非法广播智慧发现系统的设计与实现

2019-06-19刘春龄

数字传媒研究 2019年1期

刘春龄谷昱

1.内蒙古新闻出版广电局微波传输总站内蒙古呼和浩特市 010050

2.内蒙古新闻出版广电局锡林浩特广播发射中心台内蒙古锡林浩特市 026000

引言

近年来，随着无线电发射设备系统的不断小型化，城市、村镇、农牧区出现了大量的非法广播播出，即俗称的“黑广播”，给人民群众的精神文化生活带来了极大的干扰，甚至给广大人民群众造成了巨大的经济损失，非法广播的存在更为新闻舆论工作埋下了极大的隐患，同时给各行业正常的无线电通信带来很大的干扰。

非法广播的发现主要是通过群众在正常收听广播时发现，发现异常后向广播电视管理部门进行汇报，广播电视管理部门进行广播非法性确认，认定非法后报告公安部门并连同报告无线电管理部门，两部门利用专业工具对非法广播发射源进行定位，锁定发射源位置后对发射设备进行物理拆除。因此，传统打击非法广播的处理流程，如图1所示。

图1 传统打击非法广播流程

通过上述发现处理流程，可以看出该流程存在着很大的弊端，主要表现在：很难做到及时发现非法广播，发现非法广播时说明该广播已在群众中造成较大影响；非法广播从发生到被打击，周期长、流程环节多；因无法在第一时间收集证据，造成认定程序繁复。这些弊端造成了非法广播在部分地区活动猖獗。这种模式无法有效打击有组织、有预谋的非法广播活动。

对于非法广播的发现如果可以做到发现及时、定位及时、证据收集及时正确这三点，将为执法部门提供精准的信息，使其及时完成对非法广播设备的拆除，并为抓获违法犯罪分子创造有利条件，有效遏制非法广播活动。

非法广播智慧发现系统是自动地发现非法广播，因而可以有效压缩发现非法广播的时间。自动取证可以有效降低部门协调时间，使得部门协调更高效，且非法广播发射源位置寻找更有方向性，因此可以极大提高打击非法广播的整体效率。使用该发现系统后，打击非法广播流程如图2所示。

图2 使用发现系统后的打击非法广播流程

1 系统实现

一般情况下，非法广播设备虽然生产设计很不规范，但其频率范围和调制方式上与正常的广播系统几乎一致。非法广播为了扩大其影响力，尽可能地逃避政府的打击，发射位置的选择会十分的随机和隐蔽，因此任何物理位置都可能成为非法广播发射源位置。

1.1 方案构架

为了及时发现空间内传播的非法广播内容，必须要在所需探测区域内放置接收设备，才能最准确的收集实际环境中的信息。因此，需要广布于环境中的“探针”设备对无线广播信号进行嗅探。单个“探针”设备作为孤立的点，无法独自完成非法广播发射源的定位，它只能发现自己所在的物理位置是否有异常无线广播信号。需要由数据中心将“探针”收集信息加以处理和存储，才能完成发射源的精准定位。系统方案最终实现方式：通过分散广布的智能物理设备——“探针”，嗅探所在物理位置的电磁情况，将所获得的电磁信息通过数据传输链路传输到数据中心；数据中心对回传数据进行处理，并进行证据收集且向相关人员提出告警。发现系统方案整体示意，如图3所示。

图3 方案整体示意图

1.2 软件定义无线电

SDR（Software Defined Radio）软件定义无线电的思想是为各类射频信号提供统一的硬件平台，通过软件的方式去解决各类需求不同的射频问题。软件定义无线电系统利用程序代码对调制模式、波形控制、逻辑输出等方面的应用参数进行控制，而不需要做硬件改动。尽管SDR 频率处理范围和处理带宽受器件性能限制，但由于其能够提供多种解调技术，利用软件可处理的信号范围是相当宽泛的，并且可以通过软件更新的方式增加更多的解调能力。

1.3 “探针”设备实现

“探针”设备是能够自动发现非法广播并提供位置信息的智能设备，是整个系统的最前沿部件。为了建立更实用、更加灵活、更符合实际工程需求的发现设备，大幅提高设备的更新升级及功能开发效率，系统中的硬件均采用模块化、统一接口的方式进行设计，按照不同的功能需求，形成不同的功能模块，通过通用的数据总线的连接方式实现设备的整体功能。软件方面，摒弃软件系统从底层到应用的全开发方式，转而采用基础平台（操作系统）+驱动+API 到应用的开发方式。

“探针”设备，将由天线模块实现非法广播发射源的接收及射频信号捕获，射频模块将高频的RF 信号转换成可以进行数据处理的数据，GPS模块确定“探针”所在点的物理位置，通信模块建立数据传输链路，完成设备与数据中心的数据交互，核心处理模块作为“探针”设备最核心、功能最强大的部分，完成复杂的数据处理和其他附属功能模块的控制，并对无线信息进行处理加工，完成初步的非法认定及非法证据收集，并将这些信息传输到数据中心。“探针”设备硬件模块，如图4所示。

