USB天地話音通信回路的檢測(cè)方法研究

摘要：地面與飛船之間的話音通信是載人航天通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。結(jié)合USB話音系統(tǒng)的組成和信息流程，提出了一種基于全態(tài)模擬器的新型通信回路檢測(cè)方法。通過(guò)全態(tài)模擬器構(gòu)成的天地話音通信回路能很好的檢測(cè)整個(gè)載人航天通信系統(tǒng)的工作情況，并且能單獨(dú)的經(jīng)常性的檢測(cè)單個(gè)測(cè)控站話音系統(tǒng)的工作情況，以確保話音回路暢通無(wú)阻，為載人航天任務(wù)的順利完成提供重要保障。
關(guān)鍵詞：USB系統(tǒng)；話音通信；數(shù)字保密機(jī)；全態(tài)模擬器

0 引言
    載人航天是我國(guó)前所未有的宏大系統(tǒng)工程。天地話音通信系統(tǒng)是載人航天通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。天地話音通信的主要任務(wù)是完成飛船與地面指揮系統(tǒng)間的話音通信。在天地話音傳輸中，我國(guó)采用的主要手段是利用天地S頻段統(tǒng)一測(cè)控通信系統(tǒng)(USB)的數(shù)傳信道傳送天地下行(飛船至地面)話音，利用發(fā)射機(jī)和高功放傳送上行(地面至飛船)話音。
    載人航天天地通信的上、下行話音通道工作狀態(tài)的好壞將直接影響到整個(gè)任務(wù)的成功與否。但由于飛船和地面通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何能在飛船未上天以及未載人條件下，尋找適當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法，對(duì)整個(gè)天地話音通信系統(tǒng)尤其是地面通信網(wǎng)絡(luò)各個(gè)環(huán)節(jié)是非常重要的。對(duì)測(cè)控站而言，現(xiàn)階段主要采取任務(wù)前的天地通信聯(lián)調(diào)，進(jìn)行天地話音通信鏈路檢查和測(cè)試，以確認(rèn)系統(tǒng)的正確性。但在天地通信聯(lián)調(diào)中線纜連接較多，連接方式變換較快，沒(méi)有具體操作規(guī)范和注意事項(xiàng)，容易造成崗位人員誤操作，影響天地通信聯(lián)調(diào)順利進(jìn)行。同時(shí)天地通信聯(lián)調(diào)次數(shù)有限，也影響天地話音通信系統(tǒng)檢查和測(cè)試。這就需要規(guī)范聯(lián)調(diào)中操作，并且要尋求一種新方法能經(jīng)常性檢測(cè)USB分系統(tǒng)話音通信鏈路工作情況。

1 USB天地話音通信系統(tǒng)分析
1．1 神舟任務(wù)中的天地USB通信回路
    USB天地話音通信系統(tǒng)包括北京天地通信指控中心、USB測(cè)控通信站和飛船USB測(cè)控通信系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備。位于北京航天指控中心的天地通信指控中心對(duì)天地話音進(jìn)行統(tǒng)一管理，一方面它負(fù)責(zé)對(duì)指揮員話音進(jìn)行分配，同時(shí)匯集接收飛船下傳的宇航員話音。USB測(cè)控通信站分別在一定區(qū)域內(nèi)負(fù)責(zé)與飛船的通信聯(lián)系。天地通信指控中心再通過(guò)衛(wèi)星通信線路和地面?zhèn)鬏斁€路與各USB測(cè)控通信站之間建立通信信息，借助USB測(cè)控站與飛船建立天地話音傳輸信道。其回路示意如圖1所示。

1．2 USB天地話音通信信息流程
    神舟任務(wù)中，USB話音通信作為天地通信的主要技術(shù)手段。其信息傳遞過(guò)程如下：
    上行模擬話音在天地通信指控中心，送USB話音保密機(jī)，形成上行數(shù)字話音，之后數(shù)字話音信號(hào)途徑DDN專(zhuān)網(wǎng)分送對(duì)應(yīng)通信測(cè)站，測(cè)站將上行數(shù)字話音調(diào)制后在飛船覆蓋范圍內(nèi)發(fā)送至飛船，飛船USB系統(tǒng)接收信號(hào)并解調(diào)，去密，譯碼，恢復(fù)話音信息。
    下行兩路話音經(jīng)過(guò)USB話音保密機(jī)，形成下行數(shù)字話音，與其他測(cè)控信息一起，經(jīng)USB信道向下發(fā)送至測(cè)控通信站，USB站將含有話音的支路數(shù)據(jù)送北京中心，經(jīng)中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解包，將其中下行數(shù)字話音送監(jiān)控中心，之后解密、譯碼還原出話音，并將話音送監(jiān)聽(tīng)、監(jiān)視和記錄單元。
    其系統(tǒng)連接如圖2所示，圖中A為上行話音信號(hào)，B為下行話音信號(hào)。

