智能廣播頻譜收測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 原

國家新聞出版廣電總局203臺(tái) 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010070

前 言

近年來，隨著各國廣播力量的不斷加強(qiáng)和發(fā)展，廣播頻譜日益擁擠。電波傳播由于不受國界與行政邊界的限制，在不同的區(qū)域里如使用相同的頻率，常會(huì)產(chǎn)生相互干擾。通過對廣播頻譜進(jìn)行收測，可以了解收測地點(diǎn)廣播頻段無線電頻譜占用情況，有效利用頻譜資源；了解各國廣播電臺(tái)在收測地點(diǎn)的收聽情況和各國頻率實(shí)際使用情況；及時(shí)發(fā)現(xiàn)與查明非法電臺(tái)或“地下電臺(tái)”；及時(shí)查明電臺(tái)信號受干擾情況以及為選用最佳工作頻段與清凈頻道提供依據(jù)。因此，頻譜收測工作在當(dāng)前環(huán)境下的重要性更加凸顯。

1 頻譜收測方法和流程

作為廣播監(jiān)測環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)，廣播頻譜收測不僅工作量大，而且對收測人員的專業(yè)要求較高，特別是短波廣播由于傳播距離遠(yuǎn)且易受干擾，其頻譜收測更加復(fù)雜。依據(jù)廣播頻譜收測方法，廣播頻譜收測周期應(yīng)與短波換頻周期相對應(yīng)（即每年至少要收測春、秋兩季換頻后的頻譜），各頻道的收測以每半小時(shí)作為收測周期，收足24小時(shí)。主要記錄的數(shù)據(jù)為頻道負(fù)荷情況與各電臺(tái)的工作狀況、發(fā)射特性、可聽度和電臺(tái)歸屬等。在收測進(jìn)度安排上，一般是收測一次、校對一兩次，以防止數(shù)據(jù)錄入錯(cuò)誤。目前，頻譜收測方式主要有兩種，第一種是由人工24小時(shí)不間斷進(jìn)行實(shí)時(shí)收測；第二種是先采集廣播頻道錄音，再通過錄音文件回放進(jìn)行收測。由于第二種收測方式降低了收測者的工作強(qiáng)度，減少了漏頻的概率，提高了校對的效率，迅速發(fā)展成為頻譜收測方式的主流，各頻譜收測軟件也大多基于此思路進(jìn)行建設(shè)。

2 系統(tǒng)功能需求分析

廣播頻譜收測系統(tǒng)一般分為頻譜錄音采集—收測數(shù)據(jù)錄入—數(shù)據(jù)校對三個(gè)過程，為大幅降低收測人員的工作強(qiáng)度，提高頻譜收測效率和收測質(zhì)量，建設(shè)一套高度智能化的頻譜收測系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的智能頻譜收測系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

快速完整的采集保存整個(gè)廣播頻段各頻道的錄音文件，能夠確保零遺漏。

自動(dòng)識別廣播頻道語種及電臺(tái)歸屬并評估其可聽度。

能根據(jù)判別結(jié)果，自動(dòng)完成廣播頻譜初次收測。

能夠通過結(jié)合參考資料和歷史數(shù)據(jù)分析，為人工校對提供參考依據(jù)。

為保證收測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，在校對過程中，能夠根據(jù)語言對需要校對的收測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，非普通話數(shù)據(jù)可安排語言辨別功底較好的人員完成校對?；谏鲜鲂枨?，智能頻譜收測系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3 智能廣播頻譜收測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用廣播信號收測儀對從天線接收的廣播信號進(jìn)行寬頻帶掃描和記錄，根據(jù)設(shè)定的門限值，廣播信號收測儀自動(dòng)將電平高于門限的頻率進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的音頻文件自動(dòng)存入音頻存儲(chǔ)盤陣并將錄音文件地址寫入數(shù)據(jù)庫。語音評估引擎實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)表，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有未評估音頻文件時(shí)，調(diào)用語音評估引擎完成對廣播信號臺(tái)名和語種的判斷。頻譜收測客戶端采用C/S架構(gòu)，通過與數(shù)據(jù)庫連接，完成任務(wù)下發(fā)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、頻譜收測及校對功能。下面分別從頻譜錄音采集—廣播語音評估—頻譜收測校對三方面介紹具體實(shí)現(xiàn)過程。

