基于語義報文的干擾效果評估系統設計

王煙青，袁仕繼，劉志華，張家偉

（中國人民解放軍63888部隊 河南 濟源 454650）

干擾效果評估是通信對抗試驗中一項非常重要的試驗題目，而收發報文又是干擾效果評估的常用方法。該方法采用“發報——抄報——對比”的方式進行，簡單易用。但在試驗中，發現該方法存在以下3個問題[1]：

1）試驗中的報文沒有語義，是任意選取的數字組合。沒有語義的報文在校對時無法根據上下文聯系對含糊部分進行修正，干擾效果評估結果是根據收發雙方報文對比統計得出。采用沒有語義的報文評估干擾效果時，其有效性僅與抄報正確率有關，而與報文代表的內容無關。

2）在試驗中，一項試驗題目，甚至整個試驗期間，往往只有一段報文。這段報文反復發送多次，接收方報務員甚至可憑記憶而不是聽力來抄收報文，降低了試驗結果的有效性。

3）報務員業務能力直接影響試驗結果[2]。發信方報務員語音清晰度和標準度、收信方報務員聽力和抄報熟練程度都會影響試驗結果，導致人為因素增大。而且，由于話報對報務員要求低，所以試驗中多采用話報，很少采用鍵報，但實戰通信中，鍵報具有較強的抗干擾能力從而得到更多的運用，試驗方法與實戰情況脫節。

上述問題在試驗中普遍存在，一定程度上影響了試驗結果的可信度，必須認真加以解決。

1 問題解決思路及總體設計

1.1 解決思路

針對試驗中存在的上述問題，我們研究了實戰通信的情況，分析了實戰通信的特點，并以此為依據，制定以下改進方法，使試驗中的通信更符合實戰通信的情況。

1）實戰條件下的通信中，一段報文就是一個命令或文書，有明確的語義。有語義的報文，在收方將報文譯成命令或文書時，可以補充相應助詞，糾正明顯錯誤，比較雙方語義，還原這個命令或文書。這種情況下，既使通信受到部分干擾，作戰意圖往往也能準確的下達。因此應采用有語義約束的報文作為試驗中使用的報文。

2）實戰時每次通信的報文一般不相同，基本沒有記憶因素的影響，因此試驗中，也應采用多段報文，消除記憶因素的影響。

3）試驗中，發送方發送合成的話報聲音文件，或用計算機控制繼電器開合，接收方抄收報文并錄制聲音，事后還可由多名報務員聽錄音并校對報文，可最大限度地減少人為因素對試驗結果的影響。

1.2 總體設計

根據上述改進方法，我們設計了新的試驗流程，如圖1所示。

1）試驗準備階段

圖1 試驗流程Fig.1 Test process

試驗準備階段完成命令或文書到話報聲音文件或鍵報編碼文件的轉換。首先編輯若干條命令或文書；其次將每一條命令或文書轉換成相應的報文；最后將每段報文合成為相應的話報聲音文件或鍵報編碼文件，存儲起來備用。

2）試驗過程

話報試驗[3]時，發送方使用計算機音頻輸出作為電臺的音頻輸入，按照試驗題目發送對應的話報聲音文件；鍵報試驗時，用計算機并口連接電臺，按照試驗題目調入鍵報編碼文件，控制繼電器開合發送鍵報。接收方則由報務員抄報并由計算機錄音。話報時，除可用計算機連接電臺外，亦可用便于攜帶的MP3播放器連接電臺，用于錄放聲音，方便試驗。

3）結果處理

采用兩種方法給出干擾效果評估結果[4-5]：一種是傳統的人工抄報統計錯誤組數方法，它能給出初步的干擾情況；另一種是計算機輔助校報方法，通過語義的聯系，還原文字，比較語義，給出基于語義的評估結果。

2 軟件設計

本系統軟件按功能可分為6個模塊，如圖2所示。

圖2 軟件模塊Fig.2 Software module

1）用戶界面模塊

用戶界面模塊是計算機與人之間交互操作的界面。通過用戶界面，操作員可以控制其它幾個模塊，完成系統要實現的所有功能。

2）文本編輯模塊

文本編輯模塊實現命令或文書的編輯、存儲、讀取等功能，并可將打開的命令或文書傳送給報文轉換模塊。

3）報文轉換模塊

報文轉換模塊實現將命令或文書轉換成對應報文功能。實戰通信一般用密鑰來轉換，我們則采用一個簡單的方法轉換。其原理為：一個漢字在計算機中用兩個字節表示，這兩個字節各減去160，就是這個漢字對應的區碼和位碼。字節數值的最大值為255，255-160=95，所以區碼或位碼是一個不超過兩位的數串。因此，一個漢字用區位碼表示出來，是一個4位數串。4個數字構成一組報文，因此一個漢字正好為一組報文。一段有語義的文字按此方法轉換為一段有語義的報文，完成了報文轉換的功能。