2 USB話音通信上行鏈路檢查
    USB數(shù)字話音保密機(jī)用于飛船宇航員與地面指揮員之間的雙向話音通信，是實(shí)施天地話音測(cè)試的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，完成話音信號(hào)的數(shù)字化編解碼、加解密、復(fù)分接等功能。
    USB保密機(jī)一共有十個(gè)接口，其中有一個(gè)上行和兩個(gè)下行模擬接口，上行單路模擬話音經(jīng)編碼、加密，形成話音數(shù)據(jù)，從USB保密機(jī)上行數(shù)字接口輸出；下行2路模擬話音分別從兩個(gè)模擬接口接入，經(jīng)編碼形成兩路話音數(shù)據(jù)，加密，并交叉復(fù)接，合成話音數(shù)據(jù)，從USB保密機(jī)下行數(shù)據(jù)接口輸出。
2．1 USB數(shù)字保密機(jī)檢查
    USB保密機(jī)利用本身具有的自環(huán)檢查功能，檢查保密機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)路是否正常，再設(shè)置工作狀態(tài)，檢查保密機(jī)工作情況，其連接如圖3所示。

    話音經(jīng)話筒到保密機(jī)內(nèi)部經(jīng)采樣、量化、編碼，生成標(biāo)準(zhǔn)的PCM碼，同時(shí)產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的時(shí)鐘，通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)線將發(fā)送數(shù)據(jù)直接返回保密機(jī)，在保密機(jī)解調(diào)部分將PCM碼恢復(fù)成語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)耳機(jī)送出，可以通過(guò)判斷語(yǔ)音信號(hào)的質(zhì)量來(lái)判斷保密機(jī)的工作狀態(tài)。
2．2 USB發(fā)射機(jī)話音終端檢查
    USB發(fā)射機(jī)話音終端作為載人航天天地通信的上行話音的必經(jīng)通道，其工作狀態(tài)的好壞將直接影響到整個(gè)任務(wù)的成功與否，所以要對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，其連接如圖4所示。

    由圖4可以看出，話音經(jīng)話筒到保密機(jī)內(nèi)部經(jīng)采樣、量化、編碼，生成標(biāo)準(zhǔn)的PCM碼，同時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送所需要的時(shí)鐘，將這兩路數(shù)據(jù)送到發(fā)射機(jī)對(duì)外接口A(即發(fā)射機(jī)與衛(wèi)通接口)模擬衛(wèi)通送來(lái)的話音信息與時(shí)鐘信息，在話音終端對(duì)其進(jìn)行PSK調(diào)制，小環(huán)返回的話音負(fù)載波經(jīng)解調(diào)后生成的PCM碼仍然通過(guò)發(fā)射機(jī)的對(duì)外接口A送回保密機(jī)，在保密機(jī)一端將PCM碼恢復(fù)成語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)耳機(jī)送出，可以通過(guò)判斷語(yǔ)音信號(hào)的質(zhì)量來(lái)判斷話音終端的工作狀態(tài)。
2．3 USB上行話音鏈路檢查
    通過(guò)以上檢查，為天地通信聯(lián)調(diào)中上行話音鏈路檢測(cè)順利進(jìn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。神舟任務(wù)中USB上行話音的傳輸路徑為：天地通信指控中心話音信息→DDN專(zhuān)網(wǎng)→USB測(cè)站話音終端→USB中頻調(diào)制器→USB發(fā)射機(jī)→飛船接收設(shè)備。天地通信聯(lián)調(diào)上行話音檢查路徑：天地通信指控中心音源→DDN專(zhuān)網(wǎng)→USB話音終端→USB中頻調(diào)制→小環(huán)接收機(jī)→USB話音終端→USB保密機(jī)上行接口，其連接如圖5所示。

