应急广播接收终端的设计与实现

唐丽

（广西广播电视技术中心）

一、引言

近年来重大自然灾害、突发事件、公共卫生与社会安全等突发公共危机时有发生，每当出现这些紧急突发事件时，会造成或者可能造成重大人员伤亡、财产损失、生态环境破坏与严重社会危害。在突发事件危机公共安全时，应当在第一时间把灾害消息和防灾信息传递到民众手中，让人民群众在第一时间知道发生了什么事情，应该怎么撤离、避险，将生命财产损失降到最低。因此有必要加快构建技术先进、传输快捷、覆盖广泛的应急广播公共服务体系。

作为应急广播接收设备，必须适应多种信源输入方式，并可本地及远程控制。本文提出的一种应急广播接收终端，具有DTMB、卫星、IP、FM、手机信号、模拟音频等多种数字信号输入方式，保障应急广播的发布载体的多样性和可靠性。该终端采用SI4755芯片获取FM信号中的应急广播信息；采用FPGA实现TS流中控制信息和应急广播信息的快速获取；获取TS流或者RDS中的信息，实现应急广播的远程控制和分片区控制。

二、总体设计方案

应急广播接收终端用于公共场合，根据用户需求，提供DTMB数字电视、IP组播、卫星及调频广播和移动信号六种接入方式，经信号处理，信号选择，通过控制信号控制接收终端的功放工作，推动喇叭。

应急广播接收终端的硬件设计，主要分为核心主板，电源管理单元。设备所有输入输出信号均由核心主板连接至机箱外面相关接口。核心主板原理框图如图1所示。主板电路主要由DTMB信道、卫星信道调谐解调电路、解码电路、GSM模块、FM接收模块、文字转语音模块、ARM单片机控制电路、以太网TS流格式数据转SPI总线传输处理电路、以太网通信电路等组成。

主板设计有六种信号输入方式：

1.直接输入模拟音频，经音频切换芯片切换送至数字功放放大，送至喇叭放出声音。

2.DTMB射频输入或卫星射频输入，经调谐器调谐出零频或中频信号送至解调器解调出TS流然后再送至解码芯片解出声音，经音频切换芯片切换送至数字功放放大，送至喇叭放出声音。

3.IP帧格式TS流信号输入，然后送到解码芯片解出音频，经音频切换芯片切换送至数字功放放大，送至喇叭放出声音。

4.FM解调出模拟音频，经音频切换芯片切换送至数字功放放大，送至喇叭放出声音。

5.FM接收RDS或者GSM模块收到的文字信息，经语音模块的文字转声音，经音频切换芯片切换送至数字功放放大，送至喇叭放出声音。

6.接到电话语音，经音频切换芯片切换送至数字功放放大，送至喇叭放出声音。

六种信号输入方式的声音选择由控制信号给出。模拟音频输入是在应急时候直接将声音送进切换芯片，打开一键应急按键，终端将自动播放模拟输入的声音。

三、硬件设计与实现

（一）DTMB信道调谐及解调模块

DTMB信道调谐及解调是地面数字转频调制器输入射频信号处理部分。输入的射频信号采用MXL5007硅调谐器将射频进行下变频至零频或中频频率，解调器HD29L2芯片接收硅调谐器输出的信号进行解调并输出标准TS

流信号。DTMB信道调谐及解调模块原理框图如图2所示。

图1 应急广播接收终端原理框图

图2 DTMB信道调谐及解调模块原理框图

ARM单片机通过IIC总线对硅调谐器和解调器进行控制，使其对信号源中指定的射频频率进行调谐，并输出给解调器HD29L2处理。信号在HD29L2内进行同步、AD转换、模式辨别、滤除干扰、单载波处理、多载波处理、以及多种码率的LDPC译码，最后输出TS数据流。

（二）FPGA模块

1.采用FPGA实现TS流中控制信息和应急广播信息的快速获取

应急广播接收终端具有多输入方式，其中IP输入、卫星输入和DTMB输入都解调出TS信号，含有控制信息和应急广播信息的数据包含在设定的PID中。FPGA采用EP4CE10E22C8，具有先天的并行处理的优势，可对输入的多路TS信号同时进行信息的读取和处理。信号输入后先进行同步，然后直接选择预先设置的PID得到包含控制信息和应急广播信息的TS流，将TS流解析就能得到所需要的控制信息和应急广播信息。

2.采用FPGA实现信号的解析、解复用

音视频解码模块采用高性能FPGA实现信号的解析、解复用。使用片上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。FPGA内部模块由信道接口、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。信道接口还会检查传输包的完整性，指示传输错误等。最终输出九路经过分离和筛选的TS流，送至下一个解码模块。