4）合成模塊

合成模塊將報文合成為話報聲音文件和鍵報編碼文件。利用標準語音庫，合成話報聲音文件，采用WAVE格式存儲；利用莫而斯碼表，合成鍵報編碼文件，采用文本方式存儲。文件名與試驗題目相對應，以便試驗時調用。

5）播放/錄音模塊

播放/錄音模塊實現用計算機播放報文聲音文件或控制電臺發射鍵報和對電臺接收到報文進行錄音的功能。發射話報的功能可由計算機實現，亦可用MP3播放器來完成；發射鍵報需由計算機完成。錄音功能計算機和MP3播放器均可完成。

6）輔助校報模塊

輔助校報模塊在計算機上實現將報文譯成文字的功能。操作員將報務員抄收到的報文輸入到計算機，完整的報文分組直接譯成漢字，不完整的報文分組，計算機列出備選漢字，使操作員根據上下文聯系選出合乎語義的文字，這樣就能將一段報文譯成一段命令或文書。比較收發雙方語義，可以得出基于語義報文的干擾效果評估結果。

3 軟件實現

在各個軟件模塊中，合成和輔助校報是本系統的關鍵，其它模塊相對簡單，因此，在這里僅詳細闡述這2個模塊的實現。

3.1 合成模塊

合成模塊如圖3所示。話報存儲為聲音文件，采用WAVE格式的文件；鍵報存儲為鍵報編碼文件，是筆者定義的文本格式的文件。

圖3 合成模塊Fig.3 Synthetic module

1）WAVE 文件格式

電臺音質和電話音質相同，帶寬為300～3 000 Hz。根據抽樣定理[7]，電話音質的聲音在計算機中可用8 K采樣速率的8-bit Mono WAVE文件存儲。但我們發現，11 K采樣速率的WAVE文件通用性更強，因此我們采用的是11 K采樣速率的8-bit Mono WAVE文件。下面我們來分析一下WAVE文件的格式。

WAVE文件是一種RIFF文件，擴展名為“.WAV”。RIFF文件是Windows系統支持的多媒體文件，是集數據、描述、格式、播放列表等內容為一體的分段（Chunk）文件[8]。每個RIFF文件都是由一個RIFF頭，若干個RIFF段組成。

RIFF頭（RIFF Header）：RIFF文件有一個8字節的頭，后面緊根4字節的標識，WAVE文件的標識為“WAVE”。如圖4所示。

圖4 RIFF頭Fig.4 RIFF header

RIFF 段 （RIFF Chunks）：RIFF 文件中，RIFF 頭后面的部分分成若干個“段”，每段都是由8字節段頭和數據流組成。

圖5 RIFF段Fig.5 RIFF segment

WAVE文件在RIFF頭后，所支持的段有6種，但有2種是必須的，即fmt-ck和wave-data，簡單起見，文中僅分析這兩種段。

fmt-ck：說明WAVE文件格式的段，由公共域和特定域組成。圖6為8-bit Mono格式的WAVE文件的fmt-ck段結構。

圖6 fmt-ckFig.6 fmt-ck

wave-data：存儲的是PCM（脈沖編碼調制）數據，也就是每一個數據即為該點采樣值，其結構如圖7所示。在8-bit Mono PCM WAVE文件中，每一個采樣數據都是無符號的8位整數，其采樣的中值為128（0x80），最小值為0，最大值為255（0xFF）。

圖7 wave-dataFig.7 wave-data

綜上所述，文中采用的8-bit Mono WAVE文件如圖8所示。

圖8 WAVE文件格式Fig.8 WAVE file format

2）話報合成

如圖3所示，合成話報聲音文件時，需要用到標準語音庫。這里的標準語音庫是指錄制的10個數字的聲音文件，分男女聲，各自存儲為 M0.wav～M9.wav和 F0.wav～F9.wav，共 20個文件。

