基于语义报文的干扰效果评估系统设计

王烟青，袁仕继，刘志华，张家伟

（中国人民解放军63888部队 河南 济源 454650）

干扰效果评估是通信对抗试验中一项非常重要的试验题目，而收发报文又是干扰效果评估的常用方法。该方法采用“发报——抄报——对比”的方式进行，简单易用。但在试验中，发现该方法存在以下3个问题[1]：

1）试验中的报文没有语义，是任意选取的数字组合。没有语义的报文在校对时无法根据上下文联系对含糊部分进行修正，干扰效果评估结果是根据收发双方报文对比统计得出。采用没有语义的报文评估干扰效果时，其有效性仅与抄报正确率有关，而与报文代表的内容无关。

2）在试验中，一项试验题目，甚至整个试验期间，往往只有一段报文。这段报文反复发送多次，接收方报务员甚至可凭记忆而不是听力来抄收报文，降低了试验结果的有效性。

3）报务员业务能力直接影响试验结果[2]。发信方报务员语音清晰度和标准度、收信方报务员听力和抄报熟练程度都会影响试验结果，导致人为因素增大。而且，由于话报对报务员要求低，所以试验中多采用话报，很少采用键报，但实战通信中，键报具有较强的抗干扰能力从而得到更多的运用，试验方法与实战情况脱节。

上述问题在试验中普遍存在，一定程度上影响了试验结果的可信度，必须认真加以解决。

1 问题解决思路及总体设计

1.1 解决思路

针对试验中存在的上述问题，我们研究了实战通信的情况，分析了实战通信的特点，并以此为依据，制定以下改进方法，使试验中的通信更符合实战通信的情况。

1）实战条件下的通信中，一段报文就是一个命令或文书，有明确的语义。有语义的报文，在收方将报文译成命令或文书时，可以补充相应助词，纠正明显错误，比较双方语义，还原这个命令或文书。这种情况下，既使通信受到部分干扰，作战意图往往也能准确的下达。因此应采用有语义约束的报文作为试验中使用的报文。

2）实战时每次通信的报文一般不相同，基本没有记忆因素的影响，因此试验中，也应采用多段报文，消除记忆因素的影响。

3）试验中，发送方发送合成的话报声音文件，或用计算机控制继电器开合，接收方抄收报文并录制声音，事后还可由多名报务员听录音并校对报文，可最大限度地减少人为因素对试验结果的影响。

1.2 总体设计

根据上述改进方法，我们设计了新的试验流程，如图1所示。

1）试验准备阶段

图1 试验流程Fig.1 Test process

试验准备阶段完成命令或文书到话报声音文件或键报编码文件的转换。首先编辑若干条命令或文书；其次将每一条命令或文书转换成相应的报文；最后将每段报文合成为相应的话报声音文件或键报编码文件，存储起来备用。

2）试验过程

话报试验[3]时，发送方使用计算机音频输出作为电台的音频输入，按照试验题目发送对应的话报声音文件；键报试验时，用计算机并口连接电台，按照试验题目调入键报编码文件，控制继电器开合发送键报。接收方则由报务员抄报并由计算机录音。话报时，除可用计算机连接电台外，亦可用便于携带的MP3播放器连接电台，用于录放声音，方便试验。

3）结果处理

采用两种方法给出干扰效果评估结果[4-5]：一种是传统的人工抄报统计错误组数方法，它能给出初步的干扰情况；另一种是计算机辅助校报方法，通过语义的联系，还原文字，比较语义，给出基于语义的评估结果。

2 软件设计

本系统软件按功能可分为6个模块，如图2所示。

图2 软件模块Fig.2 Software module

1）用户界面模块

用户界面模块是计算机与人之间交互操作的界面。通过用户界面，操作员可以控制其它几个模块，完成系统要实现的所有功能。

2）文本编辑模块

文本编辑模块实现命令或文书的编辑、存储、读取等功能，并可将打开的命令或文书传送给报文转换模块。

3）报文转换模块

报文转换模块实现将命令或文书转换成对应报文功能。实战通信一般用密钥来转换，我们则采用一个简单的方法转换。其原理为：一个汉字在计算机中用两个字节表示，这两个字节各减去160，就是这个汉字对应的区码和位码。字节数值的最大值为255，255-160=95，所以区码或位码是一个不超过两位的数串。因此，一个汉字用区位码表示出来，是一个4位数串。4个数字构成一组报文，因此一个汉字正好为一组报文。一段有语义的文字按此方法转换为一段有语义的报文，完成了报文转换的功能。

