應(yīng)急廣播接收終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐麗

（廣西廣播電視技術(shù)中心）

一、引言

近年來重大自然災(zāi)害、突發(fā)事件、公共衛(wèi)生與社會(huì)安全等突發(fā)公共危機(jī)時(shí)有發(fā)生，每當(dāng)出現(xiàn)這些緊急突發(fā)事件時(shí)，會(huì)造成或者可能造成重大人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、生態(tài)環(huán)境破壞與嚴(yán)重社會(huì)危害。在突發(fā)事件危機(jī)公共安全時(shí)，應(yīng)當(dāng)在第一時(shí)間把災(zāi)害消息和防災(zāi)信息傳遞到民眾手中，讓人民群眾在第一時(shí)間知道發(fā)生了什么事情，應(yīng)該怎么撤離、避險(xiǎn)，將生命財(cái)產(chǎn)損失降到最低。因此有必要加快構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、傳輸快捷、覆蓋廣泛的應(yīng)急廣播公共服務(wù)體系。

作為應(yīng)急廣播接收設(shè)備，必須適應(yīng)多種信源輸入方式，并可本地及遠(yuǎn)程控制。本文提出的一種應(yīng)急廣播接收終端，具有DTMB、衛(wèi)星、IP、FM、手機(jī)信號(hào)、模擬音頻等多種數(shù)字信號(hào)輸入方式，保障應(yīng)急廣播的發(fā)布載體的多樣性和可靠性。該終端采用SI4755芯片獲取FM信號(hào)中的應(yīng)急廣播信息；采用FPGA實(shí)現(xiàn)TS流中控制信息和應(yīng)急廣播信息的快速獲??；獲取TS流或者RDS中的信息，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急廣播的遠(yuǎn)程控制和分片區(qū)控制。

二、總體設(shè)計(jì)方案

應(yīng)急廣播接收終端用于公共場合，根據(jù)用戶需求，提供DTMB數(shù)字電視、IP組播、衛(wèi)星及調(diào)頻廣播和移動(dòng)信號(hào)六種接入方式，經(jīng)信號(hào)處理，信號(hào)選擇，通過控制信號(hào)控制接收終端的功放工作，推動(dòng)喇叭。

應(yīng)急廣播接收終端的硬件設(shè)計(jì)，主要分為核心主板，電源管理單元。設(shè)備所有輸入輸出信號(hào)均由核心主板連接至機(jī)箱外面相關(guān)接口。核心主板原理框圖如圖1所示。主板電路主要由DTMB信道、衛(wèi)星信道調(diào)諧解調(diào)電路、解碼電路、GSM模塊、FM接收模塊、文字轉(zhuǎn)語音模塊、ARM單片機(jī)控制電路、以太網(wǎng)TS流格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)SPI總線傳輸處理電路、以太網(wǎng)通信電路等組成。

主板設(shè)計(jì)有六種信號(hào)輸入方式：

1.直接輸入模擬音頻，經(jīng)音頻切換芯片切換送至數(shù)字功放放大，送至喇叭放出聲音。

2.DTMB射頻輸入或衛(wèi)星射頻輸入，經(jīng)調(diào)諧器調(diào)諧出零頻或中頻信號(hào)送至解調(diào)器解調(diào)出TS流然后再送至解碼芯片解出聲音，經(jīng)音頻切換芯片切換送至數(shù)字功放放大，送至喇叭放出聲音。

3.IP幀格式TS流信號(hào)輸入，然后送到解碼芯片解出音頻，經(jīng)音頻切換芯片切換送至數(shù)字功放放大，送至喇叭放出聲音。

4.FM解調(diào)出模擬音頻，經(jīng)音頻切換芯片切換送至數(shù)字功放放大，送至喇叭放出聲音。

5.FM接收RDS或者GSM模塊收到的文字信息，經(jīng)語音模塊的文字轉(zhuǎn)聲音，經(jīng)音頻切換芯片切換送至數(shù)字功放放大，送至喇叭放出聲音。

