基于同音頻廣播節(jié)目識別的研究與實現(xiàn)

趙勇

摘 要 同音頻廣播節(jié)目的識別，是廣播節(jié)目監(jiān)測系統(tǒng)中技術(shù)性很強(qiáng)的工作。對于幅員遼闊的我國疆土，廣播覆蓋和廣播實驗工作始終離不開對廣播發(fā)射機(jī)播出質(zhì)量和播出效果的監(jiān)測。本文通過Duffing振蕩器對隨機(jī)數(shù)和周期信號的不同響應(yīng)，既微弱信號檢測的研究，達(dá)到對同音頻廣播節(jié)目播出質(zhì)量和效果的識別。

關(guān)鍵詞 同音頻廣播 Duffing 振蕩器7 混沌 微弱信號檢測

中圖分類號：TN931 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Based on the Research and Implementation of Audio Broadcast Recognition

ZHAO Yong

（State General Administration of Press and Publication， Radio and Television 761 Station， Yongan， Fujian 366000）

Abstract The audio broadcast identification is highly technical work in radio monitoring system. For vast Chinese territory， radio coverage and broadcast experimental work always cannot leave to broadcast transmitter monitoring air quality and effect. Based on Duffing oscillator for random number and the different response of periodic signal， this article studies on both the research of weak signal detection， reach the same radio program broadcast audio quality and effect of recognition.

Key words audio broadcast； Duffing； oscillator； chaotic； weak signal detection

0 引言

廣播發(fā)射機(jī)的播出質(zhì)量直接關(guān)系到接收效果的好壞。這對于擔(dān)負(fù)廣播覆蓋和廣播實驗任務(wù)的國家級廣播發(fā)射臺來說，發(fā)射機(jī)播出質(zhì)量效果的監(jiān)測是非常重要的工作，他對于發(fā)射機(jī)滿功率、滿調(diào)幅、滿時間播出有著緊密的聯(lián)系。由于廣播覆蓋和實驗服務(wù)方向地域原因，有時往往需要多部發(fā)射機(jī)同音頻廣播來完成，這對于擔(dān)負(fù)廣播監(jiān)測或自臺監(jiān)測播出質(zhì)量效果來說，如何甄別哪部發(fā)射機(jī)播出節(jié)目的質(zhì)量和效果，是發(fā)射臺一項重要工作。為此，我們通過研究探索采用了對微弱信號檢測，即通過Duffing振蕩器對隨機(jī)數(shù)和周期信號的不同的響應(yīng)來識別同頻音頻廣播節(jié)目方法，實現(xiàn)了對廣播發(fā)射機(jī)播出效果和質(zhì)量的監(jiān)測。

1 廣播節(jié)目的播出質(zhì)量監(jiān)測

1.1 廣播節(jié)目監(jiān)測現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的廣播節(jié)目監(jiān)聽監(jiān)測中，基本上是將接收機(jī)的接收頻率手動或遙控地預(yù)置在需要監(jiān)測的發(fā)射機(jī)的頻率上，監(jiān)聽播音效果。或者是通過各發(fā)射機(jī)房的有線監(jiān)測，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測部門。

這兩種方式，無線檢測，無法實現(xiàn)自動化，對于交叉覆蓋的區(qū)域，不能識別是哪個臺站，哪部發(fā)射機(jī)播出的節(jié)目。尤其是對于非常時期，擔(dān)負(fù)特別任務(wù)的發(fā)射機(jī)，往往多部發(fā)射機(jī)從幾個發(fā)射臺同頻音頻進(jìn)行廣播，這就更加無法進(jìn)行識別了。若采用有線監(jiān)測，則需要超大容量的存儲設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)支持，這樣方式建設(shè)費(fèi)用極高，且安全系數(shù)較低，如果沒有內(nèi)網(wǎng)支持就根本無法進(jìn)行。

1.2 廣播節(jié)目監(jiān)測方向

針對以上問題，我們的研究是尋求在發(fā)射機(jī)的節(jié)目源中添加識別的信息。在監(jiān)測的接收端檢測這識別信息以達(dá)到識別各發(fā)射機(jī)播音的情況。由于這些供監(jiān)聽監(jiān)測識別的信息還必須是微弱的信號，以不至于對發(fā)射機(jī)播出節(jié)目造成干擾，所以我們研究的項目就是對微弱信號檢測范疇。

