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摘 要：为提高航海模拟器的训练质量, 提出基于因特网技术的新型船用VHF通信仿真系统.该系统以各本船将各自设定的频道状态信息由VHF终端经客户机通过网络上传给服务器的方式建立系统总体构架,通过语音终端的硬件设计、语音终端的嵌入式控制软件设计完成系统集成. 在互联网公共网络平台上的实践表明, 构建在互联网上的船用VHF通信仿真系统,对扩大训练范围、提高航海教学效果、增强学习互动性提供有效手段.
关键词：VHF通信； 模拟器； 集成； 因特网
中图分类号：U675.75；TP391.9文献标志码：A
Ship’s 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 simulator’s training quality, a new-style ship’s 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 ship’s 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通信仿真系统是航海模拟器的子系统，是现代航海教学的组成部分.船员通过VHF通信仿真系统的训练，可熟悉船上VHF设备的通信方式.船用VHF通信仿真系统不但具有各种VHF通信设备的操作方法，而且因其不发射射频无线电波，无须通过无线电管理委员会就可无限制使用［1］.目前，船用VHF通信仿真系统一般有2类：
（1）在航海模拟器上安装真正的无线通信系统，完全按照实战要求进行训练.这种方式由于和实际情况完全吻合，船员受训的仿真度高，实现训练本身内在的意义.但是，如果发射功率控制不好，有可能对岸上的频道产生干扰.
（2）采用有线模拟训练系统.如上海海事大学自行研制并通过鉴定的SMU-IV型航海模拟器安装的VHF训练系统.［2］该系统的VHF单元分为主控台部分和本船部分，其中主控台部分用于与各本船的通信及监听各本船间的通信联系，同时承担代表物标船的回话和呼叫等通信任务；本船部分主要用于与主控台及其他本船间的通信.由于这种系统采用有线系统，故其优点在于能避免周边无线电波的射频干扰,同时，由于在操作使用和功能上模拟实船的VHF话机，故可有效模拟真实场景.但其受训距离有限，仅在以主控台为中心的若干本船模拟器的区域模拟真正的VHF系统；另外，由于其采用有线模拟语音信号的传输通信，所以抗干扰能力及稳定性不如数字化通信.［3-4］.
本文提供新型的船用语音通信仿真系统.其研制来源于上海海事大学主持承担的国际合作研究项目——“基于因特网的多模拟器集成（Internet Based Integration of Multiple Ship Handling Simulators）”项目中“VHF模拟通信”子系统，采用数字语音通信技术替代传统的船用语音通信仿真系统中模拟语音信号的传输，有效提高语音通信质量；还可将船用语音通信仿真功能建立在因特网的构架上，不仅形成单个航海模拟器中各本船间的实时语音通信，而且可通过因特网与其他航海模拟器中的船只互连通信，有效扩大训练范围，增强训练的灵活性、互动性和国际性.［5］
1 系统总体构架
系统结构见图1.
（1）各本船将各自设定的频道状态信息由VHF终端经客户机通过网络上传给服务器，服务器对各频道进行统一管理，确定收发对象，同时，各本船设定的频道状态也显示在VHF终端的数码管上.
（2）呼叫方船只的VHF终端将处理后的数字语音信号经客户机通过网络上传给服务器.
（3）服务器将接收到的数字语音信号通过网络下传给对应频道同一模拟器的其他本船或其他模拟器相应本船的VHF终端.
系统不仅可实现同一航海模拟器中各本船间的实时语音通信，还可通过因特网与其他航海模拟器中的船只互连通信.［6-7］
2 语音终端的硬件电路设计
语音终端硬件系统由语音数据采集、回放单元，语音压缩解压单元，数据处理、传送及接收单元，时钟同步电路单元，键盘、显示单元以及串口电平转换单元构成，见图2.
（1）本船的语音信号经话筒声电转换后，由数据采集单元的A/D转换部分对其进行采样并转换为PCM数字量，然后由语音压缩单元压缩编码，最后数据处理单元将压缩编码后的数据由串口传送给PC机，由PC机将从串口接收的数据转换成IP语音包，通过网络服务器传送给对应寻址的其他本船.
