基于多通道數(shù)字化接收機廣播監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

馬 樂

國家新聞出版廣電總局203臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070

1 概 述

隨著科技進步和我國廣播電視事業(yè)的不斷發(fā)展，對廣播電視監(jiān)測工作有了新的更高要求。廣播遙控監(jiān)測站點作為全國廣播監(jiān)測網(wǎng)的重要組成部分，承擔(dān)著收測和回傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，反映當(dāng)?shù)貜V播播出質(zhì)量和效果的重要使命。為提高廣播監(jiān)測工作的準確性和及時性，服務(wù)好安全播出工作，對廣播遙控監(jiān)測站點進行升級改造十分必要。

2 廣播遙控監(jiān)測站接收機選型

在選擇接收機時，既要考慮接收機的射頻性能，滿足目前廣播監(jiān)測業(yè)務(wù)對寬頻段的需求，至少應(yīng)覆蓋中短波及調(diào)頻波段，還要從長遠考慮，把握未來無線電通信發(fā)展趨勢，改善提高監(jiān)測系統(tǒng)整體性能及可擴展性，確保利用軟件升級或局部硬件更換就可實現(xiàn)新的監(jiān)測要求，減少設(shè)備更新?lián)Q代成本。

基于FPGA的多通道數(shù)字化接收機。FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)作為一種半定制的專用集成電路，既解決了定制電路的不足，又克服了編程器件門電路有限的缺點。尤其是在實時高速寬帶數(shù)字處理方面，有著不可比擬的優(yōu)勢，目前，已廣泛應(yīng)用于廣播數(shù)字接收機。

在遙控站接收機的選擇上，可采用符合ITU規(guī)范的基于FPGA嵌入式軟件無線電架構(gòu)的多通道數(shù)字化接收機，實現(xiàn)對535KHz到1605KHz的中波和2.3MHz到26.1MHz的短波以及87MHz到108MHz的調(diào)頻廣播的解調(diào)、測量、錄音。根據(jù)承擔(dān)的任務(wù)功能，接收機主要由信號接收模塊、采集分析模塊、磁盤陣列、數(shù)字信號處理模塊，以及功能軟件等構(gòu)成。如圖1所示。

圖1 多通道數(shù)字化接收機結(jié)構(gòu)原理框圖

采集分析模塊是記錄軟件的核心，負責(zé)采集和記錄廣播全頻段的信號，利用高速A/D直采功能，實現(xiàn)全帶寬信號的采集記錄。信號接收模塊作為采集的前端，提供濾波與放大功能，濾除帶外信號，增加信號的信噪比。磁盤陣列是高速緩存結(jié)構(gòu)，將全帶寬的IQ原始數(shù)據(jù)進行緩存，由于磁盤陣列兼顧了容量和讀寫速度，能夠保證緩存數(shù)據(jù)的時間長度，同時又不影響解調(diào)過程的連續(xù)性。數(shù)字信號處理模塊是多通道解調(diào)的核心，數(shù)字處理模塊采用高性能FPGA，保證了多路信號處理并行實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)單一芯片不少于8路信號的數(shù)字濾波。硬件采用深度定制的嵌入式軟件無線電平臺，具有體積小，穩(wěn)定可靠，散熱良好，便于部署維護等優(yōu)點。

接收機功能軟件設(shè)計顯示直觀、操作簡單易用，應(yīng)至少具有以下功能：

寬帶數(shù)據(jù)采集。寬帶數(shù)據(jù)采集負責(zé)對寬帶接收機的硬件控制、數(shù)據(jù)記錄、頻譜計算，將寬帶IQ數(shù)據(jù)文件進行緩存，方便追溯幾分鐘之前的原始信號數(shù)據(jù)。寬帶數(shù)據(jù)組件提供信號檢索功能，用于發(fā)現(xiàn)門限之上的信號。

多通道信號解調(diào)錄制。讀取緩存數(shù)據(jù)，并且利用FPGA板卡數(shù)字處理功能，向用戶提供多通道的IQ音頻錄制，在解調(diào)錄制過程中，軟件提供對信號的參數(shù)測量，包括頻譜、電平、調(diào)制度等，并能繪制調(diào)制度分布圖。

采用網(wǎng)絡(luò)化的接口，支持V8接口協(xié)議，可接收監(jiān)測臺下達的指令，上傳解調(diào)后的數(shù)據(jù)指標(biāo)及錄音文件。

采集數(shù)據(jù)可選擇在本地存儲，也可選擇直接回傳至監(jiān)測臺，但在遙控站點網(wǎng)絡(luò)故障時可自動進行本地存儲，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后再將之前保存的本地數(shù)據(jù)傳至監(jiān)測臺。

目前，市面上已有類似基于嵌入式軟件無線電架構(gòu)的多通道數(shù)字化接收機產(chǎn)品在售，可實現(xiàn)4路、8路、16路甚至256路信道同時解調(diào)，完全能夠滿足遙控站點對于接收機的需求。

