電臺(tái)節(jié)目質(zhì)量監(jiān)測評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬洋

摘 要 隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化制播技術(shù)的發(fā)展，我國廣播電臺(tái)正在經(jīng)歷大規(guī)模的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化改造。在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化制播環(huán)境下，電臺(tái)節(jié)目的質(zhì)量如何進(jìn)行監(jiān)測與評(píng)價(jià)成為亟待解決的問題。在此情況下國家新聞出版廣電總局制訂了《電臺(tái)節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》對數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、文件化后的節(jié)目質(zhì)量監(jiān)測相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了規(guī)范和定義。有了規(guī)范之后，各電臺(tái)需要開展相應(yīng)的系統(tǒng)建設(shè)，那么如何依據(jù)規(guī)范進(jìn)行具體的節(jié)目質(zhì)量評(píng)價(jià)呢？本文中研究和設(shè)計(jì)了一種具體的實(shí)施方案，并建設(shè)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。本文的研究會(huì)給其他電臺(tái)搭建類似的節(jié)目質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的建設(shè)提供借鑒和樣板，具有很好的示范意義。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化；音頻信號(hào)；監(jiān)測

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）183-0065-05

1 研究的內(nèi)容和意義

隨著電臺(tái)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的推進(jìn)，在整個(gè)電臺(tái)的播控和傳輸環(huán)節(jié)中，AES數(shù)字化信號(hào)傳輸成為主流配置。在AES傳輸鏈路中，因?yàn)榇罅康囊纛l分配器、音頻處理器、音頻延時(shí)器等設(shè)備的存在，AES信號(hào)的狀態(tài)常常會(huì)發(fā)生很多變化，例如載波電壓峰峰值（Vpp）的衰減、傳輸阻抗失配導(dǎo)致的數(shù)字信號(hào)抖動(dòng)，AES狀態(tài)位變化等。這些變化常常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)間各設(shè)備AES連接失配，輕則導(dǎo)致音頻指標(biāo)變差，重則導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至停播。因此對AES/EBU、MADI信號(hào)的基帶及載波信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測就成了廣播電臺(tái)迫切要做的事情。

本文對音頻域的信號(hào)質(zhì)量評(píng)價(jià)做了一定的研究，在研究平臺(tái)中采用的數(shù)字信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測儀是具有網(wǎng)絡(luò)接口的在線AES信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測儀。它可以像示波器一樣插入到系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測各節(jié)點(diǎn)的AES載波及基帶信號(hào)質(zhì)量，分析眼圖、抖動(dòng)、狀態(tài)、音頻電平、相位以及音頻頻譜分析等參數(shù)。配合上層管理軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、定時(shí)系統(tǒng)巡檢，自動(dòng)掃描各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)、判斷故障類型。系統(tǒng)檢測完成后還可以自動(dòng)生成技檢報(bào)告，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)檢測、自動(dòng)報(bào)告。從而節(jié)約大量的人力物力，提高電臺(tái)技檢的自動(dòng)化水平，大幅提升工作效率。

2 《電臺(tái)節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》簡介

《電臺(tái)節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定了主要規(guī)定的內(nèi)容包括：

1）音頻信號(hào)質(zhì)量的監(jiān)測，如電平過低、反相、聲道缺失等。

2）數(shù)字基帶傳輸音頻信號(hào)的監(jiān)測，如AES信號(hào)的載波電壓、失鎖、有效位等，并對多通道數(shù)字信號(hào)MADI信號(hào)中的有效標(biāo)志、峰值電壓等進(jìn)行了規(guī)定。

3）基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的音頻文件質(zhì)量監(jiān)測如：文件格式、文件幀結(jié)構(gòu)、比特率合法性、文件傳輸完整性等。

4）網(wǎng)絡(luò)傳輸音頻信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)和音頻信號(hào)的質(zhì)量監(jiān)測如：延時(shí)、丟包率、失真等。

3 監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將《電臺(tái)節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中所規(guī)定的音頻質(zhì)量指標(biāo)和參數(shù)作為主要測量對象，主要包含如下測量參數(shù)：

1）音頻信號(hào)幅度、相位進(jìn)行測量和評(píng)價(jià)。

2）音頻總諧波失真加噪聲指標(biāo)測量。

3）數(shù)字音頻載波信號(hào)測量，如眼圖、抖動(dòng)等信息。

4）網(wǎng)絡(luò)化傳輸后音頻延時(shí)測量。

5）對音頻文件進(jìn)行播出后，對音頻幅度、相位及總諧波失真加噪聲測量。

6）對三層交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等參數(shù)進(jìn)行測量。

3.1 總體設(shè)計(jì)及說明

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，調(diào)音臺(tái)是進(jìn)行信號(hào)播放的中心，本文調(diào)音臺(tái)的測試音源使用的是測試樣本信號(hào)發(fā)生器（PowerEditor）產(chǎn)生的測試樣本信號(hào)，以及專業(yè)音頻測試儀（AudioPrecsion）產(chǎn)生的測試樣本信號(hào)。

