谈起。数字机通采用RS 485总线形式，在总线上传输的是一种数字信号，连接简单，通话质量良好，容易扩展。但受RS 485总线本身的限制，数传速率低，也不能为数字设备构建网络连接，无法直接接入现代化的信息网络中，不能满足将来的网络中心战建设的需要。

以太网通信技术在商用领域已非常成熟，广泛的影响着人类的现代生活。在军事领域也逐步开始有一些设备使用以太网通信技术。以太网传输总线通信速率高，可容纳更多的终端设备扩展，极大地减少数据传输延迟，带来更好的音频听觉体验。同时采用光纤线缆，有利于整个飞机的减重设计，光纤线缆不受电磁干扰，电磁兼容性好。随着以太网技术在军事领域应用的日益增加和飞机内部各设备间互联互通需求扩大的趋势，研制具备光纤以太网总线机通势在必行。

1 系统功能

本文针对数字机内音频通信设备的应用需求，设计开发了一种分布式光以太网机内音频通信设备，各个组成单元能够灵活地加入或离开系统网络，不影响其他设备的正常工作，其数据总线为标准的100 Mb/s 光以太网，方便与具备该接口的机内音频通信设备以外的其他设备进行通信。该系统采用了大规模集成电路、数字信号处理、有源抗噪、网络通信和语音实时性传输等技术。具有接入互联方便，安装简单、功能配置灵活、可靠性高、软件升级方便等优点。

机内音频通信设备主要包含8个音频控制面板(简称ACP)、4个音频接口单元(简称GIU)、1个载机机通接口单元(简称FIU)及其配套的耳机话筒组和广播等，具体如图1所示。

2 总体设计方案

2.1 传输介质的选用

与其他传输介质相比，光纤通信具有以下特点：频带极宽，通信容量大;损耗低，中继距离长;抗电磁干扰能力强;无串音干扰，保密性好。

加之现代军用飞机的机载电子设备不断增加，互连用的电线电缆群集。因此，减小机载电子设备的重量和体积，成为提高军用飞机作战性能的重要问题之一。而光纤重量轻、体积小，可解决这一难题。所以说光纤技术对机载电子设备的更新换代起着重要的作用，故选用了光纤作为机通的总线传输介质。

2.2 系统拓扑结构的选用

依照机通的总性能要求，具体来说，就是将ACP,ICP,GIU,FIU等构建成一个有具体需求的通信局域网。

局域网的拓扑结构主要有星型、环型、总线型以及混合型。光纤局域网也是局域网的一种，所以其拓扑结构大致也可分为这几种，这几种拓扑结构各有优缺点。

在一定带宽的前提下，因总线型和环型都要共享传输介质，在话音实时性要求很高的机通中实现有困难。

在以往研制的以太网产品中，都采用了星形网络结构，对星型结构有了较深的理解及应用，所以从网络的小延时性、可靠性、易实现性、易开发性上，选用有源星型光纤网络作为机通的通信网络。

2.3 总体协议构架

总体协议构架如图2所示。机通主要由一个100 Mb/s星形工业以太网组成，它的物理层协议与MAC层协议都是基于IEEE 802.3,网络层协议为TCP/IP.语音信息将依次被封装入RTP消息、UDP消息、IP包、逻辑链路层消息、MAC层消息和物理层帧，然后被发送出去。数据信息除不通过RTP消息以外，基本与语音信息的传输过程相同。

2.4 采用的主要技术

2.4.1 语音数据实时性

为保障构建的机通网络具有较小的传输时延，提高机通网络的语音传输的实时性，从以下3个方面加以设计：

(1)丢包补偿技术是针对长距离传输的不确定性和干扰等因素，可能引起数据包丢失而采取的一种方法。

但无论是基于发送端补偿的前向差错纠正技术，还是基于接收端补偿的差错隐藏技术，都会引入时延和带宽的增加。对于交互式的语音应用，对延时很敏感;构架的机通网络是一个小型、相对简单的内部独立网络，数据包丢失的概率很小。因此，在本系统中不采用丢包补偿技术。

(2)因网络抖动，会使数据到达时间不可预料。但是话音的传输是需要数据的适时的到达用以播放和回放。对话音信号采用了实时传输协议(RTP/RTCP)和UDP(User Datagram Protocol)封装来进行传输。RTP协议为音频、视频等实时数据提供了端到端的传输机制，可以向接收端点传送恢复实时信号的定时和顺序信息;RTCP 协议来监视和控制实时数据的传输。UDP 的传输时延低于TCP ,能与音频和视频很好地配合。

(3)构建百兆的局域网平台，为数据传输提供高的传输速率。

2.4.2 完善可靠的自检功能

以前数字机通的自检，无论是加电自检、启动自检、周期自检、手动自检，自检的范围仅仅局限于数字电路部分及模拟部分电流检测。但仍然不能真实地反映设备工作能力，往往会发生自检正常但发话无输出或者收听无声音的故障。彻底解决机通自检功能，真实反映机通是否故障的问题，同时兼顾自检方案的简化，完善可靠的自检设计是未来机通的设计关键之一。

在本机通设计中增加信号发生电路模块和信号幅度检测模块，在手动自检时，对机通音频通路进行自检及故障定位;启动自检、周期自检与加电自检测不对音频通路进行自检，只对数字部分及模拟部分的电流进行检测。

3 实物研制

2012年5月完成C型件样机的研制，2012年9月完成与系统的联试工作，联试结果表明该光以太网机内音频通信设备满足用户使用要求。

4 结语

光以太网机内音频通信设备是对传统RS 485总线机内音频通信设备的一次革新，其星型的连接方式保证了系统的可扩展性，通道真实自检提高了系统的可靠性，标准的以太网接口增强了与其他设备通信的便利性，光缆的使用减轻了系统的重量及增强了抗电磁干扰性。诸多的优点使其有理由成为下一代机内音频通信设备。