中短波覆蓋網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)急廣播建設(shè)中的應(yīng)用

楊軼芳

（山東省博興縣融媒體中心，山東 濱州 256500）

0 引 言

應(yīng)急廣播系統(tǒng)（Emergency Broadcasting System，EBS）一般依托中短波廣播、數(shù)字電視、調(diào)頻廣播以及公共設(shè)施如村村通等技術(shù)方式。其中，中短波廣播不僅接收方式簡(jiǎn)單，而且覆蓋范圍廣泛，同時(shí)又能避免災(zāi)區(qū)公共設(shè)施在災(zāi)情中可能出現(xiàn)的破壞情況，保證信息穩(wěn)定傳達(dá)，是應(yīng)急廣播傳遞信息的重要技術(shù)手段[1]。

2022年7月，應(yīng)急管理部頒布《“十四五”應(yīng)急 救援力量建設(shè)規(guī)劃》，將“健全完善災(zāi)情動(dòng)態(tài)通報(bào)”作為應(yīng)急救援工作信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)建設(shè)方向。2022年9月5日，四川省甘孜瀘定縣發(fā)生里氏6.8級(jí)地震，該地區(qū)的應(yīng)急廣播第一時(shí)間啟動(dòng)，成功發(fā)布預(yù)警信息，體現(xiàn)了應(yīng)急廣播的優(yōu)勢(shì)。筆者所在的山東省博興縣融媒體中心對(duì)事件高度關(guān)注，根據(jù)上級(jí)管理部門的部署要求，采購應(yīng)急廣播配套設(shè)備，對(duì)現(xiàn)有的應(yīng)急廣播設(shè)備進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)容。升級(jí)后的應(yīng)急廣播系統(tǒng)基于廣播電臺(tái)發(fā)射機(jī)，業(yè)已形成無線頻率調(diào)制（Fequency Modulation，F(xiàn)M）覆蓋，在中短波覆蓋網(wǎng)應(yīng)用上達(dá)成了技術(shù)效果的全面優(yōu)化。

1 基于應(yīng)急廣播的中短波覆蓋網(wǎng)技術(shù)框架

1.1 中短波網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)原理

在應(yīng)急廣播中短波網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋流程中，應(yīng)急指揮部門下達(dá)發(fā)布應(yīng)急廣播指令后，廣播中心進(jìn)行內(nèi)容制作和頻段調(diào)度，經(jīng)由中央廣播平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，進(jìn)入傳輸覆蓋系統(tǒng)后，對(duì)廣播消息進(jìn)行接收、解析、處理，最終由發(fā)射機(jī)完成信號(hào)發(fā)射，轉(zhuǎn)發(fā)給需要覆蓋的設(shè)備資源。

中短波廣播發(fā)射覆蓋是整個(gè)應(yīng)急廣播信號(hào)系統(tǒng)的末端環(huán)節(jié)，也是最為關(guān)鍵的效用檢驗(yàn)環(huán)節(jié)。覆蓋網(wǎng)的范圍和質(zhì)量，直接決定應(yīng)急廣播能否起到預(yù)期作用。中、短波廣播兩種方式均為調(diào)幅廣播，應(yīng)急廣播音頻被調(diào)制于載波后，即可根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcasting，DVB）標(biāo)準(zhǔn)編碼[2]，原始信號(hào)須經(jīng)過信源、信道的雙重編碼，成為可以被數(shù)字電視基本碼流（Packetized Elementary Streams，PES）打 包 處 理 的 基 本 流（Elementary Streams，ES），再經(jīng)過拆分、復(fù)用形成長(zhǎng)度恒定的傳輸流（Transport Stream，TS），從不同的傳輸信道編碼后進(jìn)行分發(fā)傳輸。

