音頻信號插播、錯播和停播自動報警系統(tǒng)項目建設(shè)

羅勝

【摘要】七六一臺模擬調(diào)頻節(jié)目目前均有四路信號源，為了防止音頻信號有插播、錯播和停播事故的發(fā)生，建設(shè)一套廣播信號音頻比對系統(tǒng)使信號源之間以及信號源和空收節(jié)目（解調(diào)）之間的音頻實時比對，實現(xiàn)了信號不一致時進行實時語音報警，確保了廣播信號的安全播出。

【關(guān)鍵詞】音頻信號;插播;錯播;停播;比對;自動報警

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.05.005

1. 建設(shè)背景

貴州廣播電視局七六一臺嚴格按照上級部門的要求，承擔(dān)著中央和省廣播電視無線發(fā)射工作。隨著國家加大對無線覆蓋的投入，2006年在廣電總局、省廣電局的重視和扶持下，我臺所有廣播電視模擬發(fā)射機陸續(xù)實現(xiàn)了全固態(tài)化。2015年國家廣電總局啟動了中央廣播電視數(shù)字化無線覆蓋工程，2017年在七六一發(fā)射臺新建設(shè)了兩套DTMB地面數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)、一套CDR數(shù)字廣播發(fā)射系統(tǒng)。

七六一發(fā)射臺目前2套模擬廣播節(jié)目、13套DTMB地面數(shù)字電視節(jié)目，3套CDR數(shù)字廣播節(jié)目，發(fā)射信號最大覆蓋半徑50公里，覆蓋人口超過200萬人。

七六一發(fā)射臺模擬廣播電視信號前端控制系統(tǒng)、發(fā)射采集系統(tǒng)，2015年均已建設(shè)完成，臺站模擬電視調(diào)頻節(jié)目目前均有四路信號源，為了保障安全播出工作，為了防止音頻信號有插播、錯播的現(xiàn)象發(fā)生，建設(shè)一套廣播信號音頻比對系統(tǒng)迫在眉睫。

2019年是新中國成立70周年，屆時黨和國家將隆重舉辦慶?；顒印榇_保本臺無線廣播電視安全播出工作，圓滿完成各項重大活動的直播、轉(zhuǎn)播任務(wù)，根據(jù)省局《關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)<中宣部國家廣播電視總局關(guān)于開展迎接新中國成立70周年全國廣播電視行業(yè)安全大檢查的通知>的通知》（黔廣電發(fā)〔2019〕18號）文件精神，進一步落實整改全省廣播電視安全播出大檢查中發(fā)現(xiàn)的問題和自查的安全播出隱患，將啟動建設(shè)貴州省廣播電視局七六一臺發(fā)射臺站廣播信號音頻比對系統(tǒng)項目。

2.建設(shè)目標

1.建設(shè)廣播音頻信號對比系統(tǒng)，實現(xiàn)臺站音頻信號的信號源、與空收信號的實時比對，預(yù)防插播、錯播的現(xiàn)象，對信號不一致的進行實時語音報警，并進行錄音儲存。

2.按4路信號源對發(fā)射臺站的2套模擬調(diào)頻節(jié)目的進行音頻比對監(jiān)測。

3.對發(fā)射臺站信號源之間以及信號源和空收（解調(diào)）之間的音頻比對，更全面地掌握節(jié)目傳輸發(fā)射環(huán)節(jié)鏈路中首末兩端的信號傳輸與播出情況。

4.可以有效的預(yù)防發(fā)射臺站因檢修或者其他原因?qū)е碌男盘栐床邋e等因素導(dǎo)致的錯播現(xiàn)象。

5.對發(fā)射臺站所有信號源進行實時比對可以保證信號源不一致時進行報警提現(xiàn)。對于信號源插播情況進行報警提醒。

6.具備延時判別功能，在信號源不同步的情況下，仍然可以對不同來源的信號進行音頻比對。

7.引用標準

GB/T 19001-2000? ? ? ? ?質(zhì)量體系認證

GY/T113-93? ? ? ? ? ? 中波及調(diào)頻、電視發(fā)射臺微機實時控制規(guī)范

GY5053-94? ? ? ? ? ? ? ?廣播傳音電纜線路工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范

