基于短波通信的應(yīng)急廣播模式

黃紅偉

（廣西廣播電視監(jiān)測中心，廣西 南寧 530000）

1 應(yīng)急廣播無線傳輸現(xiàn)狀

目前，在應(yīng)急廣播系統(tǒng)中，應(yīng)急消息的無線發(fā)布主要基于調(diào)頻廣播（FM/RDS）、移通通信（4G）、地面數(shù)字電視（DTMB）、衛(wèi)星通信以及中短波廣播。除衛(wèi)星通信和中短波廣播外，其他通信方式均需要一定數(shù)量、分布廣的中繼基站，因此建設(shè)和維護成本高，且中間環(huán)節(jié)多，可靠性難以保證。短波通信通過電離層反射進行通信，相比于其他方式，短波通信具有收發(fā)設(shè)備簡便、建設(shè)運營成本低廉以及使用方便等優(yōu)點，其充分利用了電波在電離層的反射傳輸?shù)奶攸c，具有傳輸距離遠和不易被摧毀 的優(yōu)勢[1]。

短波通信的信號傳輸質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、集成電路微處理器技術(shù)及數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展不斷提高。新技術(shù)的應(yīng)用不斷推動著短波通信技術(shù)的發(fā)展，使得在短波信道上進行數(shù)字圖文傳輸、音頻信號傳輸、視頻信號傳輸、高速數(shù)據(jù)傳輸以及應(yīng)急廣播信息傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)變得更加易于實現(xiàn)。

短波通信具有頻帶窄的特點，其通信頻帶僅為3～30 MHz，同時，短波通過電離層反射進行傳輸，存在通信信號穩(wěn)定性差、碼間串擾以及時色散時變性大等缺點。目前普遍使用的信源和信道編碼技術(shù)已不能適應(yīng)高質(zhì)量數(shù)字通信的要求[2]。高質(zhì)量的短波數(shù)字通信需要更新的技術(shù)來實現(xiàn)，如在短波信號傳輸?shù)男旁淳幋a過程中對信號進行壓縮處理，在信道編碼過程中采用短波正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)等新技術(shù)。

2 基于短波正交頻分復(fù)用技術(shù)的原理

基于短波正交頻分復(fù)用技術(shù)的主要原理是在頻域內(nèi)將所給短波頻段的信道分成多個子信道，同時保證任意兩個子信道均具有正交性，將高速率的待傳輸信號轉(zhuǎn)換成并行的低速率信號，并在每個子信道上使用相應(yīng)的子載波對其進行調(diào)制，經(jīng)傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）將各子信道合并，進一步處理后經(jīng)天線發(fā)射。接收端處理的方法相反。OFDM傳輸原理如圖1所示。在頻域內(nèi)將所給信道分成多個子信道，每個子信道所占帶寬相對較小，為窄帶傳輸，這樣即可保證每個子信道頻率響應(yīng)相對平坦，信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，從而消除符號間干擾[3]。

圖1 OFDM傳輸原理

設(shè)OFDM系統(tǒng)有N個子信道，各子信道的子載波為：

式中：Bk為第k路子載波的振幅；fk為第k路子載波的頻率；φk為第k路子載波的初始相位，則N路子信號之和為：

式（2）還可以寫成復(fù)數(shù)形式：

式（3）中，Bk是一個復(fù)數(shù)，為第k路子信道的復(fù)輸入數(shù)據(jù)。

正交頻分復(fù)用（OFDM）相對于單載波和非正交頻分復(fù)用方式具有如下優(yōu)勢。

（1）抗頻率選擇性衰落能力強。電波在傳輸?shù)倪^程中，接收端會收到經(jīng)過折射、反射及散射等途徑到達的信號。不同路徑的信號會有不同的時延，從而相互疊加，產(chǎn)生干擾，造成頻率選擇性衰落。OFDM系統(tǒng)經(jīng)FFT變換，在頻域上將信道劃分成多個子信道，由于每個子信道占用的頻帶較窄，在該子信道內(nèi)頻率響應(yīng)的衰落是平坦的，與頻率無關(guān)，因此OFDM系統(tǒng)具有較強的抗頻率選擇性衰落能力。

（2）具有較高的頻譜利用率。由于OFDM系統(tǒng)各個子載波之間是正交調(diào)制，OFDM的子載波正交復(fù)用技術(shù)大大提高了頻帶利用率。

（3）實現(xiàn)簡單。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展，在電路上實現(xiàn)OFDM變得越來越便捷。

（4）滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸要求。在利用現(xiàn)有頻率帶寬及不改變發(fā)射功率的前提下，應(yīng)用MIMO多天線技術(shù)實現(xiàn)多發(fā)多收，即可大幅度提高信道容量，滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸要求。

3 短波應(yīng)急廣播適配器

在應(yīng)急廣播系統(tǒng)中，應(yīng)急廣播適配器是核心設(shè)備。它接收來自上級的指令并解釋，經(jīng)處理后放大輸出到大喇叭。因此它具備自動接收、適配及播發(fā)上級平臺應(yīng)急廣播消息的功能；支持短波/FM/DTMB/DVB-C/IP/4G多模接收，支持文轉(zhuǎn)語功能，整機模塊化設(shè)計[4]。應(yīng)急廣播適配器接口如圖2所示。