3 基于多通道接收機的廣播智能監(jiān)測系統(tǒng)

新一代廣播智能監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱監(jiān)測系統(tǒng)）基于無縫隙監(jiān)測的思路，采用多通道接收機對頻譜錄音，指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過整合存儲在云平臺中的數(shù)據(jù)庫中，所有采集到的音視頻流在云平臺內(nèi)部進行編碼、轉(zhuǎn)碼、存儲及數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)分析后，根據(jù)各種業(yè)務(wù)指標(biāo)數(shù)據(jù)自動生成表格或圖形，在全直觀顯示模塊的作用下將各類指標(biāo)在大屏上顯示，實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)圖形可視化。

系統(tǒng)采用層次結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，總體上分為支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層四層，具體框架如圖2所示。

圖2 軟件總體設(shè)計框架圖

支撐層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，通過多通道接收機進行音頻數(shù)據(jù)采集，利用監(jiān)測臺衛(wèi)星采集系統(tǒng)對廣播信號參考源進行采集。支撐層采集數(shù)據(jù)將通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)層進行存儲，同時，通過標(biāo)準協(xié)議接口與應(yīng)用層進行交互。

數(shù)據(jù)層構(gòu)建于支撐層之上，一方面通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)對原始數(shù)據(jù)進行存儲與管理，另一方面，利用云存儲技術(shù)對音頻文件進行存儲。

服務(wù)層是系統(tǒng)架構(gòu)中的核心部分。它的關(guān)注點主要集中在業(yè)務(wù)規(guī)則的制定、業(yè)務(wù)流程的實現(xiàn)等與業(yè)務(wù)需求有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計，處于數(shù)據(jù)層與應(yīng)用層中間，起到了數(shù)據(jù)交換中承上啟下的作用。

應(yīng)用層面向用戶提供控制、管理、顯示等操作界面，具有操作簡便、形式豐富、美觀大方、動態(tài)直觀等特點。

從功能上劃分，監(jiān)測系統(tǒng)主要包括廣播數(shù)據(jù)采集、廣播智能評估、內(nèi)容識別、廣播收測、全直觀顯示五個主要模塊。

3.1 廣播數(shù)據(jù)采集模塊

廣播數(shù)據(jù)采集模塊作為監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，一方面負責(zé)對收測地區(qū)廣播信號的采集，利用多通道數(shù)字化接收機實時對收測區(qū)廣播信號音頻和指標(biāo)數(shù)據(jù)進行采集，另一方面也要對衛(wèi)星信號參考源進行采集，供廣播智能評估模塊比對使用。

3.1.1 收測區(qū)廣播信號采集

收測區(qū)廣播信號采集由站點采集終端及采集處理軟件組成。采集終端使用多通道數(shù)字化接收機，其解調(diào)信道數(shù)不少于待收頻率數(shù)，能夠滿足各頻率實時采集需求。同時，采集終端能夠接收采集處理軟件實時控制命令、完成監(jiān)測數(shù)據(jù)和音頻采集、回傳。采集處理軟件位于直屬監(jiān)測臺，與廣播監(jiān)測網(wǎng)按照標(biāo)準接口協(xié)議通訊，與各站點采集終端通過各類專線網(wǎng)絡(luò)連接通訊。

3.1.2 廣播參考源信號采集

廣播參考源信號采集通過位于直屬臺的衛(wèi)星接收系統(tǒng)對中央臺廣播實時音源進行采集，組播流通過局域網(wǎng)存入本地存儲云，音頻信息同時存入數(shù)據(jù)庫，供智能評估調(diào)度使用。

3.2 廣播智能評估模塊

智能評估模塊主要功能是實現(xiàn)對廣播收測任務(wù)頻率播出質(zhì)量和效果的自動評估，并完成對異態(tài)頻率的分析上報。傳統(tǒng)的廣播指標(biāo)測量方法，通過功率和調(diào)幅/制度曲線對廣播的播出質(zhì)量進行自動判斷，這種僅通過數(shù)據(jù)指標(biāo)的方式雖能在一定程度上反映出廣播播出的實際效果，但當(dāng)存在同鄰頻干擾、發(fā)射臺墊播或者錯播等情況下，很難通過指標(biāo)對播出效果做出判斷。引入廣播智能評估技術(shù)后，通過與參考源進行語音比對，模擬人耳對聲音質(zhì)量和效果給出更加準確和客觀的評價。

