基于TCP協(xié)議的開/閉環(huán)音頻監(jiān)聽系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李希才

（國家廣播電視總局七三一臺，福建龍巖，364012）

0 引言

我臺甲機房經(jīng)整體更新改造后現(xiàn)有四部DF100A短波發(fā)射機，為便于值機和檢修工作，保證“三滿”播出，發(fā)射機系統(tǒng)配套各類監(jiān)測和監(jiān)控系統(tǒng)。其中，音頻信號的監(jiān)聽是最直接、最有效的一種監(jiān)控手段，方便值班人員快速準(zhǔn)確判斷發(fā)射機系統(tǒng)是否按照要求發(fā)射攜帶音頻信號的已調(diào)波以及監(jiān)測所播出節(jié)目源信號是否正確。為此，設(shè)計一套滿足機房實際需求且能穩(wěn)定運行的音頻監(jiān)聽系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計需求分析

音頻監(jiān)聽系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)是完善發(fā)射機系統(tǒng)監(jiān)控的一個重要手段，使機房監(jiān)聽監(jiān)看朝著信息化、自動化和智能化方向發(fā)展，該系統(tǒng)的設(shè)計總體需求如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計需求

具體而言，系統(tǒng)設(shè)計需求包括如下幾點：

（1）實現(xiàn)開環(huán)監(jiān)聽。已調(diào)波信號經(jīng)過天線輻射后，在機房內(nèi)使用短波波段收音機實現(xiàn)監(jiān)聽。為便于集中統(tǒng)一監(jiān)測，將收音機信號接入音頻監(jiān)聽系統(tǒng)。

（2）實現(xiàn)閉環(huán)監(jiān)聽。閉環(huán)監(jiān)聽需要在發(fā)射機通路合適位置上對音頻信號進行取樣監(jiān)聽，包括對送入發(fā)射機前的音頻節(jié)目信號和經(jīng)過發(fā)射機調(diào)制、放大后的已調(diào)波解調(diào)后的音頻節(jié)目信號進行監(jiān)聽。

（3）實現(xiàn)循環(huán)監(jiān)聽。上述（1）、（2）所述開/閉環(huán)監(jiān)聽合計9路音頻監(jiān)聽信號，在音頻監(jiān)聽系統(tǒng)中，可單獨選擇某一路進行監(jiān)聽，也可根據(jù)需要選擇全部或者其中的幾路進行循環(huán)監(jiān)聽。

（4）系統(tǒng)控制簡便且穩(wěn)定。采用基于TCP協(xié)議的上、下位機通訊模式，在客戶端電腦即可實現(xiàn)監(jiān)聽選擇操作。另外，系統(tǒng)取樣、解調(diào)、監(jiān)聽與循環(huán)均需保證穩(wěn)定運行，抗干擾能力強。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

基于以上系統(tǒng)設(shè)計需求，系統(tǒng)由上位機與下位機組成，上位機程序直接安裝在控制室電腦，實現(xiàn)與下位機（矩陣）連接、監(jiān)聽頻道選擇和監(jiān)聽模式選擇（單路/循環(huán)），簡單便捷；下位機以大連捷成Flex系列模擬音頻切換矩陣為核心，將9路音頻信號統(tǒng)一送入矩陣，輸出1路音頻信號，同時接受上位機程序的控制。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

■2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

音頻監(jiān)聽系統(tǒng)硬件設(shè)計包括模擬音頻切換矩陣、取樣/解調(diào)系統(tǒng)、收音機及監(jiān)聽音箱等。其中，模擬音頻切換矩陣是核心，是音頻信號輸入、輸出及其切換的關(guān)鍵設(shè)備。

2.1.1 模擬音頻切換矩陣

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)選用大連捷成Flex系列小型切換矩陣（12X4）作為音頻信號輸入/輸出的核心交換設(shè)備。矩陣支持12路輸入，4路輸出。如圖2所示，選擇矩陣第1～9路輸入相應(yīng)的音頻信號，第1路輸出連接至監(jiān)聽音箱。矩陣操作面板可直接選擇輸入、輸出及進行相關(guān)設(shè)置，但缺點是操作時需到矩陣前面板進行、不能進行循環(huán)切換等。為此，在.Net框架下使用C#語言編寫其上位機程序，基于TCP協(xié)議進行矩陣連接與控制。

