基于多通道数字化接收机广播监测系统设计

马 乐

国家新闻出版广电总局203台 内蒙古 呼和浩特 010070

1 概 述

随着科技进步和我国广播电视事业的不断发展，对广播电视监测工作有了新的更高要求。广播遥控监测站点作为全国广播监测网的重要组成部分，承担着收测和回传监测数据，反映当地广播播出质量和效果的重要使命。为提高广播监测工作的准确性和及时性，服务好安全播出工作，对广播遥控监测站点进行升级改造十分必要。

2 广播遥控监测站接收机选型

在选择接收机时，既要考虑接收机的射频性能，满足目前广播监测业务对宽频段的需求，至少应覆盖中短波及调频波段，还要从长远考虑，把握未来无线电通信发展趋势，改善提高监测系统整体性能及可扩展性，确保利用软件升级或局部硬件更换就可实现新的监测要求，减少设备更新换代成本。

基于FPGA的多通道数字化接收机。FPGA(现场可编程门阵列)作为一种半定制的专用集成电路，既解决了定制电路的不足，又克服了编程器件门电路有限的缺点。尤其是在实时高速宽带数字处理方面，有着不可比拟的优势，目前，已广泛应用于广播数字接收机。

在遥控站接收机的选择上，可采用符合ITU规范的基于FPGA嵌入式软件无线电架构的多通道数字化接收机，实现对535KHz到1605KHz的中波和2.3MHz到26.1MHz的短波以及87MHz到108MHz的调频广播的解调、测量、录音。根据承担的任务功能，接收机主要由信号接收模块、采集分析模块、磁盘阵列、数字信号处理模块，以及功能软件等构成。如图1所示。

图1 多通道数字化接收机结构原理框图

采集分析模块是记录软件的核心，负责采集和记录广播全频段的信号，利用高速A/D直采功能，实现全带宽信号的采集记录。信号接收模块作为采集的前端，提供滤波与放大功能，滤除带外信号，增加信号的信噪比。磁盘阵列是高速缓存结构，将全带宽的IQ原始数据进行缓存，由于磁盘阵列兼顾了容量和读写速度，能够保证缓存数据的时间长度，同时又不影响解调过程的连续性。数字信号处理模块是多通道解调的核心，数字处理模块采用高性能FPGA，保证了多路信号处理并行实现，能够实现单一芯片不少于8路信号的数字滤波。硬件采用深度定制的嵌入式软件无线电平台，具有体积小，稳定可靠，散热良好，便于部署维护等优点。

接收机功能软件设计显示直观、操作简单易用，应至少具有以下功能：

宽带数据采集。宽带数据采集负责对宽带接收机的硬件控制、数据记录、频谱计算，将宽带IQ数据文件进行缓存，方便追溯几分钟之前的原始信号数据。宽带数据组件提供信号检索功能，用于发现门限之上的信号。

多通道信号解调录制。读取缓存数据，并且利用FPGA板卡数字处理功能，向用户提供多通道的IQ音频录制，在解调录制过程中，软件提供对信号的参数测量，包括频谱、电平、调制度等，并能绘制调制度分布图。

采用网络化的接口，支持V8接口协议，可接收监测台下达的指令，上传解调后的数据指标及录音文件。

采集数据可选择在本地存储，也可选择直接回传至监测台，但在遥控站点网络故障时可自动进行本地存储，待网络恢复正常后再将之前保存的本地数据传至监测台。

目前，市面上已有类似基于嵌入式软件无线电架构的多通道数字化接收机产品在售，可实现4路、8路、16路甚至256路信道同时解调，完全能够满足遥控站点对于接收机的需求。

3 基于多通道接收机的广播智能监测系统

新一代广播智能监测系统（以下简称监测系统）基于无缝隙监测的思路，采用多通道接收机对频谱录音，指标数据经过整合存储在云平台中的数据库中，所有采集到的音视频流在云平台内部进行编码、转码、存储及数据挖掘与数据分析后，根据各种业务指标数据自动生成表格或图形，在全直观显示模块的作用下将各类指标在大屏上显示，实现全部数据图形可视化。

系统采用层次结构进行设计，总体上分为支撑层、数据层、服务层和应用层四层，具体框架如图2所示。

图2 软件总体设计框架图

支撑层是系统的数据来源，通过多通道接收机进行音频数据采集，利用监测台卫星采集系统对广播信号参考源进行采集。支撑层采集数据将通过网络传输至数据层进行存储，同时，通过标准协议接口与应用层进行交互。

数据层构建于支撑层之上，一方面通过数据库技术对原始数据进行存储与管理，另一方面，利用云存储技术对音频文件进行存储。

服务层是系统架构中的核心部分。它的关注点主要集中在业务规则的制定、业务流程的实现等与业务需求有关的系统设计，处于数据层与应用层中间，起到了数据交换中承上启下的作用。

应用层面向用户提供控制、管理、显示等操作界面，具有操作简便、形式丰富、美观大方、动态直观等特点。

从功能上划分，监测系统主要包括广播数据采集、广播智能评估、内容识别、广播收测、全直观显示五个主要模块。

3.1 广播数据采集模块

广播数据采集模块作为监测系统的数据支撑，一方面负责对收测地区广播信号的采集，利用多通道数字化接收机实时对收测区广播信号音频和指标数据进行采集，另一方面也要对卫星信号参考源进行采集，供广播智能评估模块比对使用。