4）合成模块

合成模块将报文合成为话报声音文件和键报编码文件。利用标准语音库，合成话报声音文件，采用WAVE格式存储；利用莫而斯码表，合成键报编码文件，采用文本方式存储。文件名与试验题目相对应，以便试验时调用。

5）播放/录音模块

播放/录音模块实现用计算机播放报文声音文件或控制电台发射键报和对电台接收到报文进行录音的功能。发射话报的功能可由计算机实现，亦可用MP3播放器来完成；发射键报需由计算机完成。录音功能计算机和MP3播放器均可完成。

6）辅助校报模块

辅助校报模块在计算机上实现将报文译成文字的功能。操作员将报务员抄收到的报文输入到计算机，完整的报文分组直接译成汉字，不完整的报文分组，计算机列出备选汉字，使操作员根据上下文联系选出合乎语义的文字，这样就能将一段报文译成一段命令或文书。比较收发双方语义，可以得出基于语义报文的干扰效果评估结果。

3 软件实现

在各个软件模块中，合成和辅助校报是本系统的关键，其它模块相对简单，因此，在这里仅详细阐述这2个模块的实现。

3.1 合成模块

合成模块如图3所示。话报存储为声音文件，采用WAVE格式的文件；键报存储为键报编码文件，是笔者定义的文本格式的文件。

图3 合成模块Fig.3 Synthetic module

1）WAVE 文件格式

电台音质和电话音质相同，带宽为300～3 000 Hz。根据抽样定理[7]，电话音质的声音在计算机中可用8 K采样速率的8-bit Mono WAVE文件存储。但我们发现，11 K采样速率的WAVE文件通用性更强，因此我们采用的是11 K采样速率的8-bit Mono WAVE文件。下面我们来分析一下WAVE文件的格式。

WAVE文件是一种RIFF文件，扩展名为“.WAV”。RIFF文件是Windows系统支持的多媒体文件，是集数据、描述、格式、播放列表等内容为一体的分段（Chunk）文件[8]。每个RIFF文件都是由一个RIFF头，若干个RIFF段组成。

RIFF头（RIFF Header）：RIFF文件有一个8字节的头，后面紧根4字节的标识，WAVE文件的标识为“WAVE”。如图4所示。

图4 RIFF头Fig.4 RIFF header

RIFF 段 （RIFF Chunks）：RIFF 文件中，RIFF 头后面的部分分成若干个“段”，每段都是由8字节段头和数据流组成。

图5 RIFF段Fig.5 RIFF segment

WAVE文件在RIFF头后，所支持的段有6种，但有2种是必须的，即fmt-ck和wave-data，简单起见，文中仅分析这两种段。

fmt-ck：说明WAVE文件格式的段，由公共域和特定域组成。图6为8-bit Mono格式的WAVE文件的fmt-ck段结构。

图6 fmt-ckFig.6 fmt-ck

wave-data：存储的是PCM（脉冲编码调制）数据，也就是每一个数据即为该点采样值，其结构如图7所示。在8-bit Mono PCM WAVE文件中，每一个采样数据都是无符号的8位整数，其采样的中值为128（0x80），最小值为0，最大值为255（0xFF）。

图7 wave-dataFig.7 wave-data

综上所述，文中采用的8-bit Mono WAVE文件如图8所示。

图8 WAVE文件格式Fig.8 WAVE file format

2）话报合成

如图3所示，合成话报声音文件时，需要用到标准语音库。这里的标准语音库是指录制的10个数字的声音文件，分男女声，各自存储为 M0.wav～M9.wav和 F0.wav～F9.wav，共 20个文件。

在试验准备阶段，完成报文准备后，要根据试验大纲要求，设定话报的参数（码速、男女声），合成话报声音文件。其过程为：

①将所需的语音库文件数据段读入内存；

②创建一个声音文件，按图8将格式数据写入文件，Len1、Len2 先留空；

③根据报文，在声音文件数据段的恰当位置插入对应的语音数据，在语音数据后面插入适当长度的空白声音数据（128）；

④完成语音合成后，根据数据段的长度，修改此声音文件中的Len1和Len2，保存文件。

需要注意的是，当话报码速很高时，各个数字的声音数据之间不仅不能插入空白，而且还要截去一段，声音文件播放出来就会很难听懂。当然，通过改进语音库，缩短单个数字声音文件长度，可满足更高速率的要求，但此时码速往往是高达200码/分以上，极少在试验中使用。文中的语音库是按常用码速录制的，符合试验的要求。

