分布式作戰指揮模擬訓練系統中語音通信仿真研究*

聶衛國

(海軍陸戰學院 廣州 510430)

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分布式作戰指揮模擬訓練系統中語音通信仿真研究*

聶衛國

(海軍陸戰學院 廣州 510430)

傳統的分布式作戰指揮模擬訓練系統中存在通信模塊可控性差、操作使用復雜等問題,為此設計和實現了新型的多功能語音通信仿真系統。提出了系統的總體結構,對系統中的語音服務器、語音客戶端和通話器進行了設計,詳細闡述了系統涉及的四項關鍵技術及其實現方案。實際應用的結果表明所設計和實現的多功能語音通信仿真系統能夠滿足部隊指揮訓練的要求。

語音通信; 仿真系統; 語音傳輸; 通話質量

Class Number TP391.9

1 引言

語音通信仿真是分布式作戰指揮仿真訓練系統的重要組成部分,傳統語音通信仿真通常采用小型程控電話系統來實現,在該方式下的語音通信導演端可控性差,通播、監聽等操作復雜,客戶端與實戰中的無線電臺操作方式不一致。為提高模擬訓練的質量和效果,需要研制一個多功能語音通信仿真系統,該系統應該能夠實現以下功能:

1) 與實裝無線電臺人機接口一致,便于使用人員的操作;

2) 導調人員能夠通過該系統對語音通信過程進行控制,并能對各通話端進行監聽和通播;

3) 考慮到戰場環境的復雜性,必須能夠仿真不同通話環境對通話質量的影響[10]。

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

論文在分析了現有語音通信仿真存在的問題,基礎之上,提出了改進的方向和所涉及的關鍵技術及實現方案;對系統的總體結構和各分系統的功能進行了設計;并對系統實現中所涉及的關鍵技術的實現進行了詳細描述;最后對系統在實際應用中的效果進行了總結。

2 多功能語音通信仿真系統的設計

2.1 系統的總體結構

多功能語音通信仿真系統由語音服務器、語音客戶端和通話器三部分組成,系統的總體結構如圖1所示。

語音服務器和客戶端均部署于普通PC機上,通過10M/100M自適應以太網絡進行連接。導調人員使用語音服務器對語音通信過程的監視和控制;語音客戶端則分別給導調人員和受訓人員使用,導調人員通過語音客戶端進行情況通報和訓練指示,并且各客戶端還可以仿真各類通話環境,同屬一方的受訓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算機,負責語音的輸入和回放。

圖1 多功能語音通信仿真系統總體結構

2.2 語音服務器設計

語音服務器主要實現三大功能,分別是用戶管理、信道分配和通話監聽,圖2是語音服務器的UML用例圖。

圖2 語音服務器的UML用例圖

1) 用戶管理

在語音服務器中事先建立好用戶管理數據庫,設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,接收并認證用戶的登錄,一旦認證通過,將用戶切換到默認的信道,等待用戶下一步的操作。

如果某用戶離線,其對應的語音客戶端向語音服務器發送離線消息,語音服務器接收到該消息后,停止對其進行語音數據傳輸,將其從相應信道的組播列表中刪除,同時通知其他語音客戶端。

2) 信道分配

在實際的作戰指揮系統中,各作戰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)兩個頻段,常用頻率范圍為30MHz～900MHz,大量的民用與軍用無線電設備均是在這一頻率區間工作[1,11]。

本文設計的戰術指揮仿真訓練系統中,共模擬了32個信道,紅方為1～16信道,藍方為17～32信道,其中紅方的16信道和藍方的32信道屬于專用信道,用于與導調人員通信。在語音客戶端進行連接時,由導調人員通過語音服務器為其分配信道,并將各客戶端的信道號進行存儲,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,受訓人員可以通過語音客戶端向導調人員申請變更信道,導調人員則根據申請合理與否決定是否變更(例如紅方受訓人員申請切換到藍方信道就是不合理的),一旦決定變更,則對對應的客戶端信道號進行修改并再次存儲。

3) 通話監聽

語音服務器還可以用于實時監聽紅藍雙方的通話情況,并且能夠將各信道的語音錄制下來,用于演習后的分析和講評。

2.3 語音客戶端設計

語音客戶端主要實現三個功能: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

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

為此,本文在客戶端設計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界面相同,為了簡單模擬衛星通信,在此增加了短信息發送功能。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行壓縮處理,并將壓縮后的語音數據通過網絡傳送給語音服務器,并由語音服務器轉發給信道相同的其他語音客戶端。對應,語音客戶端也需要具有解壓語音數據并進行回放的功能。

圖4 語音客戶端的操作界面

對于導調人員使用的客戶端,具有較高的通話權限。除了變更自身的信道,與指定的受訓人員客戶端進行通信之外。還可以通過發送消息,強制激活各受訓人員客戶端的16信道或者32信道,將命令、指示和情況通報等信息廣播或者組播出去。

3) 仿真通話環境

在實際作戰中,超短波通信的質量易受多個因素的影響,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,應通過分析這些因素對通話質量影響的機理,建立相應的數學模型,語音客戶端應設置通話環境仿真模塊在運行時調用相應的數學模型,產生真實情況下的通話環境。

