多模擬器集成的船用ＶＨＦ通信仿真系統(tǒng)

余立立　施朝健　黃震民　胡勤友

摘 要：為提高航海模擬器的訓(xùn)練質(zhì)量, 提出基于因特網(wǎng)技術(shù)的新型船用VHF通信仿真系統(tǒng).該系統(tǒng)以各本船將各自設(shè)定的頻道狀態(tài)信息由VHF終端經(jīng)客戶機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)上傳給服務(wù)器的方式建立系統(tǒng)總體構(gòu)架,通過語音終端的硬件設(shè)計(jì)、語音終端的嵌入式控制軟件設(shè)計(jì)完成系統(tǒng)集成. 在互聯(lián)網(wǎng)公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的實(shí)踐表明, 構(gòu)建在互聯(lián)網(wǎng)上的船用VHF通信仿真系統(tǒng),對(duì)擴(kuò)大訓(xùn)練范圍、提高航海教學(xué)效果、增強(qiáng)學(xué)習(xí)互動(dòng)性提供有效手段.

關(guān)鍵詞：VHF通信； 模擬器； 集成； 因特網(wǎng)

中圖分類號(hào)：U675.75；TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Ships VHF simulator system integrated by multiple simulators

YU Lili, SHI Chaojian, HUANG Zhenmin, HU Qinyou

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)

Abstract： In order to improve the navigation simulators training quality, a new-style ships VHF simulator system is proposed based on Internet. In this system, the system overall framework is set by channel status messages which are set by each ship and are sent to the upper server through the network by VHF terminals. The hardware design of voice terminals, the embedded control software design of voice terminals are composed to the system integration. The practice by the public Internet platform indicates that the ships VHF simulator system built on Internet provides an effective method to extend the scope of training, improve the navigation teaching effect and enhance the interactive learning.

Key words： VHF communication;simulators; integration; Internet

0 引 言

船用VHF通信仿真系統(tǒng)是航海模擬器的子系統(tǒng)，是現(xiàn)代航海教學(xué)的組成部分.船員通過VHF通信仿真系統(tǒng)的訓(xùn)練，可熟悉船上VHF設(shè)備的通信方式.船用VHF通信仿真系統(tǒng)不但具有各種VHF通信設(shè)備的操作方法，而且因其不發(fā)射射頻無線電波，無須通過無線電管理委員會(huì)就可無限制使用［1］.目前，船用VHF通信仿真系統(tǒng)一般有2類：

（1）在航海模擬器上安裝真正的無線通信系統(tǒng)，完全按照實(shí)戰(zhàn)要求進(jìn)行訓(xùn)練.這種方式由于和實(shí)際情況完全吻合，船員受訓(xùn)的仿真度高，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練本身內(nèi)在的意義.但是，如果發(fā)射功率控制不好，有可能對(duì)岸上的頻道產(chǎn)生干擾.

（2）采用有線模擬訓(xùn)練系統(tǒng).如上海海事大學(xué)自行研制并通過鑒定的SMU-IV型航海模擬器安裝的VHF訓(xùn)練系統(tǒng).［2］該系統(tǒng)的VHF單元分為主控臺(tái)部分和本船部分，其中主控臺(tái)部分用于與各本船的通信及監(jiān)聽各本船間的通信聯(lián)系，同時(shí)承擔(dān)代表物標(biāo)船的回話和呼叫等通信任務(wù)；本船部分主要用于與主控臺(tái)及其他本船間的通信.由于這種系統(tǒng)采用有線系統(tǒng)，故其優(yōu)點(diǎn)在于能避免周邊無線電波的射頻干擾,同時(shí)，由于在操作使用和功能上模擬實(shí)船的VHF話機(jī)，故可有效模擬真實(shí)場(chǎng)景.但其受訓(xùn)距離有限，僅在以主控臺(tái)為中心的若干本船模擬器的區(qū)域模擬真正的VHF系統(tǒng)；另外，由于其采用有線模擬語音信號(hào)的傳輸通信，所以抗干擾能力及穩(wěn)定性不如數(shù)字化通信.［3-4］.