3.1.1 收测区广播信号采集

收测区广播信号采集由站点采集终端及采集处理软件组成。采集终端使用多通道数字化接收机，其解调信道数不少于待收频率数，能够满足各频率实时采集需求。同时，采集终端能够接收采集处理软件实时控制命令、完成监测数据和音频采集、回传。采集处理软件位于直属监测台，与广播监测网按照标准接口协议通讯，与各站点采集终端通过各类专线网络连接通讯。

3.1.2 广播参考源信号采集

广播参考源信号采集通过位于直属台的卫星接收系统对中央台广播实时音源进行采集，组播流通过局域网存入本地存储云，音频信息同时存入数据库，供智能评估调度使用。

3.2 广播智能评估模块

智能评估模块主要功能是实现对广播收测任务频率播出质量和效果的自动评估，并完成对异态频率的分析上报。传统的广播指标测量方法，通过功率和调幅/制度曲线对广播的播出质量进行自动判断，这种仅通过数据指标的方式虽能在一定程度上反映出广播播出的实际效果，但当存在同邻频干扰、发射台垫播或者错播等情况下，很难通过指标对播出效果做出判断。引入广播智能评估技术后，通过与参考源进行语音比对，模拟人耳对声音质量和效果给出更加准确和客观的评价。

智能评估席位由分布式计算平台和后台服务软件组成。分布式计算平台是智能评估席位的核心，具备强大的负载均衡能力和良好的扩展性，采用网格计算框架，将各种计算任务封装成插件，然后做成标准的网络服务，配置在框架之中，成为网络平台的一部分并对外提供标准调用接口。平台收到计算任务后，根据调用信息，首先对混合源信号数据文件进行错误性检查，如有错误，给出错误性提示。读取到正常的音频数据后，计算一定窗长的音频文件信噪比，并提取音频特征。其次，依据信号规则判定条件，若满足信号比对要求，对混合源信号和参考源信号分别提取音频特征、计算其特征比对相似度，融合信噪比和音频类型比例综合判别信号可听度及置信度。如参考源音频文件无法打开或长度小于门限，或混合源语音量较少，未达到音频比对的最低要求，则融合信噪比和音频类型比例综合判别，给出信号可听度及置信度。如图3所示。

图3 智能评估流程图

后台服务软件主要包括集群调度（用于部署计算结点的调度器，分别对应用服务器组的结点进行管理与任务调度）、系统监控、前后端通信等。

3.3 内容识别模块

内容识别模块通过先进的语音识别技术，将广播声音内容转换为文字，进而实现对广播内容的自动监测。内容识别席位主要满足两项功能：一是建立合适的评分模型，如通过对单位时长广播片段识别率和准确率统计等手段，来反映该广播片段的播出效果，进一步修正智能评估席位自动打分结果。二是对广播内容进行自动记录和比对，通过关键字搜索，实现语音和文字的双向查询定位；内容识别席位读取被测频率广播内容后，将与参考源信号播音内容进行比对，可及时自动发现错播、非法插播等情况。

3.4 广播收测模块

广播收测模块是业务处理主界面，可在原全国广播网业务系统基础上进行搭建，具有处理报警、在线收听打分、数据查询、故障管理、统计分析、运行图管理、系统设置等多项功能，是重要的人机交互区域。软件易用性与易操作性好，界面新颖、使用便捷，具备良好的系统安全性，有严格的权限管理，可通过设置用户权限级别控制其访问功能。

3.5 全直观显示模块

全直观显示模块能够在大屏幕实时展现整个监测系统的运行状况，通过海量的实时采集数据、多样化的监测监管数据，建立一套内容完整、流程明确、功能新颖的基于图形化数据显示的高效软件。全直观显示模块主要展示数据包括以下三项：

3.5.1 业务流程展示

业务流程展示以动画流程图的形式，基于数据驱动，直观展示广播信号从前端采集开始，经过一系列的数据处理，完成整个广播信号监测的全过程。主要涉及的业务流程监控为对前端数据采集、数据交换、智能评估、内容识别等几处节点数据完整性、可用性检查，若某一处数据出现异常，则在该处提示报警。

3.5.2 站点运行状况展示

结合GIS地图直观展示分布于监测台监管范围内前端站点的运行状态，通过动态音频柱状图和动态频率采集状态反映前端接收机工作是否正常。

3.5.3 监测数据展示

重点显示分值异常频率以及报警频率，既能显示实时信息，又能展现历史数据，能直观判断出广播播出质量和效果。

结束语

广播电视监测监管是我国广播电视事业发展的重要一环，随着科技不断进步和对广播电视监管要求的提高，建设一套更加科学准确的广播监测系统势在必行。本文所提出的基于多通道数字化接收机的遥控广播监测系统设计，不仅能够实现广播全时段、无缝隙的监测目标，而且通过广播智能评估、内容识别等智能化手段，在减轻值班员工作量的同时，使广播信号的收测评估更加客观和准确，可作为下一代广播监测系统建设的一种参考思路。

［1］李蕾.基于软件无线电的接收机的设计与实现［D］.武汉：武汉理工大学，2007

［2］陈德泽.广播电视监测技术［M］：北京，中国广播电视出版社.2008.