矩陣輸出直接送入分析對比站，進(jìn)行音頻文件比對，評(píng)價(jià)音頻編解碼、光纖傳輸后的音頻質(zhì)量監(jiān)測和評(píng)價(jià)。

另外，矩陣輸出信號(hào)分別送入網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)音頻信號(hào)通過三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之后在接收端進(jìn)行輸出。輸出之后的音頻信號(hào)與矩陣的直接輸出信號(hào)會(huì)進(jìn)入音頻質(zhì)量信號(hào)監(jiān)測和評(píng)價(jià)設(shè)備進(jìn)行比對和監(jiān)測。第一種設(shè)備是在線數(shù)字基帶信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，第二種設(shè)備是離線專業(yè)音頻測試儀AP2722，第三種設(shè)備是比對工作站。

3.2 數(shù)字基帶監(jiān)測系統(tǒng)

AES基帶信號(hào)監(jiān)測有多種方法，例如通過測量固有抖動(dòng)（instrinct jitter）、上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間、載波電壓等參數(shù)就可以表述AES基帶信號(hào)的質(zhì)量。然而測量AES基帶信號(hào)最直接的方法還是測量它的眼圖，通過眼圖可以直觀、清楚地看到AES信號(hào)的畸變、抖動(dòng)以及衰減情況。

本系統(tǒng)中采用了在線AES數(shù)字信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測儀（本節(jié)內(nèi)簡稱“監(jiān)測儀”）進(jìn)行數(shù)字信號(hào)質(zhì)量的監(jiān)測和評(píng)價(jià)，它能夠?qū)崟r(shí)測量AES信號(hào)的眼圖、抖動(dòng)、載波電壓，AES通道狀態(tài)數(shù)據(jù)、音頻幅度和相位以及音頻頻譜等參數(shù)，同時(shí)可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)、筆記本電腦或平板電腦上實(shí)時(shí)觀測監(jiān)測結(jié)果。與專業(yè)音頻測試儀相比，監(jiān)測儀雖然測量指標(biāo)相對較少，但體現(xiàn)出了較好的實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測的優(yōu)勢。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，我們將使用監(jiān)測儀和AP2722一起完成專業(yè)音頻信號(hào)的基帶信號(hào)質(zhì)量、音頻幅度和相位以及總諧波失真加噪聲以及頻譜分析等參數(shù)的測量和評(píng)價(jià)。

4 監(jiān)測和評(píng)價(jià)方法

4.1 數(shù)字音頻基帶信號(hào)質(zhì)量測量原理

4.1.1 眼圖成像原理

采用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)測量技術(shù)，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用一次觸發(fā)，可捕獲一組連續(xù)的比特位的信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)頻率對捕獲到的信號(hào)按比特位切割，切割一次，疊加一次，最終將捕獲到的一組數(shù)據(jù)的每個(gè)比特位都疊加到眼圖上。具體步驟如下：

1）首先根據(jù)音頻信號(hào)的采樣率FS及信號(hào)頻率、顯示要求、屏幕分辨率粗略計(jì)算出眼圖的相關(guān)顯示參數(shù)：例如fs為100M，即采樣間距Ts為10ns；當(dāng)信號(hào)頻率為6.144M時(shí)，根據(jù)顯示要求1.25UI（101.7ns取100ns），屏幕橫軸顯示分辨率500點(diǎn)，相鄰像素點(diǎn)間的時(shí)間寬度Tp為0.2ns。

2）根據(jù)參數(shù)將采樣點(diǎn)放在合適的位置，放置時(shí)需要按照采樣周期進(jìn)行初始位置偏移。

4.1.2 抖動(dòng)測量原理

根據(jù)成像后的眼圖，將圖像向橫軸投影進(jìn)行點(diǎn)數(shù)累計(jì)疊加，找到上升沿和下降沿的交叉點(diǎn)，然后在投影軸上計(jì)算寬度，算出jitter值。

4.1.3 上升沿和下降沿的測量原理

根據(jù)樣本采樣值，找到10%～90%峰峰值電壓之間的點(diǎn)，計(jì)算該區(qū)域時(shí)間寬度，得到上升沿和下降沿時(shí)間。

4.1.4 Vpp測量

根據(jù)ADC高速采樣值，找出最大值或平均值，直接得出Vpp值。

4.2 AES狀態(tài)信息測量顯示

4.2.1 AES時(shí)鐘鎖定狀態(tài)檢測

采用專業(yè)AES接收芯片進(jìn)行時(shí)鐘鎖定檢測，AES/EBU解碼端是否可以從串行信號(hào)中恢復(fù)出采樣時(shí)鐘，處理器讀取寄存器狀態(tài)，并檢測失鎖報(bào)警輸出引腳狀態(tài)，判斷時(shí)鐘是否鎖定。

