1. 系统背景和概述
按《民用航空空中交通管制语音通信交换系统技术要求》（MH/T 4027-2019）对语音通信交换系统的定义：空中交通管制的语音通信交换系统能够连接多种有线和无线通信设备，采用先进的语音通信交换技术。操作人员可以灵活便捷地选择接入系统的有线或无线信道，从而实现空中交通管制与空中、以及地面与地面之间的多功能语音通信。空管语音通信交换系统分为三类，分别是基于时分交换架构、基于软交换集中式架构的系统和基于软交换分布式架构的系统。广州区域管制中心现场在用的基于时分交换架构的飞坤语音通信交换系统，也被称作飞坤内话系统。
飞坤语音通信交换系统的工作原理是通过多种类型的通信接口，如模拟有线通信接口、数字有线通信接口等，接入多种类型的信号，来实现数字化无阻塞的语音通信交换功能。在内话系统运行过程中会涉及到模数转换、时分复用、脉冲编码调制等技术原理的应用。
2．技术原理
2.1 模数转换
模数转换（ADC）过程涉及一系列精密操作，旨在将连续的模拟信号转换成离散的数字表示形式。这一过程主要包含四个核心环节：采样、量化、保持与编码，这一系列步骤协同工作，确保了模数转换的高精度与可靠性。语音通信交换系统内部采用的是全数字化处理，除了外部输入信号皆为数字信号。在语音通信交换系统内主要应用在插孔盒、扬声器等需要将模拟语音信号转换为数字信号的场景。PCM是模数转换的实例化。
实现模数转换主要是经过采样、量化和编码三个步骤。在采样过程中，先通过脉冲编码调制PCM技术将随时间连续变化的模拟信号转换为离散的模拟信号，并取出模拟信号的平均幅值。脉冲编码调制技术会涉及到香农采样定律，香农采样定律，亦称采样定理，指出为了无失真地还原模拟信号，采样频率必须至少达到模拟信号频谱中最高频率的两倍（fs≥2fmax），常见话音信号的频带在300-3400Hz之间，根据国际电报电话咨询委员会CCITT规定内话系统中信号所使用的采样频率应为8kHz。到了量化这一步，会在量化间隔内将每一个采样取出的值转换为一个数值，并且尽可能的多取值，来保证转换出来的信号与原信号的吻合度尽可能的高，不失真还原信号。量化出来的信号会被二进制赋值即编码，编码后便得到最终的数字信号。
在量化编码的实践中，广泛采用了非均匀量化策略，这一策略在FREQUENTIS内话系统中尤为显著，其内部核心采用G.711标准作为语音信号的编码协议。非均匀量化技术巧妙地针对信号幅度进行差异化处理：对于小信号，采用细密的量化间隔以减少失真；而对于强信号，则放宽量化间隔以平衡数据量与精度。G.711编码标准以其64kbps的带宽和8khz的采样率著称，通过高效算法将14位原始数据压缩至8位，有效降低了传输负担。
值得注意的是，G.711标准提供了两种编码类型——A律与μ律，以适应不同地区的通信需求。在中国，A律编码方式占据主导地位，而μ律则广泛流行于北美及日本地区。在众多语音编码技术中，G.711以其卓越的编码效率与话音质量脱颖而出，成为保障高质量语音通信的重要基石。其中A律使用的是三段式8bit编码规则，分为极性码（1位）、段落码（3位）和段内码（4位）。
2.2时分复用TDM
时分复用（TDM）技术巧妙地利用了单一物理连接的时域资源，通过分配不同时间段给各自独立的信号源，实现了信号的多路并行传输。具体而言，该技术将整个信道的时间维度分割成一系列连续且互不重叠的时间片段（或称时隙），每个时隙被专门分配给一个信号源以承载其信息，从而有效提升了信道利用率，实现了多路信号在同一物理介质上的高效复用。时分复用技术可细化为同步时分复用（STDM）与异步时分复用（ATDM）两大类别。其中，STDM遵循严格的时隙分配机制，确保每个数字信号均获得固定的时间间隔，实现了时隙的静态划分，常用于公共电话网PSTN和光纤网络，飞坤内话系统内部采用的就是同步时分复用。相比之下，ATDM则展现出更高的灵活性，它依据用户的实时需求动态调整信道资源的分配，通过适时地分配时隙来避免帧内时隙的闲置，从而优化了资源利用率，常用于X.25、帧中继和TCP/IP等。内话系统内的每个时隙都是固定分配好的。时分多路复用的理论依据是香农采样定律，时分复用的核心点在于相邻的模拟语音信号样本值之间有125μs的时间间隙，这125μs就是采样周期T。对一个PCM30/32系统来说，一秒分为8000帧，一帧125μs，分为32个时隙，每个时隙传输不同通道的不同业务，数据传输速率为32TS *(64 Kbit/s)/TS=2048 Kbit/s＝2 Mbit/s。
2.3 PCM30/32
PCM 30/32 路一次群系统,表示复用路数为32 , 30代表复用的语音路数。PCM30/32是一个时分复用传输系统，每一秒钟包括8000个帧，所以每125us称为一帧（F），每16帧称为一个复帧（MF），每一帧包括32个时隙（TS），每个时隙包含8比特位二进制码，可以计算出一个帧长度为32*8=256bit，其传输速率为2048kbit/s。其中各个时隙有着不同的作用：
TS0主要承载帧同步所必需的帧定位信号（FAS）、进行错误检测的CRC-4（循环冗余校验码）以及发送至对端的告警控制指令，确保帧结构的同步性。而TS16则专注于传输伴随语音信号的控制信息，包括随路信令（CAS）、复帧定位标识以及复帧级别的对端告警信号，以实现信令的有效控制。在剩余的TS1至TS15以及TS17至TS31这30个时隙内，主要用于承载话音数据及其它用户信息，这些时隙共同构成了所谓的“净荷”部分，与TS0和TS16这两个专门用于传输同步与控制信息的“开销”时隙形成鲜明对比。
3.结束语
关于FREQUNENTIS语音通信交换系统的技术原理，除了我文中提及到的这三个，本系统还有着别的通信技术原理的应用，正是这些原理之间的相辅相成，才使得语音通信交换系统能够正常运行，保障了空中交通管制的正常指挥和通信，优化了管制员之间的通信方式。对于运维人员来说，内话系统还在不断优化更新，除了依赖系统本身的硬件和软件的升级，还需要夯实自身理论基础，不断突破自己，为空管事业的新征程贡献出自己的绵薄之力。
参考文献：
[1]中国民用航空局空中交通管理局.MH/T 4027-2010民用航空空中交通管制 语音通信交换系统技术规范[S].北京：中国科学技术出版社，2010.
[2] 中国民用航空局空中交通管理局.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
