廣播電視音頻信號防插播錯(cuò)播預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建研究

董　信

（大理人民廣播電臺(tái)，云南　大理　671000）

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廣播電視音頻信號防插播錯(cuò)播預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建研究

董信

（大理人民廣播電臺(tái)，云南大理671000）

摘要：文章結(jié)合云南大理的地形地貌特點(diǎn)及人口分布情況，從設(shè)計(jì)構(gòu)思、總體結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)功能等方面介紹了云南大理防插播錯(cuò)播音頻信號報(bào)警系統(tǒng)的整體運(yùn)行流程，并在此基礎(chǔ)上分析了音頻信號等信號傳輸系統(tǒng)中信號分析與處理的具體方法，以及信號相似性判別的相關(guān)模型。

關(guān)鍵詞：防插播錯(cuò)播音頻信號；能量相似度；相對誤差；能量度量法

衡量廣播電視音頻信號傳輸質(zhì)量的基本指標(biāo)為畫面清晰度及數(shù)據(jù)損失率。當(dāng)前對音頻信號質(zhì)量的檢測主要采用人工監(jiān)視監(jiān)聽及畫面切換的方法，在監(jiān)測控制過程中該方法難免受到人為因素的影響，因此人工監(jiān)測的精度和效率較低。為此本文結(jié)合云南大理的地形地貌特點(diǎn)及人口分布情況，在分析無線電信號特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了智能化防插播錯(cuò)播音頻信號報(bào)警系統(tǒng)，從而提高整體音頻傳輸系統(tǒng)的工作性能。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

無線電視廣播信號的傳播受地形、天氣等多種因素的影響，當(dāng)?shù)匦螢榍鹆甑貛r(shí)，無線信號的傳播將產(chǎn)生功率損耗，降低信號的傳輸質(zhì)量。大理位于云貴高原和橫斷山脈的結(jié)合處，地貌復(fù)雜，多丘陵，因此其地形不利于信號的正常傳播，為此本文設(shè)計(jì)了防插播錯(cuò)播音頻信號報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效的保證音頻信號的正常傳輸。

防插播錯(cuò)播音頻報(bào)警系統(tǒng)利用數(shù)學(xué)模型對預(yù)傳輸兩路信號進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算與處理，并在此基礎(chǔ)上通過智能技術(shù)分析、判斷整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，從而達(dá)到技術(shù)水平的安全要求。系統(tǒng)整體功能為以下幾個(gè)部分：（1）停播報(bào)警：在兩路傳輸信號中，若發(fā)生信號傳輸中斷，報(bào)警系統(tǒng)則發(fā)出聲、光2種方式報(bào)警。（2）錯(cuò)播報(bào)警：兩路信號源傳輸內(nèi)容不同時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)則進(jìn)行相關(guān)管理動(dòng)作，并發(fā)出聲、光2種方式報(bào)警。（3）插播報(bào)警：在兩路信號中，若信號傳輸夾雜噪音信號，報(bào)警系統(tǒng)則發(fā)出聲、光2種方式報(bào)警。（4）語音備查：信號源在傳輸過程中發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)能夠自動(dòng)將預(yù)傳輸信號源信息進(jìn)行錄音保存，從而實(shí)現(xiàn)用戶的后續(xù)查詢。（5）自動(dòng)信號同步：同一信號源音頻信號進(jìn)行傳輸時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)能夠降低不同傳輸通道中兩路信號的傳輸延時(shí)，實(shí)現(xiàn)信號傳輸?shù)耐健?/p>

2　系統(tǒng)軟件構(gòu)成及功能

報(bào)警系統(tǒng)的主要工作原理為：通過數(shù)學(xué)模型對信號進(jìn)行分析，并利用信號的能量比與相似度判別傳輸?shù)囊纛l信號是否發(fā)生錯(cuò)播、插播或中斷等。此系統(tǒng)通過研發(fā)軟件，實(shí)現(xiàn)音頻信號的相關(guān)計(jì)算、分析、判斷等工作。該系統(tǒng)軟件如圖1所示，分為以下3部分：音頻信號同步及跟蹤操作、計(jì)算相似度及能量比、系統(tǒng)存檔及控制報(bào)警。

