分布式作战指挥模拟训练系统中语音通信仿真研究*

聂卫国

(海军陆战学院 广州 510430)



分布式作战指挥模拟训练系统中语音通信仿真研究*

聂卫国

(海军陆战学院 广州 510430)

传统的分布式作战指挥模拟训练系统中存在通信模块可控性差、操作使用复杂等问题,为此设计和实现了新型的多功能语音通信仿真系统。提出了系统的总体结构,对系统中的语音服务器、语音客户端和通话器进行了设计,详细阐述了系统涉及的四项关键技术及其实现方案。实际应用的结果表明所设计和实现的多功能语音通信仿真系统能够满足部队指挥训练的要求。

语音通信; 仿真系统; 语音传输; 通话质量

Class Number TP391.9

1 引言

语音通信仿真是分布式作战指挥仿真训练系统的重要组成部分,传统语音通信仿真通常采用小型程控电话系统来实现,在该方式下的语音通信导演端可控性差,通播、监听等操作复杂,客户端与实战中的无线电台操作方式不一致。为提高模拟训练的质量和效果,需要研制一个多功能语音通信仿真系统,该系统应该能够实现以下功能:

1) 与实装无线电台人机接口一致,便于使用人员的操作;

2) 导调人员能够通过该系统对语音通信过程进行控制,并能对各通话端进行监听和通播;

3) 考虑到战场环境的复杂性,必须能够仿真不同通话环境对通话质量的影响[10]。

为了达到以上目的,多功能语音仿真系统采用了多种关键技术来实现,主要是语音的采集和传输以及不同环境下通话质量的变化,前者采用软件编程的方式实现,后者则通过分析不同环境对通话质量造成影响的原理,以硬件方式实现。

论文在分析了现有语音通信仿真存在的问题,基础之上,提出了改进的方向和所涉及的关键技术及实现方案;对系统的总体结构和各分系统的功能进行了设计;并对系统实现中所涉及的关键技术的实现进行了详细描述;最后对系统在实际应用中的效果进行了总结。

2 多功能语音通信仿真系统的设计

2.1 系统的总体结构

多功能语音通信仿真系统由语音服务器、语音客户端和通话器三部分组成,系统的总体结构如图1所示。

语音服务器和客户端均部署于普通PC机上,通过10M/100M自适应以太网络进行连接。导调人员使用语音服务器对语音通信过程的监视和控制;语音客户端则分别给导调人员和受训人员使用,导调人员通过语音客户端进行情况通报和训练指示,并且各客户端还可以仿真各类通话环境,同属一方的受训人员则通过语音客户端相互通信。通话器则通过外部接口连接到各语音客户端计算机,负责语音的输入和回放。

图1 多功能语音通信仿真系统总体结构

2.2 语音服务器设计

语音服务器主要实现三大功能,分别是用户管理、信道分配和通话监听,图2是语音服务器的UML用例图。

图2 语音服务器的UML用例图

1) 用户管理

在语音服务器中事先建立好用户管理数据库,设置语音客户端登录的用户名和密码。通过开辟专用的侦听端口,接收并认证用户的登录,一旦认证通过,将用户切换到默认的信道,等待用户下一步的操作。

如果某用户离线,其对应的语音客户端向语音服务器发送离线消息,语音服务器接收到该消息后,停止对其进行语音数据传输,将其从相应信道的组播列表中删除,同时通知其他语音客户端。

2) 信道分配

在实际的作战指挥系统中,各作战单元一般是通过超短波通信[8～9],基本工作在甚高频(VHF)和特高频(UHF)两个频段,常用频率范围为30MHz～900MHz,大量的民用与军用无线电设备均是在这一频率区间工作[1,11]。

本文设计的战术指挥仿真训练系统中,共模拟了32个信道,红方为1～16信道,蓝方为17～32信道,其中红方的16信道和蓝方的32信道属于专用信道,用于与导调人员通信。在语音客户端进行连接时,由导调人员通过语音服务器为其分配信道,并将各客户端的信道号进行存储,只有处于同一信道的语音客户端才能互相通信。在仿真过程中,受训人员可以通过语音客户端向导调人员申请变更信道,导调人员则根据申请合理与否决定是否变更(例如红方受训人员申请切换到蓝方信道就是不合理的),一旦决定变更,则对对应的客户端信道号进行修改并再次存储。