    使衛(wèi)通與發(fā)射機(jī)的接口連接，衛(wèi)通送出的話音PCM碼與時(shí)鐘CLK送至發(fā)射機(jī)，而發(fā)射機(jī)話音解調(diào)小環(huán)返回的話音信息卻不能經(jīng)由A接口送出至保密機(jī)，因?yàn)榇藭r(shí)的該接口已經(jīng)使用，衛(wèi)通送發(fā)射機(jī)話音終端的話音數(shù)據(jù)經(jīng)監(jiān)控處理插箱分路，與發(fā)射機(jī)A／B套B接口同時(shí)連接，只是當(dāng)A機(jī)工作時(shí)，信號(hào)進(jìn)入A機(jī)，并在此接口輸出話音解調(diào)信息，B機(jī)處于備份狀態(tài)沒(méi)有輸出的時(shí)鐘CLK及話音數(shù)據(jù)DATA，所以可以將信號(hào)從與B機(jī)相連的接口送出接至保密機(jī)。由于發(fā)射機(jī)A、B接口的定義不一樣，只能對(duì)其中的SD+，SD-，ST+，ST-進(jìn)行跳線處理，因?yàn)榻庹{(diào)出的PCM碼為標(biāo)準(zhǔn)的NRZ-L碼，且時(shí)鐘與PCM碼完全同步，送保密機(jī)后直接可以監(jiān)聽(tīng)到北京通過(guò)衛(wèi)通送來(lái)的話音。
    如果北京中心發(fā)送明話，USB保密機(jī)通過(guò)上行接口監(jiān)聽(tīng)和監(jiān)視。
    (1)如果保密機(jī)能同步，但聽(tīng)不到話音。
    ①調(diào)整監(jiān)聽(tīng)耳機(jī)或音箱音量大??；
    ②檢查USB站保密機(jī)上行接收電平是否合適；
    ③檢查接口線纜，由于在天地通信聯(lián)調(diào)中經(jīng)常拔電纜線，會(huì)造成接口處導(dǎo)線松動(dòng)；
    ④檢查轉(zhuǎn)接盒連接情況，測(cè)站進(jìn)行上行話音檢測(cè)時(shí)，由于調(diào)制插箱和保密機(jī)接口定義不同，需要轉(zhuǎn)接盒連接到保密機(jī)上行接口檢聽(tīng)。
    (2)如果保密機(jī)可以同步，并能通過(guò)監(jiān)聽(tīng)耳機(jī)聽(tīng)到北京中心發(fā)送的上行話音，就表明上行話音系統(tǒng)接口是正確的。
    北京中心保密機(jī)為密話狀態(tài)，USB保密機(jī)可同步，但解不出正常話音。
    ①保密機(jī)密鑰不一致，需更換統(tǒng)一密鑰；
    ②保密機(jī)話音編譯碼芯片工作異常，需重新復(fù)位保密機(jī)。
    將來(lái)自北京天地通信指控中心的話音數(shù)據(jù)調(diào)制成中頻信號(hào)后，通過(guò)小環(huán)接收機(jī)耦合、解調(diào)后，從USB話音終端輸出電纜接口可得到發(fā)送的話音數(shù)據(jù)流。引出接收數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)，與USB保密機(jī)的上行數(shù)據(jù)接口連接，可以檢查驗(yàn)證USB上行話音通路接口和信息方面的匹配情況。