1.2 應(yīng)急廣播中短波覆蓋網(wǎng)的主要技術(shù)模塊

在信號(hào)進(jìn)入中短波廣播發(fā)射臺(tái)站接收處理的流程中，關(guān)鍵技術(shù)模塊由三部分構(gòu)成，一是對(duì)傳輸內(nèi)容、傳輸信息和傳輸流進(jìn)行適配，即實(shí)現(xiàn)后端發(fā)射臺(tái)與前端應(yīng)急廣播信息管理平臺(tái)的有效對(duì)接；二是分區(qū)響應(yīng)，即在傳輸對(duì)接后，中短波信息覆蓋處理環(huán)節(jié)能夠正確解析文字內(nèi)容和音頻信息，并將其傳輸?shù)街付▍^(qū)域，指定區(qū)域內(nèi)的發(fā)射臺(tái)能夠?qū)ζ渥鞒稣_識(shí)別和響應(yīng)；三是遠(yuǎn)端喚醒，即通過控制用戶終端的信令接入，能夠自動(dòng)喚醒遠(yuǎn)端設(shè)備。由此可確定中短波發(fā)射臺(tái)站內(nèi)部的各模塊架構(gòu)邏輯：數(shù)據(jù)接收—數(shù)據(jù)解析—遠(yuǎn)程終端喚醒。下文將圍繞這三個(gè)模塊進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用層面的分析。

2 應(yīng)急廣播中短波發(fā)射臺(tái)數(shù)據(jù)接收模塊的技術(shù)分析

2.1 TS流的收錄與讀寫

發(fā)射臺(tái)站解析服務(wù)器所接收到的應(yīng)急廣播信息，通常是由廣播平臺(tái)和傳輸網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)整合過的TS流，因此，中短波發(fā)射臺(tái)的數(shù)據(jù)接收工作，實(shí)質(zhì)上仍是對(duì)TS流數(shù)據(jù)的適配和收錄。在用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）下，傳統(tǒng)的異步串行接口（Asynchronous Serial Interface，ASI）傳輸方式由于采集卡對(duì)于節(jié)目流數(shù)量有上限限制，無法滿足業(yè)務(wù)更變和布線需求，對(duì)于應(yīng)急廣播信號(hào)數(shù)據(jù)接收，采用IP傳輸方式更為靈活[3]，只需為計(jì)算機(jī)安裝獨(dú)立網(wǎng)卡，即可對(duì)多種節(jié)目流進(jìn)行接收處理。

在UDP下，收錄過程主要依靠軟件算法，其思路是創(chuàng)建收錄緩存區(qū)，操作寫入、讀取兩個(gè)線程。鑒于IP傳輸獲取的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)一般包含若干個(gè)5～6 Mb 大小的節(jié)目碼流，單頻點(diǎn)的大小不會(huì)超過百兆，這些數(shù)據(jù)通過寫入線程進(jìn)入緩存區(qū)，因此每線程的緩存大小一般設(shè)置在90～100 Mb。90 Mb為安全閾值，達(dá)到閾值時(shí)，為防止堆棧溢出，緩存區(qū)從頭重新寫入。進(jìn)入讀取線程時(shí)，從收錄緩存中讀出預(yù)讀取的固定長(zhǎng)度，根據(jù)讀取介質(zhì)的讀寫速度，一般設(shè)為每次1 Mb。每次讀出數(shù)據(jù)后，對(duì)緩存區(qū)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，確保不出現(xiàn)內(nèi)存下溢。

2.2 雙列緩存與內(nèi)存鎖定

在讀寫雙線程的操作過程中，為進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)，一般根據(jù)讀寫情況啟用空間緩存隊(duì)列或數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列?？臻g緩存為空時(shí)，則將數(shù)據(jù)寫入空間緩存。帶有數(shù)據(jù)的緩存單元進(jìn)入數(shù)據(jù)緩存列，等候下一步處理。當(dāng)某一緩存單元被讀取、寫入兩線程同時(shí)作為處理對(duì)象時(shí)，為防止沖突，按照寫入大于讀取的優(yōu)先級(jí)，對(duì)寫入中的單元進(jìn)行鎖定，寫入完畢后才能進(jìn)行讀取。

3 應(yīng)急廣播中短波傳輸流數(shù)據(jù)解析模塊的技術(shù)分析

3.1 解析模塊工作原理

應(yīng)急廣播的TS傳輸流包含相關(guān)表和映射表等基本信息內(nèi)容，由多路PES流打包而成。因此，解析的第一步就是利用解復(fù)用器從TS流中將各路PES流分離出來[4]，將被賦特定值的包濾出。這一過程位于如圖1所示的傳輸流解析模塊工作流程的左上部分。解復(fù)用器通過過濾進(jìn)程身份（Process Identification，PID）值、查找節(jié)目相關(guān)表（Program Association Table，PAT）和 節(jié)目映射表（Program Map Table，PMT），從PAT中 給出的PID映射 到PMT中，得到對(duì)應(yīng)于應(yīng)急廣播音頻、文本的專用分配PID，并將其傳至解碼器進(jìn)行解析。