圖2 應(yīng)急廣播適配器接口

應(yīng)急廣播系統(tǒng)中，適配器作為具有適配轉(zhuǎn)發(fā)上下鏈路功能的中間連接設(shè)備，實現(xiàn)應(yīng)急信息指令和應(yīng)急音頻不同方式的解析、封裝及按需輸出。應(yīng)急廣播適配器的功能如圖3所示。

圖3 應(yīng)急廣播適配器功能

3.1 安全認證防范功能

應(yīng)急廣播適配器具備完善的抗干擾、防插播及防盜播等安全播出技術(shù)措施，確保系統(tǒng)安全播出，采取數(shù)字簽名驗證等技術(shù)手段防止干擾、非法插播及盜播等的發(fā)生。

3.2 TS信道解析功能

應(yīng)急廣播適配器解析TS流，對流內(nèi)的應(yīng)急指令及應(yīng)急節(jié)目進行篩選分析，進行下一步的解碼及邏輯運算。

3.3 尋址控制功能

應(yīng)急廣播適配器是一個TS流終端設(shè)備，每個適配器有一個統(tǒng)一編碼的地址碼。適配器根據(jù)應(yīng)急控制指令的地址碼信息來判定是否響應(yīng)的相應(yīng)操作，如切換信源和開關(guān)等。應(yīng)急廣播管理平臺可以根據(jù)應(yīng)急預(yù)警信息的發(fā)布目標區(qū)域和事件類型等發(fā)布要求，對適配器進行尋址操作，實現(xiàn)應(yīng)急預(yù)警信息的分區(qū)、分片精確響應(yīng)，實現(xiàn)區(qū)域廣播覆蓋或組合廣播覆蓋。

3.4 按需切換控制功能

應(yīng)急廣播適配器能夠根據(jù)業(yè)務(wù)實際需要，在原有廣播音源和應(yīng)急廣播節(jié)目之間進行人工或自動控制切換，也設(shè)置了斷電音源直通通道，既保證了既有系統(tǒng)的功能完整性和獨立性，也能夠滿足新系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。

3.5 狀態(tài)采集和回傳功能

應(yīng)急廣播適配器能夠采集到適配器現(xiàn)有的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及適配器自身的各種狀態(tài)和參數(shù)信息，通過臺站監(jiān)控網(wǎng)，按需向應(yīng)急廣播系統(tǒng)管理平臺加以回傳反饋，從而使得系統(tǒng)管理平臺能夠隨時獲知切換器的狀態(tài)和適配器的工作狀態(tài)，進而進行相應(yīng)的控制操作和設(shè)備檢修維護安排。

3.6 遠程維護功能

應(yīng)急廣播適配器由于斷電或其他原因?qū)е鹿ぷ鳟惓?，但并未造成硬件損壞時，可以通過遠程維護功能進行重啟復(fù)位，修復(fù)部分軟件錯誤。在需要進行升級時，設(shè)備可以通過遠程維護功能進行在線升級。

3.7 短波接收模塊

短波接收模塊的功能是接收短波信號，并解調(diào)、解釋指令，將上級來的指令和信息轉(zhuǎn)換成TS流給應(yīng)急廣播適配器。短波接收模塊的通信協(xié)議標準符合《應(yīng)急廣播TS流傳輸技術(shù)規(guī)范》要求。短波接收模塊在收到短波信號并解碼后，將接收到的短報文轉(zhuǎn)成語音信號，并產(chǎn)生相應(yīng)的音頻流，以TS流方式送給適配器。

在短波模塊和適配器主電路的通信設(shè)計中，為應(yīng)急廣播傳輸流每套節(jié)目的信號都設(shè)置一個識別符PID（PackedIdentifier），使用特定的PID傳輸應(yīng)急廣播消息和指令，包含應(yīng)急廣播消息的內(nèi)容和相關(guān)參數(shù)，該PID對應(yīng)的節(jié)目內(nèi)容和信息直接進行透傳。當應(yīng)急廣播適配器監(jiān)聽到該短波特定PID的內(nèi)容時，依據(jù)應(yīng)急廣播消息封裝協(xié)議進行解析，通過擴音喇叭播出相應(yīng)的應(yīng)急廣播消息內(nèi)容。

4 結(jié) 語

基于短波通信的應(yīng)急廣播，具有通信距離遠和實現(xiàn)成本低等特點。短波正交頻分復(fù)用技術(shù)在應(yīng)急廣播上的應(yīng)用，使得應(yīng)急廣播無線通信具有較高的頻譜利用率，可滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸要求。在應(yīng)急廣播適配器中設(shè)置短波接收模塊，增加了應(yīng)急廣播對于無線通信方式的接收能力，對山區(qū)和海面等移動信號無法進行通信的區(qū)域的應(yīng)急廣播覆蓋具有重要意義。