USB天地话音通信回路的检测方法研究

摘要：地面与飞船之间的话音通信是载人航天通信系统的关键组成部分。结合USB话音系统的组成和信息流程，提出了一种基于全态模拟器的新型通信回路检测方法。通过全态模拟器构成的天地话音通信回路能很好的检测整个载人航天通信系统的工作情况，并且能单独的经常性的检测单个测控站话音系统的工作情况，以确保话音回路畅通无阻，为载人航天任务的顺利完成提供重要保障。
关键词：USB系统；话音通信；数字保密机；全态模拟器

0 引言
    载人航天是我国前所未有的宏大系统工程。天地话音通信系统是载人航天通信系统的关键组成部分。天地话音通信的主要任务是完成飞船与地面指挥系统间的话音通信。在天地话音传输中，我国采用的主要手段是利用天地S频段统一测控通信系统(USB)的数传信道传送天地下行(飞船至地面)话音，利用发射机和高功放传送上行(地面至飞船)话音。
    载人航天天地通信的上、下行话音通道工作状态的好坏将直接影响到整个任务的成功与否。但由于飞船和地面通信系统的结构复杂，如何能在飞船未上天以及未载人条件下，寻找适当的测试方法，对整个天地话音通信系统尤其是地面通信网络各个环节是非常重要的。对测控站而言，现阶段主要采取任务前的天地通信联调，进行天地话音通信链路检查和测试，以确认系统的正确性。但在天地通信联调中线缆连接较多，连接方式变换较快，没有具体操作规范和注意事项，容易造成岗位人员误操作，影响天地通信联调顺利进行。同时天地通信联调次数有限，也影响天地话音通信系统检查和测试。这就需要规范联调中操作，并且要寻求一种新方法能经常性检测USB分系统话音通信链路工作情况。

1 USB天地话音通信系统分析
1．1 神舟任务中的天地USB通信回路
    USB天地话音通信系统包括北京天地通信指控中心、USB测控通信站和飞船USB测控通信系统的相关设备。位于北京航天指控中心的天地通信指控中心对天地话音进行统一管理，一方面它负责对指挥员话音进行分配，同时汇集接收飞船下传的宇航员话音。USB测控通信站分别在一定区域内负责与飞船的通信联系。天地通信指控中心再通过卫星通信线路和地面传输线路与各USB测控通信站之间建立通信信息，借助USB测控站与飞船建立天地话音传输信道。其回路示意如图1所示。

1．2 USB天地话音通信信息流程
    神舟任务中，USB话音通信作为天地通信的主要技术手段。其信息传递过程如下：
    上行模拟话音在天地通信指控中心，送USB话音保密机，形成上行数字话音，之后数字话音信号途径DDN专网分送对应通信测站，测站将上行数字话音调制后在飞船覆盖范围内发送至飞船，飞船USB系统接收信号并解调，去密，译码，恢复话音信息。
    下行两路话音经过USB话音保密机，形成下行数字话音，与其他测控信息一起，经USB信道向下发送至测控通信站，USB站将含有话音的支路数据送北京中心，经中心计算机系统解包，将其中下行数字话音送监控中心，之后解密、译码还原出话音，并将话音送监听、监视和记录单元。
    其系统连接如图2所示，图中A为上行话音信号，B为下行话音信号。

2 USB话音通信上行链路检查
    USB数字话音保密机用于飞船宇航员与地面指挥员之间的双向话音通信，是实施天地话音测试的一个关键设备，完成话音信号的数字化编解码、加解密、复分接等功能。
    USB保密机一共有十个接口，其中有一个上行和两个下行模拟接口，上行单路模拟话音经编码、加密，形成话音数据，从USB保密机上行数字接口输出；下行2路模拟话音分别从两个模拟接口接入，经编码形成两路话音数据，加密，并交叉复接，合成话音数据，从USB保密机下行数据接口输出。
2．1 USB数字保密机检查
    USB保密机利用本身具有的自环检查功能，检查保密机系统内部环路是否正常，再设置工作状态，检查保密机工作情况，其连接如图3所示。

    话音经话筒到保密机内部经采样、量化、编码，生成标准的PCM码，同时产生发送数据所需要的时钟，通过内部数据线将发送数据直接返回保密机，在保密机解调部分将PCM码恢复成语音信号通过耳机送出，可以通过判断语音信号的质量来判断保密机的工作状态。
2．2 USB发射机话音终端检查
    USB发射机话音终端作为载人航天天地通信的上行话音的必经通道，其工作状态的好坏将直接影响到整个任务的成功与否，所以要对其工作状态进行检验，其连接如图4所示。

