聶衛(wèi)國

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

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分布式作戰(zhàn)指揮模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中語音通信仿真研究*

聶衛(wèi)國

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430)

傳統(tǒng)的分布式作戰(zhàn)指揮模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中存在通信模塊可控性差、操作使用復(fù)雜等問題,為此設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了新型的多功能語音通信仿真系統(tǒng)。提出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),對系統(tǒng)中的語音服務(wù)器、語音客戶端和通話器進(jìn)行了設(shè)計(jì),詳細(xì)闡述了系統(tǒng)涉及的四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果表明所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的多功能語音通信仿真系統(tǒng)能夠滿足部隊(duì)指揮訓(xùn)練的要求。

語音通信; 仿真系統(tǒng); 語音傳輸; 通話質(zhì)量

Class Number TP391.9

1 引言

語音通信仿真是分布式作戰(zhàn)指揮仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成部分,傳統(tǒng)語音通信仿真通常采用小型程控電話系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),在該方式下的語音通信導(dǎo)演端可控性差,通播、監(jiān)聽等操作復(fù)雜,客戶端與實(shí)戰(zhàn)中的無線電臺操作方式不一致。為提高模擬訓(xùn)練的質(zhì)量和效果,需要研制一個(gè)多功能語音通信仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能:

1) 與實(shí)裝無線電臺人機(jī)接口一致,便于使用人員的操作;

2) 導(dǎo)調(diào)人員能夠通過該系統(tǒng)對語音通信過程進(jìn)行控制,并能對各通話端進(jìn)行監(jiān)聽和通播;

3) 考慮到戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性,必須能夠仿真不同通話環(huán)境對通話質(zhì)量的影響[10]。

為了達(dá)到以上目的,多功能語音仿真系統(tǒng)采用了多種關(guān)鍵技術(shù)來實(shí)現(xiàn),主要是語音的采集和傳輸以及不同環(huán)境下通話質(zhì)量的變化,前者采用軟件編程的方式實(shí)現(xiàn),后者則通過分析不同環(huán)境對通話質(zhì)量造成影響的原理,以硬件方式實(shí)現(xiàn)。

論文在分析了現(xiàn)有語音通信仿真存在的問題,基礎(chǔ)之上,提出了改進(jìn)的方向和所涉及的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方案;對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各分系統(tǒng)的功能進(jìn)行了設(shè)計(jì);并對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)描述;最后對系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的效果進(jìn)行了總結(jié)。

2 多功能語音通信仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

多功能語音通信仿真系統(tǒng)由語音服務(wù)器、語音客戶端和通話器三部分組成,系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

語音服務(wù)器和客戶端均部署于普通PC機(jī)上,通過10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。導(dǎo)調(diào)人員使用語音服務(wù)器對語音通信過程的監(jiān)視和控制;語音客戶端則分別給導(dǎo)調(diào)人員和受訓(xùn)人員使用,導(dǎo)調(diào)人員通過語音客戶端進(jìn)行情況通報(bào)和訓(xùn)練指示,并且各客戶端還可以仿真各類通話環(huán)境,同屬一方的受訓(xùn)人員則通過語音客戶端相互通信。通話器則通過外部接口連接到各語音客戶端計(jì)算機(jī),負(fù)責(zé)語音的輸入和回放。

圖1 多功能語音通信仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 語音服務(wù)器設(shè)計(jì)

語音服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)三大功能,分別是用戶管理、信道分配和通話監(jiān)聽,圖2是語音服務(wù)器的UML用例圖。

圖2 語音服務(wù)器的UML用例圖

1) 用戶管理

在語音服務(wù)器中事先建立好用戶管理數(shù)據(jù)庫,設(shè)置語音客戶端登錄的用戶名和密碼。通過開辟專用的偵聽端口,接收并認(rèn)證用戶的登錄,一旦認(rèn)證通過,將用戶切換到默認(rèn)的信道,等待用戶下一步的操作。

如果某用戶離線,其對應(yīng)的語音客戶端向語音服務(wù)器發(fā)送離線消息,語音服務(wù)器接收到該消息后,停止對其進(jìn)行語音數(shù)據(jù)傳輸,將其從相應(yīng)信道的組播列表中刪除,同時(shí)通知其他語音客戶端。

2) 信道分配

在實(shí)際的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中,各作戰(zhàn)單元一般是通過超短波通信[8～9],基本工作在甚高頻(VHF)和特高頻(UHF)兩個(gè)頻段,常用頻率范圍為30MHz～900MHz,大量的民用與軍用無線電設(shè)備均是在這一頻率區(qū)間工作[1,11]。