2.1.2 音頻信號的取樣

以下（1）、（2）為閉環(huán)音頻信號，（3）為開環(huán)音頻信號：

（1）經(jīng)9400音頻處理器和D/A轉(zhuǎn)換器后，相應(yīng)的音頻信號送入發(fā)射機，對其進行監(jiān)聽，可判斷發(fā)射機前的設(shè)備及線路是否正常、節(jié)目源是否正確。D/A設(shè)備輸出有L和R路輸出，L路送入發(fā)射機，R路則作為監(jiān)聽輸入，A01～A04依次送入模擬音頻切換矩陣的第1～4路輸入。

（2）在DF100A發(fā)射機平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器進行已調(diào)波取樣，取樣后送入TS接收機進行解調(diào)，A01～A04所取樣解調(diào)信號依次送入模擬音頻切換矩陣的第5～8路輸入。接收機工作原理如圖3所示，采用一次變頻和相干解調(diào)方案，使解調(diào)出來的音頻信號穩(wěn)定。

（3）開環(huán)監(jiān)聽采用德生S-2000收音機，值班人員在收音機輸入所需監(jiān)聽的頻率后，即可收聽相應(yīng)的廣播節(jié)目。使用收音機EAR口輸出至模擬音頻切換矩陣的第9路輸入。

2.1.3 音頻監(jiān)聽信號輸出

音頻監(jiān)聽信號輸出采用漫步者低音炮音箱實現(xiàn)，將Flex模擬音頻切換矩陣的第1路輸出端接至該音箱即可實現(xiàn)。

基于以上，實現(xiàn)開閉環(huán)音頻監(jiān)聽的硬件系統(tǒng)就已經(jīng)搭建完成，尚需軟件系統(tǒng)對其進行控制，實現(xiàn)所需功能。

■2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

上位機軟件（731臺甲機房音頻監(jiān)聽系統(tǒng)）安裝在控制室電腦，負(fù)責(zé)與模擬音頻矩陣進行交互，包括矩陣連接、監(jiān)聽頻道選擇和當(dāng)前狀態(tài)顯示等功能，軟件界面如圖4所示。軟件基于.Net框架平臺，在Visual Studio 2019環(huán)境下使用C#語言編寫Windows窗體應(yīng)用，使代碼既不依賴于操作系統(tǒng)，也不依賴于硬件環(huán)境。窗體應(yīng)用的界面設(shè)計主要包括textbox、groupBox、button、label、timer等控件，界面簡潔大方，易于操作。

圖3 TS接收機工作原理

圖4 音頻監(jiān)聽系統(tǒng)軟件界面

上位機軟件與下位機矩陣的交互基于TCP協(xié)議，具有以下幾個特點：

（1）上位機須使用IPv4協(xié)議與矩陣進行交互。

（2）矩陣監(jiān)聽由上位機主動發(fā)起的連接請求，正常情況下由上位機主動發(fā)起關(guān)閉連接請求。

（3）矩陣監(jiān)聽端口號為8000。

（4）矩陣支持和上位機跨網(wǎng)段交互。

為此，在大連捷成簡單協(xié)議框架下兩者進行通訊，協(xié)議框架分為控制層和數(shù)據(jù)層，如圖5所示?？刂茖佑糜趨f(xié)議起始和結(jié)束標(biāo)示、數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)義及提供基本通訊機制、定義通訊物理形態(tài)等，數(shù)據(jù)層則用于根據(jù)業(yè)務(wù)需求定義命令集。

圖5 通訊協(xié)議層次結(jié)構(gòu)

