何 洋
（中国民用航空温州空中交通管理站，浙江 温州 325024）
民用甚高频地空通信系统采用甚高频频段调制语音信号，甚高频频段的无线电波在传播时具有视距传输特性，它的传输距离有限并且容易受到山体遮挡。为此，一个管制扇区的完整覆盖通常需要配置多个同频的甚高频收发台站。通常考虑到管制作业的连续性，不会由管制员根据航空器位置来频繁手动切换甚高频收发台站，而是采用比选功能来完成最优收发台站的自动选择。比选功能可由外置比选器或语言通信交换系统的内置功能提供，本文将研究在民航中有较多应用的JPS外置比选器的比选配置方案及应用方法。
比选功能需要解决的是管制员与机组通话时，最优发射台站与最优接收台站选择的问题。对于最优接收台站的选择，本端已经取得了最终的接收信号，即可以通过对实际接收到的信号进行分析。评判信号质量的方式有很多，对语音信号质量可以采取感知评估，现有MOS、PESQ、POLQA等多种成熟评估算法。但是结合民航应用实际，管制员与机组之间的通信通常是简短、交替的指令式交互，这对信号质量评估的速率有很高的要求，通常需要在语音的开头，几十毫秒级的时间内得出最优信号的结果，感知评估算法就不适合了。最快的信号选择方法当然可以是选择信号强度最大的或者最早到的信号，但是这种方法只能是判断出电台到比选终端传输链路的情况，不能评估出在当前机组发射位置实际接收效果最好的接收台站。所以，比选设备通常选择的接收信号比选方案都是基于信噪比的，信噪比可以由以式（1）表示
在实际比选线路中，噪声水平往往是相近的，通过信噪比就能有效地判断出有用信号最强即接收效果最佳的线路。
以JPS比选器为例，在接收信号进行比选时就是使用了基于信噪比的方案。我们可以取得的是话音与噪音混合的音频信号，无法得到原始的纯净的语言部分或噪声部分，那么，如何快速地得到它的信噪比值？常用并且也是该比选器使用地方法是利用FFT（快速傅里叶变换）算法[1]。通过FFT算法得到的结果用式（2）表示。
其中，模拟信号经过采样量化之后形成一串离散的数组，也就是式（2）中的x(n)，有n个采样点。那么经过转换后，X(k)则是用来存储不同频率点上的幅值，k相当于频域上的采样次数。简单来说，利用FFT算法可以得到音频信号的功率谱的离散采样。在已知信号是语音信号的前提下，利用功率谱信息计算出信噪比是相对容易的。因为噪声通常分布在整个频段，而有用的语音则集中在300～3400 Hz的范围内，将功率谱中300～3400 Hz范围内的功率和记作有用信号功率，将通带内其余功率和记作噪声功率即可求出信噪比。以上运算过程在JPS比选器中由位于CPM板卡上的DSP芯片完成，整个基于信噪比的接收信号比选结果可以在80 ms内得出。
基于信噪比的分析可以在短时间内为管制员选择信号最佳的接收台站，那么如何为管制员选择最佳的发射台站呢？管制员通过不同台站发射的话音，最终的接收信号只存在于机组接收端，这使我们不能通过对信号状态的分析来判断出最佳发射台站。目前比选使用的发射方案通常只有群发与发射跟随两种。群发即每次管制员发射时，由所有被标记为可用的发射台站同时发射；
发射跟随则是根据接收比选的结果来确定发射台站，已接收效果最佳来等同发射效果最佳。这两种模式其实各自都有缺陷，将在本文第三部分详细分析。在此之前，先对JPS外置比选器的实际配置方案进行分析。
JPS比选器的组成及简易拓扑如图1所示。
图1 JPS比选器简易拓扑
比选器主要由以下四种模块构成。
（1）CIM：遥控盒接口模块，提供了比选器到VCS系统或遥控盒的接口，基于EM信令。
（2）PSM：电源模块。
（3）SVM：电台接口模块，提供了比选器到VHF电台的接口，基于EM信令。一个比选器机框最多可以容纳12块SVM板卡，这意味着可以同时接入12个同频异址台站进行比选。
（4）CPM：控制处理模块，负责处理所有事物的模块，包括比选结果的计算。
为了让配置方案适应不同的实际应用场景，在调试比选器时需要关注的重点拨码配置如下。
（1）智能发射跟随模式开关（STARS）：当关闭发射跟随模式时，使用设置的“默认台”来发射，“默认台”可以设置为任意一个台站或是群发。当打开发射跟随模式时，会自动选择上一次接收比选得出的最优台站来发射。这里还要注意“发射翻转时间”的设置，接收比选得出结果后会保持有效一段时间，这期间发射跟随起效，当保持时间超过“发射翻转时间”后，发射跟随就会失效，下一次发射会回到使用默认发射台发射。“发射翻转时间”存在的作用及合适的设置值将在本文第三部分详细说明。
（2）单工/双工模式。这里的单工模式是指发射时不进行接收比选，对于使用发射跟随模式的比选应用，应该使用单工模式，否则在发射时其余接收台会因为接收到该管制语音给出一个比选结果，导致下一次发射会锁定一个非期望的发射台（采用发射跟随模式时比选结果应该都是由接收机组语音计算得出）。
（3）发射优先级。当比选器采用单工模式时，该优先级决定遥控终端（遥控盒/VCS系统）的PTT能否中断正在输出的比选中信号。以往使用习惯，发射都是可以打断接收的，所以应该设置为是遥控终端优先。