在試驗準備階段，完成報文準備后，要根據試驗大綱要求，設定話報的參數（碼速、男女聲），合成話報聲音文件。其過程為：

①將所需的語音庫文件數據段讀入內存；

②創建一個聲音文件，按圖8將格式數據寫入文件，Len1、Len2 先留空；

③根據報文，在聲音文件數據段的恰當位置插入對應的語音數據，在語音數據后面插入適當長度的空白聲音數據（128）；

④完成語音合成后，根據數據段的長度，修改此聲音文件中的Len1和Len2，保存文件。

需要注意的是，當話報碼速很高時，各個數字的聲音數據之間不僅不能插入空白，而且還要截去一段，聲音文件播放出來就會很難聽懂。當然，通過改進語音庫，縮短單個數字聲音文件長度，可滿足更高速率的要求，但此時碼速往往是高達200碼/分以上，極少在試驗中使用。文中的語音庫是按常用碼速錄制的，符合試驗的要求。

3）鍵報合成

鍵報合成的是鍵報編碼文件。鍵報實際是長短不同的單音和間隔的組合，要利用計算機控制電臺，實現鍵報發射的功能。鍵報短音聽起來是“嘀”，用“.”表示；長音聽起來是“嗒”，用“-”表示。數字按莫爾斯碼轉換為“嘀嗒”組合，首先分析一下莫爾斯碼。

0～9十個數字用莫而斯碼表示如表1。按照莫爾斯碼規定，“.”時長為單位 1，“-”時長為 3，每個單音之間間隔時長為 1，每個數字之間間隔時長為3，4個數字為一組，組間隔時長為5。

對指定碼速的鍵報，首先要確定時長單位，即“嘀”有多少秒。時長單位推導過程如下。設數字出現概率按平均分布，不考慮組間隔，則數字的平均時長為：

（6+8+10+16+14+12+14+16+10+8）/10=11.4

組間隔多出來2個時長，修正后數字的平均時長為：

（11.4×4+2）/4=11.9

由此可知，給定碼速speed后，時長單位為：

60/（speed*11.9）秒。

表1 莫爾斯碼Tab.1 Morse code

上式即為“嘀”音的長度，它是鍵報中最基本的時長單位。

合成鍵報編碼文件就是將報文轉換為控制繼電器開合的控制指令，其中，合狀態有2種，對應“嘀”、“嗒”；開狀態有3種，對應單音間隔、碼間隔和組間隔。這5種狀態按表2編碼，編碼第一位為開合狀態位，“0”為開，“1”為合；第二位為時長位，用該數字乘以時長單位，即為持續時間。

表2 編碼表Tab.2 Encode table

按照表2，可將一段報文轉換為一段控制指令，在試驗中，用計算機的并口控制電臺進行鍵報發射。計算機并口的數據端口地址為0x378，數據位0～7對應針2～9。計算機并口為TTL電平，使用數據端口中的任一位，配合輔助電路，通過置“1”或“0”來控制繼電器開合，從而使電臺完成鍵報的發射。

3.2 輔助校報

輔助校報功能的實現從原理上講并不復雜，它利用計算機查表列出不完整報文分組的備選漢字，輔助操作員從備選漢字中選擇出最恰當的漢字。

表3是一個輔助校報的例子。表中第一行為報務員抄收的報文，模糊位用“?”填充，第二行為譯回的漢字，模糊處給出備選漢字。以第二組報文為例，“2?90”區碼不定，位碼已定，計算機列出“2090”、“2190”、…“2990”共 10 個備選漢字供操作員選擇。依此類推，這段報文經過輔助校報，可以譯為“中國人民解放軍”。這段報文的干擾效果評估結果，傳統方法正確率為2/7，即28.6%；而基于語義的方法可判定為正確，兩者結果差別顯著。

當然，也可以人工的從區位碼表里面查找備選字，但這是人所不擅長的重復勞動，這也是計算機最擅長的重復勞動。輔助校報利用計算機查找備選字，可以大大提高校報效率。

表3 輔助校報例子Tab.3 Auxiliary checking message example

4 結束語

本系統著眼于通信對抗試驗中干擾效果評估方法存在的不足，分析了其原因，并設計了一套基于語義報文的干擾效果評估系統，可有效地改進現行通信對抗干擾試驗中干擾效果評估方法的不足，有利于提高試驗的有效性和可靠性。文中的研究具有很高的應用前景，值得我們進行研究開發。

[1]宋玉鳳，陳鋒，劉志華，等.語義客觀報文生成方法及干擾效果評估系統[J].電聲技術，2009，33（1）:46-49.SONG Yu-feng，CHEN Feng，LIU Zhi-hua，et al.Research on generating method ofsemantic objective message and jamming eggect evaluation system [J].Audio Engineering，2009，33（1）:46-49.

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