基于FPGA的应急广播适配器设计与实现

（广西广播电视技术中心）

引言

应急广播作为政府现代化治理体系当中应急管理的重要手段，日益得到世界各国和国际组织的广泛关注，已成为传统广播开拓功能的新亮点、服务社会的新方式。中国是自然灾害高发的国家，在面临突发灾害时,中央和地方政府利用广播在及时传达政令、发布权威信息、引导社会舆论、积极协助救灾等方面，都发挥了不可替代的作用。抓紧推进国家应急广播体系的建设完善，已成为提高我国国家治理水平、加强政府提供基本公共服务保障能力的必要途径，对于提升我国对重大突发公共事件的应急处置能力和水平、减少人民群众生命财产损失、维护社会稳定，具有十分重大的意义。

在广西全区建立完善的应急广播体系，可以有效发挥广播对地震、山洪等自然灾害的应急预警作用，也是党和国家进行政务信息发布和决策宣讲的便捷手段，对加快广西全区应急广播建设实践步伐，早日建成统一联动、安全可靠的应急广播体系、提高政府公共服务能力具有重要的作用! 多通道应急广播适配器，作为广西应急广播系统传输链路的核心设备，实现了对上级应急平台下发的应急广播发布需求进行适配，信息转发，接收验证等功能，实现应急节目解码和自动切换播发，对全区应急广播系统起到非常重要的作用。

1 整体应用方案架构

图1 多通道应急广播适配器在广西应急广播系统中的应用

如图1所示，广西全区应急广播系统根据广西广播电视无线发射远程自动控制系统技术特点，采用省级应急广播平台直接控制，市县级应急广播平台发布需求混入传输，远程自动监控系统反馈状态方式。应急广播调度控制指令信号和应急广播声音信号与原正常广播节目信号复用后由省级应急广播平台发出，通过全区广播电视信号源网传输通道传送到广西全区行政村委的多通道应急广播适配器，由适配器进行解析并执行指令，通过调频方式控制接收终端。

多通道应急广播适配器分析节目流及以TS流帧格式封装的调度控制指令流，解码出应急广播节目音频并切换至发射机进行应急播出，播出状态通过远程监控系统传回各级应急广播平台进行实时监控，确保播出安全。多模公共接收终端接收到应急广播节目以及寻址控制信息，并根据寻址控制信息进行验证和匹配后应急广播。

2 硬件设计及实现

多通道应急广播适配控制器硬件设计，主要分为核心主板和LCD液晶显示及按键板，设备所有输入输出信号均由核心主板连接至机箱后面板相关接口。主板原理图如图2所示。

多通道应急广播适配控制器主板主要由FM(带RDS)调频接收电路，DTMB射频信道调谐解调电路、卫星射频信道调谐解调电路、IP转TS流电路、TS流串行转并行电路、FPGA数字信号处理电路、ARM单片机控制电路、音频解码电路、以太网通信电路、音频驱动及滤波电路等构成。

设计原理：上级应急广播平台通过广西广播电视信号源网下发的多种模式信号进入多通道应急广播适配控制器。其中DTMB射频信号和卫星射频信号各自经过调谐与解调，输出并行的8位TS流信号到FPGA；IP转TS模块将以IP格式封装的数据转换为TS流帧格式输出到FPGA；通过有线传输的TS流数据也通过ASI接口经过串并转换编码后输出到FPGA；带RDS的调频接收模块接收其他信息发布平台发布的无线调频信号，输出立体声音频，并通过IIC总线将接收到的RDS分组数据传输至FPGA。FPGA是整个设备数据处理的核心，对多种模式传入的数据进行解析解复用，对应急广播控制指令进行解密、校验和优先级处理。采用比较判别逻辑解析寻址信息并根据信息进行应急广播声音解码，同时发送上级各种指令数据到ARM主控模块进行RDS基带编码。ARM主控模块将编码好的RDS数据通过UDP协议报文格式输出，并切换应急广播信号源至发射机进行播出。整体实现上级平台应急广播声音和应急广播控制指令通过一种或多种模式进入多通道应急广播适配器，都可以根据寻址信息控制本级发射台站进行应急广播的目的。

图2 多通道应急广播适配器主板原理图

3 FPGA软件设计及实现

FPGA是多通道应急广播适配器信号处理的核心，主要完成应急广播声音的解复用、解析和上级应急广播平台下发的调度控制指令的执行、信息流转等功能。

3.1 TS流优先级处理

应急广播适配器实现对应急广播消息和调度控制指令进行优先级处理，输入通道间设置优先级，不同等级上级平台下发的数据亦对应设置优先级，包括乡镇和行政村的发布需求。应急广播指令要求，包括指令标识，指令类型，指令来源对象，指令目标对象，指令时间戳，关联指令标识，业务数据内容。应急广播适配接入上述内容的码流，首先进行身份验证和管理，然后进行格式和完整性校验，对信息进行解析和存储，采用递归算法实现资源和需求的有效调度。最后根据优先级处理决定是否发布，如果可以发布则根据事件级别选择发布模式以及资源调度策略，生成发布控制调度方案进行应急广播。