在發(fā)射機(jī)音頻中添加微弱識別信息有兩種方式，一種方式在發(fā)射機(jī)節(jié)目源中添加各個臺標(biāo)和發(fā)射機(jī)號，這種方式添加的信息量相對于音頻廣播的10KHz的保護(hù)帶來說，信息量太大，且識別信息與音頻信號的合成的設(shè)備和接收端對識別信息的解碼設(shè)備都很復(fù)雜。信息量大，則無法滿足發(fā)射機(jī)信噪比指標(biāo)的要求，編解碼設(shè)備復(fù)雜，則費(fèi)用巨大。另一種方式是我們所研究的，是在音頻節(jié)目源中間歇地添加一個微弱的單一頻率的正弦波信號，不同的發(fā)射機(jī)的節(jié)目源添加的正弦波的頻率和間歇次數(shù)不同。在接收端使用專門的設(shè)備（即Duffing振蕩器）檢測這個微弱的正弦波信號。根據(jù)接收信號是否包含有微弱正弦波信息以及間隙內(nèi)出現(xiàn)正弦波的次數(shù)來識別播音的發(fā)射機(jī)。這種方法，識別信息與音頻信號的合成方法簡單，且信息量小，僅是單一頻率的正弦波。使用很小的信息量可換取高的信噪比，滿足了發(fā)射機(jī)對信噪比指標(biāo)的要求。

其做法是在信號源中間歇地添加一個單一頻率的微弱正弦波信號，接收端使用不同閾值Duffing振蕩器陣列，對確知弱正弦波信號進(jìn)行檢測并確定時隙內(nèi)Duffing振子運(yùn)動狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，實現(xiàn)同頻音頻廣播節(jié)目的識別。重點是數(shù)據(jù)采樣的同步和時間序列的李雅普諾夫指數(shù)的計算。

下面對Duffing振蕩器弱信號檢測原理和系統(tǒng)設(shè)計過程進(jìn)行分析。

2 Duffing振蕩器的弱信號檢測

Duffing方程是混沌系統(tǒng)的微弱信號檢測中廣泛使用的一個非線性方程，典型的Duffing方程具體形式為：

（1）

這里，和是狀態(tài)變量，是阻尼系數(shù)， + 是非線性恢復(fù)力， （）是周期驅(qū)動力。假定 = ，得到如下的方程：endprint

（2）

Duffing振蕩器的弱信號檢測：驅(qū)動力 從小到大變化，系統(tǒng)的狀態(tài)從短周期運(yùn)動到混沌運(yùn)動，最后變化到長周期運(yùn)動。在這過程中得到閾值。

（a）混沌狀態(tài)

（b）周期運(yùn)動狀態(tài)

圖1 Duffing振蕩器的狀態(tài)變化

它是系統(tǒng)從混沌運(yùn)動到長周期運(yùn)動躍變時驅(qū)動力臨界值。處于臨界狀態(tài)的Duffing系統(tǒng)，對輸入到系統(tǒng)的周期信號非常敏感，即使幅度很小的周期信號也能使系統(tǒng)的相圖發(fā)生躍變。因此，Duffing振蕩器運(yùn)動狀態(tài)是否躍變可判斷輸入信號是否存在微弱的周期信號。圖1是系統(tǒng)的兩種狀態(tài)，（a）為混沌狀態(tài)，（b）為周期運(yùn)動狀態(tài)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

為監(jiān)測發(fā)射機(jī)播音情況，在不同發(fā)射機(jī)的信號源間歇地添加不同頻率的微弱正弦周期信號作為識別信息，在接收端解調(diào)出帶有微弱周期信息的音頻信號，由Duffing振蕩器陣列檢測時隙內(nèi)添加正弦波的次數(shù)來識別播出音頻節(jié)目的發(fā)射機(jī)。

3.1 識別信號的添加

圖2 音頻信號源間歇地添加微弱正弦波信號

正弦波發(fā)生器產(chǎn)生微弱的單頻正弦波信號，通過開關(guān)電路形成間歇的微弱正弦波信號，控制開關(guān)頻率以產(chǎn)生時隙內(nèi)正弦波的次數(shù)，如圖2所示。

3.2 信號的解調(diào)

