惠農(nóng)信息服務(wù)與應(yīng)急廣播系統(tǒng)及其應(yīng)用

吳樂南

（東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

0 引 言

2012年3月14日中午，汶川縣境內(nèi)的電視上首次出現(xiàn)地震預(yù)警字幕“溫馨提示：青川縣正在發(fā)生輕微地震，汶川無震感…”，被認(rèn)為是我國地震預(yù)警技術(shù)面向公眾發(fā)布的里程碑式進(jìn)步，但電信光纜、移動基站和有線電視等通信基礎(chǔ)設(shè)施本身的抗毀性很脆弱。汶川抗震救災(zāi)期間筆者曾提出以北斗衛(wèi)星用戶機(jī)的短信功能作為上行信道、以現(xiàn)有模擬調(diào)幅（AM）廣播作為下行信道而構(gòu)建應(yīng)急多媒體通信系統(tǒng)［1］，本文介紹這一系統(tǒng)構(gòu)思的研究進(jìn)展、具體實現(xiàn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

1 調(diào)幅廣播的數(shù)字化

1.1 調(diào)幅廣播數(shù)字化研究現(xiàn)狀

廣播可高效實現(xiàn)廣域覆蓋，用收音機(jī)接收簡單廉價。傳統(tǒng)的模擬AM廣播采用保留載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB－AM）體制，只占用9kHz帶寬，干擾大、音質(zhì)差，在我國有數(shù)億人口收聽。2008年汶川大地震使災(zāi)區(qū)光纜中斷、手機(jī)不通、電視不亮，常規(guī)的通信和傳媒手段幾乎全部失效，民政部、解放軍四總部分別緊急采購10×104臺和17×104臺收音機(jī)調(diào)往災(zāi)區(qū)和救災(zāi)部隊，凸顯了AM廣播之不可替代。因此，實現(xiàn)AM廣播的數(shù)字化意義重大，這必須同時實現(xiàn)聲音信源的數(shù)字化和信道傳輸?shù)臄?shù)字化。

關(guān)于聲音的編碼標(biāo)準(zhǔn)已有多種國際標(biāo)準(zhǔn)可選，例 如 MPEG－4AAC／CELP／HVXC、ITU－T G.722.2／G.723.1／G.729等，特別是基于自主技術(shù)DRA的中國標(biāo)準(zhǔn)GB／T 22726－2008，已被IEC正式發(fā)布成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61937－12［2］。

關(guān)于AM廣播信道傳輸?shù)臄?shù)字化，主要有3種思路［3］：

（1）以歐洲國家為主體的世界數(shù)字廣播（DRM）組織制訂的規(guī)范。在整個30MHz以下頻段和現(xiàn)行模擬AM廣播帶寬內(nèi)實現(xiàn)全數(shù)字化聲音廣播和多媒體信息傳輸。為了統(tǒng)一，各國都原則同意在短波頻段采用DRM規(guī)范。

（2）美國采用帶內(nèi)同頻道（IBOC）專有技術(shù)開發(fā)的HD Radio系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在現(xiàn)有模擬AM／FM頻段內(nèi)利用現(xiàn)有播出頻道并使用與模擬廣播臺相同的載頻，根據(jù)頻率分隔和調(diào)制方式的不同，同播模擬和數(shù)字2套節(jié)目，音質(zhì)優(yōu)于DRM系統(tǒng)，美國堅持在MW和FM頻段采用其專利體制。

（3）向下兼容系統(tǒng)。盡管DRM與IBOC同為ITU－R在BS.1514建議中推薦的國際標(biāo)準(zhǔn)，但互不兼容，且均未遵從現(xiàn)行AM體制。要想不改動廣播網(wǎng)絡(luò)和廣播發(fā)射機(jī)，就只能兼容現(xiàn)行的DSB－AM傳輸系統(tǒng)，其信號由1個不含任何信息的正弦載波和上下2個含有相同調(diào)制信息的模擬邊帶組成，而無論是模擬載波還是模擬邊帶，都可能加載數(shù)字信息而成為“數(shù)字載波”和“數(shù)字邊帶”，于是，用模／數(shù)邊帶去調(diào)制模／數(shù)載波的幅度就有4種組合，其中“模擬載波＋模擬邊帶”就是現(xiàn)行模擬AM廣播傳輸方式，而其余3種組合就是可保持DSB－AM體制不變的數(shù)字AM廣播體制［3］。