監(jiān)測方法是直接讀取AES信號(hào)的通道狀態(tài)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)是AES解碼芯片寫入的。

數(shù)字音頻信號(hào)通道狀態(tài)數(shù)據(jù)的0字節(jié)的比特5為“0”則表明取樣源頻率鎖定，為“1”則表明取樣源頻率未鎖定。

4.2.2 雙相編碼狀態(tài)檢測

AES采用雙相標(biāo)記碼來傳輸數(shù)據(jù)，提高傳輸準(zhǔn)確度、降低直流分量、恢復(fù)時(shí)鐘。如果AES 解碼芯片無法正確對雙相標(biāo)記碼解碼，將在通道狀態(tài)數(shù)據(jù)中寫B(tài)iphase狀態(tài)位。

讀取AES狀態(tài)數(shù)據(jù)中的Biphase位，如果為錯(cuò)誤狀態(tài)，則需檢查是否是AES信號(hào)，并進(jìn)一步檢查AES基帶信號(hào)質(zhì)量，如抖動(dòng)、上升下降時(shí)間等，可依靠眼圖檢測來判斷。奇偶校驗(yàn)。

4.2.3 奇偶校驗(yàn)位檢測

AES/EBU及MADI標(biāo)準(zhǔn)作為串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對傳輸數(shù)據(jù)都有奇偶校驗(yàn)值，接收電路再次計(jì)算校驗(yàn)值并與串行信號(hào)中攜帶的原始校驗(yàn)值比較，即可知道奇偶校驗(yàn)是否正確。檢測方法是通過讀取AES基帶解碼芯片里的對應(yīng)PARITY位來判斷。

4.2.4 循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）檢測

AES/EBU及MADI的串行數(shù)據(jù)中包含循環(huán)校驗(yàn)碼，用于校驗(yàn)傳輸過程中是否出現(xiàn)誤碼。當(dāng)CRC校驗(yàn)失敗，即表明該段數(shù)據(jù)有誤碼。檢測方法是直接讀取AES/EBU解碼芯片中對應(yīng)寄存器內(nèi)容判斷。

4.2.5 有效標(biāo)志（Validity）檢測

AES規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣碼可以轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)的標(biāo)記。當(dāng)AES編碼端認(rèn)為信號(hào)不是合適的音頻信號(hào)時(shí)就將該有效標(biāo)記設(shè)置為flase，解碼端根據(jù)該有效位就可以不用音頻輸入進(jìn)行信號(hào)輸出，避免了輸出噪聲。檢測方法是直接讀取AES/ EBU解碼芯片中的對應(yīng)寄存器內(nèi)容。

對于AES/EBU而言就是輸出信號(hào)的電平峰峰值。當(dāng)峰峰值超過允許范圍，將導(dǎo)致無法解碼。按AES3-2003標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該在200mVpp到7Vpp之間。

4.3 音頻域信號(hào)測量

4.3.1 音頻電平測量原理

在計(jì)算周期內(nèi)，對左右聲道采樣點(diǎn)尋找最大值，獲得音頻電平的峰峰值。

4.3.2 相位測量原理

通過大量的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)與相位之間存在著某種雖然不精確、但卻具有相應(yīng)的、表征其特性的近似關(guān)系。因此，本系統(tǒng)采用相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法來計(jì)算左右聲道之間的相位關(guān)系。

反相檢測原理如下，左聲道pcm值以x表示，右聲道值以y表示，在n次采樣中的每次左右聲道信號(hào)pcm值分別表示為x（n），y（n），則這n次采樣的相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

對左右聲道的序列進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算，并根據(jù)系數(shù)閾值和持續(xù)時(shí)間閾值來判斷是否反相，如果為MPEG壓縮文件則先將MPEG1 L2或L3文件解碼為16位PCM原始數(shù)據(jù)。

4.4 音頻網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測量方法

在音頻網(wǎng)絡(luò)化傳輸延時(shí)測量系統(tǒng)中使用專門的音頻對比分析工作站系統(tǒng)和波形發(fā)生器軟件。

波形發(fā)生器軟件可生成多軌可調(diào)節(jié)參數(shù)的正弦，三角，矩形等相關(guān)的測試波形，可調(diào)節(jié)的波形參數(shù)包括采樣率，電平，頻率等。

音頻對比工作站可以通過音頻波形分析等獨(dú)有的監(jiān)測技術(shù)，配合專業(yè)音頻信號(hào)發(fā)生器一起完成高精度的網(wǎng)絡(luò)音頻延時(shí)測量，測量精度1ms。