3.1 頻譜錄音采集實(shí)現(xiàn)

根據(jù)頻譜收測的特點(diǎn)，需要在短時(shí)間內(nèi)完成大量廣播頻率錄音的采集，這就要求接收機(jī)具備多路通道錄音的能力。傳統(tǒng)的接收機(jī)通常只能完成一路通道的解調(diào)錄音，為實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行多通道錄音，往往將幾臺(tái)接收機(jī)堆疊使用，但這種使用方式由于占用體積過大，散熱效果不佳，接收機(jī)性能不穩(wěn)定等原因，限制了錄音通道的增加，雖能滿足一時(shí)之需，但并不是理想的解決方式。近年來，隨著軟件無線電技術(shù)的快速發(fā)展，基于FPGA技術(shù)的廣播信號收測儀產(chǎn)品日益成熟。作為傳統(tǒng)接收機(jī)的升級產(chǎn)品，廣播信號收測儀采用軟件無線電架構(gòu)，基于標(biāo)準(zhǔn)化的高速總線搭建，主要由射頻接收測量單元、中短波、調(diào)頻解調(diào)單元和FPGA處理器組成。具有體積小，集成度高，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠依據(jù)ITU和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)廣播信號解調(diào)和監(jiān)測，并可對接收的廣播IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，通過網(wǎng)口將錄音文件傳輸至存儲(chǔ)盤陣，錄音地址路徑和指標(biāo)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。在本設(shè)計(jì)方案中，廣播信號收測儀應(yīng)具備以下功能：

具有寬帶頻譜分析功能，頻率范圍至少包含500KHz～30MHz，滿足中短波收測要求。

具有多通道廣播解調(diào)監(jiān)聽功能，同時(shí)支持中短波解調(diào)通道數(shù)不低于32路（可根據(jù)需要自由配置，目前市面上廣播信號收測儀最大可實(shí)現(xiàn)256路通道同時(shí)解調(diào)）。

具備測量信號功率電平，調(diào)制度，載波頻偏功能。

提供遠(yuǎn)程控制端口和千兆以太網(wǎng)口，可與頻譜收測軟件協(xié)同工作，構(gòu)建完整業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

3.2 廣播語音評估

廣播信號收測儀具有窄帶信號分析功能，通過測量信號功率電平，可以實(shí)現(xiàn)頻段內(nèi)加載廣播信號的快速發(fā)現(xiàn)，同時(shí)，根據(jù)信號電平的高低可大致對信號可聽度進(jìn)行標(biāo)記。根據(jù)頻譜收測方法，通常需要得到廣播頻率整點(diǎn)、半點(diǎn)前2分鐘以及后3分鐘的錄音文件，在執(zhí)行錄音任務(wù)后，經(jīng)過解調(diào)后形成的錄音文件將以5分鐘為固定時(shí)長存入音頻存儲(chǔ)盤陣。調(diào)用語音評估引擎，即可實(shí)現(xiàn)臺(tái)名和語種的判別。如圖2所示。

圖2 可聽度與電平示意圖

3.2.1 臺(tái)名識別

絕大多數(shù)電臺(tái)都有其獨(dú)特的開始曲音頻信號，通過錄制廣播電臺(tái)開始曲及報(bào)臺(tái)音頻建立模板庫。對音頻信號進(jìn)行FFT變換提取音頻指紋特征，建立直方圖等方式實(shí)現(xiàn)快速音頻檢索，進(jìn)而判斷測試音頻信號電臺(tái)歸屬，返回電臺(tái)名及置信度。

3.2.2 語種識別

應(yīng)用最新的語音識別技術(shù)，通過提取音頻聲學(xué)、韻律、詞法、句法等特征，建立恰當(dāng)?shù)穆晫W(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對廣播播出語種的識別，返回語種名稱及置信度。目前，廣播頻譜收測過程中涉及到的全世界范圍內(nèi)的語種約43種，由于現(xiàn)階段語音識別技術(shù)并不能將所有語種進(jìn)行準(zhǔn)確識別，作為折中，可先對準(zhǔn)確度較高的主流語種進(jìn)行自動(dòng)識別。隨著技術(shù)發(fā)展，對小語種的識別逐步進(jìn)行完善，最終實(shí)現(xiàn)全語種自動(dòng)識別。