本文設(shè)計(jì)的戰(zhàn)術(shù)指揮仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中,共模擬了32個(gè)信道,紅方為1～16信道,藍(lán)方為17～32信道,其中紅方的16信道和藍(lán)方的32信道屬于專用信道,用于與導(dǎo)調(diào)人員通信。在語音客戶端進(jìn)行連接時(shí),由導(dǎo)調(diào)人員通過語音服務(wù)器為其分配信道,并將各客戶端的信道號進(jìn)行存儲,只有處于同一信道的語音客戶端才能互相通信。在仿真過程中,受訓(xùn)人員可以通過語音客戶端向?qū)д{(diào)人員申請變更信道,導(dǎo)調(diào)人員則根據(jù)申請合理與否決定是否變更(例如紅方受訓(xùn)人員申請切換到藍(lán)方信道就是不合理的),一旦決定變更,則對對應(yīng)的客戶端信道號進(jìn)行修改并再次存儲。

3) 通話監(jiān)聽

語音服務(wù)器還可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)聽紅藍(lán)雙方的通話情況,并且能夠?qū)⒏餍诺赖恼Z音錄制下來,用于演習(xí)后的分析和講評。

2.3 語音客戶端設(shè)計(jì)

語音客戶端主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能:模擬超短波無線電臺的界面、語音通信以及仿真通話環(huán)境,圖3是語音客戶端的UML用例圖。

圖3 語音客戶端的UML用例圖

1) 模擬超短波無線電臺界面

為了使受訓(xùn)人員通過多功能語音通信仿真系統(tǒng)能夠獲得真實(shí)的訓(xùn)練體驗(yàn),一個(gè)與實(shí)際無線電臺操作界面一致的仿真操作界面是十分必要的。仿真操作界面與實(shí)際操作界面越一致,受訓(xùn)人員從仿真訓(xùn)練到實(shí)裝操作的過渡時(shí)間越短。

為此,本文在客戶端設(shè)計(jì)的操作界面上仿真了我軍目前常用的超短波電臺界面,旋鈕、按鈕、指示燈等元器件布置和操作方式與真實(shí)界面相同,為了簡單模擬衛(wèi)星通信,在此增加了短信息發(fā)送功能。語音客戶端的操作界面如圖4所示。

2) 語音通信

語音客戶端將通話器送入的語音進(jìn)行壓縮處理,并將壓縮后的語音數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送給語音服務(wù)器,并由語音服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給信道相同的其他語音客戶端。對應(yīng),語音客戶端也需要具有解壓語音數(shù)據(jù)并進(jìn)行回放的功能。

圖4 語音客戶端的操作界面

對于導(dǎo)調(diào)人員使用的客戶端,具有較高的通話權(quán)限。除了變更自身的信道,與指定的受訓(xùn)人員客戶端進(jìn)行通信之外。還可以通過發(fā)送消息,強(qiáng)制激活各受訓(xùn)人員客戶端的16信道或者32信道,將命令、指示和情況通報(bào)等信息廣播或者組播出去。

3) 仿真通話環(huán)境

在實(shí)際作戰(zhàn)中,超短波通信的質(zhì)量易受多個(gè)因素的影響,主要包括地球曲率、通信天線高度以及敵方的電子干擾[2]。因此,應(yīng)通過分析這些因素對通話質(zhì)量影響的機(jī)理,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,語音客戶端應(yīng)設(shè)置通話環(huán)境仿真模塊在運(yùn)行時(shí)調(diào)用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,產(chǎn)生真實(shí)情況下的通話環(huán)境。

2.4 通話器設(shè)計(jì)

圖5 超短波無線電臺的手麥

實(shí)際指揮系統(tǒng)中,各戰(zhàn)位通過與超短波電臺連接的手麥進(jìn)行通話,如圖5所示。

為了貼近實(shí)戰(zhàn),采用半實(shí)物仿真的方法,將普通超短波電臺的手麥直接連接到計(jì)算機(jī)的聲卡,但是PC機(jī)的聲卡輸出無法驅(qū)動手麥的揚(yáng)聲器,因此,必須為手麥和PC機(jī)之間增加一級功率放大器,與共同構(gòu)成語音通話器,解決手麥的語音輸出問題。本文設(shè)計(jì)的功率放大器電路如圖6所示。

圖6 手麥功率放大器電路

功率放大器主要采用了TDA2822集成功放,通過其BTL輸出驅(qū)動單聲道的手麥揚(yáng)聲器。功率放大器采用計(jì)算機(jī)USB供電,功率可以達(dá)到4W,經(jīng)過測試,改造后輸出聲音足夠清晰洪亮,在多人在同一房間同時(shí)使用時(shí)也能夠順利通信,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

3.1 語音采集和回放

語音采集是指對聲卡的語音輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,語音回放則是指將多路語音數(shù)據(jù)流同時(shí)發(fā)送給聲卡。語音的采集和回放都涉及到對聲卡的操作。

Windows平臺上對聲卡進(jìn)行操作提供了Direct Sound API、底層音頻API和MCI API三種編程接口,其中Direct Sound具有直接、高效、可直接實(shí)現(xiàn)混放等優(yōu)點(diǎn),是進(jìn)行聲卡操作首選API[3]。

