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

張 澍

國家廣播電視總局203臺(tái) 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010010

引 言

當(dāng)前對(duì)廣播頻譜的監(jiān)測(cè)和監(jiān)聽越來越需要體現(xiàn)多路同時(shí)接收、實(shí)時(shí)多路播出和指標(biāo)測(cè)量并且可及時(shí)體現(xiàn)監(jiān)測(cè)目標(biāo)頻率的播出動(dòng)態(tài)。對(duì)監(jiān)管目標(biāo)頻率的識(shí)別、取證等工作需要給繁瑣人工監(jiān)聽識(shí)別減負(fù)，以減輕工作量，提升廣電監(jiān)測(cè)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(jī)。這些多通道接收機(jī)采用多個(gè)模擬調(diào)諧高頻頭，將天線信號(hào)分路給各個(gè)高頻處理電路，以同時(shí)監(jiān)聽多路電臺(tái)的廣播信號(hào)，但仍無法更好地滿足實(shí)際應(yīng)用。數(shù)字多通道化的多通道監(jiān)測(cè)接收機(jī)，避免模擬信號(hào)分路降低靈敏度，同時(shí)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(duì)比識(shí)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(cè)與后續(xù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收頻率節(jié)目的自動(dòng)判別，提升了廣電監(jiān)管工作的效率與智能化水平。

1 信號(hào)接收處理系統(tǒng)的組成和架構(gòu)

1.1 多路射頻直采

多個(gè)射頻直采頻段，分別對(duì)應(yīng)接收調(diào)幅（中、短波）和調(diào)頻等廣播信號(hào)。每個(gè)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(hào)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(shí)現(xiàn)多通道的通道化。

圖1 接收機(jī)基本架構(gòu)

1.2 信號(hào)通道化處理

對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行通道化處理，是一個(gè)變頻降采樣率的信號(hào)處理過程。通過將數(shù)字化的波形和數(shù)字本振進(jìn)行數(shù)字混頻，將接收的信號(hào)中心頻率搬移到直流（0Hz），然后進(jìn)行多級(jí)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(cè)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(cè)量的能力。信號(hào)處理流程見圖2。

為更好抗噪聲和增強(qiáng)頻率選擇性，在通帶范圍內(nèi)還設(shè)置可變的頻響補(bǔ)償濾波器，一方面補(bǔ)償降采樣的通帶頻響平坦度，另一方面為調(diào)幅監(jiān)測(cè)提供6kHz、9kHz 通帶選項(xiàng)，為調(diào)頻監(jiān)測(cè)提供100kHz、200kHz、280kHz 通帶選項(xiàng)。降采樣之后的基帶IQ 數(shù)據(jù)用于計(jì)算測(cè)量、記錄，并且提供中頻處理實(shí)時(shí)解調(diào)得到音頻節(jié)目?jī)?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(chǔ)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(jī)模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、信號(hào)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(dòng)軟件、功能軟件等。

圖2 信號(hào)處理流程圖

圖3 接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

接收機(jī)模塊負(fù)責(zé)采集和記錄中短波全頻段的信號(hào)，利用高速A/D 射頻直采功能，實(shí)現(xiàn)全帶寬信號(hào)的采集記錄。信號(hào)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(hào)，增加信號(hào)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(jìn)行緩存；數(shù)字信號(hào)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(jià)比FPGA，提供多個(gè)乘法器單元，保證了多路信號(hào)處理并行實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)單一芯片多路信號(hào)的數(shù)字濾波，大大提高了解調(diào)系統(tǒng)的能力?；诠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)高速總線保證了接收機(jī)到磁盤陣列（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊）、磁盤陣列到數(shù)字信號(hào)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(hào)直采與軟件無線電技術(shù)相結(jié)合

軟件無線電技術(shù)對(duì)射頻信號(hào)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(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)、寬窄接收兩宜、提高掃頻速度，同時(shí)必須兼顧低噪聲、平通帶，實(shí)現(xiàn)高選擇，如此可減小模擬變頻非線性和多級(jí)變頻引入噪聲而提高接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。信號(hào)直采對(duì)比圖見圖4。

在外差結(jié)構(gòu)中，接收器接收RF 頻率的信號(hào)之后，將信號(hào)下變頻到較低的中頻（IF），并進(jìn)行數(shù)字化、濾波和解調(diào)。可以看到，該儀器的RF 前端包含了帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器和本機(jī)振蕩器（LO）。

圖4 超外差接收與信號(hào)直采對(duì)比圖

如圖，外差接收器框圖顯示了一個(gè)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(dāng)?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(hào)并將其發(fā)送到處理器。直采架構(gòu)中，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片上可實(shí)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(biāo)信號(hào)，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(jì)要簡(jiǎn)單得多，從而允許更小的外形尺寸和更低的設(shè)計(jì)成本。直接RF 采樣接收器架構(gòu)可以僅包含一個(gè)低噪聲放大器、適當(dāng)?shù)臑V波器和ADC。