6.接到電話語音，經(jīng)音頻切換芯片切換送至數(shù)字功放放大，送至喇叭放出聲音。

六種信號(hào)輸入方式的聲音選擇由控制信號(hào)給出。模擬音頻輸入是在應(yīng)急時(shí)候直接將聲音送進(jìn)切換芯片，打開一鍵應(yīng)急按鍵，終端將自動(dòng)播放模擬輸入的聲音。

三、硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）DTMB信道調(diào)諧及解調(diào)模塊

DTMB信道調(diào)諧及解調(diào)是地面數(shù)字轉(zhuǎn)頻調(diào)制器輸入射頻信號(hào)處理部分。輸入的射頻信號(hào)采用MXL5007硅調(diào)諧器將射頻進(jìn)行下變頻至零頻或中頻頻率，解調(diào)器HD29L2芯片接收硅調(diào)諧器輸出的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并輸出標(biāo)準(zhǔn)TS

流信號(hào)。DTMB信道調(diào)諧及解調(diào)模塊原理框圖如圖2所示。

圖1 應(yīng)急廣播接收終端原理框圖

圖2 DTMB信道調(diào)諧及解調(diào)模塊原理框圖

ARM單片機(jī)通過IIC總線對硅調(diào)諧器和解調(diào)器進(jìn)行控制，使其對信號(hào)源中指定的射頻頻率進(jìn)行調(diào)諧，并輸出給解調(diào)器HD29L2處理。信號(hào)在HD29L2內(nèi)進(jìn)行同步、AD轉(zhuǎn)換、模式辨別、濾除干擾、單載波處理、多載波處理、以及多種碼率的LDPC譯碼，最后輸出TS數(shù)據(jù)流。

（二）FPGA模塊

1.采用FPGA實(shí)現(xiàn)TS流中控制信息和應(yīng)急廣播信息的快速獲取

應(yīng)急廣播接收終端具有多輸入方式，其中IP輸入、衛(wèi)星輸入和DTMB輸入都解調(diào)出TS信號(hào)，含有控制信息和應(yīng)急廣播信息的數(shù)據(jù)包含在設(shè)定的PID中。FPGA采用EP4CE10E22C8，具有先天的并行處理的優(yōu)勢，可對輸入的多路TS信號(hào)同時(shí)進(jìn)行信息的讀取和處理。信號(hào)輸入后先進(jìn)行同步，然后直接選擇預(yù)先設(shè)置的PID得到包含控制信息和應(yīng)急廣播信息的TS流，將TS流解析就能得到所需要的控制信息和應(yīng)急廣播信息。

2.采用FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解析、解復(fù)用

音視頻解碼模塊采用高性能FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解析、解復(fù)用。使用片上RAM創(chuàng)建一個(gè)FIFO接收模塊。此模塊為FIFO緩沖區(qū)，包括兩個(gè)4字節(jié)的緩沖區(qū)，用于取出信息包的PID號(hào)并將取得的PID號(hào)送入PID表控制模塊，以便FPGA將其與用戶選中的PID號(hào)相比較，根據(jù)情況以決定存儲(chǔ)或丟棄。

使用FPGA實(shí)現(xiàn)傳輸流解復(fù)用。FPGA內(nèi)部模塊由信道接口、信道FIFO、PID處理器、PID后處理器、內(nèi)部音視頻接口和節(jié)目時(shí)鐘提取電路等組成。其中信道接口提供自動(dòng)傳輸包同步字節(jié)檢測及實(shí)現(xiàn)同步鎖定與未鎖定的具有可編程延遲時(shí)間的滯后機(jī)構(gòu)。一旦建立同步，信道接口就通過信道FIFO將完整的傳輸包傳輸?shù)絇ID處理器。信道接口還會(huì)檢查傳輸包的完整性，指示傳輸錯(cuò)誤等。最終輸出九路經(jīng)過分離和篩選的TS流，送至下一個(gè)解碼模塊。

