基于数字调幅广播的突发事件应急广播系统的构建

邬正义，潘旭东，吴乐南

（1.常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500；2.常熟市广播电视中心，江苏 常熟 215500；3.苏州东奇信息科技有限公司，江苏 常熟 215500）

当前，我国公共安全形势严峻复杂，突发事件易发频发，防控难度不断加大.为此，国务院办公厅于2014年12月发布了加快发展应急产业的意见.意见指出，为了做到对自然灾害、事故灾难等突发事件的监测和预警，必须发展和完善突发事件的预警发布系统、应急广播系统及相关设备.我们从2011年开始，在常熟广播电视中心的支持下，开展了基于数字调幅广播的突发事件应急广播系统的构建，经过几年的努力，取得了初步成效.我们研制的这一系统是利用传统的中波调幅广播频道进行数字广播改造，使得该系统平时可以作为提供农村和社区信息服务的辅助通道，在突发事件发生时，能迅速切换完成突发事件应急广播的功能.整个系统分为设在广播电台的发射系统，基于收音机和工控机的接收系统，以及通过工控机接口和相对应的适配硬件驱动外设的广播播放系统三部分.软件部分由嵌入式发送软件、嵌入式接收软件、自动朗读播放软件组成，硬件部分由普通收音机和专用工控机配套组成.

1 广播发射系统

广播发射系统架构如图1所示，利用现有的广播发送系统，只需在编辑广播节目的操作端上安装本产品的嵌入式发送软件即可，图2为嵌入式发送软件的操作界面.

广播发射系统的任务是通过计算机将要传输的数据信息先进行信源编码，再通过信道编码有选择地加入冗余保护，然后通过OFDM基带处理和DSB-AM调制，得到广播电台能够播出的调幅广播信号，经电台的中波发射机功率放大后，从天线发射出去.

图1 广播发射系统组成

由于在串行数据传输系统中，需要非常高的数据传输率，通常会增加信道带宽，从而造成码间串扰，增加误码率.由于中波广播信号的信道条件较差，多径传播造成的多径衰落影响严重，甚至会发生突发性误码，使得数据系统的传输质量大大下降.采用OFDM的多载波技术，可以将高速串行数据系统转换为由若干个低速数据流组成的并行数据系统，总信号带宽被划分为N个子信道，在N个子信道上进行正交频分复用.利用这一技术，将一系列在频率上等间隔的子载波单独调制，组合在一起形成AM广播信号，以提高频谱利用率.发射系统保持现有双边带调幅体制不变，在不改变模拟调幅广播发射机的硬件结构的前提下，可将文字、图片、声音等多种媒体的数字基带信号直接从现有模拟调幅广播发射机的音频接口输入，对发射载波进行幅度调制后再经天线广播发送.在需要发布应急信息时，启动应急广播发射系统后，将会向其信号覆盖范围内发送全数字广播信号.由于数字广播信号中携带了数据文件信息、业务类型标识、接受区域地址码、播放次数等信息.接收端用普通收音机接收后，需经专用接收软件从数字信息中解调出应急信息.

该系统信息流的形成过程是：首先，广播发射系统对输入的音频数据流和其它纯数据流信息进行信源编码，然后将各路数据流信号加到一个复用器进行复合与处理，形成一路主业务信道（MSC）数据流以及快速访问通道（FAC）和业务描述通道（SDC）两路辅助数字信号流，这三路信号加至信道编码器进行信道编码.最后，采用OFDM技术将基带数据流（MSC、FAC、SDC）分别调制在频率等间隔的子载波上，组合形成AM广播信号.

图2 嵌入式发送软件的操作界面

广播发射系统所处理的信号主要分为两类：

第一类信号所要传送的是节目信号，具体内容包含在输入的数据流中.将多个信号加到复用器复合与处理后，获得的一路信号称为主业务通道（MSC：Main Service Channel）.信源编码器和数据流预编码器的输出，包括需要不同保护等级的两部分，可在信道编码中采用不同的保护强度，以提高系统在易错信道中的纠错性能.所有信道都使用这两种统一的保护等级.本系统实现了用于纠错的冗余编码的长度设置.界面可以选择0、2、4、6、8、10、12和14字节，纠错能力分别对应0、1、2、3、4、5、6和7字节.

第二类信号专门用于给应急广播接收系统提供相应的信息数据.由于应急广播接收系统采用自适应接收方式，需要将广播发射系统所选择的系统参数实时地通知接收系统做应变处理.它由快速访问通道（FAC：Fast Access Channel）和业务描述通道（SDC：Service Description Channel）两个独立通道组成. 两路信号不经复用而直接加至信道编码器.

快速访问通道（FAC）把发射端的复用器复合了哪种业务以及有关信道编码参数等信息提供给接收端.据此，应急广播接收系统自动调整其复用参数，以便解调出各种传输业务，或者按照发射端的提示，改变接收频率和重新搜索信号.SDC用来向应急广播接收系统提供复用器中各种业务的特征.例如，同一个节目的下一个替换频率、频率时间表及其音频元的数据信息等.根据目前射频带宽的要求，FAC的帧周期是400 ms.本系统的业务类型标识设置和接收区域码设置信息就在此通道中.

设置数字信号业务类型，能够区别普通广播和紧急广播.紧急业务类型标记用于在发生突发事件时，控制接收端自动打开应急广播播放软件，并播放应急信息.

接收区域码采用24位地址码，控制应急广播接收系统是否播放应急信息.该功能可分为模糊发射和精准发射两种，以“城市码/县区码/乡镇码/村编码”4级划分，可以准确指定到某个村庄/社区播放应急广播信息（相同村内如果有多台接收终端，可以使用相同地址码接收），也可以模糊指定某个镇（镇及镇下的所有村庄/社区）、县或者市播放应急广播信息.