（2）PC机将从网络接收到的语音IP包转换成语音压缩数据,然后通过串口下传给本船语音终端系统的数据处理单元，由语音解压单元将从数据处理单元接收的数据进行解压缩，由数据回放单元的D/A转换部分将解压后的语音PCM数据转换成模拟量，经放大电路放大后驱动扬声器输出.
（3）语音终端系统一方面可设定本船状态，如本船频道，并显示在终端系统的数码管上；另一方面可将本船设定状态由数据处理单元通过串口传送给PC机，再由PC机上传至网络服务器，由网络服务器建立数据库统一管理各本船频道，以利于网络传输.
由于涉及语音信号在网络上的数字化通信，而数字通信中语音信号直接数字化所需的编码速率太高,为提高传输和存储的效率,充分利用信道容量,必须对数字语音信号进行压缩编码.通过降低编码速率，可使同样的信道容量传输更多路的语音信号，在传输比特率限制十分严格的场合，低速率语音编码具有特别重要的意义.
在硬件电路板的开发中，采用DVSI公司的基于全双工声码器芯片AMBE-1000，其核心是内嵌有MBE多带激励语音压缩编码算法的数字信号处理器.MBE多带激励语音压缩编码算法是既满足低速率传输要求，又具有高通话质量的语音压缩算法，该芯片还具有用户可选择纠错码率、话音激活及噪声嵌入、双音多频(DTMF)信号检测及合成和回声抵消等功能，编码速率为2.4～9.6 Kb/s，在低速率和较强背景噪声下具有较好的语音质量，因此，在车、船载移动卫星语音通信系统中广泛应用，国际海事卫星组织（Inmarsat）已把MBE多带激励语音压缩编码算法应用于其各代卫星语音通信系统中.因此，基于MBE算法的特点，在系统的硬件电路设计中选取AMBE-1000芯片完成核心功能，即语音压缩和解压单元的设计.［8］
3 控制系统的软件实现
3.1 语音终端的嵌入式控制软件设计
嵌入式控制软件主要包括主控程序、按键译码处理子程序、上传语音处理子程序以及下载语音处理子程序4个部分(见图3)，其中涉及微控制器的外中断触发响应、串口中断触发响应、软件延时消抖及防程序跑飞等多项技术的编程.
微控制器初始化时要进行串口波特率的设置，为保证RS-232串口通信过程中的数据完整性，设定下位机（MCU）与上位机（PC）之间串口通信的波特率为19 200 b/s.此外，对上传语音的判别实质上是通过查询外中断响应程序中的标志位状态来实现的；而是否下传语音的判别，实质上是通过查询串口接收中断响应程序中的标志位状态来实现的.在具体处理语音传送的过程中，实际由微控制器通过与AMBE-1000芯片的数据线及相应的读写控制线,采用并行帧格式的交互完成,而语音本身的压缩和解压完全由AMBE-1000芯片自行完成.
3.2 PC机控制软件的设计
PC机的控制软件主要实现2个功能：(1)通过串口接收VHF语音终端上传的语音压缩数据以及本船的状态信息，然后通过网络将此信息发送给服务器；(2)通过网络从服务器接收语音压缩数据，然后通过串口将语音压缩数据下传给指定的VHF语音终端.
因此， PC机的控制软件的设计主要涵盖2个部分:(1)同语音终端的RS-232串口的通信，采用Microsoft的通信控件MSComm来实现；(2)同服务器的网络通信，采用Winsock控件来实现，并编写基于TCP协议的网络传输程序.
上位PC机网络程序的具体模块包括各按钮的触发事件、定时器的轮询、串口通信、网络互连、启动初始化以及退出应用程序等若干模块.
