短波電臺(tái)數(shù)字化訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李鑫

（軍委裝備發(fā)展部軍事代表局駐武漢地區(qū)軍事代表室，江西九江 332000）

0.引言

數(shù)字化短波電臺(tái)經(jīng)過多年發(fā)展，形成了手鍵報(bào)、模擬話、數(shù)字話、數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)報(bào)等多種通信業(yè)務(wù)。定頻、跳頻、自適應(yīng)、自動(dòng)控制等多種波形模式為一體的專業(yè)化數(shù)字通信設(shè)備。既可進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬語音的呼叫，也可進(jìn)行更加復(fù)雜的文件傳輸，多臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)通信等工作。因此專業(yè)化的短波電臺(tái)需要專業(yè)而熟練的操作人員。本文通過設(shè)計(jì)一種使用網(wǎng)絡(luò)接的短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器設(shè)備，搭配教學(xué)訓(xùn)練軟件和電腦，搭建一套可以在教室內(nèi)完成的短波電臺(tái)教學(xué)訓(xùn)練和練習(xí)考試的電臺(tái)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，極大地方便了對(duì)短波電臺(tái)操作人員的教學(xué)、訓(xùn)練和考核。

1.短波電臺(tái)數(shù)字化模擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 短波電臺(tái)數(shù)字化模擬教學(xué)系統(tǒng)的整體構(gòu)架設(shè)計(jì)

短波電臺(tái)數(shù)字化模擬教學(xué)系統(tǒng)由一臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、一套網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)、一個(gè)教師席位和若干學(xué)員席位構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于數(shù)據(jù)庫的搭載，用于存儲(chǔ)訓(xùn)練題庫、教學(xué)資料、學(xué)員信息等數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)由單個(gè)或多個(gè)交換機(jī)組成，完成全部設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸控制。教師席位配備一臺(tái)安裝教學(xué)軟件的的電腦終端，主要功能是為學(xué)員安排教學(xué)內(nèi)容、監(jiān)控學(xué)員電臺(tái)操作情況、發(fā)布訓(xùn)練考試內(nèi)容和查看學(xué)員成績(jī)等。學(xué)員席位除配備一臺(tái)安裝教學(xué)軟件的的電腦終端外還額外配備一臺(tái)短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器設(shè)備，電腦供學(xué)員接收教學(xué)內(nèi)容、顯示訓(xùn)練題目、訓(xùn)練結(jié)果、考試試卷等，短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器設(shè)備供學(xué)員進(jìn)行短波電臺(tái)操作和使用的訓(xùn)練[1]。設(shè)備連接情況如圖1所示。

圖1 短波電臺(tái)模擬系統(tǒng)連接框架圖

1.2 短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)

短波電臺(tái)使用的頻率范圍為2MHz～30MHz的短波頻段，其通信特點(diǎn)為通信距離遠(yuǎn)、通信波長(zhǎng)長(zhǎng)，主要使用天波進(jìn)行通信。其常用的短波電臺(tái)的功率范圍有20W、125W、400W、1000W等。這也是真實(shí)短波電臺(tái)不適宜進(jìn)行集中教學(xué)訓(xùn)練的地方，因此短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器在設(shè)計(jì)上需要去除天線信號(hào)發(fā)射部分的功能，用有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式模擬實(shí)際無線連接，用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的傳輸來模擬無線電數(shù)據(jù)的傳輸。這樣可以簡(jiǎn)化真實(shí)短波電臺(tái)中天線、天調(diào)、功率放大器的設(shè)計(jì)，使室內(nèi)進(jìn)行多臺(tái)短波電臺(tái)通信實(shí)驗(yàn)的教學(xué)訓(xùn)練變?yōu)榭赡堋?/p>

短波模擬電臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)是對(duì)真實(shí)電臺(tái)使用環(huán)境的模擬，教學(xué)和訓(xùn)練的科目方式也應(yīng)該與真實(shí)電臺(tái)環(huán)境使用內(nèi)容保持一致，該模擬電臺(tái)前面板完全按實(shí)物電臺(tái)的仿制。其對(duì)外接口和實(shí)物電臺(tái)采用完全相同型號(hào)的連接器件，采用傳輸數(shù)據(jù)的格式和協(xié)議也和實(shí)裝電臺(tái)完全一致，還可以與其他模擬訓(xùn)練器進(jìn)行組網(wǎng)訓(xùn)練，模擬實(shí)物電臺(tái)在野外組網(wǎng)通信的實(shí)際效果，實(shí)現(xiàn)真正意義上數(shù)據(jù)交互和語音通信。

