惠农信息服务与应急广播系统及其应用

2014-09-28吴乐南

合肥工业大学学报（自然科学版） 2014年2期

吴乐南

（东南大学信息科学与工程学院，江苏南京 210096）

0 引言

2012年3月14日中午，汶川县境内的电视上首次出现地震预警字幕“温馨提示：青川县正在发生轻微地震，汶川无震感…”，被认为是我国地震预警技术面向公众发布的里程碑式进步，但电信光缆、移动基站和有线电视等通信基础设施本身的抗毁性很脆弱。汶川抗震救灾期间笔者曾提出以北斗卫星用户机的短信功能作为上行信道、以现有模拟调幅（AM）广播作为下行信道而构建应急多媒体通信系统［1］，本文介绍这一系统构思的研究进展、具体实现和应用领域。

1 调幅广播的数字化

1.1 调幅广播数字化研究现状

广播可高效实现广域覆盖，用收音机接收简单廉价。传统的模拟AM广播采用保留载波的双边带调幅（DSB－AM）体制，只占用9kHz带宽，干扰大、音质差，在我国有数亿人口收听。2008年汶川大地震使灾区光缆中断、手机不通、电视不亮，常规的通信和传媒手段几乎全部失效，民政部、解放军四总部分别紧急采购10×104台和17×104台收音机调往灾区和救灾部队，凸显了AM广播之不可替代。因此，实现AM广播的数字化意义重大，这必须同时实现声音信源的数字化和信道传输的数字化。

关于声音的编码标准已有多种国际标准可选，例如 MPEG－4AAC／CELP／HVXC、ITU－T G.722.2／G.723.1／G.729等，特别是基于自主技术DRA的中国标准GB／T 22726－2008，已被IEC正式发布成为国际标准IEC61937－12［2］。

关于AM广播信道传输的数字化，主要有3种思路［3］：

（1）以欧洲国家为主体的世界数字广播（DRM）组织制订的规范。在整个30MHz以下频段和现行模拟AM广播带宽内实现全数字化声音广播和多媒体信息传输。为了统一，各国都原则同意在短波频段采用DRM规范。

（2）美国采用带内同频道（IBOC）专有技术开发的HD Radio系统。该系统可在现有模拟AM／FM频段内利用现有播出频道并使用与模拟广播台相同的载频，根据频率分隔和调制方式的不同，同播模拟和数字2套节目，音质优于DRM系统，美国坚持在MW和FM频段采用其专利体制。

（3）向下兼容系统。尽管DRM与IBOC同为ITU－R在BS.1514建议中推荐的国际标准，但互不兼容，且均未遵从现行AM体制。要想不改动广播网络和广播发射机，就只能兼容现行的DSB－AM传输系统，其信号由1个不含任何信息的正弦载波和上下2个含有相同调制信息的模拟边带组成，而无论是模拟载波还是模拟边带，都可能加载数字信息而成为“数字载波”和“数字边带”，于是，用模／数边带去调制模／数载波的幅度就有4种组合，其中“模拟载波＋模拟边带”就是现行模拟AM广播传输方式，而其余3种组合就是可保持DSB－AM体制不变的数字AM广播体制［3］。

更具体地，涉及“数字载波”的2种组合采用超窄带技术［4］进行复合调制［5－6］，技术框架如图1所示，已纳入2012年国家科技支撑计划课题“数字音频广播关键技术研究和应用示范”；而“模拟载波＋数字边带”复合调制方式，就是本文系统所采用的向下兼容调幅广播数字化传输方法［7］，基于编码的正交频分复用（COFDM）数字边带和超窄带数字载波的DSB－AM复合调制传输系统如图1a和图1b的上半部分所示。

图1 数字边带加数字载波的复合调制传输系统框图

1.2 向下兼容的AM广播数字化传输

在国家自然科学基金“中国数字AM广播实验系统及其关键技术研究”等项目支持下，笔者所在课题组发明了一种能够向下兼容现有模拟AM广播和MW／SW收音机的数字AM广播体制，并采用虚拟无线电技术在普通PC上纯软件实现。发端只需一套包括节目编辑、信源编码和基带调制处理的软件，首先对声音信号压缩编码，与其他媒体数据混合并进行COFDM基带处理后直接送入AM发射机的音频口，对发射载波进行DSB－AM调制后经天线发送；而收端采用AM收音机检波出该数字基带信号后，从音频输出口直接连到装有基带解调、信源解码和节目展现软件的笔记本电脑的话筒端，即可解码出音频和附加数据，得到多媒体信息服务。实质上是用软件实现了信源编解码器、信道编译码器和音频基带调制解调器，以及数据的组帧复用与分接等全部工作，完全在原有AM广播管理体制内实现，从而最大程度简化了从模拟向数字转化的手续，实际是将现有体制的模拟边带通过音频调制解调替换为数字边带，因而向下兼容了现有AM广播，更适合小容量数据信息的广域廉价服务，如发送各种公共信息、电子报纸［8］和应急广播［1］等。