更具體地，涉及“數(shù)字載波”的2種組合采用超窄帶技術(shù)［4］進(jìn)行復(fù)合調(diào)制［5－6］，技術(shù)框架如圖1所示，已納入2012年國家科技支撐計劃課題“數(shù)字音頻廣播關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用示范”；而“模擬載波＋數(shù)字邊帶”復(fù)合調(diào)制方式，就是本文系統(tǒng)所采用的向下兼容調(diào)幅廣播數(shù)字化傳輸方法［7］，基于編碼的正交頻分復(fù)用（COFDM）數(shù)字邊帶和超窄帶數(shù)字載波的DSB－AM復(fù)合調(diào)制傳輸系統(tǒng)如圖1a和圖1b的上半部分所示。

圖1 數(shù)字邊帶加數(shù)字載波的復(fù)合調(diào)制傳輸系統(tǒng)框圖

1.2 向下兼容的AM廣播數(shù)字化傳輸

在國家自然科學(xué)基金“中國數(shù)字AM廣播實驗系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究”等項目支持下，筆者所在課題組發(fā)明了一種能夠向下兼容現(xiàn)有模擬AM廣播和MW／SW收音機(jī)的數(shù)字AM廣播體制，并采用虛擬無線電技術(shù)在普通PC上純軟件實現(xiàn)。發(fā)端只需一套包括節(jié)目編輯、信源編碼和基帶調(diào)制處理的軟件，首先對聲音信號壓縮編碼，與其他媒體數(shù)據(jù)混合并進(jìn)行COFDM基帶處理后直接送入AM發(fā)射機(jī)的音頻口，對發(fā)射載波進(jìn)行DSB－AM調(diào)制后經(jīng)天線發(fā)送；而收端采用AM收音機(jī)檢波出該數(shù)字基帶信號后，從音頻輸出口直接連到裝有基帶解調(diào)、信源解碼和節(jié)目展現(xiàn)軟件的筆記本電腦的話筒端，即可解碼出音頻和附加數(shù)據(jù)，得到多媒體信息服務(wù)。實質(zhì)上是用軟件實現(xiàn)了信源編解碼器、信道編譯碼器和音頻基帶調(diào)制解調(diào)器，以及數(shù)據(jù)的組幀復(fù)用與分接等全部工作，完全在原有AM廣播管理體制內(nèi)實現(xiàn)，從而最大程度簡化了從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)化的手續(xù)，實際是將現(xiàn)有體制的模擬邊帶通過音頻調(diào)制解調(diào)替換為數(shù)字邊帶，因而向下兼容了現(xiàn)有AM廣播，更適合小容量數(shù)據(jù)信息的廣域廉價服務(wù)，如發(fā)送各種公共信息、電子報紙［8］和應(yīng)急廣播［1］等。

2 COFDM基帶傳輸?shù)膽?yīng)用

2.1 基本應(yīng)用情況

作為本系統(tǒng)技術(shù)框架核心的“數(shù)字邊帶”方案，建立在對DRM／IBOC標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)物理層基本框架的COFDM技術(shù)長期研究［9］的基礎(chǔ)上，應(yīng)用情況如下。

（1）與某通信試驗大隊合作。利用虛擬無線電技術(shù)對模擬短波單邊帶電臺進(jìn)行數(shù)字化改造。主要依據(jù)DRM框架進(jìn)行優(yōu)化和簡化：刪除卷積碼，代之以性能更好的低密度奇偶校驗碼，簡化幀結(jié)構(gòu)，按電臺的300～3000Hz限制帶寬，改進(jìn)軟件結(jié)構(gòu)并優(yōu)化全部代碼，傳輸效果超過現(xiàn)役電臺。

（2）與茂名海洋氣象廣播電臺等單位合作。將該技術(shù)用于將漁船短波電臺直接升級為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信終端，并開發(fā)相應(yīng)的位置管理、圖像回傳軟件［10－11］，從技術(shù)手段和信息內(nèi)容上提供更有效的海洋漁業(yè)氣象信息服務(wù)和應(yīng)急廣播，從管理上提高對南中國海近7×104條深水船的跟蹤定位能力，實現(xiàn)“海上移動物聯(lián)網(wǎng)”［12］。經(jīng)3a來實驗改進(jìn)，目前漁船在三沙市海域與廣州基地臺732km雙向數(shù)據(jù)通信良好，即將小批量裝船。