短波電臺(tái)操作的核心在對(duì)短波電臺(tái)面板的操作和對(duì)各種業(yè)務(wù)流程和通信模式的熟悉上。短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器的外觀部分和實(shí)際真實(shí)電臺(tái)保持一致，擁有相同的顯示屏、按鍵、接口以及結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)。同樣，短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器的顯示界面也完全仿照實(shí)物電臺(tái)設(shè)計(jì)。以此確保學(xué)員在使用模擬電臺(tái)學(xué)習(xí)操作和訓(xùn)練時(shí)有和實(shí)際真實(shí)電臺(tái)相同的認(rèn)知效果和操作手感[2]。

短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器采用網(wǎng)線進(jìn)行連接，需要額外的網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，此網(wǎng)口應(yīng)能完成模擬無線電數(shù)據(jù)包的傳輸和短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器的相關(guān)信息和操作數(shù)據(jù)的上報(bào)工作。短波模擬訓(xùn)練控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、操作簡(jiǎn)單、易于學(xué)習(xí)。同時(shí)，通過配置整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)便于模擬訓(xùn)練器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或語音通信。

短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)框圖

短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器由前面板單元、主控轉(zhuǎn)換單元、綜合業(yè)務(wù)單元和后面板單元組成，模擬訓(xùn)練器通過網(wǎng)口連接到以太網(wǎng)交換機(jī)與其他設(shè)備交互信息。

主控轉(zhuǎn)換單元中的ARM控制器和可編程邏輯器件（CPLD）共同完成了界面顯示數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和接口數(shù)據(jù)的控制，將這些數(shù)據(jù)數(shù)字化、協(xié)議化后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口傳輸給微處理器，微處理器作為短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器的數(shù)據(jù)核心完成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算、功能處理，將需要界面反饋的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)回送給ARM控制器，由ARM控制器進(jìn)行顯示輸出、音頻輸出和接口數(shù)據(jù)輸出，以完成對(duì)實(shí)物電臺(tái)的真實(shí)模擬。其中界面的顯示輸出和音頻材料均采集自實(shí)物電臺(tái)，使用與實(shí)物電臺(tái)相同的圖片字體資源，錄音自實(shí)物電臺(tái)的效果音，流程設(shè)計(jì)也仿照實(shí)物電臺(tái)操作流程，可全面完美地模擬實(shí)物電臺(tái)的實(shí)際效果。

所有在短波模擬電臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器，均由獨(dú)立的IP地址通過網(wǎng)絡(luò)接口模擬實(shí)物電臺(tái)間的無線數(shù)據(jù)傳輸，將通過無線信道傳輸?shù)臒o線波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以網(wǎng)線為載體，網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行傳輸，通過有線連接環(huán)境來模擬實(shí)物電臺(tái)的無線連接環(huán)境。

1.3 短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)

短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)是短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器教學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分。安裝于教師席位及學(xué)員席位的電腦的上，是網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的主要教學(xué)工具。

短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器教學(xué)軟件能夠?yàn)榻虇T教學(xué)提供訓(xùn)練計(jì)劃、操作評(píng)判服務(wù)，為學(xué)員提供訓(xùn)練、考試服務(wù)，具備安全防護(hù)設(shè)計(jì)，提供信道控制模擬，增強(qiáng)用戶實(shí)際操作體驗(yàn)。短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練器教學(xué)軟件由教師終端軟件和學(xué)員終端軟件組成。

教師終端軟件由教學(xué)控制功能模塊、服務(wù)器數(shù)據(jù)安全功能模塊和信道控制模擬功能模塊組成，教學(xué)控制功能模塊包括學(xué)員信息管理、題庫錄入編輯、試卷生成與分發(fā)、試卷自動(dòng)評(píng)分、學(xué)員成績(jī)歸檔查詢、數(shù)據(jù)發(fā)送、狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)配置、通信組網(wǎng)、生成管理日志、模擬訓(xùn)練中心通信和接口協(xié)議處理功能。服務(wù)器數(shù)據(jù)安全備份功能模塊包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)備份和和接口協(xié)議處理功能功能。信道控制模擬功能包括話音質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)誤碼控制、干擾等級(jí)控制、頻譜檢測(cè)控制和和接口協(xié)議處理功能[3]。