    由图4可以看出，话音经话筒到保密机内部经采样、量化、编码，生成标准的PCM码，同时产生数据发送所需要的时钟，将这两路数据送到发射机对外接口A(即发射机与卫通接口)模拟卫通送来的话音信息与时钟信息，在话音终端对其进行PSK调制，小环返回的话音负载波经解调后生成的PCM码仍然通过发射机的对外接口A送回保密机，在保密机一端将PCM码恢复成语音信号通过耳机送出，可以通过判断语音信号的质量来判断话音终端的工作状态。
2．3 USB上行话音链路检查
    通过以上检查，为天地通信联调中上行话音链路检测顺利进行打下坚实基础。神舟任务中USB上行话音的传输路径为：天地通信指控中心话音信息→DDN专网→USB测站话音终端→USB中频调制器→USB发射机→飞船接收设备。天地通信联调上行话音检查路径：天地通信指控中心音源→DDN专网→USB话音终端→USB中频调制→小环接收机→USB话音终端→USB保密机上行接口，其连接如图5所示。

    使卫通与发射机的接口连接，卫通送出的话音PCM码与时钟CLK送至发射机，而发射机话音解调小环返回的话音信息却不能经由A接口送出至保密机，因为此时的该接口已经使用，卫通送发射机话音终端的话音数据经监控处理插箱分路，与发射机A／B套B接口同时连接，只是当A机工作时，信号进入A机，并在此接口输出话音解调信息，B机处于备份状态没有输出的时钟CLK及话音数据DATA，所以可以将信号从与B机相连的接口送出接至保密机。由于发射机A、B接口的定义不一样，只能对其中的SD+，SD-，ST+，ST-进行跳线处理，因为解调出的PCM码为标准的NRZ-L码，且时钟与PCM码完全同步，送保密机后直接可以监听到北京通过卫通送来的话音。
    如果北京中心发送明话，USB保密机通过上行接口监听和监视。
    (1)如果保密机能同步，但听不到话音。
    ①调整监听耳机或音箱音量大小；
    ②检查USB站保密机上行接收电平是否合适；
    ③检查接口线缆，由于在天地通信联调中经常拔电缆线，会造成接口处导线松动；
    ④检查转接盒连接情况，测站进行上行话音检测时，由于调制插箱和保密机接口定义不同，需要转接盒连接到保密机上行接口检听。
    (2)如果保密机可以同步，并能通过监听耳机听到北京中心发送的上行话音，就表明上行话音系统接口是正确的。
    北京中心保密机为密话状态，USB保密机可同步，但解不出正常话音。
    ①保密机密钥不一致，需更换统一密钥；
    ②保密机话音编译码芯片工作异常，需重新复位保密机。
    将来自北京天地通信指控中心的话音数据调制成中频信号后，通过小环接收机耦合、解调后，从USB话音终端输出电缆接口可得到发送的话音数据流。引出接收数据和时钟信号，与USB保密机的上行数据接口连接，可以检查验证USB上行话音通路接口和信息方面的匹配情况。

3 USB话音通信下行链路检查
    以前天地通信联调中，上行链路检测结束后，就进行回路检测，忽略了下行链路检查，如果出现问题，分离较为困难。所以建议在回路检测前，进行USB话音通信下行链路检查。具体方法如下：
    USB天地通信联调模拟器是实施话音下行链路测试的一个关键设备。主要功能是用来仿真飞船下行USB Q支路数据帧格式，并在其指定位置插入加密数字话音。目的是在进行测控通信系统演练时，验证USB传输通道及其接口的正确性。

    联调模拟器在使用过程中的连接方式如图6所示。在测控站，模拟器具有三个对外接口，接口1为保密机接口，具有两种输入速率，可以接收保密机数字话音信号，也可以接收USB话音终端小环返回的数字话音信号。模拟器产生与Q支路帧结构相同的数据，并将接口1的输入数据插入到帧的指定位置，再进行扰码产生一定码速率的数据，以此数据模拟Q支路数据。接口2为I支路数据输入接口。接口3数据接入到USB设备与数传模拟源相连接口中。

