分布式多通道接收技術(shù)于中短波廣播頻譜監(jiān)測監(jiān)管的應(yīng)用與開發(fā)

張 澍

國家廣播電視總局203臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010010

引 言

當前對廣播頻譜的監(jiān)測和監(jiān)聽越來越需要體現(xiàn)多路同時接收、實時多路播出和指標測量并且可及時體現(xiàn)監(jiān)測目標頻率的播出動態(tài)。對監(jiān)管目標頻率的識別、取證等工作需要給繁瑣人工監(jiān)聽識別減負，以減輕工作量，提升廣電監(jiān)測監(jiān)管工作的智能化水平。在這樣的背景和要求下，先后出現(xiàn)了2、4、8 等多通道接收機。這些多通道接收機采用多個模擬調(diào)諧高頻頭，將天線信號分路給各個高頻處理電路，以同時監(jiān)聽多路電臺的廣播信號，但仍無法更好地滿足實際應(yīng)用。數(shù)字多通道化的多通道監(jiān)測接收機，避免模擬信號分路降低靈敏度，同時接收調(diào)頻與調(diào)幅等多種調(diào)制模式，結(jié)合采用音頻聲紋對比識別技術(shù)的分布式多通道接收技術(shù)于中短波廣播頻譜監(jiān)測與后續(xù)開發(fā)，實現(xiàn)對接收頻率節(jié)目的自動判別，提升了廣電監(jiān)管工作的效率與智能化水平。

1 信號接收處理系統(tǒng)的組成和架構(gòu)

1.1 多路射頻直采

多個射頻直采頻段，分別對應(yīng)接收調(diào)幅（中、短波）和調(diào)頻等廣播信號。每個頻段由抗混疊濾波、程序控制、增益控制、數(shù)字化和多通道化處理器等構(gòu)成。其中，中短波頻段抗混疊濾波采用500kHz～26.5MHz 帶通濾波器，調(diào)頻抗混疊濾波范圍為87～108MHz 帶通濾波器。兩路信號分別經(jīng)過程控增益調(diào)節(jié)到適合AD 數(shù)字轉(zhuǎn)化的電平，由250MHz 高速數(shù)字化。量化后的數(shù)據(jù)送到基于FPGA 的中頻處理器，在中頻處理器內(nèi)實現(xiàn)多通道的通道化。

圖1 接收機基本架構(gòu)

1.2 信號通道化處理

對接收信號進行通道化處理，是一個變頻降采樣率的信號處理過程。通過將數(shù)字化的波形和數(shù)字本振進行數(shù)字混頻，將接收的信號中心頻率搬移到直流（0Hz），然后進行多級低通濾波和降采樣，將采樣率較高的數(shù)字波形降低為適于廣播監(jiān)測的采樣率。其中，中短波調(diào)幅保持9kHz 以上頻率通帶，調(diào)頻保持250kHz 以上頻率通帶，以保證廣播測量的能力。信號處理流程見圖2。

為更好抗噪聲和增強頻率選擇性，在通帶范圍內(nèi)還設(shè)置可變的頻響補償濾波器，一方面補償降采樣的通帶頻響平坦度，另一方面為調(diào)幅監(jiān)測提供6kHz、9kHz 通帶選項，為調(diào)頻監(jiān)測提供100kHz、200kHz、280kHz 通帶選項。降采樣之后的基帶IQ 數(shù)據(jù)用于計算測量、記錄，并且提供中頻處理實時解調(diào)得到音頻節(jié)目內(nèi)容。這些基帶數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)通過高速總線集中到CPU，并傳送給播放、顯示、記錄存儲設(shè)備。多通道解調(diào)監(jiān)聽設(shè)備的總體架構(gòu)如圖3 所示，主要包括接收機模塊、數(shù)字信號處理模塊、信號調(diào)理模塊、磁盤陣列、高速總線、嵌入式系統(tǒng)控制模塊以及儀器驅(qū)動軟件、功能軟件等。

圖2 信號處理流程圖

圖3 接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

接收機模塊負責采集和記錄中短波全頻段的信號，利用高速A/D 射頻直采功能，實現(xiàn)全帶寬信號的采集記錄。信號前置處理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；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價比FPGA，提供多個乘法器單元，保證了多路信號處理并行實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)單一芯片多路信號的數(shù)字濾波，大大提高了解調(diào)系統(tǒng)的能力?；诠I(yè)標準高速總線保證了接收機到磁盤陣列（數(shù)據(jù)存儲模塊）、磁盤陣列到數(shù)字信號處理模塊的數(shù)據(jù)傳輸高效性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 射頻信號直采與軟件無線電技術(shù)相結(jié)合

軟件無線電技術(shù)對射頻信號的理想采集方式是射頻直采，也就是通過ADC直接采集天線接收到的無線電波，而不用模擬變頻器電路。取消變頻環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)大動態(tài)、寬窄接收兩宜、提高掃頻速度，同時必須兼顧低噪聲、平通帶，實現(xiàn)高選擇，如此可減小模擬變頻非線性和多級變頻引入噪聲而提高接收信號動態(tài)范圍。信號直采對比圖見圖4。