2 COFDM基带传输的应用

2.1 基本应用情况

作为本系统技术框架核心的“数字边带”方案，建立在对DRM／IBOC标准系统物理层基本框架的COFDM技术长期研究［9］的基础上，应用情况如下。

（1）与某通信试验大队合作。利用虚拟无线电技术对模拟短波单边带电台进行数字化改造。主要依据DRM框架进行优化和简化：删除卷积码，代之以性能更好的低密度奇偶校验码，简化帧结构，按电台的300～3000Hz限制带宽，改进软件结构并优化全部代码，传输效果超过现役电台。

（2）与茂名海洋气象广播电台等单位合作。将该技术用于将渔船短波电台直接升级为远程数据通信终端，并开发相应的位置管理、图像回传软件［10－11］，从技术手段和信息内容上提供更有效的海洋渔业气象信息服务和应急广播，从管理上提高对南中国海近7×104条深水船的跟踪定位能力，实现“海上移动物联网”［12］。经3a来实验改进，目前渔船在三沙市海域与广州基地台732km双向数据通信良好，即将小批量装船。

（3）与苏州东奇信息科技股份有限公司、常熟理工学院、常熟市广播电视总台广播中心合作。从2012年4月开始每周六下午在常熟市广播中心，利用频率为1116kHz的中波试验台进行多媒体数据的开路广播试验：设在常熟市境内及东南大学苏州研究院（距常熟2kW发射台直线距离40km）内的接收端利用单根音频线，将来自中波调幅收音机耳机插孔的音频输出信号，直接连接到笔记本电脑的话筒接口，利用系统接收软件实现音频OFDM解调、信道译码、信源解码及多种媒体输出展现等全部数字处理功能［11］。用德生PL－360收音机和 AN－200中波环形天线40km测试，信噪比可达15dB，收到了图片、文本和音频文件。

2.2 应急广播功能开发

随着用户对应急维稳的重视，课题组又定义并在发送数据包中加入了“市＋县＋镇＋村”格式的地址码，实现可任意选择片区的组播或“群呼”；添加文－语转换软件，实现了自动播放音频文件并按给定次数重复“朗读”；实现了接收数据包业务类型自动识别与展现及软件操作界面优化，以及发送端和接收端的时间设置、串口控制、文件纠／检错编码、日志记录；添加了继电器控制电路，以便能用笔记本电脑直接启动大功率外设。

2013年2月在常熟白茆镇康博村，接收系统连接到康博苑小区的LED公告牌，实现了利用收到的文本信息即时切换公告牌信号源并自动在公告牌上滚动显示。同年3月在常熟古里镇苏家尖村，将笔记本电脑通过接线选择器连接到村有线广播台，使村广播系统实现了既不影响日常节目广播，又能在紧急情况下自动播放紧急通知。试用过程中，接收软件将信号转译成文本显示在界面上，随后工控机自动打开音频信号控制器，切换控制台信号，同步朗读界面上显示的文字，并通过喇叭对外播放紧急通知。

因此，根据“惠农信息服务”与“突发事件应急广播”两大需求所开发实现的“惠农信息服务与应急广播系统”，经1a来各种环境下的开路广播和实际测试后，于2013年5月14日通过了由江苏省广电局组织的专家鉴定。

2.3 系统功能与特色

（1）直接利用现有广播发射机和普通收音机，实现文字、图片、声音的数据传输，为广域、无缝的无线覆盖（例如偏远山村的信息化服务）提供一种高效廉价的应用模式。

（2）发送软件装在电台的节目编辑机上，利用现有系统便可播发多类媒体文件，并精确控制指定接收用户终端的各种操作的自动执行；可将带紧急标记的数据文件发送到指定接收端，作为应急广播发送灾情信息、营救措施和抢险方案。

（3）接收软件嵌入在专用工控机中，能够匹配本机地址码、保存数据文件、控制文件播放次数、实时朗读和显示文本内容，在紧急状况下启动音响设备（农村大喇叭、城市警报器等）等。

