2017, Vol. 39
海航模拟训练是海员进行实际航行前必经的训练步骤，训练的质量直接关系到海员职业生涯的紧急事务处理能力。由于经济及物资条件的限制，大量的海航模拟训练通过海航模拟器进行，模拟器的性能直接关系着训练的质量。
VHF通信仿真系统是航海模拟器的通信组件，实现方式主要有2种[1]：一是由实际的海上无线通信系统实现，这种方式与实际的海航通信环境一致，能够最真实模拟现实环境，但若功率控制不好，可能影响海上实际的船舶航行，造成安全隐患；二是训练中的各船舶、各组织单元之间通过特定的频率进行通信，这样可以避免对海域内的通信环境的干扰。在实际的海航模拟训练中，大部分采用第2种方式，也是本文探讨的重点。
本文在研究了现有海航模拟器中的VHF通信仿真系统架构的基础上，对其中的硬件电路及软件结构进行详细描述，最后进行了仿真。
1 VHF通信仿真系统架构各船舶之间VHF通信系统通过特定的频率进行信号传输，采用客户端/服务端（C/S）架构，客户端与服务端建立链路[2]，不同VHF通信系统的服务端通过Internet进行连接。
VHF通信仿真系统架构如图 1所示：
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图 1 VHF通信仿真系统架构 Fig. 1 VHF communication simulation system architecture |
①各船舶的VHF通信仿真系统有单独的服务器，并对本通信系统信道参数进行设置及管理，最终控制终端的收发顺序及参数。
②发送VHF客户端将编码及调制后的信号通过交换机上传至服务器。
③服务器收到信号后，确定接收端的IP及路由，并通过Internet网络传输至对方服务端，对方服务端通过交换机传输至VHF接收端。
2 VHF仿真系统电路及软件设计 2.1 VHF终端的信号传输电路海航模拟器中的VHF通信仿真系统主要处理语音信号，用于各船舶之间的人员通信，VHF通信仿真系统终端主要对语音信号进行处理。包括语音信号数模转换、编解码、调制调解、以及压缩等[3]，其电路模块如图 2所示：
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图 2 VHF终端电路模块 Fig. 2 VHF terminal circuit module |
1）如图 2所示，以发送端为例，首先通过音频采集设备对语音信号进行采集，通过A/D转换将模拟信号转化为数据信号，然后进行PCM抽样、信号压缩、编码及信号调制，最终预处理后的数字信号通过串口传输至PC，PC对信号进行IP路由寻址[4]，通过Internet网络传输至目的端。
2）对于接收端来说，PC端接收到IP语音包后，首先解压缩，通过串口传输给VHF接收终端，终端则对语音信号进行逆向处理，包含信号解调、解码，通过D/A转换器将数字信号转换为模拟信号，并通过放大器输出。
3）无论是VHF发送端还是终端，所有的信号传输参数都由本端服务器进行控制，各服务器之间通过Internet网络连接，并随时监控通信网络的运行状态对信号传输参数修正，最终的接收信号通过交换机上传至服务器。
上述步骤可以看出，VHF终端需要通过串口将语音数字信号上传至PC端，同时海上信道容量相对于陆地更小，在处理语音信号时，为了最大的利用信道容量，首先进行压缩处理，同时考虑到海上环境噪声的影响，选择了低速率、压缩性能较高的mpeg算法。
考虑到开发成本，在语音信号处理电路设计中，选择了AMBE-1000信号处理芯片，内核自带的mpeg压缩算法既满足了海上通信系统的带宽要求，又满足了海航模拟训练中对通信速率的要求。同时，芯片外围的可扩展电路可实现对语音信号的纠错算法、去噪处理等，语音传输速率控制在2.4~9.6 kb/s，能够接入Internet通信网络及卫星通信网络，满足海航模拟训练对语音通信性能的要求。
2.2 VHF终端语音传输的控制流程2.1节描述了VHF通信仿真系统终端的语音信号处理、传输预处理电路设计，下面对终端的语音控制流程进行研究，本文是基于嵌入式软件开发，其控制流程分为4个模块：一是流程控制模块；二是按键处理模块；三是语音信号的上行处理模块；四是语音信号的下行处理模块。
终端控制流程如图 3所示。
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图 3 终端控制流程 Fig. 3 Terminal control flow |
如图 3所示，程序初始化通知微控制器完成，包括设置信号传输波特率、串口上行及下行链路的握手等，在此设置串口传输速率为19 200 b/s；其次判断按钮是上传还是下载语音信号，此过程通过AMBE-1000信号处理芯片的中断实现[5]，若为上传则转至响应的语音上行信号处理流程；若判断为下载则转至语音下行信号处理流程；若为其它按键，则转至译码处理子程序。
2.3 PC端的控制流程VHF终端与服务器之间的音频数据传输需要PC端进行中转，对PC端的信号接收及传输进行控制，控制流程有2个重要功能：
1）语音数据上传
VHF发送端将预处理后的音频信号通过串上传至PC端，PC端根据语音携带的发送机接收端IP进行路由寻址，并在IP语音包中增加路由信息，将添加路由的IP包发送至本端服务器。
2）语音数据下载
对端的PC端接收来自服务器的IP语音包，并对路由信息进行解析，并通过串口将解析后的音频信号传输至VHF接收端。
根据PC端需要实现的数据上传及下载功能，控制流程通过如下接口及函数实现：
1）VHF终端与PC端的语音信号传输采用RS-232串口传输，对串口的控制用MSComm空间实现，基于Microsoft通信接口。
2）PC端与服务器端传输以及服务器端之间的语音信号则采用基于Socket控件实现，此控件基于TCP/IP协议。
整个PC端的控制软件包含控件按钮促发器轮询模块、串口网络通信模块、基于TCP/IP的Socket通信模块等。
3 元数据共享机制仿真本文设计的基于串口通信及Internet网络相结合的海航模拟器中的VHF通信仿真系统有效提高了系统的传输效率，利用AMBE-1000信号处理芯片设计了VHF通信仿真系统的语音传输电路，通过内置的语音编码算法有效的降低了传输延迟，同时在抗干扰方面能够通过自适应振荡电路抑制海上噪声，在不同的信噪比环境下最终的信号误码率也优于传统的模拟语音信号传输电路。
表 1给出了语音信号传输延迟：
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表 1 仿真结果 Tab.1 Simulation result |
最后给出在不同信噪比下的误码率图如图 4所示。
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图 4 误码率仿真结果 Fig. 4 Simulation results |
本文实现了基于串口通信及Internet网络相结合的VHF系统语音传输控制电路，有效的提高了系统语音传输的时效性。
| [1] | 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. |
| [2] | 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. |
| [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. DOI: 10.5394/KINPR.2002.26.1.035 |
| [4] | KIM K H, KIM D Y. Group storage methods at container port terminals[J]. MH-2. The Materials Handling Engineering Division, 75th Anniversary Commemorative Volume, 1994 : 15–20. |
| [5] | SHI Chaojian, HU Qinyou. Internet based integration of multiple ship handling simulators:an interim report[C]//Proc Int Association of Maritime Universities 6th Annual General Assembly and Conference. Malmo, Sweden:WIT Press, 2005:55-64. |