（三）TS流解码模块

解码器采用杨智DTMB芯片M3381T。TS包中PID字段是TS流节目的标志。M3381T片内PID处理器内包含32个寄存器和一个有32个入口(0-29)的PID表，入口0-29定义了通用PID表寄存器，入口30和31指示音频、视频PES包PID。PID处理器还包含PID滤波器和解扰器。PID处理器将每个传输包中的PID值与编程在P1D表中的PID值进行比较，得到所选节目的音、视频PES，将音、视频码流分解出来。解扰器对按DTMB标准加扰的传输包、PES包和传输数据进行解扰，解扰后的信号送到PID处理器进行传输包头滤波、PES包头滤波、数据滤波和ECM滤波等处理。

解码芯片内置视频编码器，可将8位或16位YCrCb数字视频流编码产生复合视频、S视频或RGB视频信号，支持包括PAL、NTSC和SECAM制式。它由数据控制单元、编码器、输出接口、RGB处理器和D/A转换器等部分组成，多路解复用解码器输出的是CVBS复合视频信号。对于音频处理部分，M3381T集成了一个音频D/A转换器，该转换器是一种具有可编程锁相环(PLL)的立体声数模转换器，其作用是将由音视解码器输出的PCM音频数据转换成具有左、右声道的模拟立体声音频信号，再经过放大后输出。

（四）GSM信号处理模块

GSM信号处理模块采用SIM900芯片。SIM900属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，性能稳定，外观精巧。

通过GSM的发布的信息方式有两种，一种是语音信号，另外一种是短信。为了防止骚扰电话及恶意短信等，采用手机号码预授权和动态验证方式结合保证信息发布的安全性。先将授权的电话号码存入GSM模块中，采用动态码授权手机信息发布。用预授权的手机发送一则短信“123456”到该GSM模块中，GSM模块返回一个动态授权码到该手机，再用该手机发送此授权码到GSM模块中，GSM模块收到该手机发送态授权码后，激活该手机号码的授权。此次授权为临时授权，有效时间为30分钟。

授权成功后，分两种信息发布方式。1.语音方式：授权成功的手机直接打电话到GSM模块，GSM模块接到电话，查看号码是否是授权号码，再检查当前是否激活该号码，激活则接通，将语音信号传到语音切换芯片，并发命令通知主控，有电话需要应急播出，反之则GSM挂电话。2.短信方式：发短信到GSM模块，GSM收到短信后，查看号码和激活状态，激活则将短信内容发给主控，如未授权的手机发送的短信则不做任何处理。

（五）调频FM接收处理模块

FM接收模块采用SI4755芯片。SI4755具有接收灵敏度低、解调出音频失真小、信噪比好等特点，具有RDS接收功能。

FM接收频率设置好后，解调出声音。RDS 处理解调出RDS信息，读取命令，分析命令，验证分片区编码，解析出本终端需要播出的信息，将文字信息发到语音模块进行处理。

（六）文字转语音处理模块

文字转语音处理模块采用科大讯飞的一款高集成度的语音合成芯片XFS5152。

单片机收到GSM模块、FM 模块、卫星或者DTMB模块发来的文字信息后，将文字文本信息发送给XFS5152模块，启动文字转语音处理，输出文字转语音后的音频。

（七）音频切换模块

音频切换模块采用MCP6S28芯片实现音频选择。MCP6S28是模拟增益可编程运放(PGA)芯片。

TS流解码输出音频、FM解调出音频、文字转语音、GSM模块音频和外部音频等信号。STM32单片机根据控制信息切换到MCP6S28选择输入的一路信号。

（八）数字功放模块

功放模块采用TDA7498芯片。TDA7498可以使用宽幅电源供电，有四级增益选择，输入采用差分输入以大幅度降低共模噪声，具有待机和静音模式，短路和过热保护功能。采用TDA7498可以实现大功率输出。

（九）电源管理模块

电源供电采用220V市电+蓄电池，电源管理器采用带电源输出功能的浮充管理充电器。如图3，在有市电时候，电源管理器将220V电源稳压为24V输出，在市电停后，电源管理器切换到蓄电池供电。电源管理器，带有浮充功能，有过放保护。

图3 电源管理图

四、软件设计及实现

应急广播接收终端采用一片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。控制程序使用小型UCOS嵌入式操作系统，可以实现程序并行运行、实时处理各个任务的请求，程序流程如图4所示。

图4 ARM单片机控制程序流程图

程序启动经初始化后，并行执行流程图4中各项任务。通过以太网接口连接上位机客户端来实现本地控制，并连接到网络实现远程通信和控制，通过FM的RDS命令、GSM短信、卫星、IP流或者DTMB中的TS控制流以实现远程控制。设备所有的参数及状态都可以通过以太网接口与用户进行交互。

五、总结

应急广播接收终端适应多种信号输入方式，各种输入方式可手动、自动或远程控制切换，可实现应急广播的强制播放以及日常广播的播放。平时可按时间表播放任意一路广播或处于待机状态，当输入信号携带应急广播信息时，可寻址分区域强制播放应急广播内容。该终端解决了应急广播单一方式覆盖的局限性，扩大了应急广播的覆盖范围，对加快我区应急广播建设具有积极作用，为推进我区应急广播建设提供了有力保障。