（三）TS流解碼模塊

解碼器采用楊智DTMB芯片M3381T。TS包中PID字段是TS流節(jié)目的標(biāo)志。M3381T片內(nèi)PID處理器內(nèi)包含32個(gè)寄存器和一個(gè)有32個(gè)入口(0-29)的PID表，入口0-29定義了通用PID表寄存器，入口30和31指示音頻、視頻PES包PID。PID處理器還包含PID濾波器和解擾器。PID處理器將每個(gè)傳輸包中的PID值與編程在P1D表中的PID值進(jìn)行比較，得到所選節(jié)目的音、視頻PES，將音、視頻碼流分解出來。解擾器對按DTMB標(biāo)準(zhǔn)加擾的傳輸包、PES包和傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾，解擾后的信號(hào)送到PID處理器進(jìn)行傳輸包頭濾波、PES包頭濾波、數(shù)據(jù)濾波和ECM濾波等處理。

解碼芯片內(nèi)置視頻編碼器，可將8位或16位YCrCb數(shù)字視頻流編碼產(chǎn)生復(fù)合視頻、S視頻或RGB視頻信號(hào)，支持包括PAL、NTSC和SECAM制式。它由數(shù)據(jù)控制單元、編碼器、輸出接口、RGB處理器和D/A轉(zhuǎn)換器等部分組成，多路解復(fù)用解碼器輸出的是CVBS復(fù)合視頻信號(hào)。對于音頻處理部分，M3381T集成了一個(gè)音頻D/A轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器是一種具有可編程鎖相環(huán)(PLL)的立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其作用是將由音視解碼器輸出的PCM音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具有左、右聲道的模擬立體聲音頻信號(hào)，再經(jīng)過放大后輸出。

（四）GSM信號(hào)處理模塊

GSM信號(hào)處理模塊采用SIM900芯片。SIM900屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，外觀精巧。

通過GSM的發(fā)布的信息方式有兩種，一種是語音信號(hào)，另外一種是短信。為了防止騷擾電話及惡意短信等，采用手機(jī)號(hào)碼預(yù)授權(quán)和動(dòng)態(tài)驗(yàn)證方式結(jié)合保證信息發(fā)布的安全性。先將授權(quán)的電話號(hào)碼存入GSM模塊中，采用動(dòng)態(tài)碼授權(quán)手機(jī)信息發(fā)布。用預(yù)授權(quán)的手機(jī)發(fā)送一則短信“123456”到該GSM模塊中，GSM模塊返回一個(gè)動(dòng)態(tài)授權(quán)碼到該手機(jī)，再用該手機(jī)發(fā)送此授權(quán)碼到GSM模塊中，GSM模塊收到該手機(jī)發(fā)送態(tài)授權(quán)碼后，激活該手機(jī)號(hào)碼的授權(quán)。此次授權(quán)為臨時(shí)授權(quán)，有效時(shí)間為30分鐘。

授權(quán)成功后，分兩種信息發(fā)布方式。1.語音方式：授權(quán)成功的手機(jī)直接打電話到GSM模塊，GSM模塊接到電話，查看號(hào)碼是否是授權(quán)號(hào)碼，再檢查當(dāng)前是否激活該號(hào)碼，激活則接通，將語音信號(hào)傳到語音切換芯片，并發(fā)命令通知主控，有電話需要應(yīng)急播出，反之則GSM掛電話。2.短信方式：發(fā)短信到GSM模塊，GSM收到短信后，查看號(hào)碼和激活狀態(tài)，激活則將短信內(nèi)容發(fā)給主控，如未授權(quán)的手機(jī)發(fā)送的短信則不做任何處理。