3.2 应急广播控制命令解析及转发

多通道应急广播适配器采用多模输入的方式，这样更能适合广西全区广播电视无线覆盖的实际情况。FPGA对多种输入的信号码流进行解析解复用处理，每个节目流以其在TS包中的PID字段来区分。FPGA将接收到的每一个TS包（188字节与204字节自适应）先送入一个由FPGA内置RAM组成的缓冲区，然后进行解包，解析出每一个包的PID号、PAT表、PMT表等信息进行存储并传送给ARM单片机主控处理，FPGA再通过比较判别算法提取用户想要输出的TS包送至FPGA指定的端口输出，未被选择的TS包将被抛弃。应急广播控制命令的解析也在FPGA中完成，一旦接收到上级平台下发的控制命令，则进行消息解密处理，优先级判断，播发资源调度等操作。

多通道应急广播适配器对每一个模块输入的TS流数据进行解压缩、解包，解出原始音频PES流及其他同步控制和数据信息，存储到外部DDR3 SDRAM存储器上。解码芯片通过MEPG-1/2编码格式的音频硬解码再将各种数据信息还原成完整的音频信号。数字音频信号经过解码芯片内置高精度D/A模块转换和外置功放放大后输出左右声道音频信号。多通道应急广播适配器目前设计为两路音频信号的独立解码，其中一路为信源监测用，另一路为应急广播声音解码输出。多种输入方式中任意一种均可实现独立的两路音频解码输出，完全满足台站实际使用需求。

3.3 FPGA解码流复用

多通道应急广播适配器采用高性能FPGA实现码流信号的解析、解复用。使用FPGA片上RAM创建一个FIFO接收模块。此模块为FIFO缓冲区，包括两个4字节的缓冲区，用于取出信息包的PID号并将取得的PID号送入PID表控制模块，以便FPGA将其与用户选中的PID号相比较，根据情况以决定存储或丢弃。

使用FPGA实现传输流解复用器。FPGA内部模块有信道接口、信道FIFO、PID处理器、PID后处理器、内部音视频接口和节目时钟提取电路等组成。其中信道接口提供自动传输包同步字节检测，及实现同步锁定与未锁定的具有可编程延迟时间的滞后机构。一旦建立同步，信道接口就通过信道FIFO将完整的传输包传输到PID处理器。信道接口还检查传输包的完整性，指示传输错误等。最终输出两路路经过分离和筛选的TS流，送至解码模块。

4 控制软件设计及实现

主控模块采用一片32位的ARM单片机STM32F103VET6作为整个设备的控制、数据采集和通信处理核心。主控模块远程可管可控并向上级应急广播平台返回播控状态数据，实现RDS标准格式编码并通过DUP报文方式流转数据到下一级设备。

ARM主控还可与FPGA实时通讯，监控并获取FPGA的运行参数，同时对外提供远程监控接口。在远程监控接口上，提供上位机应用通讯方式及嵌入式WEB通讯方式。大大简化了配置工作。上位机界面如图3所示。

此外，多通道应急广播适配器显示面板使用LCD液晶屏，中英文菜单可切换显示，配置菜单清晰。控制使用飞梭操作设计，使用流畅，简洁。实物如图4所示。

5 推广及应用

自主研发的应急广播适配器目前已用于我国国家应急广播中心和广西新闻出版广电局联合开展的应急广播发布实验，并在广西崇左市江州区濑湍镇及该镇所属多个行政村实际安装使用，运行正常，取得良好的效果。

2016年已应用于国家“百县万村示范工程” 广西306个示范行政村器材配置工程，截止目前均已经全部安装完成投入使用，村委用户反应良好。

随着国家及地方应急广播工程的推进，今后广西一万四千多个行政村及广西广播电视部分无线发射台站将都需要配备多通道应急广播适配器，需求数量将非常庞大，将会产生巨大的经济效益和社会效益。

6 结语

应急广播建设是整个广电系统的事业,更是各级政府部门和社会各界共同的事业。结合广西全区广播电视覆盖特点及优势,积极推动全区应急广播体系建设,研究和处理好应急广播预警信息发布机制和安全播出问题,才能真正发挥应急广播的作用。自主研发的多通道应急广播适配控制器是广西应急广播建设的核心信息流转及控制设备，对加快广西全区应急广播建设实践步伐，早日建成统一联动、安全可靠的应急广播体系、提高政府公共服务能力具有重要的作用!

[1]崔巨峰.应急广播系统实现概述[J].广播与电视技术 .2011（12）：40-44.

[2]章之俭,韦博荣等.GY/T236-2008,地面数字电视广播传输系统实施指南[S]. 国家广播电影电视总局.2008

[3]张晓林.数字电视设计原理[M].北京:高等教育出版社,2008,17-272.

[4]周润景,图雅,张丽敏.基于Quartus II的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京:电子工业出版社,2007,39-348.

图3 多通道应急广播适配器WEB上位机软件

图4 多通道应急广播适配器实物图