（3）與蘇州東奇信息科技股份有限公司、常熟理工學(xué)院、常熟市廣播電視總臺廣播中心合作。從2012年4月開始每周六下午在常熟市廣播中心，利用頻率為1116kHz的中波試驗臺進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)的開路廣播試驗：設(shè)在常熟市境內(nèi)及東南大學(xué)蘇州研究院（距常熟2kW發(fā)射臺直線距離40km）內(nèi)的接收端利用單根音頻線，將來自中波調(diào)幅收音機(jī)耳機(jī)插孔的音頻輸出信號，直接連接到筆記本電腦的話筒接口，利用系統(tǒng)接收軟件實現(xiàn)音頻OFDM解調(diào)、信道譯碼、信源解碼及多種媒體輸出展現(xiàn)等全部數(shù)字處理功能［11］。用德生PL－360收音機(jī)和 AN－200中波環(huán)形天線40km測試，信噪比可達(dá)15dB，收到了圖片、文本和音頻文件。

2.2 應(yīng)急廣播功能開發(fā)

隨著用戶對應(yīng)急維穩(wěn)的重視，課題組又定義并在發(fā)送數(shù)據(jù)包中加入了“市＋縣＋鎮(zhèn)＋村”格式的地址碼，實現(xiàn)可任意選擇片區(qū)的組播或“群呼”；添加文－語轉(zhuǎn)換軟件，實現(xiàn)了自動播放音頻文件并按給定次數(shù)重復(fù)“朗讀”；實現(xiàn)了接收數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)類型自動識別與展現(xiàn)及軟件操作界面優(yōu)化，以及發(fā)送端和接收端的時間設(shè)置、串口控制、文件糾／檢錯編碼、日志記錄；添加了繼電器控制電路，以便能用筆記本電腦直接啟動大功率外設(shè)。

2013年2月在常熟白茆鎮(zhèn)康博村，接收系統(tǒng)連接到康博苑小區(qū)的LED公告牌，實現(xiàn)了利用收到的文本信息即時切換公告牌信號源并自動在公告牌上滾動顯示。同年3月在常熟古里鎮(zhèn)蘇家尖村，將筆記本電腦通過接線選擇器連接到村有線廣播臺，使村廣播系統(tǒng)實現(xiàn)了既不影響日常節(jié)目廣播，又能在緊急情況下自動播放緊急通知。試用過程中，接收軟件將信號轉(zhuǎn)譯成文本顯示在界面上，隨后工控機(jī)自動打開音頻信號控制器，切換控制臺信號，同步朗讀界面上顯示的文字，并通過喇叭對外播放緊急通知。

因此，根據(jù)“惠農(nóng)信息服務(wù)”與“突發(fā)事件應(yīng)急廣播”兩大需求所開發(fā)實現(xiàn)的“惠農(nóng)信息服務(wù)與應(yīng)急廣播系統(tǒng)”，經(jīng)1a來各種環(huán)境下的開路廣播和實際測試后，于2013年5月14日通過了由江蘇省廣電局組織的專家鑒定。

2.3 系統(tǒng)功能與特色

（1）直接利用現(xiàn)有廣播發(fā)射機(jī)和普通收音機(jī)，實現(xiàn)文字、圖片、聲音的數(shù)據(jù)傳輸，為廣域、無縫的無線覆蓋（例如偏遠(yuǎn)山村的信息化服務(wù)）提供一種高效廉價的應(yīng)用模式。

（2）發(fā)送軟件裝在電臺的節(jié)目編輯機(jī)上，利用現(xiàn)有系統(tǒng)便可播發(fā)多類媒體文件，并精確控制指定接收用戶終端的各種操作的自動執(zhí)行；可將帶緊急標(biāo)記的數(shù)據(jù)文件發(fā)送到指定接收端，作為應(yīng)急廣播發(fā)送災(zāi)情信息、營救措施和搶險方案。

（3）接收軟件嵌入在專用工控機(jī)中，能夠匹配本機(jī)地址碼、保存數(shù)據(jù)文件、控制文件播放次數(shù)、實時朗讀和顯示文本內(nèi)容，在緊急狀況下啟動音響設(shè)備（農(nóng)村大喇叭、城市警報器等）等。

（4）利用各地廣播資源存量建成龐大的城市、鄉(xiāng)村惠農(nóng)／應(yīng)急廣播網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，做到平時自用、突發(fā)事件急用相結(jié)合。網(wǎng)絡(luò)和終端的延伸可充分依托城市民防警報系統(tǒng)，現(xiàn)存并即將恢復(fù)的農(nóng)村有線廣播系統(tǒng)，城市社區(qū)、商場、醫(yī)院、學(xué)校、企業(yè)、寫字樓的背景音樂和自有廣播系統(tǒng)等。