圖1　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2.1音頻信號的同步及跟蹤操作

同源信號的傳輸分為同源傳輸通道和不同源傳輸通道，2種不同傳輸通道的信號存在時(shí)延，而無論傳輸通道相同與否時(shí)間漂移都會(huì)存在，且兩路信號的漂移往往不同?；谝纛l信號的該傳輸特性，利用相關(guān)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，能夠使傳輸?shù)膬陕沸盘柾剑⑶覀鬏斶^程中能夠進(jìn)行同步點(diǎn)跟蹤，實(shí)現(xiàn)信號的正確判別。

2.2計(jì)算相似度及能量比

此模塊的主要任務(wù)是將欲傳輸音頻信號分幀、分段、加窗，且利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行音頻信號的相似比及能量比計(jì)算，通過該模塊，系統(tǒng)具有抵抗底噪干擾與避免丟幀的功能。

2.3系統(tǒng)存檔及控制報(bào)警

此模塊依據(jù)上一模塊的相關(guān)計(jì)算結(jié)果及用戶自行設(shè)定的報(bào)警門限值判斷傳輸?shù)囊纛l信號是否存在錯(cuò)播、插播或中斷傳播等問題，若存在問題則會(huì)發(fā)出聲、光報(bào)警以提示相關(guān)工作人員進(jìn)一步操作。

3　音頻信號特點(diǎn)分析

3.1音頻信號具有豐富傳輸內(nèi)容且存在較大不確定性

音頻信號中不僅有音樂、語言等信號，還存在噪聲等，各種不同的內(nèi)容在傳輸過程中不斷進(jìn)行重疊與交替，且在傳輸時(shí)序中也無規(guī)律性。信號傳輸過程中，可能當(dāng)前階段傳輸語言，下階段就變?yōu)橐魳罚灰部赡墚?dāng)前階段語音信號較平緩，下階段就變得比較抑揚(yáng)頓挫。不確定性一直存在于音頻傳輸過程中，如圖2-4所示。圖2為純語言信號波形，圖3為純音樂波形，圖4為帶背景音樂的語音信號波形，且以上3種信號包含不同能量。

圖2　純語言信號波形

圖3　純音樂波形

圖4　帶背景音樂語音信號波形

3.2同源傳輸通道不同信號通道時(shí)序、相位可能不同

音頻傳輸易受到發(fā)送、接收裝置或傳輸媒介等各種因素干擾，體現(xiàn)為即使來自于同源信號，在傳輸通道不同的情況下時(shí)序及相位極為不同，表現(xiàn)為接受到的兩路信號間存在較大時(shí)延，如圖5所示。

圖5　信號不同衛(wèi)星接收的信號圖

型號不同的設(shè)備、型號相同的兩臺(tái)設(shè)備甚至同一設(shè)備在不同時(shí)間或環(huán)境下，時(shí)延體現(xiàn)均不同。設(shè)備的每次重啟或復(fù)位操作都會(huì)影響信號時(shí)延及相位。

3.3兩路信號相位及時(shí)序臨時(shí)間斷及隨機(jī)、動(dòng)態(tài)漂移

兩路信號相位及時(shí)序臨時(shí)間斷及隨機(jī)、動(dòng)態(tài)漂移的產(chǎn)生受環(huán)境、時(shí)間等外界因素影響，如環(huán)境發(fā)生變化可引起同一臺(tái)設(shè)備參數(shù)變化，相位及時(shí)序發(fā)生漂移；編解碼設(shè)備、信號采樣及收發(fā)設(shè)備自身短暫延時(shí)或小概率丟幀也會(huì)對信號相位和時(shí)序造成影響，如圖6所示。

圖6　信號經(jīng)過兩不同衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)的丟幀

3.4兩路信號干擾來自不同底噪

由于不同傳輸信道的信噪比不同，兩路音頻信號在不同信道傳輸時(shí)受到不同底噪干擾。若傳輸音頻信號的能量較強(qiáng)，底噪干擾表現(xiàn)不明顯；若傳輸音頻信號能量較弱，底噪干擾表現(xiàn)較強(qiáng)烈。