在外差結(jié)構(gòu)中，接收器接收RF 頻率的信號之后，將信號下變頻到較低的中頻（IF），并進行數(shù)字化、濾波和解調(diào)?？梢钥吹剑搩x器的RF 前端包含了帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器和本機振蕩器（LO）。

圖4 超外差接收與信號直采對比圖

如圖，外差接收器框圖顯示了一個帶有RF 前端的處理，該前端由帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器和本地振蕩器組成。而直接RF 采樣接收器架構(gòu)僅由低噪聲放大器、適當?shù)臑V波器和ADC 組成。直采結(jié)構(gòu)不需要使用混頻器和LO，ADC 直接數(shù)字化RF 信號并將其發(fā)送到處理器。直采架構(gòu)中，數(shù)字信號處理（DSP）芯片上可實現(xiàn)接收器的許多模擬組件，還可以使用直接數(shù)字轉(zhuǎn)換（DDC）來隔離目標信號，而不需要使用混頻器。此外，在大多數(shù)情況下，除了抗混疊或重建濾波器之外，還可以使用數(shù)字濾波替換大部分模擬濾波。由于不需要模擬頻率轉(zhuǎn)換，直接RF 采樣接收器的整體硬件設(shè)計要簡單得多，從而允許更小的外形尺寸和更低的設(shè)計成本。直接RF 采樣接收器架構(gòu)可以僅包含一個低噪聲放大器、適當?shù)臑V波器和ADC。

直接RF 采樣的優(yōu)點主要是簡化了RF 信號鏈，降低了每個通道的成本以及通道密度?；谥苯覴F 采樣架構(gòu)的儀器由于使用的模擬組件較少，因此外形尺寸通常更小，功率效率更高。如果構(gòu)建的是多通道數(shù)系統(tǒng)，直接RF 采樣可以減少系統(tǒng)的配置面積和成本。

高性能通道化技術(shù)是多路解調(diào)監(jiān)測的核心功能。要良好的接收選擇性就要求通帶可調(diào)、矩形系數(shù)小、阻帶抑制深。同時，要測量調(diào)制度和保證頻偏準確，就要求通帶平坦。若要做到二者兼?zhèn)?，必須對通道化算法進行特別設(shè)計以提高軟件計算效率。應(yīng)用快速傅里葉變換實現(xiàn)多通道化的手段日趨成熟，但這種技術(shù)限制了通道化的中心頻率必須是等間隔的（落在傅里葉變換的頻率點上）。對于中短波電臺間隔不等，短波電臺頻點不一定規(guī)范的現(xiàn)狀并不能實現(xiàn)合聚。實踐中通過對接收電路采用了大量濾波器設(shè)計，實現(xiàn)了高性能通道化算法，同時利用降采樣數(shù)據(jù)流速率逐級下降的方法，逐級合并處理單元，利用一個濾波單元分時處理多個通道的數(shù)據(jù)。這個逐級簡并的樹形算法大大節(jié)約了計算資源。通過合理分配計算單元和線程，使得性價比和可靠性得以提升。

2.2 音頻聲紋對比識別技術(shù)

音頻聲紋對比，即為將接收機獲取的聲音與已知的電臺播音（如開始曲、報臺、特定聲音背景等）進行對比，從而實現(xiàn)目標電臺的快速發(fā)現(xiàn)與識別、播出動態(tài)的判定、廣播頻譜的智能化監(jiān)測等效用。主要步驟包括音頻聲紋特征提取和模式匹配。

2.2.1 特征提取

分析廣電音頻節(jié)目時集中于頻域分析上，探索基于對音頻二維語譜圖像識別進行檢索的方法，從而把音頻檢索任務(wù)轉(zhuǎn)換成圖像檢索任務(wù)。借助圖像處理技術(shù)中很多已經(jīng)成熟的算法，如Harr 準小波濾波變換等技術(shù)完成特征提取。

對信號進行時頻變換后，便可提取基于內(nèi)容的音頻特征。該處理過程可以使用多種不同的算法，其主要目的都是對音頻信號進行降維的同時，即在確保完整、準確地表達音頻信號所攜帶信息的基礎(chǔ)上，用較少的維數(shù)來表征音頻特征，從而減少模板數(shù)目、運算量和存儲開銷，而且可以濾除信號中對識別無用的冗余信息并且增強特征對信號畸變的魯棒性。

2.2.2 檢索篩選

首先，使用訓(xùn)練得到的分類器，對目標音頻，亦即廣播節(jié)目的每幀提取M位特征向量，并存儲在一個標準的哈希表中。然后對每個對比音視頻模板，基于檢索窗從哈希表中進行相似性檢索，以篩選出候選片段。

當音頻功率譜時間對齊之后，兩個對比圖像的相似概率取決于每個特征的位（bit）差異。假設(shè)模板音頻特征為，目標音頻特征為，那么兩者之間相似性概率的計算公式如下：