GB/T6113.1-1995? ? ? ? 無線電干擾和抗擾度測量設(shè)備規(guī)范

GY5048-93? ? ? ? ? ? ? 省級廣播電視監(jiān)測臺站建設(shè)標準

ISO/IEC13818-4? ? ? ? ? 測試規(guī)范

SNMPv2RFC1889/1890? ? ? 列實時傳輸協(xié)議

RTP/RTCP：RFC1889/1890? ?系列實時傳輸協(xié)議

RTSP：RFC2326? ? ? ? ? ? 實時流傳輸協(xié)議

MP3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?音頻壓縮、解壓縮算法標準

H.264? ? ? ? ? ? ? ? ? ?視頻壓縮、解壓縮算法標準

廣電總局第62號令? ? ? ? 廣播電視安全播出管理規(guī)定

3. 設(shè)計原則

廣播信號音頻比對系統(tǒng)面臨的監(jiān)控任務(wù)具有數(shù)據(jù)傳輸量大、實時性強、對數(shù)據(jù)安全性、可靠性及一致性要求高的特點，在整體設(shè)計過程中應(yīng)遵循以下原則：

可靠性：要求采用多種安全性設(shè)計技術(shù)，重點考慮冗余備份容錯和故障恢復(fù)等問題，以保證在任何情況下，不至于丟失數(shù)據(jù)、損壞數(shù)據(jù)，以及在系統(tǒng)出問題時能夠有必要的挽救手段和措施。

先進性：在通用和實用的基礎(chǔ)上，充分利用先進的網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合各種先進的測試設(shè)備以及音視頻處理技術(shù)，保證系統(tǒng)的技術(shù)層次能滿足未來的監(jiān)測任務(wù)的要求。

高效性：響應(yīng)時間是綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個重要指標，網(wǎng)絡(luò)通信容量能方便地隨著業(yè)務(wù)量的增長而同步增長，

但又不過多地增加網(wǎng)絡(luò)延遲時間，使系統(tǒng)達到最佳的響應(yīng)時間，以適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。

開放性：采用開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其協(xié)議和開放式的瀏覽器/服務(wù)器模式，從而實現(xiàn)充分的資源共享，使系統(tǒng)具有良好的互操作性和可移植性。

安全性：系統(tǒng)具有良好的安全性和保密性，自動刪除病毒，對進入網(wǎng)絡(luò)的用戶實施身份驗證和入境方式檢查，防止“黑客”混入后對系統(tǒng)做破壞活動;為防止合法用戶越權(quán)訪問數(shù)據(jù)，對合法用戶也合理地設(shè)置權(quán)限。

前瞻性：為了保證系統(tǒng)在可預(yù)見的將來也能滿足廣播電視發(fā)射節(jié)目的監(jiān)控任務(wù)的需要，并隨著技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，系統(tǒng)在設(shè)計時必須有相當(dāng)?shù)那罢靶浴?/p>

擴充性：系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，當(dāng)監(jiān)控任務(wù)增加，網(wǎng)點增加和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大時，通過增加相應(yīng)的系統(tǒng)模塊，就能方便地擴大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，靈活配置各監(jiān)控臺站的功能，滿足系統(tǒng)功能、網(wǎng)絡(luò)帶寬和通信容量等方面的需求。

升級性：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，先進的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，要求系統(tǒng)可方便過渡到更先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并能保護現(xiàn)有投資，不造成較大的浪費。

4. 建設(shè)方案

建設(shè)廣播音頻信號對比系統(tǒng)，實現(xiàn)臺站音頻信號的信號源、與空收信號的實時比對，預(yù)防插播、錯播的現(xiàn)象，對信號不一致的進行實時語音報警，并進行錄音儲存。系統(tǒng)方框圖如圖一所示：

第一，可以對信號源之間以及信號源和空收（解調(diào)）之間的音頻比對，更全面地掌握節(jié)目傳輸發(fā)射環(huán)節(jié)鏈路中首末兩端的信號傳輸與播出情況。

第二，可以有效的預(yù)防臺站因檢修或者其他原因?qū)е碌男盘栐床邋e等因素導(dǎo)致的錯播現(xiàn)象。

第三，對所有信號源進行實時比對可以保證信號源不一致時進行報警提現(xiàn)。對于信號源插播情況進行報警提醒。

第四，具備延時判別功能，在信號源不同步的情況下，仍然可以對不同來源的信號進行音頻比對。

4.1 比對處理技術(shù)原理

音頻比對技術(shù)是利用數(shù)字音頻的時域、頻域特征和屬性來分析兩段音頻序列的相似度，再以相似度的大小來判斷這兩段音頻序列播放的是否是相同或相似的內(nèi)容。

其流程大概是：（1）音頻采集濾波（2）增益補償（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換（4）壓縮（5）提取特征參數(shù)（6）比較特征參數(shù)（7）輸出比對結(jié)果。（如圖二）