3.5兩路信號電平改變

由于各種影響，接收設(shè)備最后收到的信號電平會(huì)發(fā)生變化，外部表現(xiàn)為某一時(shí)間聲音較大，繼而聲音較小，存在著聲音強(qiáng)度大小變化。

4　音頻信號的技術(shù)處理

4.1信號分幀、分段、加窗

通過以上分析可知，接收端接收到的音頻信號各項(xiàng)參數(shù)（如相位等）及特性變化較大，且不確定性明顯，該過程為非平穩(wěn)過程。盡管如此，音頻信號在小于30 nm時(shí)的特性穩(wěn)定，此時(shí)由相同信號源發(fā)出的兩路信號短時(shí)自相關(guān)函數(shù)、短時(shí)過零率、短時(shí)平均幅度及短時(shí)能量等函數(shù)特性基本不變，此過程可看做是準(zhǔn)平穩(wěn)過程。由此特性，可將音頻信號分幀（0.5～2ms）操作以便進(jìn)一步分析計(jì)算。將每幀音頻信號依照順序進(jìn)行依次分析的操作為加窗，窗在信號上緩慢滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)分幀。窗在滑動(dòng)過程中為保持幀的連續(xù)性，幀會(huì)產(chǎn)生交疊，交疊部分大多為窗長1/3或1/2，其目的為實(shí)現(xiàn)幀間的平滑過渡，降低同步過程影響。

窗的類別有矩形窗、漢明窗、漢寧窗等。對于該報(bào)警系統(tǒng)研究中信號分析處理部分，交疊部分采用矩形窗。矩形窗函數(shù)表達(dá)式如下：

音頻信號經(jīng)分段處理，降低了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。信號分段較長可降低尺度突變干擾；分段較短報(bào)警響應(yīng)速度得到改善，但由于小尺度突變的強(qiáng)烈干擾使得系統(tǒng)誤判率增加。經(jīng)試驗(yàn)，在分段方式介于1/3秒與1/2秒之間時(shí)，可較好地滿足報(bào)警響應(yīng)與誤判率要求。

分段大小影響系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間，系統(tǒng)只有分析完讀取的一段數(shù)據(jù)后，才能得知數(shù)據(jù)的完整性，若段的時(shí)間長，則會(huì)增大系統(tǒng)的計(jì)算量，從而使得報(bào)警時(shí)間變長。

信號分析過程中每幀的特征以幀的總能量與平均能量表征，幀總能量計(jì)算每段的能量比，段信號相似度以平均能量計(jì)算。若多段信號相似度累加值小于相應(yīng)報(bào)警值或能量比的累加值大于相應(yīng)報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。相似度與能量報(bào)警值由實(shí)驗(yàn)確定，能量報(bào)警值設(shè)置過低會(huì)降低系統(tǒng)識(shí)別率，過高則會(huì)提高誤判率，而相似度的報(bào)警值則相反。

4.2信號的初步同步

通常接收設(shè)備接收的兩路音頻信號有較大程度的時(shí)延，信號初步同步可保持同源不同信道信號初步同步。

4.3同步點(diǎn)的自動(dòng)跟蹤和精度同步

4.3.1自動(dòng)跟蹤

信號存在丟幀及漂移所導(dǎo)致的初步同步點(diǎn)失效的情況，該情況發(fā)生后，需系統(tǒng)采取一定應(yīng)對措施自動(dòng)跟蹤同步點(diǎn)；數(shù)據(jù)比較時(shí)出現(xiàn)的誤差也將導(dǎo)致系統(tǒng)誤判，此時(shí)同樣需自動(dòng)跟蹤同步點(diǎn)。

4.3.2精確同步

分幀后的長度范圍之間，當(dāng)信號強(qiáng)度較弱甚至靜音時(shí)，系統(tǒng)底噪的影響不可忽略。盡管經(jīng)過加窗，未絕對同步造成的相似度的影響被降低，但未完全消除，此時(shí)便需信號精度同步。