3) 通话监听

语音服务器还可以用于实时监听红蓝双方的通话情况,并且能够将各信道的语音录制下来,用于演习后的分析和讲评。

2.3 语音客户端设计

语音客户端主要实现三个功能:模拟超短波无线电台的界面、语音通信以及仿真通话环境,图3是语音客户端的UML用例图。

图3 语音客户端的UML用例图

1) 模拟超短波无线电台界面

为了使受训人员通过多功能语音通信仿真系统能够获得真实的训练体验,一个与实际无线电台操作界面一致的仿真操作界面是十分必要的。仿真操作界面与实际操作界面越一致,受训人员从仿真训练到实装操作的过渡时间越短。

为此,本文在客户端设计的操作界面上仿真了我军目前常用的超短波电台界面,旋钮、按钮、指示灯等元器件布置和操作方式与真实界面相同,为了简单模拟卫星通信,在此增加了短信息发送功能。语音客户端的操作界面如图4所示。

2) 语音通信

语音客户端将通话器送入的语音进行压缩处理,并将压缩后的语音数据通过网络传送给语音服务器,并由语音服务器转发给信道相同的其他语音客户端。对应,语音客户端也需要具有解压语音数据并进行回放的功能。

图4 语音客户端的操作界面

对于导调人员使用的客户端,具有较高的通话权限。除了变更自身的信道,与指定的受训人员客户端进行通信之外。还可以通过发送消息,强制激活各受训人员客户端的16信道或者32信道,将命令、指示和情况通报等信息广播或者组播出去。

3) 仿真通话环境

在实际作战中,超短波通信的质量易受多个因素的影响,主要包括地球曲率、通信天线高度以及敌方的电子干扰[2]。因此,应通过分析这些因素对通话质量影响的机理,建立相应的数学模型,语音客户端应设置通话环境仿真模块在运行时调用相应的数学模型,产生真实情况下的通话环境。

2.4 通话器设计

图5 超短波无线电台的手麦

实际指挥系统中,各战位通过与超短波电台连接的手麦进行通话,如图5所示。

为了贴近实战,采用半实物仿真的方法,将普通超短波电台的手麦直接连接到计算机的声卡,但是PC机的声卡输出无法驱动手麦的扬声器,因此,必须为手麦和PC机之间增加一级功率放大器,与共同构成语音通话器,解决手麦的语音输出问题。本文设计的功率放大器电路如图6所示。

图6 手麦功率放大器电路

功率放大器主要采用了TDA2822集成功放,通过其BTL输出驱动单声道的手麦扬声器。功率放大器采用计算机USB供电,功率可以达到4W,经过测试,改造后输出声音足够清晰洪亮,在多人在同一房间同时使用时也能够顺利通信,达到了设计要求。

3 关键技术及其实现

3.1 语音采集和回放

语音采集是指对声卡的语音输入数据进行采样,语音回放则是指将多路语音数据流同时发送给声卡。语音的采集和回放都涉及到对声卡的操作。

Windows平台上对声卡进行操作提供了Direct Sound API、底层音频API和MCI API三种编程接口,其中Direct Sound具有直接、高效、可直接实现混放等优点,是进行声卡操作首选API[3]。

本文主要应用Direct Sound中的IDirectS-oundCapture、IDirectSoundBuffer、IDirectSoun-dNotify以及IDirectSound这四个接口实现语音的采集和回放。其中,IDirectSoundCapture接口采集语音数据,并将语音数据存放于IDirectSoundBuffer接口开辟的语音缓冲区中,IDirectSound从语音缓冲区取出语音数据进行多路回放,IDirectSoundNotify接口用于管理和协调各语音缓冲区。