图4 “探针”设备硬件模块图

1.3.1 核心处理模块

核心处理模块选用了应用广泛而稳定的Raspberry Pi3 Model B 平台，该设备选用博通公司BCM2837 处理芯片，可以提供高达1.2GHz 的主频，系统集成1GB RAM、802.11n 无线局域网和蓝牙4.1。其尺寸长度仅有85mm，宽度仅有56mm，高度最高16mm，安装防护外壳后设备整机体积不大，可以很容易的在室内、室外找到安放位置。可在基站、公共摄像头、路灯等设施上搭载，也可以独立地放置在房屋建筑、电线杆等上。

1.3.2 操作系统

利用Raspberry 官方提供的Linux 操作系统发行版RASPBIAN，可以对Raspberry 平台提供最稳定的支持。Linux 开发最早只是适用于基于Intel 80386微处理器的IBM PC兼容机的操作系统。随着世界各地的Linux 开发者的共同努力，Linux 已经在多种平台上成功而稳定地运行，包括ARM 处理平台。在现代嵌入式领域、移动终端领域，Linux 内核的操作系统因其性能而广受开发者的推崇。

1.3.3 天线及射频模块

天线及射频模块利用以Rafael R820T2 调谐器和NXP LPC4370 ADC 为核心的AIRSPY 模块，通过USB 接口为核心处理模块提供12bit 的ADC 后的无线电信号数据。该模块实现了RF 信号降频、模拟信号到数字信号的转换、数字信息的USB 数据传输等一系列功能，其功能框图，如图5所示。

图5 无线电外设模块框图

Rafael R820T2 调谐器工作频率范围为42～1002MHz，广泛应用在开路数字电视、闭路电视等电视传播领域，其在灵敏度、线性度、相邻信道抗干扰、镜像抑制等方面表现均十分优异。Rafael R820T2 调谐器功能主要是将频率较高的RF 信号降频至ADC 可以处理的较低的IF 中频频率。

NXP LPC4370 处理芯片是一款 32 位的 ARM 控制处理芯片，本系统主要利用芯片本身提供80Msps采样速率的12bit ADC 处理能力及USB 数据传输能力。NXP LPC4370 处理芯片将降频的RF 信号进行ADC 数据处理，并将处理结果利用USB 总线传输给核心处理板卡。

1.3.4 频率解调

主机接收到无线电外设模块通过USB 总线传输来的数据，需要进一步的数据处理才能成为有用数据，需经历滤波器去除干扰频率信息，再经过宽带调频解调可输出语音的PCM 信息，这些信息传输到声卡设备便可以直接发出声音。但是，“探针”设备直接将声音信息发出来，对于远端的监测人员没有任何意义，因此需要将这些声音信息以文件的形式记录下来，以便于记录和分析。对于非法广播的播出内容，需用软件将该PCM 信息封装在WAV 文件中，形成一个独立文件进行存储。

1.3.5 非法广播认定及处理

对于调频广播来说，合法的广播在广播电视管理部门均有备案登记，当“探针”设备搜索到调频广播频率范围内的某一频率，便将之与已备案的频率进行比对，不在备案登记表内的频率便可第一时间认定为非法。将已备案登记的广播频率设置成白名单，将该白名单写入到“探针”设备内，当“探针”发现与白名单内不符的广播频率时，则触发告警、上报及记录功能，通过数据链路将必要的信息上传到数据中心。

1.3.6 定位系统

当“探针”设备探测到设定空域内的无线电信息中存在非法广播时，若不能明确自己的地理位置信息，对于非法广播的打击是没有意义的，因此，“探针”设备必须能够“声明”自身的地理位置，才能对发现非法广播有意义。

全球卫星导航系统（the Global Navigation Satellite System）是现今应用最为广泛、使用最为简单的地址位置信息系统。“探针”设备的定位采用卫星定位的方式进行，采用了ATGM336H-5N系列模块。

1.3.7 通信模块

由于“探针”均是分布在外的设备，需要将其加工后的信息传输到数据中心进行再处理，实现该数据回传要有相应的信息传输手段。由于“探针”布置具有分散、室外、独立的特性，数据传输利用移动通信网的方式更能符合数据传输的实际需要，通过移动通信网将“探针”设备生成的包含无线电信息及位置信息的文件传输到数据中心。移动通信网通信模块实现基于TCP/IP 的数据连接，可以使“探针”在不同的网络环境中都可实现与数据中心的互相通信，而不用过多考虑数据传输硬件及传输体系。

1.4 数据中心

由于数据中心是整个发现系统的核心枢纽及处理显示中心，必然要求更高的可靠性、可扩展性。任何的设备都不能保障不发生故障，为提供高质量、高可靠的数据处理，数据中心的云化是其必然的选择。云计算在对大规模服务器集群的应用实例上，相较传统的物理负载均衡方式有着质的优势。

云计算将服务器提供的资源池化，进而提供满足高弹性、高拓展性、高稳定性需要的底层基础，用户软件通过云计算面对高度同质的计算量、存储量而不是异化的物理硬件。由于物理硬件池化的特性，当已有计算能力不能满足需求时，仅需新采购计算能力，并入管理系统便可直接应用，而不需暂停原服务。采购也可以分批次进行，而不用考虑短期财政压力。