幀同步點(diǎn)被找到后，在此點(diǎn)前后以一幀長度范圍內(nèi)將一個(gè)采樣點(diǎn)作為循環(huán)單位確定起始點(diǎn)重新分幀，并與目標(biāo)信號比較，經(jīng)過此過程，可找到最大相似度點(diǎn)，即為精確同步點(diǎn)。初步同步與精確同步操作既可計(jì)算最精確相似度，又可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)目標(biāo)。

4.3.3自動(dòng)過濾低信號區(qū)域及自動(dòng)保持相似度

傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)是否被篡改可通過計(jì)算能量比的方法綜合判斷。此算法在實(shí)際應(yīng)用中能夠降低系統(tǒng)運(yùn)行量，從而使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到保證。但信號強(qiáng)度較低區(qū)域因受到底噪干擾較大，即使傳輸數(shù)據(jù)未發(fā)生改變，其小尺度突變等特征表現(xiàn)較為強(qiáng)烈，可引發(fā)系統(tǒng)誤判。

因此比較每段信號前，都應(yīng)計(jì)算不同信道傳輸信號的能量，若均低于日常實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)值，則放棄此段信號，當(dāng)前能量比值與相似度直接沿用上一段信號的計(jì)算結(jié)果。經(jīng)此操作，降低了篡改信號的相似度，提高了正常信號的相似度，從而減少誤判，同時(shí)提高了系統(tǒng)的靈敏度及報(bào)警響應(yīng)時(shí)間與識(shí)別率。

4.3.4自動(dòng)過濾處理跳變點(diǎn)

實(shí)際應(yīng)用中，盡管信號強(qiáng)度較大，但由于某一時(shí)間點(diǎn)的突變使得一段信號的能量與相似度受到很大程度影響，從而影響系統(tǒng)判別。若當(dāng)前信號為篡改數(shù)據(jù)信號，則必然經(jīng)過了較長時(shí)間累積，且該累積時(shí)間是連續(xù)的，此段數(shù)據(jù)的前后兩段數(shù)據(jù)應(yīng)具有較差的相似度，此時(shí)可將前后兩段信號相似度計(jì)算的平均值來代替此段信號的相似度，改方法可較大程度上削弱小尺度突變的影響。

4.3.5信號相似性的判別模型

只有解決計(jì)算信號相似度問題，才可判別語音信號是否篡改，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防插播錯(cuò)播音頻信號的報(bào)警系統(tǒng)。信號經(jīng)處理后才可進(jìn)行相關(guān)計(jì)算工作，信號相似度的計(jì)算方法有傅里葉變換、信號的過零率等。傅里葉變換是一種較好的判別方法，但由于其較大的運(yùn)算量且產(chǎn)生較多無用信息，難以實(shí)現(xiàn)較好的實(shí)時(shí)性。信號過零率的特點(diǎn)為其具有較高誤判的可能。為了避免上述兩缺點(diǎn)，本文利用相對誤差能量衡量信號數(shù)據(jù)的相似度，同時(shí)配合信號要求，較好的判斷信號是否經(jīng)過了篡改。

5　結(jié)語

本文結(jié)合云南大理的地形地貌特點(diǎn)及人口分布情況，設(shè)計(jì)了防插播錯(cuò)播音頻信號報(bào)警系統(tǒng)。文中介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及軟件構(gòu)成，分析了音頻信號的特點(diǎn)，研究了音頻信號的處理技術(shù)。該技術(shù)可較好的處理音頻信號的插播錯(cuò)播問題，提高了播出的可靠性、安全性，降低了監(jiān)測值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的效果。

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Radio and Television Audio Signal Protection Spots Construction and Research of Broadcast Warning System Fault

Dong Xin

Abstract：In this paper, Dali, Yunnan topography characteristic and population distribution, introduces Yunnan Dali anti spots wrong broadcast audio signal alarm process of the operation of the whole system from the aspect of design, the overall structure, the realization function, and based on this analysis the concrete methods for the analysis and processing of the signals of the audio signal such as signal transmission system, signal and similar discriminant model.

Key words：anti fault broadcast audio signal energy spots; similarity; relative error; energy measurement method

作者簡介：董信（1972-），男，云南大理。