3.2 语音压缩和解压

语音数据量通常较大,为了在网络上进行语音数据传输,避免阻塞、延时等现象,需要在语音通信的双方对语音数据进行压缩和解压处理。

国际电信联盟(ITU)于1996年提出了一种G.729的语音压缩方案,实现了共轭结构代数码激励线性预测的语音编码算法。该方案在8 kbits码率下具有较好的语音编码质量,且延迟较短,因此在IP电话、移动通信、多媒体网络通信以及各种手持设备中具有广泛应用[4]。

G.729A可看作时G.729的简化版本,在保证编码质量的同时,降低了编码复杂度。ITU提供了G.729A的C语言实现接口,提供了众多编码/解码函数。本文利用G.729A的C API编程实现语音数据的压缩和解压,经测试,压缩后的语音数据的传输带宽仅为6bps。

3.3 语音传输

语音服务器与各语音客户端组成一个局域网络,压缩后的语音数据在网络上进行传输。Windows Socket是以U. C. Berkeley大学BSD Unix中的Sockets接口为规范,定义的一套在微软Windows环境下的网络编程接口[5]。本文应用Windows Socket中的流式套接字,构建起基于TCP/IP协议的面向连接的语音传输环境。应用Windows Socket进行语音传输的流程如图所图7所示。

图7 Windows Socket进行语音传输的流程

3.4 不同环境下通话质量的变化

文献[6]指出,超短波通信应限制在一定距离范围内,超出此距离,则无法实现通信,超短波通信的有效距离D可由式(1)计算得到。

(1)

其中,H1和H2分别是语音发送端和接收端超短波电台天线的高度。

在有效通信距离内,语音通信质量还会受到敌方干扰的影响,文献[7]给出了语音通信的清晰度P的计算公式,如式(2)所示。

P=1-exp[-0.06128×(S/J+12)1.6951]

(2)

其中,S为通信功率,J为干扰功率。

需要注意的是,干扰源必须与语音通信发起端处于有效干扰距离Dj之内,才能对语音通信实施有效干扰,否则对语音通信的质量无影响,Dj计算公式如式(3)所示。

(3)

其中,D为无干扰条件下超短波通信的距离,Pj和Pt分别是干扰机和发信机的功率,ΔFj和ΔFt分别是干扰带宽和通信带宽,Kj为干扰系数。

4 结语

通过本文方法开发的多功能语音通信仿真系统有效地实现了超短波无线电台仿真通信功能,已经成为某型指挥训练仿真系统的子系统,并在海军多个部队得到应用,部队使用的反馈情况表明:本文设计实现的多功能语音通信仿真系统运行稳定可靠,占用带宽流量小;模拟的通话环境与部队实际装备面临的通话环境基本一致;操作界面和实际装备高度一致友好,受训人员经过仿真系统训练后,即可在实际装备上进行操作,大大提高了训练的效率。

[1] 罗一锋,李含辉,黄继进.超短波通信链路分析[J].现代电子技术,2006,19(9):41-44.

[2] 鲁远曙.超短波通信在未来舰船编队中应用分析[J].舰船电子工程,2008(8):9-10.

[3] [美]Robert Dunlop. DirectX 7速成教程[M].孙守迁,王剑,杨勤,等译.北京:机械工业出版社,2002:65-90.

[4] 王伟,王伟达,郭恒业.G.729A语音压缩算法分析及DSP实现[J].计算机工程与应用,2007,43(8):88-102.

[5] 孙海民.精通Windows Sockets网络开发——基于Visual C++实现[M].北京:人民邮电出版社,2008:58-63.

[6] 张欣景,赵志军,谢国新.通用超短波语音通信仿真模块的设计与实现[J].舰船电子工程,2010,30(9):113-116.

[7] 李有才,雷革.超短波电台原理[M].北京:海潮出版社,2005:123-135.

[8] 于全.战术通信理论与技术[M].北京:电子工业出版社,2009:145-152.

[9] 樊昌信.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2003:158-163.

[10] 高波,赵刚,夏吉龙.战炮班通信需求与技术实现分析[J].火力指挥与控制,2013,38(11):176-178.

[11] 周冬辰,周吉.军事通信.第二版[M].北京:国防工业出版社,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

海司军训部项目(编号:2013072145)资助。

聂卫国,男,硕士,教授,研究方向:计算机仿真与虚拟现实。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.018