    神舟任务时，USB下行话音数据从飞船Q支路数据中取出。USB下行话音传输路径为：飞船→USB高频接收机→USB数传接收机→DDN专网→天地通信指控中心。天地通信联调下行话音检查路径：话音信息→USB保密机下行接口→全态模拟器数字话音接口→DDN专网→天地通信指控中心。利用全态模拟器、USB保密机的下行接口可检查大部分下行地面话音系统。
    联调模拟器加电自检，自检完成后自动进入工作状态，如果设备自检有故障，故障指示灯点亮，这时可以通过查询检查故障部位，也可以启动不同部分的设备自检帮助故障定位，确保联调模拟器工作正常。
    在天地通信联调前，测控站内进行神舟任务大回路演练，通过磁记录放带，可以检查USB系统数传设备工作情况，从而确保USB系统Q支路工作正常，从而确保天地通信联调顺利进行。
    在确定联调模拟器和数传设备工作正常后，如图7所示连接。用USB保密机提供话音源，数字话音经联调模拟器复接后，送USB数传设备，并经USB系统Q支路，由卫通送往北京天地通信指控中心，中心通过接口适配器还原后送保密机解密并监听话音，通过接收北京中心通报的话音监听情况，可以检查下行话音传输路径接口和信息匹配情况。

    如果指控中心反馈信息为无法正常接听话音，并且中心能确保自身设备工作正常。
    (1)检查USB保密机下行话音是否正常送出；
    (2)检查保密机的配置情况(工作状态、发送时钟、TT时钟)；
    (3)检查联调模拟器的配置情况(加扰码、同步方式、工作模式、密话环回、密话速率)；
    (4)如果保密机工作在密话状态，检查与中心保密机的密钥是否一致。
    如果天地通信指控中心保密机无论测站保密机切明态或密态都能够同步，并能通过监听耳机听到USB测站发送的下行话音，就说明所检测到的下行话音链路是正常的。

4 USB话音通信系统回路检查
    因为神舟任务天地USB话音通信采用不对称传输，上、下行话音不但编码速率不同，而且天地间传输话音路数和途径也不同，这就使得天地USB话音系统的测试非常困难。
    在对上、下行话音系统正确验证的基础上，可利用全态模拟器，构成USB上、下行回路，对USB话音上、下行回路进行检查。
4．1 天地通信联调中话音通信系统环路检测
    天地通信联调上下行话音回路检查路径为：话音信息→DDN专网→USB话音终端→USB中频调制→小环接收机→USB话音终端→全态模拟器数字话音接口→DDN专网→天地通信指控中心。
    通过上述回路，将来自北京天地通信指控中心的话音数据调制成中频信号后，通过小环接收机耦合，解调后，经联调模拟器复接后，送USB数传设备，并经USB系统Q支路，由卫通送往北京天地通信指控中心，中心通过接口适配器还原后送保密机解密并监听话音，与发送话音音质比对，可以检查上下行话音回路传输路径接口和信息匹配情况。如果监听话音正常且音质良好，说明上下行话音回路工作正常。
4．2 测控站内经常性话音通信系统环路检测方法
    执行神舟任务前，整个系统进行一次天地通信联调，无法经常性检测我站话音系统的工作情况。需要一种新方法来代替天地通信联调，克服因天地通信联调次数有限带来重重困难，确保USB分系统话音链路时时刻刻处于正常状态。
    经常性话音系统链路检查路径为：USB保密机音源→USB话音终端→USB中频调制→小环接收机→USB话音终端→全态模拟器数字话音接口→USB数传设备→解调收听，其连接如图8所示。

    模拟话音经话筒到保密机内部经采样、量化、编码，生成标准的上行PCM码(NRZ—L码)，同时产生数据发送所需要的时钟，在话音终端对其进行PSK调制，小环返回的话音负载波经解调后生成的PCM码仍然通过发射机的对外接口，经联调模拟器复接后，送USB数传设备，并在其Q支路指定位置插入加密数字话音，然后通过解调并收听，如果监听话音正常且音质良好，说明话音回路工作正常。
    这种检测方法容易实施，不需要其他单位配合，可以经常性检查USB分系统话音通信系统工作情况。

5 结语
    本文通过对USB天地话音通信回路系统组成和信息流程的分析，结合天地通信联调要求，制定了天地通信联调的操作步骤，提出了USB分系统话音通信系统经常性检测方法，还就联调中可能出现问题进行简单的分析和总结，对规范操作员在USB天地通信联调中操作和确保设备正常工作有积极的意义。