智能評估席位由分布式計算平臺和后臺服務(wù)軟件組成。分布式計算平臺是智能評估席位的核心，具備強大的負載均衡能力和良好的擴展性，采用網(wǎng)格計算框架，將各種計算任務(wù)封裝成插件，然后做成標(biāo)準的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，配置在框架之中，成為網(wǎng)絡(luò)平臺的一部分并對外提供標(biāo)準調(diào)用接口。平臺收到計算任務(wù)后，根據(jù)調(diào)用信息，首先對混合源信號數(shù)據(jù)文件進行錯誤性檢查，如有錯誤，給出錯誤性提示。讀取到正常的音頻數(shù)據(jù)后，計算一定窗長的音頻文件信噪比，并提取音頻特征。其次，依據(jù)信號規(guī)則判定條件，若滿足信號比對要求，對混合源信號和參考源信號分別提取音頻特征、計算其特征比對相似度，融合信噪比和音頻類型比例綜合判別信號可聽度及置信度。如參考源音頻文件無法打開或長度小于門限，或混合源語音量較少，未達到音頻比對的最低要求，則融合信噪比和音頻類型比例綜合判別，給出信號可聽度及置信度。如圖3所示。

圖3 智能評估流程圖

后臺服務(wù)軟件主要包括集群調(diào)度（用于部署計算結(jié)點的調(diào)度器，分別對應(yīng)用服務(wù)器組的結(jié)點進行管理與任務(wù)調(diào)度）、系統(tǒng)監(jiān)控、前后端通信等。

3.3 內(nèi)容識別模塊

內(nèi)容識別模塊通過先進的語音識別技術(shù)，將廣播聲音內(nèi)容轉(zhuǎn)換為文字，進而實現(xiàn)對廣播內(nèi)容的自動監(jiān)測。內(nèi)容識別席位主要滿足兩項功能：一是建立合適的評分模型，如通過對單位時長廣播片段識別率和準確率統(tǒng)計等手段，來反映該廣播片段的播出效果，進一步修正智能評估席位自動打分結(jié)果。二是對廣播內(nèi)容進行自動記錄和比對，通過關(guān)鍵字搜索，實現(xiàn)語音和文字的雙向查詢定位；內(nèi)容識別席位讀取被測頻率廣播內(nèi)容后，將與參考源信號播音內(nèi)容進行比對，可及時自動發(fā)現(xiàn)錯播、非法插播等情況。

3.4 廣播收測模塊

廣播收測模塊是業(yè)務(wù)處理主界面，可在原全國廣播網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行搭建，具有處理報警、在線收聽打分、數(shù)據(jù)查詢、故障管理、統(tǒng)計分析、運行圖管理、系統(tǒng)設(shè)置等多項功能，是重要的人機交互區(qū)域。軟件易用性與易操作性好，界面新穎、使用便捷，具備良好的系統(tǒng)安全性，有嚴格的權(quán)限管理，可通過設(shè)置用戶權(quán)限級別控制其訪問功能。

3.5 全直觀顯示模塊

全直觀顯示模塊能夠在大屏幕實時展現(xiàn)整個監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況，通過海量的實時采集數(shù)據(jù)、多樣化的監(jiān)測監(jiān)管數(shù)據(jù)，建立一套內(nèi)容完整、流程明確、功能新穎的基于圖形化數(shù)據(jù)顯示的高效軟件。全直觀顯示模塊主要展示數(shù)據(jù)包括以下三項：

3.5.1 業(yè)務(wù)流程展示

業(yè)務(wù)流程展示以動畫流程圖的形式，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，直觀展示廣播信號從前端采集開始，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理，完成整個廣播信號監(jiān)測的全過程。主要涉及的業(yè)務(wù)流程監(jiān)控為對前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、智能評估、內(nèi)容識別等幾處節(jié)點數(shù)據(jù)完整性、可用性檢查，若某一處數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則在該處提示報警。

3.5.2 站點運行狀況展示

結(jié)合GIS地圖直觀展示分布于監(jiān)測臺監(jiān)管范圍內(nèi)前端站點的運行狀態(tài)，通過動態(tài)音頻柱狀圖和動態(tài)頻率采集狀態(tài)反映前端接收機工作是否正常。

3.5.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)展示

重點顯示分值異常頻率以及報警頻率，既能顯示實時信息，又能展現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)，能直觀判斷出廣播播出質(zhì)量和效果。

結(jié)束語

廣播電視監(jiān)測監(jiān)管是我國廣播電視事業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)，隨著科技不斷進步和對廣播電視監(jiān)管要求的提高，建設(shè)一套更加科學(xué)準確的廣播監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。本文所提出的基于多通道數(shù)字化接收機的遙控廣播監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)廣播全時段、無縫隙的監(jiān)測目標(biāo)，而且通過廣播智能評估、內(nèi)容識別等智能化手段，在減輕值班員工作量的同時，使廣播信號的收測評估更加客觀和準確，可作為下一代廣播監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的一種參考思路。

［1］李蕾.基于軟件無線電的接收機的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007

［2］陳德澤.廣播電視監(jiān)測技術(shù)［M］：北京，中國廣播電視出版社.2008.