3）键报合成

键报合成的是键报编码文件。键报实际是长短不同的单音和间隔的组合，要利用计算机控制电台，实现键报发射的功能。键报短音听起来是“嘀”，用“.”表示；长音听起来是“嗒”，用“-”表示。数字按莫尔斯码转换为“嘀嗒”组合，首先分析一下莫尔斯码。

0～9十个数字用莫而斯码表示如表1。按照莫尔斯码规定，“.”时长为单位 1，“-”时长为 3，每个单音之间间隔时长为 1，每个数字之间间隔时长为3，4个数字为一组，组间隔时长为5。

对指定码速的键报，首先要确定时长单位，即“嘀”有多少秒。时长单位推导过程如下。设数字出现概率按平均分布，不考虑组间隔，则数字的平均时长为：

（6+8+10+16+14+12+14+16+10+8）/10=11.4

组间隔多出来2个时长，修正后数字的平均时长为：

（11.4×4+2）/4=11.9

由此可知，给定码速speed后，时长单位为：

60/（speed*11.9）秒。

表1 莫尔斯码Tab.1 Morse code

上式即为“嘀”音的长度，它是键报中最基本的时长单位。

合成键报编码文件就是将报文转换为控制继电器开合的控制指令，其中，合状态有2种，对应“嘀”、“嗒”；开状态有3种，对应单音间隔、码间隔和组间隔。这5种状态按表2编码，编码第一位为开合状态位，“0”为开，“1”为合；第二位为时长位，用该数字乘以时长单位，即为持续时间。

表2 编码表Tab.2 Encode table

按照表2，可将一段报文转换为一段控制指令，在试验中，用计算机的并口控制电台进行键报发射。计算机并口的数据端口地址为0x378，数据位0～7对应针2～9。计算机并口为TTL电平，使用数据端口中的任一位，配合辅助电路，通过置“1”或“0”来控制继电器开合，从而使电台完成键报的发射。

3.2 辅助校报

辅助校报功能的实现从原理上讲并不复杂，它利用计算机查表列出不完整报文分组的备选汉字，辅助操作员从备选汉字中选择出最恰当的汉字。

表3是一个辅助校报的例子。表中第一行为报务员抄收的报文，模糊位用“?”填充，第二行为译回的汉字，模糊处给出备选汉字。以第二组报文为例，“2?90”区码不定，位码已定，计算机列出“2090”、“2190”、…“2990”共 10 个备选汉字供操作员选择。依此类推，这段报文经过辅助校报，可以译为“中国人民解放军”。这段报文的干扰效果评估结果，传统方法正确率为2/7，即28.6%；而基于语义的方法可判定为正确，两者结果差别显著。

当然，也可以人工的从区位码表里面查找备选字，但这是人所不擅长的重复劳动，这也是计算机最擅长的重复劳动。辅助校报利用计算机查找备选字，可以大大提高校报效率。

表3 辅助校报例子Tab.3 Auxiliary checking message example

4 结束语

本系统着眼于通信对抗试验中干扰效果评估方法存在的不足，分析了其原因，并设计了一套基于语义报文的干扰效果评估系统，可有效地改进现行通信对抗干扰试验中干扰效果评估方法的不足，有利于提高试验的有效性和可靠性。文中的研究具有很高的应用前景，值得我们进行研究开发。

[1]宋玉凤，陈锋，刘志华，等.语义客观报文生成方法及干扰效果评估系统[J].电声技术，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.

[2]鲁音隆.多兵种联合作战战役任务计划方法研究 [D].长沙:国防科学技术大学，2004.

[3]关晓谦.用战术和技术指标评估搜索雷达压制干扰/抗干扰效果[D].长沙:国防科学技术大学，2002.

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[5]丁一，李小宁，杨志祥，等.电子对抗中噪声干扰效果评估[J].舰船电子对抗，2009（6）:40-42.DING Yi，LI Xiao-ning，YANG Zhi-xiang，et al.Evaluation of noise jamming effect in electronic countermeasure[J].Shipboard Electronic Countermeasure，2009（6）:40-42.

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