3 主要應(yīng)用領(lǐng)域和前景

系統(tǒng)在科技、文化、經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展等方面都有廣闊應(yīng)用前景和巨大的政治、社會和經(jīng)濟(jì)效益。

（1）應(yīng)急廣播與應(yīng)急通信。中波廣播可更深地進(jìn)入某些沒有手機(jī)或FM廣播信號的民防“死角”。災(zāi)害發(fā)生時，廣播最有政府公信力，可在第一時間發(fā)布最新災(zāi)情，平息謠言，安定人心，能最大程度降低生命財產(chǎn)損失，防范災(zāi)害引發(fā)的社會風(fēng)險對權(quán)力合法性的挑戰(zhàn)［13］。將應(yīng)急廣播接收端與北斗用戶機(jī)相結(jié)合，便可提供最廉價的應(yīng)急通信手段，成為現(xiàn)行各類車載應(yīng)急通信系統(tǒng)的有力補(bǔ)充，甚至是不可或缺的唯一手段。

（2）發(fā)布地震預(yù)警。地震預(yù)警是在地震已發(fā)生的前提下，搶在嚴(yán)重災(zāi)難尚未形成之前發(fā)出警告。地震發(fā)生后的預(yù)警，就是無線電波和地震橫波的一場賽跑。本系統(tǒng)通過已有的強(qiáng)大廣播網(wǎng)絡(luò)，及時、自動地將地震預(yù)警信息通過更靈活廉價而又可靠抗毀的廣播方式發(fā)布，進(jìn)行可選范圍的音像警示。

（3）支持農(nóng)村維穩(wěn)。農(nóng)村基層政權(quán)是國家政權(quán)的基礎(chǔ)，建設(shè)新農(nóng)村是實現(xiàn)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展的重大舉措。而調(diào)幅廣播發(fā)射功率大，中波臺覆蓋半徑比電視和手機(jī)單站覆蓋半徑大得多，比衛(wèi)星接收更便宜，有利于利用各種有效的媒體形式和傳播途徑，宣傳黨的方針政策，推進(jìn)法律援助［14］，極大地增強(qiáng)村委會的凝聚力、戰(zhàn)斗力，維持農(nóng)村的社會穩(wěn)定。

（4）增進(jìn)城鄉(xiāng)和諧。一方面有助于縮小城鄉(xiāng)差別，加速新農(nóng)村建設(shè)，利用信息增加農(nóng)民收入、繁榮農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、縮小城鄉(xiāng)差距、實現(xiàn)共同富裕；另一方面是防止假貨坑農(nóng)，提供一種高效廉價且最有公信力的農(nóng)資信息應(yīng)用模式和有效的農(nóng)情產(chǎn)銷信息，也有助于從源頭保證城市居民“菜籃子”安全，以及農(nóng)村環(huán)境的綠水青山。還可為農(nóng)資企業(yè)提供廉價有效的宣傳平臺，并在技術(shù)上支撐公眾參與政府環(huán)境信息的發(fā)布問責(zé)［15］。

（5）推動科技進(jìn)步。一方面是促進(jìn)科技下鄉(xiāng)，拉動內(nèi)需；另一方面是開展新媒體服務(wù)與廣播增值業(yè)務(wù)，為廣播電臺帶來新的經(jīng)濟(jì)效益和利潤增長點(diǎn)，并可通過“電子報紙”的形式整合廣播和報業(yè)的力量，以信息化促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)直接集成了現(xiàn)有頻率資源（中波頻段）、基礎(chǔ)設(shè)施（廣播電臺）、廣播制式（DSB－AM傳輸）、成熟產(chǎn)品（收音機(jī)）和基礎(chǔ)設(shè)施（農(nóng)村有線廣播、顯示屏等），只要有閑置AM電臺和頻點(diǎn)即可開展增值業(yè)務(wù)或應(yīng)急通信。災(zāi)時作為應(yīng)急廣播可減少人員傷亡和財產(chǎn)損失；平時則可提供農(nóng)情信息服務(wù)、宣傳黨的政策、普及科學(xué)技術(shù)、促進(jìn)穩(wěn)定和諧，更為新一代數(shù)字AM廣播和新型收音機(jī)的研制與推廣奠定了基礎(chǔ)。

另外，為了利用國內(nèi)大多閑置的調(diào)頻副載波，本系統(tǒng)已拓展到了FM頻段。

［1］吳樂南，何 峰.基于AM廣播的應(yīng)急多媒體系統(tǒng)［C］／／第四屆和諧人機(jī)環(huán)境聯(lián)合學(xué)術(shù)會議論文集.北京：清華大學(xué)出版社，2008：9－14.

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