3.3 頻譜收測校對

為保證頻譜收測客戶端軟件有較快的響應(yīng)速度及豐富的操作界面，采用C/S架構(gòu)進(jìn)行頻譜收測業(yè)務(wù)客戶端軟件開發(fā)。作為中重要的人機(jī)交互界面，需要實(shí)現(xiàn)任務(wù)下發(fā)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、頻譜收測以及頻譜數(shù)據(jù)校對四項(xiàng)基本功能。

3.3.1 任務(wù)下發(fā)

任務(wù)下發(fā)主要是生成頻譜數(shù)據(jù)收測表、基帶IQ數(shù)據(jù)記錄和信號解調(diào)任務(wù)。其中，頻譜數(shù)據(jù)收測表中波起止頻率為531KHz～1602KHz，頻率間隔為9KHz，共計(jì)120個(gè)頻點(diǎn)；短波頻率間隔為5KHz，從2300KHz～26100KHz共23個(gè)頻段。基帶IQ數(shù)據(jù)記錄任務(wù)可配置基帶IQ數(shù)據(jù)記錄的起止時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)、半點(diǎn)前2分鐘及后3分鐘的IQ數(shù)據(jù)記錄。錄音任務(wù)設(shè)置優(yōu)先級，可自動(dòng)順序錄音，也可根據(jù)優(yōu)先級對重點(diǎn)頻率優(yōu)先錄制，以保證能及時(shí)獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

3.3.2 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

為使收測人員更方便的利用已知數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，頻譜收測業(yè)務(wù)客戶端軟件應(yīng)具有數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，具體需要導(dǎo)入的表分別為：本季頻譜收測參考表（由WEIBEI、中央臺(tái)、國際臺(tái)、HFCC等參考資料進(jìn)行整合）以及歷史頻譜收測結(jié)果表。

3.3.3 頻譜收測

頻譜收測模塊是頻譜收測業(yè)務(wù)客戶端軟件的重點(diǎn)，在原頻譜收測軟件的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對數(shù)據(jù)分析功能進(jìn)行挖掘，同時(shí)根據(jù)語音評估和大數(shù)據(jù)分析智能填充收測結(jié)果，大幅度降低人工收測強(qiáng)度。

頻譜收測具備以下特點(diǎn)：

根據(jù)電平門限值，能自動(dòng)對頻譜收測表進(jìn)行標(biāo)記，可以區(qū)分有信號和無信號區(qū)域。

頻譜參考資料篩選。頻率字段可與收測頻率字段自動(dòng)匹配，快捷的提供播出時(shí)間，播出語種等信息；時(shí)間字段匹配項(xiàng)自動(dòng)標(biāo)記并前置。

大數(shù)據(jù)篩選歷史數(shù)據(jù)：統(tǒng)計(jì)指定頻率某電臺(tái)的出現(xiàn)次數(shù)，并計(jì)算出現(xiàn)概率，形成顯示列表。概率越大者，排名越靠前。

因廣播所用短波頻率在春/秋兩季用頻差異很大，所以所有數(shù)據(jù)都需要分為春/秋兩季分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

3.3.4 頻譜校對

為使頻譜收測結(jié)果更加準(zhǔn)確，頻譜校對工作必不可少。通常情況下，廣播信號經(jīng)過廣播信號收測儀、語音智能評估的智能判別并結(jié)合大數(shù)據(jù)資料分析和人工審核，已經(jīng)具備較高的可信度。頻譜校對工作的主要任務(wù)是對頻譜收測過程中出現(xiàn)的待確認(rèn)頻率進(jìn)行確定。因此在頻譜校對過程中，應(yīng)添加待確認(rèn)頻率篩選功能，由頻譜收測基礎(chǔ)較好的收測人員集中進(jìn)行收測。

結(jié)束語

智能廣播頻譜收測系統(tǒng)采用基于軟件無線電架構(gòu)的廣播信號收測儀，實(shí)現(xiàn)了多通道音頻信號的采集和測量。通過語音智能評估和數(shù)據(jù)分析，在頻譜收測工作中，能夠解決繁瑣的資料查找和數(shù)據(jù)錄入工作，可以極大的提高工作效率和收測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，不失為下一代頻譜收測系統(tǒng)建設(shè)的一種有益參考。

［1］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.

［2］陳景軍.基于軟件無線電的短波接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012