本文主要應(yīng)用Direct Sound中的IDirectS-oundCapture、IDirectSoundBuffer、IDirectSoun-dNotify以及IDirectSound這四個(gè)接口實(shí)現(xiàn)語音的采集和回放。其中,IDirectSoundCapture接口采集語音數(shù)據(jù),并將語音數(shù)據(jù)存放于IDirectSoundBuffer接口開辟的語音緩沖區(qū)中,IDirectSound從語音緩沖區(qū)取出語音數(shù)據(jù)進(jìn)行多路回放,IDirectSoundNotify接口用于管理和協(xié)調(diào)各語音緩沖區(qū)。

3.2 語音壓縮和解壓

語音數(shù)據(jù)量通常較大,為了在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行語音數(shù)據(jù)傳輸,避免阻塞、延時(shí)等現(xiàn)象,需要在語音通信的雙方對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和解壓處理。

國際電信聯(lián)盟(ITU)于1996年提出了一種G.729的語音壓縮方案,實(shí)現(xiàn)了共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵(lì)線性預(yù)測的語音編碼算法。該方案在8 kbits碼率下具有較好的語音編碼質(zhì)量,且延遲較短,因此在IP電話、移動通信、多媒體網(wǎng)絡(luò)通信以及各種手持設(shè)備中具有廣泛應(yīng)用[4]。

G.729A可看作時(shí)G.729的簡化版本,在保證編碼質(zhì)量的同時(shí),降低了編碼復(fù)雜度。ITU提供了G.729A的C語言實(shí)現(xiàn)接口,提供了眾多編碼/解碼函數(shù)。本文利用G.729A的C API編程實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的壓縮和解壓,經(jīng)測試,壓縮后的語音數(shù)據(jù)的傳輸帶寬僅為6bps。

3.3 語音傳輸

語音服務(wù)器與各語音客戶端組成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò),壓縮后的語音數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。Windows Socket是以U. C. Berkeley大學(xué)BSD Unix中的Sockets接口為規(guī)范,定義的一套在微軟Windows環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)編程接口[5]。本文應(yīng)用Windows Socket中的流式套接字,構(gòu)建起基于TCP/IP協(xié)議的面向連接的語音傳輸環(huán)境。應(yīng)用Windows Socket進(jìn)行語音傳輸?shù)牧鞒倘鐖D所圖7所示。

圖7 Windows Socket進(jìn)行語音傳輸?shù)牧鞒?/p>

3.4 不同環(huán)境下通話質(zhì)量的變化

文獻(xiàn)[6]指出,超短波通信應(yīng)限制在一定距離范圍內(nèi),超出此距離,則無法實(shí)現(xiàn)通信,超短波通信的有效距離D可由式(1)計(jì)算得到。

(1)

其中,H1和H2分別是語音發(fā)送端和接收端超短波電臺天線的高度。

在有效通信距離內(nèi),語音通信質(zhì)量還會受到敵方干擾的影響,文獻(xiàn)[7]給出了語音通信的清晰度P的計(jì)算公式,如式(2)所示。

P=1-exp[-0.06128×(S/J+12)1.6951]

(2)

其中,S為通信功率,J為干擾功率。

需要注意的是,干擾源必須與語音通信發(fā)起端處于有效干擾距離Dj之內(nèi),才能對語音通信實(shí)施有效干擾,否則對語音通信的質(zhì)量無影響,Dj計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

其中,D為無干擾條件下超短波通信的距離,Pj和Pt分別是干擾機(jī)和發(fā)信機(jī)的功率,ΔFj和ΔFt分別是干擾帶寬和通信帶寬,Kj為干擾系數(shù)。

4 結(jié)語

通過本文方法開發(fā)的多功能語音通信仿真系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了超短波無線電臺仿真通信功能,已經(jīng)成為某型指揮訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的子系統(tǒng),并在海軍多個(gè)部隊(duì)得到應(yīng)用,部隊(duì)使用的反饋情況表明:本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的多功能語音通信仿真系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,占用帶寬流量小;模擬的通話環(huán)境與部隊(duì)實(shí)際裝備面臨的通話環(huán)境基本一致;操作界面和實(shí)際裝備高度一致友好,受訓(xùn)人員經(jīng)過仿真系統(tǒng)訓(xùn)練后,即可在實(shí)際裝備上進(jìn)行操作,大大提高了訓(xùn)練的效率。

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Design and Implementation of Voice Communication Simulation in Distributed Tactical Command Simulation System

NIE Weiguo

(Naval Marine Academy, Guangzhou 510430)

In order to solve the problem of poor controllability and complex operation in traditional voice communication module for distributed tactical command simulation system, a new type of multifunctional voice communication simulation system is designed and implemented. System is put forward. System components include voice server, voice client and voice transmitter are designed. Four key technologies and their implementation methods are expatiated. Result of practical application proves that this multifunctional voice communication simulation system can meet the demand of military command training.

voice communication, simulation system, voice transmission, voice quality

2014年9月3日,

2014年10月21日

海司軍訓(xùn)部項(xiàng)目(編號:2013072145)資助。

聶衛(wèi)國,男,碩士,教授,研究方向:計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.018