1.4.1 云系统

系统利用OpenStack 完成数据中心系统私有云的搭建，服务器系统采用64 位的ubuntu 系统作为底层系统。OpenStack 来源于 NASA 和 Rackspace 的合作项目，对市面上几乎所有类型的云环境都有支持，OpenStack 通过集成大量服务的方式提供IaaS 层面的解决方案，而集成的服务都是以API 的方式集成在项目包中的。

1.4.2 数据库

随着监听规模的扩大，“探针”设备数量会规模性的上涨，同时“探针”设备不间断地收集海量的数据并加以传输，如何有效地管理、存储、利用好这些数据是一个需要解决的重要议题。数据库技术是解决这一系列问题的有力工具。

MySQL 是现在使用最为广泛的关系型数据库管理系统，在WEB 应用方面MySQL 是最好的关系数据库管理系统应用软件之一。系统中MySQL 作为数据中心核心数据调度节点，为数据中心前端显示、非法广播报表报送、历史规律分析提供数据支撑。

1.4.3 地理位置信息系统

在工程实际应用中，用户界面也是至关重要的环节，用户需要方便直观地获得有用信息，才能更高效的做出判断。GIS（geographical information system）地理信息系统是利用计算机系统，对整个或者部分地球表面空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、分析、运算、管理的技术系统。GIS 技术多年来成功地应用在土地、环境、交通、军事等重要领域，在无线电传输覆盖分析上也已经有了较成熟的应用，得到了业内的广泛认同。利用地理信息系统，可以直观地观察非法广播发射源情况。

考虑到“探针”是位于真实多变的环境之中，同时需要大量的实时信息作为非法广播发射源位置判断依据。对于封闭的系统，是很难做到这一点的，因此选用百度地图API 的方式进行位置信息展示及周围环境展示。基于网页的百度地图API 是以JavaScript 代码段的形式嵌入在html 文件中实现函数调用，当网页解析程序运行到该JavaScript 代码段时，会直接对百度的地图服务器提出请求，百度地图服务器通过读取需求函数和需求函数参数的内容返回相应数据。

为承载百度API 的显示，需要有相应的WEB服务为其提供WEB 页面支持，系统采用流行LAMP （Linux+Apache+MySQL+PHP）结构搭建，该方式是Linux 系统下最为常用的WEB 服务构架，其使用也十分成熟。

2 系统现阶段成果展示

2.1 WEB界面显示

单“探针”系统测试运行在WEB 界面显示结果，如图6所示。将“探针”设备放置在图中标识“测试点”的位置进行真实环境测试，经过解析“探针”设备的GPS 信息，最终百度地图API在呼和浩特体育场名字右下方给出了位置显示，可以看出真实位置和显示位置出现了偏差。之所以会产生这样的偏差，是由于商用网页页面使用Web 墨卡托坐标系表示物理位置，而这个坐标系在对应真实坐标系时被进行了人为加密，百度地图使用的BD09 Web 墨卡托坐标系是在国家测绘局制订的GCJ—02 坐标系统上进行二次加密的商用产品。

图6 WEB界面显示

为了使“探针”位置能够在地图页面准确表达出来，则必须要在将地理位置信息通过百度地图API 发送到百度前通过算法进行相应的加密。该算法的获得需要同测绘局和百度公司进行进一步的具体协商。WEB 界面的正常显示说明，数据中心在运行WEB 服务和调用百度地图API 显示“探针”位置的过程均是正常可行的。

2.2 无线电数据显示

用“探针”接收真实空域内的无线电信号进行系统测试，通过解析“探针”回传的无线电数据，最终得到实际带宽数据，如图7所示。

图7 实际带宽数据显示

图中可以看到7 个较明显的能量峰值，分别位于97.6MHz、97.8MHz、98.5MHz、99.1MHz、99.7MHz、100MHz、101.4MHz位置，其中除97.6MHz和100MHz位置所占带宽较小，是对讲机等设备使用的窄带调频及噪声干扰，无法通过解调调频广播的方式解析出语音，其余五个位置都能解析出语音信息，这五个频点都是可以在测试地点用收音机收听到的正常调频广播节目。

2.3 采集音频文件分析

“探针”设备解析获取的无线电数据，最终将特定频点的调频信息解调后录制成WAV 文件，数据中心通过FTP 协议获取该文件并将其保存。测试中将呼和浩特地区99.1MHz 频率假想设置成非法广播频率并对其内容进行录制，制成WAV 文件。利用常规WAV 音频文件分析工具对该文件做展示分析，得到如图8所示结果。

图8 WAV 文件分析

通过分析软件可以看到，在录制时间段内均有声音强度并在人耳可听范围内，声音强度高低错落变化柔和，是较为标准的音乐信息。99.1MHz频率是中央广播电视总台音乐之声在呼和浩特地区的播出频率，录制时段正播放音乐节目，文件分析结果与人为主观监听结果一致。通过对WAV文件的分析说明，“探针”设备可以正确的解调特定频点的调频广播并录制成声音文件。