獲取微弱正弦波的識別信息，需將調(diào)制信號解調(diào)，解調(diào)的信號中將含有大幅度的音頻信號和微弱的正弦周期信號，如圖3的虛線框部分。

3.3 同步協(xié)議

由于是微弱信號檢測，在接收端基本上不可能獲取數(shù)據(jù)采樣的同步信息。因此本研究采取將協(xié)議和定時技術(shù)相結(jié)合的方法。在發(fā)射端，規(guī)定開關(guān)電路產(chǎn)生的方波在整點處的相位為‘0，如圖4所示。接收端，數(shù)據(jù)采樣次數(shù)是時隙內(nèi)方波周期數(shù)的兩倍，并且在方波的起點處和半周期處開始采樣，采樣持續(xù)時間為方波的半個周期。以保證數(shù)據(jù)采樣中，奇數(shù)次采樣的數(shù)據(jù)不包含識別信息（微弱的正弦波信號），偶數(shù)次采樣的數(shù)據(jù)中包含有識別信息。例如，假設(shè)方波周期為4秒，且整點處的相位為‘0，時隙內(nèi)添加3次的識別信息，則在接收端時隙內(nèi)要進(jìn)行6次的數(shù)據(jù)采樣，每次采樣的持續(xù)時間為2秒，并且可以在時間0秒，2秒，4秒，6秒，8秒，10秒，…處開始采樣。

圖3 Duffing振蕩器陣列的廣播節(jié)目監(jiān)測

圖4 單一頻率正弦信號和開關(guān)電路產(chǎn)生的方波

3.4 Duffing振蕩器陣列檢測

Duffing振蕩器檢測系統(tǒng)用于判定Duffing系統(tǒng)是處于混沌運(yùn)動狀態(tài)還是周期運(yùn)動狀態(tài)。Duffing系統(tǒng)的狀態(tài)可通過觀察相圖（如圖1）來確定，它是人工行為，效率低且不適于工程應(yīng)用；李雅普諾夫指數(shù)（Lyapunov exponent）定量描述了混沌振蕩器的這種現(xiàn)象的量。李雅普諾夫指數(shù)是指在相空間中相互靠近的兩條軌跡隨著時間推移，按指數(shù)分離或聚合的平均變化率。在診斷和描述混沌信號時，李雅普諾夫指數(shù)是一個不變量，是判斷混沌存在的重要依據(jù)，它的正負(fù)性用來判定系統(tǒng)是否混沌。

對于Duffing振子，若它的Lyapunov指數(shù)均小于0，系統(tǒng)處于周期運(yùn)動狀態(tài)；若存在一個Lyapunov指數(shù)大于0，則系統(tǒng)處于混沌運(yùn)動狀態(tài)。同時實驗中發(fā)現(xiàn)，用改進(jìn)C-C方法計算時間序列的嵌入維數(shù)值為無窮大（Inf）時，觀察到Duffing振子的相圖都為混沌運(yùn)動狀態(tài)。因此，當(dāng)計算時間序列嵌入維數(shù)的值為無窮大時，相應(yīng)的Lyapunov指數(shù)以‘0代替。

微弱信號以[0，0.01]形式間歇加入，兩次計算Lyapunov指數(shù)值，Lyapunov指數(shù)值從正數(shù)或0躍變到負(fù)數(shù)，說明Duffing振子運(yùn)動狀態(tài)從混沌狀態(tài)躍變到長周期運(yùn)動狀態(tài)，計數(shù)器加1。由計數(shù)器的值指示時隙內(nèi)加入微弱正弦波的次數(shù)。不同類型的音頻信號需要不同閾值的Duffing振蕩器，兩個閾值的Duffing振蕩器陣列檢測如圖5所示。

圖5 Duffing振蕩器檢測陣列

3.5 李雅普諾夫指數(shù)計算

計算李雅普諾夫指數(shù)流程，如圖6所示。設(shè)置Duffing系統(tǒng)的參數(shù)，將解調(diào)信號輸入到Duffing振蕩器陣列，Duffing系統(tǒng)輸出時間序列，使用快速傅立葉變換計算時間序列的平均周期，改進(jìn)C-C方法計算重構(gòu)相空間的嵌入維數(shù)和時間延遲，通過相空間重建，計算最大李雅普諾夫指數(shù)。