2.2.3 信號相似度對比

兩個音視頻相似度比較，設(shè)x（t）和y（t）是待測的兩個信號，它們的相似度代表了它們是否是對同一目標在同一時間測量而得的結(jié)果。信號相似度的比較在很多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。在相似度比較中，最常用也是最基本的概念是相關(guān)系數(shù)。

假定x（t）和y（t）是能量有限的兩個信號，那么它們之間的相關(guān)系數(shù)可由下式表示：

式中，分子即為x（t）和y（t）的內(nèi)積，由Cauchy-Schwarz不等式可知，Pxy≤1。若Pxy=1，說明信號x（t）和y（t）完全線性相關(guān)；反之，若Pxy=0，說明兩者完全線性無關(guān)。一般而言，Pxy的值介于0-1之間，可以這個值作為信號相似度的量化判別結(jié)果。相同的概念可以引入離散時間系統(tǒng)，設(shè)x（n）和y（n）為長度相同的信號，則它們的相關(guān)系數(shù)可以表示為：

或：

3 后續(xù)應(yīng)用開發(fā)

3.1 融合系統(tǒng)性安全穩(wěn)定控制

由于廣播監(jiān)管設(shè)備運行周期為24 小時不間斷運行，對設(shè)備系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行要求非常嚴格。系統(tǒng)硬件采用無風扇傳導(dǎo)對流散熱設(shè)計和固態(tài)硬盤存儲，并采用RAID 等技術(shù)提升運行可靠度，且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。

3.2 開發(fā)更多路通道接收系統(tǒng)

理論上可實現(xiàn)8、16、24 乃至32 路或更高接收通道和路數(shù)的監(jiān)測接收系統(tǒng)，從而滿足更多廣電監(jiān)測監(jiān)管應(yīng)用。

3.3 廣播頻譜監(jiān)管的深層拓展

廣播電視行業(yè)監(jiān)測監(jiān)管工作的廣度和深度以及監(jiān)管效能水平的要求不斷提高。廣電頻率頻道核查、廣電無線電頻譜監(jiān)測、特定音頻節(jié)目（廣告）排查、非法違規(guī)有害音視頻信息監(jiān)管、頻率頻道播出質(zhì)量與效果監(jiān)測水平的升級等，無不推動廣電監(jiān)測監(jiān)管向智能化邁進，推動提升廣電監(jiān)管工作的質(zhì)量與效率，推動提高廣電行業(yè)安全播出管理科學(xué)化水平。

3.3.1 廣電播出質(zhì)量與效果評估自動化

對比識別正常播出的頻率、頻道是否按照既定運行圖執(zhí)行。將各播出機構(gòu)播出的內(nèi)容與標準節(jié)目源信號或內(nèi)容采樣對比，可及時發(fā)現(xiàn)播出頻率頻道停、錯、劣異態(tài)，提高準確性，降低勞動強度。

3.3.2 無線聲音廣播頻譜負荷監(jiān)管

中短波廣播頻譜資源占用情況智能化監(jiān)測?？罩袩o線電波擁擠繁忙，特別是短波廣播的跨境傳播，且各個國家、各種語言廣播讓監(jiān)測人員在短時間內(nèi)辨識出臺名、呼號和語種十分不易且效率低下。運用已掌握的各類電臺的呼號、開始曲、結(jié)束曲等建立模板庫，通過與接收到的音頻信號對比，從而識別出哪些電臺在什么時間使用哪些頻率頻道和語言進行廣播，從而提高廣電無線電頻譜監(jiān)測與管理的效率和智能化水平。

3.3.3 特定音頻、視頻節(jié)目的排查與監(jiān)管

特定廣電音頻節(jié)目（如廣告）在哪些頻率、頻道上播出，開展廣電頻率、頻道核查，直播監(jiān)測等，通過聲紋對比與頻道臺標、畫面等信息的對比識別，直接作用于廣電內(nèi)容、廣電音視頻輿情監(jiān)管。

3.3.4 結(jié)合新技術(shù)促進廣電智能監(jiān)管

無線電頻譜自動掃描、多信道接收與解調(diào)、多信道播出內(nèi)容的音頻存儲檢索等技術(shù)，以及數(shù)字化信號處理能力與計算能力的保障，都在為投入音頻與圖像對比識別技術(shù)到廣電監(jiān)管作技術(shù)支撐，這也將更深層次助力廣電智能監(jiān)管。

結(jié) 束 語

多通道接收技術(shù)對于廣電行業(yè)監(jiān)管工作日趨成熟，助力廣電監(jiān)管工作的智能化的同時與監(jiān)管工作的向深層邁進，開展全頻段、覆蓋面更廣、技術(shù)監(jiān)測指標更精準并行。該項技術(shù)可以廣泛應(yīng)用并值得與其它相關(guān)技術(shù)相結(jié)合更好地滿足廣電監(jiān)管工作的日益發(fā)展。