4 结束语
基于因特网技术的新型船用VHF通信仿真系统采用数字语音通信技术替代传统的模拟语音信号传输，实践证明，在抗干扰及稳定性方面均优于传统的信号传输，有效地抑制自激振荡引起的噪声.该系统不仅继承传统船用语音通信仿真系统的优点和功能，而且还将船用语音通信仿真系统扩展建立在上位PC机及因特网的构架上，从而形成航海模拟器中各本船之间实时语音通信以及通过互联网与其他航海模拟器中的船只互连通信，有效地扩大训练范围，增强训练的灵活性、互动性和国际性.［9］在语音终端设计中采用内嵌多带激励语音压缩编码算法的商业化数字信号处理芯片AMBE-1000，有效降低语音信号在网络上传输的延迟时间，保证通信质量，一方面加强现代化的航海教学手段，另一方面必将有效提升大型航海模拟器自身的科技含量，为电子海图及雷达图像的网际互连通信在今后航海训练中的进一步应用打下坚实基础.［10］
参考文献：
［1］施朝健, 陈锦标, 胡勤友. 船舶操纵模拟器开发和应用的全球协作［J］. 上海海事大学学报, 2007, 28(1): 1-6.
［2］施朝健， 胡甚平， 陈锦标. 船舶操纵模拟器技术性能标准研究［J］. 上海海事大学学报, 2005, 26(2): 4-8.
［3］SHI Chaojian. Application and functional requirements of simulator in harbor and waterway design［J］. J Korean Navigation and Port Research, 2002, 26(1): 35-42.
［4］施朝健, 蔡存强. SMU-Ⅳ型综合船舶操纵模拟器的研制［J］. 上海海运学院学报, 1998, 19(4): 1-5.
［5］施朝健. 船舶操纵模拟器建设的几点建议［J］. 上海海运学院学报, 1997, 18(3): 59-63.
［6］方泉根, 施朝健, 石永辉. 大型航海仿真教学训练系统的研制与应用［J］. 中国航海, 2002(3): 1-4.
［7］胡勤友, 施朝健, 陈海山, 等. 基于Jess规则的数据库通知服务［J］. 上海海事大学学报, 2006, 27(1): 44-48.
［8］王都生. 多带混合激励低速率语音编码的研究［D］. 西安: 西安电子科技大学, 1998.
［9］余立立, 施朝健, 黄震民, 等. 基于网络技术的船用语音通信仿真系统: 中国, ZL200520048175.6［P］. 2007-2-21.
［10］SHI Chaojian, HU Qinyou. Internet-based integration of multiple shiphandling simulators:an interim report［C］ // Proc Int Association of Maritime Universities 6th Annual General Assembly and Conference. Malmo, Sweden: WIT Press, 2005: 55-64.
(编辑 陈锋杰)
关键词：VHF通信； 模拟器； 集成； 因特网
中图分类号：U675.75；TP391.9文献标志码：A
Ship’s 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 simulator’s training quality, a new-style ship’s 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 ship’s 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通信仿真系统是航海模拟器的子系统，是现代航海教学的组成部分.船员通过VHF通信仿真系统的训练，可熟悉船上VHF设备的通信方式.船用VHF通信仿真系统不但具有各种VHF通信设备的操作方法，而且因其不发射射频无线电波，无须通过无线电管理委员会就可无限制使用［1］.目前，船用VHF通信仿真系统一般有2类：
（1）在航海模拟器上安装真正的无线通信系统，完全按照实战要求进行训练.这种方式由于和实际情况完全吻合，船员受训的仿真度高，实现训练本身内在的意义.但是，如果发射功率控制不好，有可能对岸上的频道产生干扰.
（2）采用有线模拟训练系统.如上海海事大学自行研制并通过鉴定的SMU-IV型航海模拟器安装的VHF训练系统.［2］该系统的VHF单元分为主控台部分和本船部分，其中主控台部分用于与各本船的通信及监听各本船间的通信联系，同时承担代表物标船的回话和呼叫等通信任务；本船部分主要用于与主控台及其他本船间的通信.由于这种系统采用有线系统，故其优点在于能避免周边无线电波的射频干扰,同时，由于在操作使用和功能上模拟实船的VHF话机，故可有效模拟真实场景.但其受训距离有限，仅在以主控台为中心的若干本船模拟器的区域模拟真正的VHF系统；另外，由于其采用有线模拟语音信号的传输通信，所以抗干扰能力及稳定性不如数字化通信.［3-4］.