（五）調(diào)頻FM接收處理模塊

FM接收模塊采用SI4755芯片。SI4755具有接收靈敏度低、解調(diào)出音頻失真小、信噪比好等特點(diǎn)，具有RDS接收功能。

FM接收頻率設(shè)置好后，解調(diào)出聲音。RDS 處理解調(diào)出RDS信息，讀取命令，分析命令，驗(yàn)證分片區(qū)編碼，解析出本終端需要播出的信息，將文字信息發(fā)到語音模塊進(jìn)行處理。

（六）文字轉(zhuǎn)語音處理模塊

文字轉(zhuǎn)語音處理模塊采用科大訊飛的一款高集成度的語音合成芯片XFS5152。

單片機(jī)收到GSM模塊、FM 模塊、衛(wèi)星或者DTMB模塊發(fā)來的文字信息后，將文字文本信息發(fā)送給XFS5152模塊，啟動(dòng)文字轉(zhuǎn)語音處理，輸出文字轉(zhuǎn)語音后的音頻。

（七）音頻切換模塊

音頻切換模塊采用MCP6S28芯片實(shí)現(xiàn)音頻選擇。MCP6S28是模擬增益可編程運(yùn)放(PGA)芯片。

TS流解碼輸出音頻、FM解調(diào)出音頻、文字轉(zhuǎn)語音、GSM模塊音頻和外部音頻等信號(hào)。STM32單片機(jī)根據(jù)控制信息切換到MCP6S28選擇輸入的一路信號(hào)。

（八）數(shù)字功放模塊

功放模塊采用TDA7498芯片。TDA7498可以使用寬幅電源供電，有四級(jí)增益選擇，輸入采用差分輸入以大幅度降低共模噪聲，具有待機(jī)和靜音模式，短路和過熱保護(hù)功能。采用TDA7498可以實(shí)現(xiàn)大功率輸出。

（九）電源管理模塊

電源供電采用220V市電+蓄電池，電源管理器采用帶電源輸出功能的浮充管理充電器。如圖3，在有市電時(shí)候，電源管理器將220V電源穩(wěn)壓為24V輸出，在市電停后，電源管理器切換到蓄電池供電。電源管理器，帶有浮充功能，有過放保護(hù)。

圖3 電源管理圖

四、軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

應(yīng)急廣播接收終端采用一片32位的ARM單片機(jī)STM32F103VET6作為整個(gè)設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)采集和通信處理核心?？刂瞥绦蚴褂眯⌒蚒COS嵌入式操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)程序并行運(yùn)行、實(shí)時(shí)處理各個(gè)任務(wù)的請求，程序流程如圖4所示。

圖4 ARM單片機(jī)控制程序流程圖

程序啟動(dòng)經(jīng)初始化后，并行執(zhí)行流程圖4中各項(xiàng)任務(wù)。通過以太網(wǎng)接口連接上位機(jī)客戶端來實(shí)現(xiàn)本地控制，并連接到網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和控制，通過FM的RDS命令、GSM短信、衛(wèi)星、IP流或者DTMB中的TS控制流以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。設(shè)備所有的參數(shù)及狀態(tài)都可以通過以太網(wǎng)接口與用戶進(jìn)行交互。

五、總結(jié)

應(yīng)急廣播接收終端適應(yīng)多種信號(hào)輸入方式，各種輸入方式可手動(dòng)、自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制切換，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急廣播的強(qiáng)制播放以及日常廣播的播放。平時(shí)可按時(shí)間表播放任意一路廣播或處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)輸入信號(hào)攜帶應(yīng)急廣播信息時(shí)，可尋址分區(qū)域強(qiáng)制播放應(yīng)急廣播內(nèi)容。該終端解決了應(yīng)急廣播單一方式覆蓋的局限性，擴(kuò)大了應(yīng)急廣播的覆蓋范圍，對加快我區(qū)應(yīng)急廣播建設(shè)具有積極作用，為推進(jìn)我區(qū)應(yīng)急廣播建設(shè)提供了有力保障。