2.4 通話器設計

圖5 超短波無線電臺的手麥

實際指揮系統中,各戰位通過與超短波電臺連接的手麥進行通話,如圖5所示。

為了貼近實戰,采用半實物仿真的方法,將普通超短波電臺的手麥直接連接到計算機的聲卡,但是PC機的聲卡輸出無法驅動手麥的揚聲器,因此,必須為手麥和PC機之間增加一級功率放大器,與共同構成語音通話器,解決手麥的語音輸出問題。本文設計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輸出驅動單聲道的手麥揚聲器。功率放大器采用計算機USB供電,功率可以達到4W,經過測試,改造后輸出聲音足夠清晰洪亮,在多人在同一房間同時使用時也能夠順利通信,達到了設計要求。

3 關鍵技術及其實現

3.1 語音采集和回放

語音采集是指對聲卡的語音輸入數據進行采樣,語音回放則是指將多路語音數據流同時發送給聲卡。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、可直接實現混放等優點,是進行聲卡操作首選API[3]。

本文主要應用Direct Sound中的IDirectS-oundCapture、IDirectSoundBuffer、IDirectSoun-dNotify以及IDirectSound這四個接口實現語音的采集和回放。其中,IDirectSoundCapture接口采集語音數據,并將語音數據存放于IDirectSoundBuffer接口開辟的語音緩沖區中,IDirectSound從語音緩沖區取出語音數據進行多路回放,IDirectSoundNotify接口用于管理和協調各語音緩沖區。

3.2 語音壓縮和解壓

語音數據量通常較大,為了在網絡上進行語音數據傳輸,避免阻塞、延時等現象,需要在語音通信的雙方對語音數據進行壓縮和解壓處理。

國際電信聯盟(ITU)于1996年提出了一種G.729的語音壓縮方案,實現了共軛結構代數碼激勵線性預測的語音編碼算法。該方案在8 kbits碼率下具有較好的語音編碼質量,且延遲較短,因此在IP電話、移動通信、多媒體網絡通信以及各種手持設備中具有廣泛應用[4]。

G.729A可看作時G.729的簡化版本,在保證編碼質量的同時,降低了編碼復雜度。ITU提供了G.729A的C語言實現接口,提供了眾多編碼/解碼函數。本文利用G.729A的C API編程實現語音數據的壓縮和解壓,經測試,壓縮后的語音數據的傳輸帶寬僅為6bps。

3.3 語音傳輸

語音服務器與各語音客戶端組成一個局域網絡,壓縮后的語音數據在網絡上進行傳輸。Windows Socket是以U. C. Berkeley大學BSD Unix中的Sockets接口為規范,定義的一套在微軟Windows環境下的網絡編程接口[5]。本文應用Windows Socket中的流式套接字,構建起基于TCP/IP協議的面向連接的語音傳輸環境。應用Windows Socket進行語音傳輸的流程如圖所圖7所示。

圖7 Windows Socket進行語音傳輸的流程

3.4 不同環境下通話質量的變化

文獻[6]指出,超短波通信應限制在一定距離范圍內,超出此距離,則無法實現通信,超短波通信的有效距離D可由式(1)計算得到。

(1)

其中,H1和H2分別是語音發送端和接收端超短波電臺天線的高度。

在有效通信距離內,語音通信質量還會受到敵方干擾的影響,文獻[7]給出了語音通信的清晰度P的計算公式,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起端處于有效干擾距離Dj之內,才能對語音通信實施有效干擾,否則對語音通信的質量無影響,Dj計算公式如式(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分別是干擾機和發信機的功率,ΔFj和ΔFt分別是干擾帶寬和通信帶寬,Kj為干擾系數。

4 結語

通過本文方法開發的多功能語音通信仿真系統有效地實現了超短波無線電臺仿真通信功能,已經成為某型指揮訓練仿真系統的子系統,并在海軍多個部隊得到應用,部隊使用的反饋情況表明:本文設計實現的多功能語音通信仿真系統運行穩定可靠,占用帶寬流量小;模擬的通話環境與部隊實際裝備面臨的通話環境基本一致;操作界面和實際裝備高度一致友好,受訓人員經過仿真系統訓練后,即可在實際裝備上進行操作,大大提高了訓練的效率。

[1] 羅一鋒,李含輝,黃繼進.超短波通信鏈路分析[J].現代電子技術,2006,19(9):41-44.

[2] 魯遠曙.超短波通信在未來艦船編隊中應用分析[J].艦船電子工程,2008(8):9-10.

[3] [美]Robert Dunlop. DirectX 7速成教程[M].孫守遷,王劍,楊勤,等譯.北京:機械工業出版社,2002:65-90.

[4] 王偉,王偉達,郭恒業.G.729A語音壓縮算法分析及DSP實現[J].計算機工程與應用,2007,43(8):88-102.

[5] 孫海民.精通Windows Sockets網絡開發——基于Visual C++實現[M].北京:人民郵電出版社,2008:58-63.

[6] 張欣景,趙志軍,謝國新.通用超短波語音通信仿真模塊的設計與實現[J].艦船電子工程,2010,30(9):113-116.

[7] 李有才,雷革.超短波電臺原理[M].北京:海潮出版社,2005:123-135.

[8] 于全.戰術通信理論與技術[M].北京:電子工業出版社,2009:145-152.

[9] 樊昌信.通信原理[M].北京:國防工業出版社,2003:158-163.

[10] 高波,趙剛,夏吉龍.戰炮班通信需求與技術實現分析[J].火力指揮與控制,2013,38(11):176-178.

[11] 周冬辰,周吉.軍事通信.第二版[M].北京:國防工業出版社,410-415.

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

海司軍訓部項目(編號:2013072145)資助。

聶衛國,男,碩士,教授,研究方向:計算機仿真與虛擬現實。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.018