3 USB話音通信下行鏈路檢查
    以前天地通信聯(lián)調(diào)中，上行鏈路檢測(cè)結(jié)束后，就進(jìn)行回路檢測(cè)，忽略了下行鏈路檢查，如果出現(xiàn)問(wèn)題，分離較為困難。所以建議在回路檢測(cè)前，進(jìn)行USB話音通信下行鏈路檢查。具體方法如下：
    USB天地通信聯(lián)調(diào)模擬器是實(shí)施話音下行鏈路測(cè)試的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。主要功能是用來(lái)仿真飛船下行USB Q支路數(shù)據(jù)幀格式，并在其指定位置插入加密數(shù)字話音。目的是在進(jìn)行測(cè)控通信系統(tǒng)演練時(shí)，驗(yàn)證USB傳輸通道及其接口的正確性。
    聯(lián)調(diào)模擬器在使用過(guò)程中的連接方式如圖6所示。在測(cè)控站，模擬器具有三個(gè)對(duì)外接口，接口1為保密機(jī)接口，具有兩種輸入速率，可以接收保密機(jī)數(shù)字話音信號(hào)，也可以接收USB話音終端小環(huán)返回的數(shù)字話音信號(hào)。模擬器產(chǎn)生與Q支路幀結(jié)構(gòu)相同的數(shù)據(jù)，并將接口1的輸入數(shù)據(jù)插入到幀的指定位置，再進(jìn)行擾碼產(chǎn)生一定碼速率的數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)模擬Q支路數(shù)據(jù)。接口2為I支路數(shù)據(jù)輸入接口。接口3數(shù)據(jù)接入到USB設(shè)備與數(shù)傳模擬源相連接口中。

    神舟任務(wù)時(shí)，USB下行話音數(shù)據(jù)從飛船Q支路數(shù)據(jù)中取出。USB下行話音傳輸路徑為：飛船→USB高頻接收機(jī)→USB數(shù)傳接收機(jī)→DDN專(zhuān)網(wǎng)→天地通信指控中心。天地通信聯(lián)調(diào)下行話音檢查路徑：話音信息→USB保密機(jī)下行接口→全態(tài)模擬器數(shù)字話音接口→DDN專(zhuān)網(wǎng)→天地通信指控中心。利用全態(tài)模擬器、USB保密機(jī)的下行接口可檢查大部分下行地面話音系統(tǒng)。
    聯(lián)調(diào)模擬器加電自檢，自檢完成后自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，如果設(shè)備自檢有故障，故障指示燈點(diǎn)亮，這時(shí)可以通過(guò)查詢(xún)檢查故障部位，也可以啟動(dòng)不同部分的設(shè)備自檢幫助故障定位，確保聯(lián)調(diào)模擬器工作正常。
    在天地通信聯(lián)調(diào)前，測(cè)控站內(nèi)進(jìn)行神舟任務(wù)大回路演練，通過(guò)磁記錄放帶，可以檢查USB系統(tǒng)數(shù)傳設(shè)備工作情況，從而確保USB系統(tǒng)Q支路工作正常，從而確保天地通信聯(lián)調(diào)順利進(jìn)行。
    在確定聯(lián)調(diào)模擬器和數(shù)傳設(shè)備工作正常后，如圖7所示連接。用USB保密機(jī)提供話音源，數(shù)字話音經(jīng)聯(lián)調(diào)模擬器復(fù)接后，送USB數(shù)傳設(shè)備，并經(jīng)USB系統(tǒng)Q支路，由衛(wèi)通送往北京天地通信指控中心，中心通過(guò)接口適配器還原后送保密機(jī)解密并監(jiān)聽(tīng)話音，通過(guò)接收北京中心通報(bào)的話音監(jiān)聽(tīng)情況，可以檢查下行話音傳輸路徑接口和信息匹配情況。

    如果指控中心反饋信息為無(wú)法正常接聽(tīng)話音，并且中心能確保自身設(shè)備工作正常。
    (1)檢查USB保密機(jī)下行話音是否正常送出；
    (2)檢查保密機(jī)的配置情況(工作狀態(tài)、發(fā)送時(shí)鐘、TT時(shí)鐘)；
    (3)檢查聯(lián)調(diào)模擬器的配置情況(加擾碼、同步方式、工作模式、密話環(huán)回、密話速率)；
    (4)如果保密機(jī)工作在密話狀態(tài)，檢查與中心保密機(jī)的密鑰是否一致。
    如果天地通信指控中心保密機(jī)無(wú)論測(cè)站保密機(jī)切明態(tài)或密態(tài)都能夠同步，并能通過(guò)監(jiān)聽(tīng)耳機(jī)聽(tīng)到USB測(cè)站發(fā)送的下行話音，就說(shuō)明所檢測(cè)到的下行話音鏈路是正常的。