分析對比工作站使用專業(yè)聲卡進(jìn)行音頻信號(hào)采集，為了有效克服聲卡啟動(dòng)、關(guān)閉以及通道帶來的固有延時(shí)和誤差，我們采用了雙通道時(shí)間差法，通過獨(dú)特的測試序列，完成音頻網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測試。具體步驟如表1。

4.5 音頻質(zhì)量測試方法

THD+N：總諧波失真加噪聲，用以表征波形畸變程度和噪聲大小情況。測量原理是將去除了基波分量之后的信號(hào)均方根能量與全部信號(hào)的均方根能量之比。本系統(tǒng)中的測量方法是直接采用音頻測試儀AP2722。測試路徑是首先使用AP2722產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)測試信號(hào)經(jīng)過調(diào)音臺(tái)網(wǎng)絡(luò)音頻信號(hào)輸出后，進(jìn)入AP2722分析儀，測量音頻幅度、相位以及THD+N參數(shù)。

4.6 文件質(zhì)量監(jiān)測方法

對經(jīng)過編碼、存儲(chǔ)、光纖傳輸、解碼之后的音頻文件進(jìn)行文件完整性檢查、文件格式檢查。對文件里的音頻幅度、相位進(jìn)行計(jì)算和檢查，觀測結(jié)果是否發(fā)生變化。軟件可以自動(dòng)根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)對文件進(jìn)行分析，對不合格的文件進(jìn)行剔除并給出告警提示。

完整性檢查方法是逐幀檢測：

MPEG1 Layer2文件按每768字節(jié)逐個(gè)分析每一幀幀頭信息，MPEG1 Layer3文件逐個(gè)分析每一幀幀頭信息，幀長度根據(jù)幀頭計(jì)算。檢測到有不完整的幀就進(jìn)行數(shù)據(jù)告警。同時(shí)進(jìn)行文件冗余校驗(yàn)檢查，判斷文件的完整性。

比特率檢測：

根據(jù)每幀幀頭信息進(jìn)行分析，要求MP2時(shí)比特率不小于256kbps，MP3時(shí)比特率不小于128Kbps。

文件合法性檢測：

比較文件擴(kuò)展名，文件頭信息，并進(jìn)行逐幀檢查。只允許三者一致且為mp2或mp3的文件通過，任何篡改或者其他文件不允許通過。

采樣精度檢測：

檢測采樣頻率和量化精度，要求采樣率大于等于44.1Khz，小于等于192Khz。量化精度大于等于16bit，小于等于32bit。

5 結(jié)論

1）通過音頻測試樣本產(chǎn)生器Powereditor和分析對比軟，對經(jīng)過錄制、編碼、轉(zhuǎn)碼、多倍速傳輸、解碼、播放等制播環(huán)節(jié)之后的音頻節(jié)目質(zhì)量進(jìn)行了測試和評(píng)價(jià)。

2）通過AP2722專業(yè)音頻信號(hào)產(chǎn)生器和數(shù)字信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測儀對數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化之后的數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行了眼圖、抖動(dòng)、基帶信號(hào)電平、AES通道狀態(tài)數(shù)據(jù)、音頻電平、相位、頻譜等關(guān)系音頻節(jié)目質(zhì)量的參數(shù)進(jìn)行了測量和評(píng)價(jià)。

3）通過AP2722音頻信號(hào)產(chǎn)生器和音頻分析

傳播創(chuàng)新研究對比工作站，對三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的延時(shí)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議傳輸后的音頻傳輸延時(shí)參數(shù)進(jìn)行了測量和評(píng)價(jià)。

通過本文的音頻節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測和評(píng)價(jià)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)際測試，我們驗(yàn)證了音頻節(jié)目質(zhì)量監(jiān)測的方法、技術(shù)，建立了一套較為全面和完整的音頻節(jié)目播出質(zhì)量監(jiān)測和評(píng)價(jià)平臺(tái)和技術(shù)。該平臺(tái)和方法較好地契合了225-GYT 275-2013《電臺(tái)節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》。可以為我國各級(jí)廣播電臺(tái)建立自己的節(jié)目質(zhì)量監(jiān)測和評(píng)價(jià)平臺(tái)提供借鑒和樣板，具有很好的示范意義。

參考文獻(xiàn)

[1]國家新聞出版廣電總局. GY/T275-2013 電臺(tái)節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S]，2013.

[2]國家廣播電影電視局. GY/T192-2003 數(shù)字音頻設(shè)備的滿度電平[S]，2003.

[3]Audio Engineering Society， Inc.AES standard for digital audio Digital input-output interfacing Serial transmission format for two channel linearly represented digital audio data [S]，2008.

[4]Audio Engineering Society， Inc.AES Recommended Practice for Digital Audio Engineering Serial Multichannel Audio Digital Interface （MADI） [S]，2003.