（4）利用各地广播资源存量建成庞大的城市、乡村惠农／应急广播网络系统，做到平时自用、突发事件急用相结合。网络和终端的延伸可充分依托城市民防警报系统，现存并即将恢复的农村有线广播系统，城市社区、商场、医院、学校、企业、写字楼的背景音乐和自有广播系统等。

3 主要应用领域和前景

系统在科技、文化、经济、社会发展等方面都有广阔应用前景和巨大的政治、社会和经济效益。

（1）应急广播与应急通信。中波广播可更深地进入某些没有手机或FM广播信号的民防“死角”。灾害发生时，广播最有政府公信力，可在第一时间发布最新灾情，平息谣言，安定人心，能最大程度降低生命财产损失，防范灾害引发的社会风险对权力合法性的挑战［13］。将应急广播接收端与北斗用户机相结合，便可提供最廉价的应急通信手段，成为现行各类车载应急通信系统的有力补充，甚至是不可或缺的唯一手段。

（2）发布地震预警。地震预警是在地震已发生的前提下，抢在严重灾难尚未形成之前发出警告。地震发生后的预警，就是无线电波和地震横波的一场赛跑。本系统通过已有的强大广播网络，及时、自动地将地震预警信息通过更灵活廉价而又可靠抗毁的广播方式发布，进行可选范围的音像警示。

（3）支持农村维稳。农村基层政权是国家政权的基础，建设新农村是实现城乡经济社会协调发展的重大举措。而调幅广播发射功率大，中波台覆盖半径比电视和手机单站覆盖半径大得多，比卫星接收更便宜，有利于利用各种有效的媒体形式和传播途径，宣传党的方针政策，推进法律援助［14］，极大地增强村委会的凝聚力、战斗力，维持农村的社会稳定。

（4）增进城乡和谐。一方面有助于缩小城乡差别，加速新农村建设，利用信息增加农民收入、繁荣农村经济、缩小城乡差距、实现共同富裕；另一方面是防止假货坑农，提供一种高效廉价且最有公信力的农资信息应用模式和有效的农情产销信息，也有助于从源头保证城市居民“菜篮子”安全，以及农村环境的绿水青山。还可为农资企业提供廉价有效的宣传平台，并在技术上支撑公众参与政府环境信息的发布问责［15］。

（5）推动科技进步。一方面是促进科技下乡，拉动内需；另一方面是开展新媒体服务与广播增值业务，为广播电台带来新的经济效益和利润增长点，并可通过“电子报纸”的形式整合广播和报业的力量，以信息化促进农业现代化。

4 结束语

本文系统直接集成了现有频率资源（中波频段）、基础设施（广播电台）、广播制式（DSB－AM传输）、成熟产品（收音机）和基础设施（农村有线广播、显示屏等），只要有闲置AM电台和频点即可开展增值业务或应急通信。灾时作为应急广播可减少人员伤亡和财产损失；平时则可提供农情信息服务、宣传党的政策、普及科学技术、促进稳定和谐，更为新一代数字AM广播和新型收音机的研制与推广奠定了基础。

另外，为了利用国内大多闲置的调频副载波，本系统已拓展到了FM频段。

［1］吴乐南，何峰.基于AM广播的应急多媒体系统［C］／／第四届和谐人机环境联合学术会议论文集.北京：清华大学出版社，2008：9－14.

［2］吴乐南.数据压缩［M］.第3版.北京：电子工业出版社，2012：142－150.

［3］吴乐南.数字调幅广播信道传输进展［J］.自然科学进展，2009，19（2）：158－165.

［4］吴乐南.超窄带高速通信进展［J］.自然科学进展，2007，17（11）：1467－1473.

［5］戚晨皓.基于AM广播信道的带内复合传输［D］.南京：东南大学，2010.

［6］王伟.基于调幅广播体制的复合调制技术研究［D］.南京：东南大学，2013.

［7］吴乐南，张仕元，李旭明.向下兼容的调幅广播数字化传输方法：中国，ZL200410014044.6［P］.2004－04－09.

［8］吴乐南.通过声音广播信道发送的电子报纸［M］／／计算机技术与应用进展2006.合肥：中国科学技术大学出版社，2006：784－787.

［9］吴乐南.数字AM广播系统研究的工作报告［J］.科学技术与工程，2003，3（5）：511－512.

［10］孔晓燕.短波高速MODEM软件平台及应用［D］.南京：东南大学，2012.

［11］张倞.无线话带调制解调器及其应用系统研究［D］.南京：东南大学，2013.