本文提供新型的船用语音通信仿真系统.其研制来源于上海海事大学主持承担的国际合作研究项目——“基于因特网的多模拟器集成（Internet Based Integration of Multiple Ship Handling Simulators）”项目中“VHF模拟通信”子系统，采用数字语音通信技术替代传统的船用语音通信仿真系统中模拟语音信号的传输，有效提高语音通信质量；还可将船用语音通信仿真功能建立在因特网的构架上，不仅形成单个航海模拟器中各本船间的实时语音通信，而且可通过因特网与其他航海模拟器中的船只互连通信，有效扩大训练范围，增强训练的灵活性、互动性和国际性.［5］
1 系统总体构架
系统结构见图1.
（1）各本船将各自设定的频道状态信息由VHF终端经客户机通过网络上传给服务器，服务器对各频道进行统一管理，确定收发对象，同时，各本船设定的频道状态也显示在VHF终端的数码管上.
（2）呼叫方船只的VHF终端将处理后的数字语音信号经客户机通过网络上传给服务器.
（3）服务器将接收到的数字语音信号通过网络下传给对应频道同一模拟器的其他本船或其他模拟器相应本船的VHF终端.
系统不仅可实现同一航海模拟器中各本船间的实时语音通信，还可通过因特网与其他航海模拟器中的船只互连通信.［6-7］
2 语音终端的硬件电路设计
语音终端硬件系统由语音数据采集、回放单元，语音压缩解压单元，数据处理、传送及接收单元，时钟同步电路单元，键盘、显示单元以及串口电平转换单元构成，见图2.
（1）本船的语音信号经话筒声电转换后，由数据采集单元的A/D转换部分对其进行采样并转换为PCM数字量，然后由语音压缩单元压缩编码，最后数据处理单元将压缩编码后的数据由串口传送给PC机，由PC机将从串口接收的数据转换成IP语音包，通过网络服务器传送给对应寻址的其他本船.
（2）PC机将从网络接收到的语音IP包转换成语音压缩数据,然后通过串口下传给本船语音终端系统的数据处理单元，由语音解压单元将从数据处理单元接收的数据进行解压缩，由数据回放单元的D/A转换部分将解压后的语音PCM数据转换成模拟量，经放大电路放大后驱动扬声器输出.
（3）语音终端系统一方面可设定本船状态，如本船频道，并显示在终端系统的数码管上；另一方面可将本船设定状态由数据处理单元通过串口传送给PC机，再由PC机上传至网络服务器，由网络服务器建立数据库统一管理各本船频道，以利于网络传输.
由于涉及语音信号在网络上的数字化通信，而数字通信中语音信号直接数字化所需的编码速率太高,为提高传输和存储的效率,充分利用信道容量,必须对数字语音信号进行压缩编码.通过降低编码速率，可使同样的信道容量传输更多路的语音信号，在传输比特率限制十分严格的场合，低速率语音编码具有特别重要的意义.
在硬件电路板的开发中，采用DVSI公司的基于全双工声码器芯片AMBE-1000，其核心是内嵌有MBE多带激励语音压缩编码算法的数字信号处理器.MBE多带激励语音压缩编码算法是既满足低速率传输要求，又具有高通话质量的语音压缩算法，该芯片还具有用户可选择纠错码率、话音激活及噪声嵌入、双音多频(DTMF)信号检测及合成和回声抵消等功能，编码速率为2.4～9.6 Kb/s，在低速率和较强背景噪声下具有较好的语音质量，因此，在车、船载移动卫星语音通信系统中广泛应用，国际海事卫星组织（Inmarsat）已把MBE多带激励语音压缩编码算法应用于其各代卫星语音通信系统中.因此，基于MBE算法的特点，在系统的硬件电路设计中选取AMBE-1000芯片完成核心功能，即语音压缩和解压单元的设计.［8］
3 控制系统的软件实现
3.1 语音终端的嵌入式控制软件设计
嵌入式控制软件主要包括主控程序、按键译码处理子程序、上传语音处理子程序以及下载语音处理子程序4个部分(见图3)，其中涉及微控制器的外中断触发响应、串口中断触发响应、软件延时消抖及防程序跑飞等多项技术的编程.