（4）比选禁止保持时间。当比选器工作在单工模式时，发射的同时不进行接收比选，使用单工模式的原因在介绍单工/双工模式时已有提及，为了避免接收比选结果是由管制员自己发出的信号得出，考虑到发射信号传输到发射台并由其他接收台接收后从远端传回比选器还需要一定时间，所以除了在发射的同时不能进行接收比选，发射结束后不能马上恢复接收比选，该参数保证发射后仍禁止一段时间比选，在保证比选功能恢复时，不会把其他台站刚刚接收到的管制语音计算进去。以某一比选应用场景为例，利用民航大网传输，各个信道中最大单向延时为140 ms，那么该参数需要大于两倍单向传输延时，300 ms是合适值。
（5）发射延时。强制为发射音频增加一个前端延时，防止发射语音比PTT激活信号先到造成发话时前端吃字，将延时设置为60 ms能适配大多数情况。
（6）接收延时。为了使信噪比比选是有意义的或者说公平的，我们应该使参与比选的接收信号同时到达，但是各个遥控台的距离及传输设备通常都是不同的。此选项是为该块板对应的台站接收到的音频信号增加延时，使得先到的音频信号通过增加延时后达到与其他台站音频信号同时到的效果。这项设置的范围为0～512 ms，步进为2 ms。
（7）比选锁定。这是一个开关，它与“比选锁定延时”这一设置联动，比选器接收信号后需要一定的时间进行比选计算，比选器最快可以在80 ms得出结果，而修改“比选锁定延时”的值可以人为增加比选计算时间，更长时间的跟踪计算得到的结果自然可信度更高。而打开“比选锁定”开关的作用就是从接收到的最早的静噪信号开始，经过“比选锁定延时”之后，比选结果确定并且在这一次静噪信号结束之前不再根据信号质量变化切换通道，直到下一次新的静噪信号到来。根据实际使用经验，“比选锁定延时”设置为125 ms就有不错的比选效果，建议打开“比选锁定”功能，否则经常发生在一句指令中，最优接收通道来回切换导致语音断续的问题。
（8）接收比选模式。民航特供版JPS比选器增加了这个功能，除了普通的比选模式，还可以选择快速比选模式，因为比选锁定需要一定时间，虽然这个时间可以设定得很短，但是如果等比选锁定后再输出选中路接收信号还可能造成前端吃字。快速比选模式解决了这个问题，当快速比选开启时会先输出静噪信号最先到的台站的接收信号，待比选锁定后再将输出信号切换至信号最佳的电台接收信号。在民航的各个应用场景通常都应该选择快速比选模式。
（9）高通滤波器开关。这是一个开关，打开后会滤除100 Hz以下信号，对于民航语音通信应用，应该打开这个开关。
结合实际的应用场景合理选择以上配置，可以使管制通信取得较好效果，但是在发射台选择时仍然会有不可避免地小问题。下一个部分将对问题产生的原因及改进方法的展望展开阐述。
为更清晰地阐述问题产生的原因，以图2作为简易的民航甚高频遥控台覆盖模型。
图2 民航甚高频遥控台覆盖模型
如图2所示，实际扇区的覆盖情况总是会存在重叠覆盖区域及非重叠区域。上文已经说明比选器在发射通道选择时通常有群发和发射跟随两种方式。以图中覆盖为例，采用群发模式时台站A与台站B同时发射，可以很好地保证目标1和目标3的接收效果。但是由于目标2在重叠区域，虽然通过电台的频偏功能可以回避差拍现象引起的啸叫，信号间的干涉还是会造成信号质量显著下降的。这点在测试电台频偏接收能力的时候也可以有直观感受，当通过射频合成网络向一台接收机同时发射+5 kHz及-5 kHz频偏测试信号，在信号强度达到-93 dBm的时候都无法开启静噪开关。在实际应用场景中，当使用群发模式且重叠区域较大时，重叠区域内的机组经常会反映接收信号差，导致不得不放弃群发方案。
若是选择发射跟随模式，试想一种情况，当管制员刚刚结束与目标1的通话，此时比选结果自然是锁定台站A的。而管制员下一个就要联系目标3，那么就会造成用台站A发射，目标3接收不到的情况。为解决这种问题，我们只能调小“发射翻转时间”，使接收比选更快失效，发射重新回到默认的群发方式，但是“发射翻转时间”也不能设置太小，那样发射跟随会失去意义。即便将“发射翻转时间”设置合适，由于管制员主动发起的联系没有前面的接收信号作为参考，第一次发话是群发，对于重叠区域的目标，经常也需要管制员第二次发话时才能使机组获得最佳接收效果。
要真正完美解决发射台的选择问题，我们需要在管制员主动发话时就能选中最佳发射台站，而不依靠接收比选。其实比选器提供了用于遥控的串口协议，可以通过在串口人工控制每一次的发射台站，随着数字化的推进，若是能联动自动化系统，使之可以输出当下管制员选中的航迹的位置信息，那就可能通过航迹位置智能选择发射台站，解决这一问题。
随着中国民航快速发展，航班量不断增加，扇区划分更为复杂，以及更多的合扇运行需求需要满足，比选器会在甚高频地空通信中有更多的应用机会。本文详细阐述了外置比选器的配置方案，并对现存的问题与解决方法进行了分析与探究。相信随着民航科技的发展，将来一定会有更高效、更完美的地空通信方案。■
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