學(xué)員終端軟件由電臺(tái)操作訓(xùn)練功能模塊和電臺(tái)操作考試功能模塊組成。訓(xùn)練功能模塊與考試功能模塊均包括學(xué)員登錄、試題顯示、答題及提交試卷、試卷評(píng)分結(jié)果顯示、試題詳解、問題反饋和和接口協(xié)議處理功能。

軟件框架結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 軟件框架結(jié)構(gòu)圖

1.4 短波模擬電臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)現(xiàn)

短波模擬訓(xùn)練器就是對(duì)實(shí)裝電臺(tái)的真實(shí)模擬，該模擬訓(xùn)練器的訓(xùn)練內(nèi)容應(yīng)該與實(shí)裝電臺(tái)訓(xùn)練內(nèi)容一致。因此該模擬訓(xùn)練器不僅能夠進(jìn)行基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置操作，還可以與其他模擬訓(xùn)練器進(jìn)行組網(wǎng)功能訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)交互和語音通信，達(dá)到對(duì)實(shí)裝電臺(tái)真實(shí)使用情況的模擬，使得學(xué)員能夠真正學(xué)習(xí)到如何使用真實(shí)電臺(tái)[4]。

短波模擬電臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)現(xiàn)主要采用教學(xué)科目的下發(fā)訓(xùn)練與學(xué)員完成訓(xùn)練的考核為主。教師和學(xué)員采用網(wǎng)絡(luò)通信來完成教學(xué)工作，由教師設(shè)計(jì)好教學(xué)內(nèi)容，學(xué)員可以在終端上自行操作學(xué)習(xí)。教學(xué)過程可分為單設(shè)備操作的礎(chǔ)的參數(shù)設(shè)置教學(xué)和多設(shè)備聯(lián)動(dòng)的功能組網(wǎng)訓(xùn)練教學(xué)。

其基礎(chǔ)的參數(shù)設(shè)置教學(xué)流程操作流程為：

（1）教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)教師和學(xué)員分別在各自席位上登錄賬號(hào)，獲取各自賬號(hào)信息和操作權(quán)限。

（2）教師在教師終端軟件從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取基礎(chǔ)參數(shù)教學(xué)材料，并規(guī)劃本次課程的教學(xué)內(nèi)容和選擇電臺(tái)操作訓(xùn)練課題。

（3）學(xué)員在學(xué)員終端上獲取到教學(xué)內(nèi)容后開始學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，并可根據(jù)教學(xué)進(jìn)程選擇電臺(tái)操作課題進(jìn)行訓(xùn)練。

（4）學(xué)員進(jìn)行電臺(tái)操作題目的訓(xùn)練，學(xué)員終端軟件將會(huì)根據(jù)訓(xùn)練題目對(duì)模擬電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)重置，使得模擬電臺(tái)設(shè)備進(jìn)入符合訓(xùn)練課題的設(shè)置狀態(tài)，完成參數(shù)設(shè)置后提示學(xué)員可以開始做題。

（5）學(xué)員可在模擬電臺(tái)上進(jìn)行本訓(xùn)練課題的操作訓(xùn)練，如電參數(shù)設(shè)置、通信呼叫、組網(wǎng)傳輸?shù)炔僮鳌２僮魍瓿赏瓿珊?，學(xué)員在學(xué)員終端界面上單擊“答題完畢”。

（6）學(xué)員終端獲取學(xué)員在模擬電臺(tái)上的操作數(shù)據(jù)，并和從數(shù)據(jù)庫獲取的標(biāo)準(zhǔn)操作流程進(jìn)行對(duì)比打分，顯示評(píng)判結(jié)果并上報(bào)教師終端。

（7）教師終端把訓(xùn)練過程中的所有題目、成績(jī)、錯(cuò)誤信息均保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，便于學(xué)員教學(xué)訓(xùn)練中的評(píng)估和查詢。

功能組網(wǎng)訓(xùn)練教學(xué)主要包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和組網(wǎng)呼叫建鏈操作、手鍵報(bào)、模擬話、數(shù)字話、數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)。報(bào)傳輸功能的基本訓(xùn)練流程如下：

（1）教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)教師和學(xué)員分別在各自席位上登錄賬號(hào)，獲取各自賬號(hào)信息和操作權(quán)限。

（2）教師在教師終端軟件從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取組網(wǎng)教學(xué)材料，并規(guī)劃本次組網(wǎng)訓(xùn)練的席位和呼叫組網(wǎng)的順序等組網(wǎng)科目相關(guān)的內(nèi)容。