微控制器初始化时要进行串口波特率的设置，为保证RS-232串口通信过程中的数据完整性，设定下位机（MCU）与上位机（PC）之间串口通信的波特率为19 200 b/s.此外，对上传语音的判别实质上是通过查询外中断响应程序中的标志位状态来实现的；而是否下传语音的判别，实质上是通过查询串口接收中断响应程序中的标志位状态来实现的.在具体处理语音传送的过程中，实际由微控制器通过与AMBE-1000芯片的数据线及相应的读写控制线,采用并行帧格式的交互完成,而语音本身的压缩和解压完全由AMBE-1000芯片自行完成.
3.2 PC机控制软件的设计
PC机的控制软件主要实现2个功能：(1)通过串口接收VHF语音终端上传的语音压缩数据以及本船的状态信息，然后通过网络将此信息发送给服务器；(2)通过网络从服务器接收语音压缩数据，然后通过串口将语音压缩数据下传给指定的VHF语音终端.
因此， PC机的控制软件的设计主要涵盖2个部分:(1)同语音终端的RS-232串口的通信，采用Microsoft的通信控件MSComm来实现；(2)同服务器的网络通信，采用Winsock控件来实现，并编写基于TCP协议的网络传输程序.
上位PC机网络程序的具体模块包括各按钮的触发事件、定时器的轮询、串口通信、网络互连、启动初始化以及退出应用程序等若干模块.
4 结束语
基于因特网技术的新型船用VHF通信仿真系统采用数字语音通信技术替代传统的模拟语音信号传输，实践证明，在抗干扰及稳定性方面均优于传统的信号传输，有效地抑制自激振荡引起的噪声.该系统不仅继承传统船用语音通信仿真系统的优点和功能，而且还将船用语音通信仿真系统扩展建立在上位PC机及因特网的构架上，从而形成航海模拟器中各本船之间实时语音通信以及通过互联网与其他航海模拟器中的船只互连通信，有效地扩大训练范围，增强训练的灵活性、互动性和国际性.［9］在语音终端设计中采用内嵌多带激励语音压缩编码算法的商业化数字信号处理芯片AMBE-1000，有效降低语音信号在网络上传输的延迟时间，保证通信质量，一方面加强现代化的航海教学手段，另一方面必将有效提升大型航海模拟器自身的科技含量，为电子海图及雷达图像的网际互连通信在今后航海训练中的进一步应用打下坚实基础.［10］
参考文献：
［1］施朝健, 陈锦标, 胡勤友. 船舶操纵模拟器开发和应用的全球协作［J］. 上海海事大学学报, 2007, 28(1): 1-6.
［2］施朝健， 胡甚平， 陈锦标. 船舶操纵模拟器技术性能标准研究［J］. 上海海事大学学报, 2005, 26(2): 4-8.
［3］SHI Chaojian. Application and functional requirements of simulator in harbor and waterway design［J］. J Korean Navigation and Port Research, 2002, 26(1): 35-42.
［4］施朝健, 蔡存强. SMU-Ⅳ型综合船舶操纵模拟器的研制［J］. 上海海运学院学报, 1998, 19(4): 1-5.
［5］施朝健. 船舶操纵模拟器建设的几点建议［J］. 上海海运学院学报, 1997, 18(3): 59-63.
［6］方泉根, 施朝健, 石永辉. 大型航海仿真教学训练系统的研制与应用［J］. 中国航海, 2002(3): 1-4.
［7］胡勤友, 施朝健, 陈海山, 等. 基于Jess规则的数据库通知服务［J］. 上海海事大学学报, 2006, 27(1): 44-48.
［8］王都生. 多带混合激励低速率语音编码的研究［D］. 西安: 西安电子科技大学, 1998.
［9］余立立, 施朝健, 黄震民, 等. 基于网络技术的船用语音通信仿真系统: 中国, ZL200520048175.6［P］. 2007-2-21.
［10］SHI Chaojian, HU Qinyou. Internet-based integration of multiple shiphandling simulators:an interim report［C］ // Proc Int Association of Maritime Universities 6th Annual General Assembly and Conference. Malmo, Sweden: WIT Press, 2005: 55-64.
(编辑 陈锋杰)