協(xié)議規(guī)定，一條完整的請求或者應(yīng)答信息以0x01(SOT)起始，0x04(EOT)結(jié)束，Command Key為2個字節(jié)，和Data均由數(shù)據(jù)層定義。Check Sum（校驗和）使用2個字節(jié)標(biāo)示，將一條信息里的【Command Key】部分和【Data】部分的所有數(shù)據(jù)進行按位異或運算，將結(jié)果的高四位用1個字節(jié)表示，低四位用1個字節(jié)表示，高四位的字節(jié)在前，低四位的字節(jié)在后，具體實現(xiàn)代碼如下：

jy2=(byte)(ascllchange(jy % 16));

2.2.1 連接矩陣

根據(jù)矩陣通訊協(xié)議，軟件基于TCP協(xié)議與矩陣進行交互。如圖4所示，在上位機程序輸入相應(yīng)的IP地址和端口號，點擊“連接”按鈕，即可完成矩陣連接功能，此后在不關(guān)閉程序的情況下，可進行監(jiān)聽頻道選擇，無需再次連接。上位機連接矩陣功能實現(xiàn)主要代碼如下：

tcpClient=new TcpClient();

tcpClient.Connect(textBox1.Text, Convert.ToInt32(textBox2.Text));//連接矩陣，轉(zhuǎn)換文本框IP數(shù)據(jù)

networkStream=tcpClient.GetStream();//獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流

writer=new BinaryWriter(networkStream);//

t=new Thread(dxc);//判斷是否收到矩陣應(yīng)答

t.Start();

textBox3.AppendText(“矩陣連接成功，請選擇需要監(jiān)聽的頻道！ ”);//指示連接成功

2.2.2 選擇輸入/輸出與循環(huán)監(jiān)聽

在“監(jiān)聽頻道選擇”模塊，列表顯示了需要監(jiān)聽的對應(yīng)頻道，輸出頻道則固定為1通道（無需選擇，故未在上位機軟件界面顯示）。

在監(jiān)聽頻道前可選框勾選一路或幾路時：

（1）選擇輸入的第1～9路中的某一路監(jiān)聽，矩陣收到指令后，將該輸入送入第1路輸出；

（2）選擇輸入的第1～9路中的某幾路進行監(jiān)聽，矩陣收到指令后，矩陣按照順序每隔5秒依次輸出至第1路輸出（輸出順序按照輸入通道編號升序輸出），實現(xiàn)循環(huán)監(jiān)聽。

2.2.3 當(dāng)前狀態(tài)顯示

為更好的指示當(dāng)前下位機的工作狀態(tài)，上位機軟件設(shè)置文本框顯示矩陣連接狀態(tài)和當(dāng)前輸出情況。如連接矩陣成功，則當(dāng)前狀態(tài)顯示“矩陣連接成功，請選擇需要監(jiān)聽的頻道！”；如已選擇輸入端并切換成功，則當(dāng)前狀態(tài)顯示“標(biāo)識為紅色的頻道正在被監(jiān)聽！”，同時監(jiān)聽頻道選擇的對應(yīng)輸入端文字變?yōu)榧t色；循環(huán)監(jiān)聽時，當(dāng)前正在被監(jiān)聽的頻道的對應(yīng)輸入端文字變?yōu)榧t色。具體實現(xiàn)代碼在此不再贅述。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)按照當(dāng)前廣播電視安全播出的實際要求，結(jié)合我臺甲機房的設(shè)備情況，并基于TCP協(xié)議而設(shè)計開發(fā)，有效地對發(fā)射機系統(tǒng)的音頻信號實現(xiàn)開/閉環(huán)監(jiān)聽。系統(tǒng)操作簡便，功能齊全，既能實現(xiàn)單路播出，又能實現(xiàn)多路循環(huán)播出；既能實現(xiàn)常規(guī)的開環(huán)監(jiān)聽，又能實現(xiàn)閉環(huán)監(jiān)聽，大大的減輕了值班人員的勞動強度，提高了監(jiān)聽監(jiān)看的效率，保證“三滿”播出，對日常檢修、故障排查等也大有裨益。