圖1 傳輸流解析模塊的工作流程

3.2 應(yīng)急廣播音頻數(shù)據(jù)的提取與解析

傳至解碼器后，解碼器首先要獲取包含應(yīng)急廣播TS流的基本信息，即對(duì)TS流數(shù)據(jù)作緩存預(yù)收錄，并對(duì)預(yù)收錄的TS流進(jìn)行解析，找出PAT表及其對(duì)應(yīng)的PMT表，獲得應(yīng)急廣播在TS流中的所有對(duì)應(yīng)PID值，然后開始對(duì)這些包進(jìn)行逐個(gè)獲取和解析。TS包是由若干個(gè)PES包打包而成的，提取的過程實(shí)質(zhì)上是將不屬于應(yīng)急廣播的PES包按照PID從TS包中濾除，然后對(duì)應(yīng)急廣播音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，包括三個(gè)步驟：（1）從TS流中提取PES包；（2）根據(jù)PES包的包頭判斷音頻完整性；（3）從PES包中解析出ES流數(shù)據(jù)，經(jīng)由音頻編碼輸出可直接用于外放的ES流。

4 應(yīng)急廣播中短波用戶終端遠(yuǎn)端喚醒模塊的技術(shù)分析

用戶終端的遠(yuǎn)程喚醒是應(yīng)急廣播無線覆蓋的重要環(huán)節(jié)。這一技術(shù)旨在使能夠向目標(biāo)區(qū)域群眾傳遞應(yīng)急廣播消息的各種設(shè)備及時(shí)被喚醒并自動(dòng)開機(jī)播放應(yīng)急廣播。目前，應(yīng)用于應(yīng)急廣播遠(yuǎn)端設(shè)備喚醒的通用技術(shù)是較早前的雙音多頻（Dual Tone Multi Frequency，DTMF）和較新的最小頻移鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）[5]，兩種技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

4.1 DTMF遠(yuǎn)端喚醒

DTMF實(shí)質(zhì)上是通過簡(jiǎn)單的編解碼形式實(shí)現(xiàn)控制命令的生效[6]。在控制端和DTMF接收端設(shè)置好控制碼格式，實(shí)際控制時(shí)，發(fā)送端提取出即時(shí)通信密碼，加上開關(guān)碼組并加密形成密文，經(jīng)過DTMF編碼，傳輸?shù)浇K端；終端進(jìn)行DTMF解碼后獲取密文，解密后對(duì)通信密碼進(jìn)行最后驗(yàn)證，通過后執(zhí)行開機(jī)或關(guān)機(jī)指令。其缺陷在于編碼方式過于簡(jiǎn)單，不能適應(yīng)大面積的組網(wǎng)，同時(shí)抗干擾能力較差，容易導(dǎo)致終端誤碼，極端情況下有可能出現(xiàn)遠(yuǎn)端喚醒狀態(tài)無法持續(xù)的狀況，影響應(yīng)急廣播的播放 效果。

4.2 MSK遠(yuǎn)端喚醒

MSK作為一種數(shù)字調(diào)制和解調(diào)方式，其原理是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為波形，利用控制載波幅度、載波頻率和碼元區(qū)間相位進(jìn)行調(diào)制。由于其每種成型信號(hào)只有正、負(fù)兩種波形，因此數(shù)據(jù)的成型信號(hào)只與其相鄰數(shù)據(jù)有關(guān)，在頻率變化時(shí)，能夠保持碼元間的相位連續(xù)性，有著較強(qiáng)的抗干擾能力，遠(yuǎn)端誤碼率也更低，傳輸速度較DTMF更快。

5 結(jié) 語

在如今數(shù)字電視、互聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)足發(fā)展的背景下，盡管中短波在日常信息傳播中成為一種逐漸邊緣化的傳播方式，但其在應(yīng)急事件中能夠充分展現(xiàn)技術(shù)和覆蓋優(yōu)勢(shì)，仍具有較高的戰(zhàn)備價(jià)值。本文立足于博興縣融媒體中心對(duì)應(yīng)急廣播系統(tǒng)的設(shè)備擴(kuò)容和升級(jí)工作，梳理其中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用思路，不難窺知，應(yīng)急廣播建設(shè)將是一項(xiàng)長(zhǎng)期的信息基礎(chǔ)建設(shè)工作，應(yīng)急廣播的傳輸技術(shù)會(huì)沿著更快、更廣、更靈活的發(fā)展方向不斷變革。