濾波和增益補償主要目的是降低噪音的干擾;壓縮處理是為了減少音頻中相關(guān)性較低或不相關(guān)的參數(shù)，提高后續(xù)工作的處理速度;特征參數(shù)是指音頻流中以幀為單位提取出音頻的質(zhì)心、均方根、Mel倒譜系數(shù)、音高、振幅、帶寬、能量等;音頻比對是利用上一步提取的特征參數(shù)完成計算和比較，將比較結(jié)果同預(yù)先設(shè)定的閾值進行對比，得出最終結(jié)果。

音頻比對技術(shù)在實現(xiàn)時并不考慮音頻的具體內(nèi)容，它只注重音頻序列的關(guān)鍵參數(shù)和屬性的相似度。

對同時多路采集到音頻，經(jīng)過數(shù)字化后成為音頻數(shù)字流。音頻相似度比對前的準備工作就是要按統(tǒng)一的時間跨度分割為一個一個相同時間長度的矩形比對窗口，多路音頻都在同一個度量窗口中完成相似度比對。

比對窗口的寬度要根據(jù)實際的應(yīng)用場景進行調(diào)整。窗口太寬則比對的時效性會降低;窗口太窄則不易準確定位多路音頻的時間同步點。在不同的應(yīng)用環(huán)境中，需要對窗口寬度實際進行測試調(diào)整。比如需要比對兩路光纖傳輸?shù)男盘枙r，可以把窗口設(shè)計的比較窄，考慮到光信號經(jīng)過不同的路由延時，則按0.5秒到1秒開設(shè)音頻比對窗口就足夠了;如果需要比對最快到達的音頻信號（播音室輸出信號）和最慢到達的解調(diào)信號（1.光纖微波2.衛(wèi)星地面站衛(wèi)星3.衛(wèi)星接收機4.發(fā)射機5.解調(diào)器），可以把窗口設(shè)計的寬一些，1秒到2秒（衛(wèi)星的高度約36000KM，因此衛(wèi)星信號至少有0.2秒的延遲）;當(dāng)然如果前端解調(diào)信號還需要編碼壓縮通過網(wǎng)絡(luò)回傳的話，那么窗口的寬度就應(yīng)該更為寬泛，具體實施時通過調(diào)整窗口寬度參數(shù)來完成配置及部署。

軟件在設(shè)計上最優(yōu)的方法是：查找多路音頻同步的時間點時，比對窗口寬一點，這樣方便準確定位;一旦多路音頻同步上后，就可以動態(tài)地縮小比對窗口的寬度，從而提高比對的時效性能。

4.2 軟件功能

點擊桌面客戶端快捷方式，進入主頁面：（如圖三）

該界面顯示五套節(jié)目解調(diào)和信源比對情況，其中，解調(diào)部分與相對應(yīng)節(jié)目信源部分比對，信源部分自身進行比對，如有異常下方會提示某套節(jié)目信源（或解調(diào)）比對異常報警，并記錄在下方通知欄里。

主界面左側(cè)為配置部分，該部分可配置循環(huán)監(jiān)聽時間，是否開啟。左右聲道切換和音頻回放功能。具體功能介紹如下：（如圖四）

4.3 循環(huán)監(jiān)聽

選擇循環(huán)監(jiān)聽使能大對勾，并選擇時長。點擊監(jiān)看設(shè)置，即可完成該操作。循環(huán)監(jiān)聽為所有節(jié)目的循環(huán)監(jiān)聽，如需要只監(jiān)聽解調(diào)部分，需在軟件上進行該操作。

4.4 音頻回放

音頻回放功能為選擇某一時段，查看該時段音頻信息，音頻質(zhì)量等信息，保存時長為自動覆蓋類型，改功能需配置相應(yīng)的文件保存位置才能調(diào)用查看方式。（如圖五）

4.5 音頻比對與報警

在確定了同步時間點后，后續(xù)的相似度比對就采取定位的比對運算了?？梢远x相似度門限，該門限應(yīng)該比同步查找的門限略微放寬（實際測試中使用87%作為相似度門限），若連續(xù)幾次（實際測試中為3次）的相似度低于門限，則可以報警了，同時程序返回到同步時間點查找過程中。

5. 結(jié)束語

音頻信號插播、錯播和停播自動報警系統(tǒng)的建設(shè)完成，使七六一臺模擬調(diào)頻節(jié)目的四路信號源和空收節(jié)目進行音頻實時比對，實現(xiàn)了信號不一致時進行實時語音報警，防止了音頻信號有插播、錯播和停播事故的發(fā)生，確保了廣播信號的安全播出。