圖6 李雅普諾夫指數(shù)計算

3.6 判決

固定時隙內(nèi)，各發(fā)射機(jī)信號源加入的弱周期信號的頻率和次數(shù)不同，據(jù)Duffing振蕩器陣列檢測到的李雅普諾夫指數(shù)值躍變次數(shù)，將這個李雅普諾夫指數(shù)值的躍變次數(shù)與輸入端間歇添加到節(jié)目源的周期信號的次數(shù)進(jìn)行比較，它們是否一致來識別播出音頻節(jié)目的發(fā)射機(jī)。對各發(fā)射機(jī)播出的音頻信號進(jìn)行巡回檢測，實現(xiàn)音頻廣播節(jié)目的自動監(jiān)測。

4 實際應(yīng)用分析

4.1 十六個音頻片段的測試分析

試驗應(yīng)用，首先使用16個音頻片段（9個為語音，7個為音樂，格式為wav）測試系統(tǒng)。通過測試它們的長度、幅值、抽樣率如表1所示。

根據(jù)實際播音情況，分兩種情況作檢測：（1）一個頻率音頻節(jié)目用一部發(fā)射機(jī)播出情況。在時隙內(nèi)節(jié)目源間歇加入10次正弦信號。Duffing振蕩器陣列檢測到Lyapunov指數(shù)值從正數(shù)或0躍變到負(fù)數(shù)的次數(shù)也是10次。（2）一個頻率音頻節(jié)目同時用兩部發(fā)射機(jī)播出情況。一部發(fā)射機(jī)節(jié)目源加入弱信號的頻率為與Duffing系統(tǒng)固有頻率相同，另一部發(fā)射機(jī)節(jié)目源加入微弱信號的頻率為3。同樣在時隙內(nèi)間歇加入10次正弦信號。Duffing振蕩器陣列檢測到Lyapunov指數(shù)值從正數(shù)或0躍變到負(fù)數(shù)的次數(shù)也是10次。

4.2 信噪比分析

音頻片段幅值多數(shù)在[-1，1]之間；情況1采用2倍的信號幅值，情況2采用4倍的信號幅值。弱周期信號的幅值大都為0.01，有的為0.02。由信噪比定義 = 20，多數(shù)音頻片段的信噪比在46dB和52dB之間，個別片段的信噪比小至40dB。

綜述以上試驗分析，Duffing振蕩器陣列對帶有弱正弦周期信息的音頻節(jié)目的檢測，能輸出穩(wěn)定的李雅普諾夫指數(shù)值，在時隙內(nèi)檢測到的李雅普諾夫指數(shù)值躍變次數(shù)與間歇加入的微弱正弦周期信號的次數(shù)一致，實現(xiàn)了音頻節(jié)目的識別，也滿足了信噪比指標(biāo)要求。同時還具有：（1）識別信息融入音頻節(jié)目源的方法簡單。（2）識別信號的信息量很小，可換取高的信噪比，滿足發(fā)射機(jī)播音對信噪比指標(biāo)的要求。（3）可識別出各播音的發(fā)射機(jī)，特別的是解決了同頻音頻廣播節(jié)目識別的問題。（4）將協(xié)議和定時相結(jié)合，簡化接收端數(shù)據(jù)采集同步的復(fù)雜的定時技術(shù)，更易于工程上的實現(xiàn)等特點。

5 結(jié)束語

通過采用Duffing振蕩器對弱信號檢測研究的實現(xiàn)，為混沌理論用于識別技術(shù)提供了一種新的算法，新的技術(shù)；也為協(xié)議和定時技術(shù)結(jié)合，為微弱信號的數(shù)據(jù)采集提供了一種新的同步技術(shù)。此項研究成功解決了同頻音頻廣播節(jié)目識別的問題，與同類的無線監(jiān)測相比增加了新的技術(shù)，附加值更高；與有網(wǎng)絡(luò)支持的有線監(jiān)測相比，極大地降低了設(shè)備成本。對于大功率廣播發(fā)射臺而言，為實時監(jiān)測發(fā)射機(jī)的播出質(zhì)量和效果探索出新的途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] 高心，虞厥邦.復(fù)域Duffing振蕩器分?jǐn)?shù)階混沌.吉林大學(xué)學(xué)報，2004.7.

[2] 何穎.混沌Duffing振子系統(tǒng)弱信號檢測研究和應(yīng)用.長安大學(xué)學(xué)報，2010.endprint