本文提供新型的船用語音通信仿真系統(tǒng).其研制來源于上海海事大學(xué)主持承擔(dān)的國(guó)際合作研究項(xiàng)目——“基于因特網(wǎng)的多模擬器集成（Internet Based Integration of Multiple Ship Handling Simulators）”項(xiàng)目中“VHF模擬通信”子系統(tǒng)，采用數(shù)字語音通信技術(shù)替代傳統(tǒng)的船用語音通信仿真系統(tǒng)中模擬語音信號(hào)的傳輸，有效提高語音通信質(zhì)量；還可將船用語音通信仿真功能建立在因特網(wǎng)的構(gòu)架上，不僅形成單個(gè)航海模擬器中各本船間的實(shí)時(shí)語音通信，而且可通過因特網(wǎng)與其他航海模擬器中的船只互連通信，有效擴(kuò)大訓(xùn)練范圍，增強(qiáng)訓(xùn)練的靈活性、互動(dòng)性和國(guó)際性.［5］

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1.

（1）各本船將各自設(shè)定的頻道狀態(tài)信息由VHF終端經(jīng)客戶機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)上傳給服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)各頻道進(jìn)行統(tǒng)一管理，確定收發(fā)對(duì)象，同時(shí)，各本船設(shè)定的頻道狀態(tài)也顯示在VHF終端的數(shù)碼管上.

（2）呼叫方船只的VHF終端將處理后的數(shù)字語音信號(hào)經(jīng)客戶機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)上傳給服務(wù)器.

（3）服務(wù)器將接收到的數(shù)字語音信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)下傳給對(duì)應(yīng)頻道同一模擬器的其他本船或其他模擬器相應(yīng)本船的VHF終端.

系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)同一航海模擬器中各本船間的實(shí)時(shí)語音通信，還可通過因特網(wǎng)與其他航海模擬器中的船只互連通信.［6-7］

2 語音終端的硬件電路設(shè)計(jì)

語音終端硬件系統(tǒng)由語音數(shù)據(jù)采集、回放單元，語音壓縮解壓?jiǎn)卧瑪?shù)據(jù)處理、傳送及接收單元，時(shí)鐘同步電路單元，鍵盤、顯示單元以及串口電平轉(zhuǎn)換單元構(gòu)成，見圖2.

（1）本船的語音信號(hào)經(jīng)話筒聲電轉(zhuǎn)換后，由數(shù)據(jù)采集單元的A/D轉(zhuǎn)換部分對(duì)其進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換為PCM數(shù)字量，然后由語音壓縮單元壓縮編碼，最后數(shù)據(jù)處理單元將壓縮編碼后的數(shù)據(jù)由串口傳送給PC機(jī)，由PC機(jī)將從串口接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成IP語音包，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器傳送給對(duì)應(yīng)尋址的其他本船.

（2）PC機(jī)將從網(wǎng)絡(luò)接收到的語音IP包轉(zhuǎn)換成語音壓縮數(shù)據(jù),然后通過串口下傳給本船語音終端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元，由語音解壓?jiǎn)卧獙臄?shù)據(jù)處理單元接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮，由數(shù)據(jù)回放單元的D/A轉(zhuǎn)換部分將解壓后的語音PCM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，經(jīng)放大電路放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器輸出.

（3）語音終端系統(tǒng)一方面可設(shè)定本船狀態(tài)，如本船頻道，并顯示在終端系統(tǒng)的數(shù)碼管上；另一方面可將本船設(shè)定狀態(tài)由數(shù)據(jù)處理單元通過串口傳送給PC機(jī)，再由PC機(jī)上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器建立數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理各本船頻道，以利于網(wǎng)絡(luò)傳輸.

由于涉及語音信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)字化通信，而數(shù)字通信中語音信號(hào)直接數(shù)字化所需的編碼速率太高,為提高傳輸和存儲(chǔ)的效率,充分利用信道容量,必須對(duì)數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼.通過降低編碼速率，可使同樣的信道容量傳輸更多路的語音信號(hào)，在傳輸比特率限制十分嚴(yán)格的場(chǎng)合，低速率語音編碼具有特別重要的意義.

在硬件電路板的開發(fā)中，采用DVSI公司的基于全雙工聲碼器芯片AMBE-1000，其核心是內(nèi)嵌有MBE多帶激勵(lì)語音壓縮編碼算法的數(shù)字信號(hào)處理器.MBE多帶激勵(lì)語音壓縮編碼算法是既滿足低速率傳輸要求，又具有高通話質(zhì)量的語音壓縮算法，該芯片還具有用戶可選擇糾錯(cuò)碼率、話音激活及噪聲嵌入、雙音多頻(DTMF)信號(hào)檢測(cè)及合成和回聲抵消等功能，編碼速率為2.4～9.6 Kb/s，在低速率和較強(qiáng)背景噪聲下具有較好的語音質(zhì)量，因此，在車、船載移動(dòng)衛(wèi)星語音通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，國(guó)際海事衛(wèi)星組織（Inmarsat）已把MBE多帶激勵(lì)語音壓縮編碼算法應(yīng)用于其各代衛(wèi)星語音通信系統(tǒng)中.因此，基于MBE算法的特點(diǎn)，在系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)中選取AMBE-1000芯片完成核心功能，即語音壓縮和解壓?jiǎn)卧脑O(shè)計(jì).［8］