4 USB話音通信系統(tǒng)回路檢查
    因?yàn)樯裰廴蝿?wù)天地USB話音通信采用不對(duì)稱(chēng)傳輸，上、下行話音不但編碼速率不同，而且天地間傳輸話音路數(shù)和途徑也不同，這就使得天地USB話音系統(tǒng)的測(cè)試非常困難。
    在對(duì)上、下行話音系統(tǒng)正確驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，可利用全態(tài)模擬器，構(gòu)成USB上、下行回路，對(duì)USB話音上、下行回路進(jìn)行檢查。
4．1 天地通信聯(lián)調(diào)中話音通信系統(tǒng)環(huán)路檢測(cè)
    天地通信聯(lián)調(diào)上下行話音回路檢查路徑為：話音信息→DDN專(zhuān)網(wǎng)→USB話音終端→USB中頻調(diào)制→小環(huán)接收機(jī)→USB話音終端→全態(tài)模擬器數(shù)字話音接口→DDN專(zhuān)網(wǎng)→天地通信指控中心。
    通過(guò)上述回路，將來(lái)自北京天地通信指控中心的話音數(shù)據(jù)調(diào)制成中頻信號(hào)后，通過(guò)小環(huán)接收機(jī)耦合，解調(diào)后，經(jīng)聯(lián)調(diào)模擬器復(fù)接后，送USB數(shù)傳設(shè)備，并經(jīng)USB系統(tǒng)Q支路，由衛(wèi)通送往北京天地通信指控中心，中心通過(guò)接口適配器還原后送保密機(jī)解密并監(jiān)聽(tīng)話音，與發(fā)送話音音質(zhì)比對(duì)，可以檢查上下行話音回路傳輸路徑接口和信息匹配情況。如果監(jiān)聽(tīng)話音正常且音質(zhì)良好，說(shuō)明上下行話音回路工作正常。
4．2 測(cè)控站內(nèi)經(jīng)常性話音通信系統(tǒng)環(huán)路檢測(cè)方法
    執(zhí)行神舟任務(wù)前，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一次天地通信聯(lián)調(diào)，無(wú)法經(jīng)常性檢測(cè)我站話音系統(tǒng)的工作情況。需要一種新方法來(lái)代替天地通信聯(lián)調(diào)，克服因天地通信聯(lián)調(diào)次數(shù)有限帶來(lái)重重困難，確保USB分系統(tǒng)話音鏈路時(shí)時(shí)刻刻處于正常狀態(tài)。
    經(jīng)常性話音系統(tǒng)鏈路檢查路徑為：USB保密機(jī)音源→USB話音終端→USB中頻調(diào)制→小環(huán)接收機(jī)→USB話音終端→全態(tài)模擬器數(shù)字話音接口→USB數(shù)傳設(shè)備→解調(diào)收聽(tīng)，其連接如圖8所示。

    模擬話音經(jīng)話筒到保密機(jī)內(nèi)部經(jīng)采樣、量化、編碼，生成標(biāo)準(zhǔn)的上行PCM碼(NRZ—L碼)，同時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送所需要的時(shí)鐘，在話音終端對(duì)其進(jìn)行PSK調(diào)制，小環(huán)返回的話音負(fù)載波經(jīng)解調(diào)后生成的PCM碼仍然通過(guò)發(fā)射機(jī)的對(duì)外接口，經(jīng)聯(lián)調(diào)模擬器復(fù)接后，送USB數(shù)傳設(shè)備，并在其Q支路指定位置插入加密數(shù)字話音，然后通過(guò)解調(diào)并收聽(tīng)，如果監(jiān)聽(tīng)話音正常且音質(zhì)良好，說(shuō)明話音回路工作正常。
    這種檢測(cè)方法容易實(shí)施，不需要其他單位配合，可以經(jīng)常性檢查USB分系統(tǒng)話音通信系統(tǒng)工作情況。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文通過(guò)對(duì)USB天地話音通信回路系統(tǒng)組成和信息流程的分析，結(jié)合天地通信聯(lián)調(diào)要求，制定了天地通信聯(lián)調(diào)的操作步驟，提出了USB分系統(tǒng)話音通信系統(tǒng)經(jīng)常性檢測(cè)方法，還就聯(lián)調(diào)中可能出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和總結(jié)，對(duì)規(guī)范操作員在USB天地通信聯(lián)調(diào)中操作和確保設(shè)備正常工作有積極的意義。