（3）學(xué)員在學(xué)員終端上獲取到教學(xué)內(nèi)容后開始根據(jù)題目規(guī)定的呼叫設(shè)備號(hào)提示進(jìn)行呼叫組網(wǎng)訓(xùn)練學(xué)習(xí)。

（4）學(xué)員開始訓(xùn)練，重置模擬訓(xùn)練器，模擬訓(xùn)練器重置全部參數(shù)。學(xué)員在模擬訓(xùn)練器配置工作參數(shù)完畢，模擬訓(xùn)練器上報(bào)狀態(tài)及參數(shù)至導(dǎo)調(diào)控制服務(wù)器。

（5）學(xué)員在模擬訓(xùn)練器上單設(shè)備操作完成后，開始進(jìn)行通信呼叫訓(xùn)練題，先確認(rèn)模擬訓(xùn)練器參數(shù)配置完成，點(diǎn)擊呼叫，模擬訓(xùn)練器把配置參數(shù)信息上傳學(xué)員終端，學(xué)員終端把配置參數(shù)信息上傳數(shù)據(jù)庫服務(wù)器接收配置參數(shù)信息并進(jìn)行分析比對(duì)，通知學(xué)員終端顯示錯(cuò)誤信息，學(xué)員終端通知電臺(tái)模擬器停止呼叫通信流程，并在用戶終端上提示錯(cuò)誤信息，學(xué)員可以重新配置參數(shù)。短波電臺(tái)模擬器根據(jù)呼叫命令的地址參數(shù)，將呼叫命令轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)地址即另一個(gè)學(xué)員席位上的的短波模擬訓(xùn)練器。

（6）被呼叫席位的學(xué)員可以接通呼叫，完成短波電臺(tái)的建鏈操作。呼叫雙方的學(xué)員進(jìn)行呼叫建鏈應(yīng)答過程中，雙方命令直接在2臺(tái)或多臺(tái)電臺(tái)模擬器之間傳送，建鏈后雙方可進(jìn)行常規(guī)話音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，也可進(jìn)行信道控制模擬下的話音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。2個(gè)席位之間所有的交互數(shù)據(jù)操作均會(huì)由各自的席位上的短波模擬訓(xùn)練器上傳至學(xué)員終端。

（7）本題訓(xùn)練操作結(jié)束，學(xué)員在用戶終端上單擊“答題完畢”，用戶終端上報(bào)數(shù)據(jù)信息給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

（8）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析對(duì)比，計(jì)算出本題訓(xùn)練分?jǐn)?shù)。

（9）教師終端把訓(xùn)練過程中的所有題目、成績(jī)、錯(cuò)誤信息均保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，便于學(xué)員教學(xué)訓(xùn)練中的評(píng)估和查詢。

（10）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)送本次訓(xùn)練題目成績(jī)、錯(cuò)誤信息至教師終端上，教師終端顯示本次訓(xùn)練題目成績(jī)、錯(cuò)誤信息。訓(xùn)練過程中的所有成績(jī)、錯(cuò)誤信息均保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，便于教師教學(xué)訓(xùn)練中的評(píng)估。

2.結(jié)論

本文通過設(shè)計(jì)一種通過網(wǎng)絡(luò)連接的短波電臺(tái)模擬設(shè)備，以實(shí)物教學(xué)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的方式完成短波電臺(tái)的操作教學(xué)工作，解決了對(duì)專業(yè)化的短波電臺(tái)設(shè)備教學(xué)難、訓(xùn)練難、考核難的問題。短波模擬電臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)可以通過模擬設(shè)備仿照真實(shí)電臺(tái)使用環(huán)境進(jìn)行操作教學(xué)訓(xùn)練，并可通過數(shù)據(jù)庫和教學(xué)軟件形成規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)方式和訓(xùn)練考核內(nèi)容，可用于軍事院校、各軍區(qū)通信站點(diǎn)的通信裝備培訓(xùn)、學(xué)習(xí)、考核評(píng)判。對(duì)學(xué)員進(jìn)行通信裝備訓(xùn)練評(píng)估、考核評(píng)估的功能。通過分析學(xué)員的操作過程和通信結(jié)果評(píng)估學(xué)員的操作訓(xùn)練水平，幫助學(xué)員提高實(shí)裝操作的能力對(duì)成批量培養(yǎng)和訓(xùn)練合格的電臺(tái)操作人員有著極大的幫助。