直接RF 采樣的優(yōu)點(diǎn)主要是簡(jiǎn)化了RF 信號(hào)鏈，降低了每個(gè)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(cè)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(shí)，要測(cè)量調(diào)制度和保證頻偏準(zhǔn)確，就要求通帶平坦。若要做到二者兼?zhèn)?，必須?duì)通道化算法進(jìn)行特別設(shè)計(jì)以提高軟件計(jì)算效率。應(yīng)用快速傅里葉變換實(shí)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(diǎn)上）。對(duì)于中短波電臺(tái)間隔不等，短波電臺(tái)頻點(diǎn)不一定規(guī)范的現(xiàn)狀并不能實(shí)現(xiàn)合聚。實(shí)踐中通過對(duì)接收電路采用了大量濾波器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高性能通道化算法，同時(shí)利用降采樣數(shù)據(jù)流速率逐級(jí)下降的方法，逐級(jí)合并處理單元，利用一個(gè)濾波單元分時(shí)處理多個(gè)通道的數(shù)據(jù)。這個(gè)逐級(jí)簡(jiǎn)并的樹形算法大大節(jié)約了計(jì)算資源。通過合理分配計(jì)算單元和線程，使得性價(jià)比和可靠性得以提升。

2.2 音頻聲紋對(duì)比識(shí)別技術(shù)

音頻聲紋對(duì)比，即為將接收機(jī)獲取的聲音與已知的電臺(tái)播音（如開始曲、報(bào)臺(tái)、特定聲音背景等）進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電臺(tái)的快速發(fā)現(xiàn)與識(shí)別、播出動(dòng)態(tài)的判定、廣播頻譜的智能化監(jiān)測(cè)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(shí)集中于頻域分析上，探索基于對(duì)音頻二維語譜圖像識(shí)別進(jìn)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(zhǔn)小波濾波變換等技術(shù)完成特征提取。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)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(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行降維的同時(shí)，即在確保完整、準(zhǔn)確地表達(dá)音頻信號(hào)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(yùn)算量和存儲(chǔ)開銷，而且可以濾除信號(hào)中對(duì)識(shí)別無用的冗余信息并且增強(qiáng)特征對(duì)信號(hào)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(duì)目標(biāo)音頻，亦即廣播節(jié)目的每幀提取M位特征向量，并存儲(chǔ)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的哈希表中。然后對(duì)每個(gè)對(duì)比音視頻模板，基于檢索窗從哈希表中進(jìn)行相似性檢索，以篩選出候選片段。

當(dāng)音頻功率譜時(shí)間對(duì)齊之后，兩個(gè)對(duì)比圖像的相似概率取決于每個(gè)特征的位（bit）差異。假設(shè)模板音頻特征為，目標(biāo)音頻特征為，那么兩者之間相似性概率的計(jì)算公式如下：

2.2.3 信號(hào)相似度對(duì)比

兩個(gè)音視頻相似度比較，設(shè)x（t）和y（t）是待測(cè)的兩個(gè)信號(hào)，它們的相似度代表了它們是否是對(duì)同一目標(biāo)在同一時(shí)間測(cè)量而得的結(jié)果。信號(hào)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(gè)信號(hào)，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(hào)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(gè)值作為信號(hào)相似度的量化判別結(jié)果。相同的概念可以引入離散時(shí)間系統(tǒng)，設(shè)x（n）和y（n）為長度相同的信號(hào)，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(yùn)行周期為24 小時(shí)不間斷運(yùn)行，對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求非常嚴(yán)格。系統(tǒng)硬件采用無風(fēng)扇傳導(dǎo)對(duì)流散熱設(shè)計(jì)和固態(tài)硬盤存儲(chǔ)，并采用RAID 等技術(shù)提升運(yùn)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(shí)間長度，同時(shí)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(shí)現(xiàn)8、16、24 乃至32 路或更高接收通道和路數(shù)的監(jiān)測(cè)接收系統(tǒng)，從而滿足更多廣電監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)、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(cè)水平的升級(jí)等，無不推動(dòng)廣電監(jiān)測(cè)監(jiān)管向智能化邁進(jìn)，推動(dòng)提升廣電監(jiān)管工作的質(zhì)量與效率，推動(dòng)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(píng)估自動(dòng)化

對(duì)比識(shí)別正常播出的頻率、頻道是否按照既定運(yùn)行圖執(zhí)行。將各播出機(jī)構(gòu)播出的內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)目源信號(hào)或內(nèi)容采樣對(duì)比，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)播出頻率頻道停、錯(cuò)、劣異態(tài)，提高準(zhǔn)確性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.3.2 無線聲音廣播頻譜負(fù)荷監(jiān)管

中短波廣播頻譜資源占用情況智能化監(jiān)測(cè)?？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(gè)國家、各種語言廣播讓監(jiān)測(cè)人員在短時(shí)間內(nèi)辨識(shí)出臺(tái)名、呼號(hào)和語種十分不易且效率低下。運(yùn)用已掌握的各類電臺(tái)的呼號(hào)、開始曲、結(jié)束曲等建立模板庫，通過與接收到的音頻信號(hào)對(duì)比，從而識(shí)別出哪些電臺(tái)在什么時(shí)間使用哪些頻率頻道和語言進(jìn)行廣播，從而提高廣電無線電頻譜監(jiān)測(cè)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(cè)等，通過聲紋對(duì)比與頻道臺(tái)標(biāo)、畫面等信息的對(duì)比識(shí)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(jìn)廣電智能監(jiān)管

無線電頻譜自動(dòng)掃描、多信道接收與解調(diào)、多信道播出內(nèi)容的音頻存儲(chǔ)檢索等技術(shù)，以及數(shù)字化信號(hào)處理能力與計(jì)算能力的保障，都在為投入音頻與圖像對(duì)比識(shí)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(duì)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(shí)與監(jiān)管工作的向深層邁進(jìn)，開展全頻段、覆蓋面更廣、技術(shù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)更精準(zhǔn)并行。該項(xiàng)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。