3 控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 語音終端的嵌入式控制軟件設(shè)計(jì)

嵌入式控制軟件主要包括主控程序、按鍵譯碼處理子程序、上傳語音處理子程序以及下載語音處理子程序4個(gè)部分(見圖3)，其中涉及微控制器的外中斷觸發(fā)響應(yīng)、串口中斷觸發(fā)響應(yīng)、軟件延時(shí)消抖及防程序跑飛等多項(xiàng)技術(shù)的編程.

微控制器初始化時(shí)要進(jìn)行串口波特率的設(shè)置，為保證RS-232串口通信過程中的數(shù)據(jù)完整性，設(shè)定下位機(jī)（MCU）與上位機(jī)（PC）之間串口通信的波特率為19 200 b/s.此外，對(duì)上傳語音的判別實(shí)質(zhì)上是通過查詢外中斷響應(yīng)程序中的標(biāo)志位狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的；而是否下傳語音的判別，實(shí)質(zhì)上是通過查詢串口接收中斷響應(yīng)程序中的標(biāo)志位狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的.在具體處理語音傳送的過程中，實(shí)際由微控制器通過與AMBE-1000芯片的數(shù)據(jù)線及相應(yīng)的讀寫控制線,采用并行幀格式的交互完成,而語音本身的壓縮和解壓完全由AMBE-1000芯片自行完成.

3.2 PC機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)

PC機(jī)的控制軟件主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：(1)通過串口接收VHF語音終端上傳的語音壓縮數(shù)據(jù)以及本船的狀態(tài)信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)將此信息發(fā)送給服務(wù)器；(2)通過網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器接收語音壓縮數(shù)據(jù)，然后通過串口將語音壓縮數(shù)據(jù)下傳給指定的VHF語音終端.

因此， PC機(jī)的控制軟件的設(shè)計(jì)主要涵蓋2個(gè)部分:(1)同語音終端的RS-232串口的通信，采用Microsoft的通信控件MSComm來實(shí)現(xiàn)；(2)同服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信，采用Winsock控件來實(shí)現(xiàn)，并編寫基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸程序.

上位PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)程序的具體模塊包括各按鈕的觸發(fā)事件、定時(shí)器的輪詢、串口通信、網(wǎng)絡(luò)互連、啟動(dòng)初始化以及退出應(yīng)用程序等若干模塊.

4 結(jié)束語

基于因特網(wǎng)技術(shù)的新型船用VHF通信仿真系統(tǒng)采用數(shù)字語音通信技術(shù)替代傳統(tǒng)的模擬語音信號(hào)傳輸，實(shí)踐證明，在抗干擾及穩(wěn)定性方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸，有效地抑制自激振蕩引起的噪聲.該系統(tǒng)不僅繼承傳統(tǒng)船用語音通信仿真系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和功能，而且還將船用語音通信仿真系統(tǒng)擴(kuò)展建立在上位PC機(jī)及因特網(wǎng)的構(gòu)架上，從而形成航海模擬器中各本船之間實(shí)時(shí)語音通信以及通過互聯(lián)網(wǎng)與其他航海模擬器中的船只互連通信，有效地?cái)U(kuò)大訓(xùn)練范圍，增強(qiáng)訓(xùn)練的靈活性、互動(dòng)性和國(guó)際性.［9］在語音終端設(shè)計(jì)中采用內(nèi)嵌多帶激勵(lì)語音壓縮編碼算法的商業(yè)化數(shù)字信號(hào)處理芯片AMBE-1000，有效降低語音信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)难舆t時(shí)間，保證通信質(zhì)量，一方面加強(qiáng)現(xiàn)代化的航海教學(xué)手段，另一方面必將有效提升大型航海模擬器自身的科技含量，為電子海圖及雷達(dá)圖像的網(wǎng)際互連通信在今后航海訓(xùn)練中的進(jìn)一步應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).［10］

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(編輯 陳鋒杰)