SDC是单一的数据通道，只用于给应急广播接收系统提供如何解码、如何跟踪发射端的变化、如何进行节目和数据的有效接收等指导性信息.SDC的帧周期是1200 ms.

2 广播接收系统

广播接收系统直接利用普通的MW波段收音机将接收信号下变频为中频信号，放大并检波后通过收音机的耳机插孔输出频率低于5 kHz的COFDM基带信号，直接连接到普通PC或专用工控机的声卡的话筒输入端，利用声卡内置的音频模数转换器（ADC）转换为数字信号，再利用电脑的CPU进行同步、信道估计、信道解码和信源解码，得到原来的语音和数据信息.这一过程是发射系统软件处理过程的逆过程，是典型的软件无线电技术，但由于完全基于通用电脑的CPU而无需其它硬件数字信号处理器（DSP）即可实现，故又称之为虚拟无线电.基于虚拟无线电技术实现的广播接收系统的原理框图如图3所示，系统架构如图4所示.

图3 广播接收系统的原理框图

图4 广播接收系统组成

广播接收系统的具体处理过程如下：

1）对模拟信号采样数据利用频率参考符号进行频率捕获，接着对采样率进行纠正.

2）进行时间粗同步，利用引导符号与有用符号进行相关实现时间捕获，提取出有用符号部分，再进行频率纠正和OFDM解调.

3）进行频率细同步（频率跟踪）后利用每个传输帧中第一个符号中的时间参考单元进行相关运算，实现帧同步.

4）进行信道估计，利用增益参考符号估计出信道对信号的影响，接着进行时间跟踪.

5）进行OFDM星座图解映射、信道解码、信源解码等过程.

6）获取FAC通道信息，根据区域码信息判断是否接收应急广播的信息，并根据业务类型判读是否启动应急广播播放软件.因为发射系统在FAC中已经设置了应急广播的业务类型标识和接收区域码信息.

7）接收区域码判读可分为模糊判断和精准判读，对应应急广播发射系统的模糊发射和精准发射.如果本机输入的“城市码县区码乡镇码村编码”4级区域码与FAC中的区域码一致，则表示此次接收为准确判读，可以接收应急广播信息；如果本机输入的“城市码县区码乡镇码村编码”4级区域码前几位与FAC中的区域码一致，而FAC中数据的后几位为0，则表示此次接收为模糊判读，也可以接收应急广播的信息.

接收系统实现了设置应急广播播放系统播放次数、继电器参数和LED显示墙参数的功能，保存在配置文件中，方便应急广播播放系统的调用，使之能控制播放次数，适应不同PC串口和不同LED屏参数的场景，适宜于整合农村或社区的现有广播设备.

3 应急广播播放控制系统

应急广播播放控制系统能在发生紧急情况的时候，强行打开农村/社区现有有线广播系统，或在有线广播正常进行时自动切换到应急播放系统，通过232串口控制LED显示屏，显示紧急消息的文字，并用合成语音通过大喇叭朗读播放应急信息.

通过适当改造农村/社区有线广播站工作台，将数字AM广播接收和解码系统嵌入控制台，将单片机、继电器和音视频信号选择开关进行整合，构成应急广播播放控制系统.当没有接收到应急信号时，乡村社区广播站工作台正常播放调频接收机和有线网络的广播信息；当AM接收机接收到应急信号时，译码工控机通过单片机控制继电器和音频选择开关、视频选择开关，使广播站控制台停止播放正常广播信息，优先播放调幅广播的应急信息.应急信息播放或处理完毕后，如紧急状态解除，可以继续播放正常的广播信息.改造后的应急广播播放系统原理图如图5所示.

应急广播接收和播放系统只是村镇/社区现有的有线广播系统的一个附加设备，不需要对有线广播的基础设施（如普通收音机、显示屏、LED公告牌、音乐广播等）作任何变动，只需安装本系统的专用工控机和配套的嵌入式接收软件和自动朗读播放软件，即可实现接收应急广播的功能.图6为嵌入式接收软件和自动朗读播放软件的软件操作界面.

图5 应急广播接收和播放系统原理图

图6 软件操作界面

4 总结与讨论

基于数字调幅广播的突发事件应急广播系统作为一种低成本广覆盖的突发事件应急广播系统，能在发生紧急情况的时候，强行中断现有的公众广播系统，在最短的时间内向公众发布紧急信息，对现有国家应急安全系统是一个重要的补充.虽然现在互联网和4G通信网在全国发达地区已经十分普及，但是在广大农村或者山区、边疆等欠发达地区，互联网和4G通信网还覆盖不到，在发生地震、洪水、山体塌方、泥石流等天灾时，移动通信网的基站往往也会被同时摧毁，这时，公众广播系统将成为人们获取紧急避险信息的唯一正常渠道，因此，使这一应急系统真正发挥作用具有重要的实际意义.

调幅广播的接收方便简单，成本低廉，只要一台普通收音机就能完成，现在的智能手机一般都具有收音机功能，如果将以上接收软件优化嵌入到普通收音机或智能手机的芯片中，则普通收音机或智能手机就是一个便携式智能应急广播接收系统；如果各地农村或城市社区的有线广播系统和大屏幕LED广告显示屏都能加入这一系统，就能在紧急事件发生时，及时有效地发布紧急信息，形成农村和城市社区应急信息的全覆盖，这对于提高我国全民应急防御能力意义重大.

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