高可靠性、功能完备又经济的电台实时监测系统的设计与实现

吕坤

摘 要：安全播出是广电工技术作第一技术要务。本文通过应用声纹比对技术，设计实现了一套实时监播系统。该系统可对广播播出过程中传输故障导致的静音、发射设备故障导致的白噪声和切换问题导致的播出信号错误进行实时监测报警。

关键词：声纹比对 广播监播 语谱图 Acoustic Fingerprint

总局62号令提出的广播电视安全播出工作的方针是：“不间断、高质量、既经济、又安全”。要保障安全播出，首要的是要及时发现播出信号出现的问题。因此，笔者设计实现了一套可靠性高、功能完备又节约成本的广播信号实时监播系统。

本台目前使用的信号检测警报系统，对音频矩阵以及音分输出信号的幅值进行实时监测，其只能对发射前信号进行监控。因为，发射后信号会因气象条件，地理环境，发射、接受设备性能等因素的影响产生一定程度的信号噪声。如果噪声的幅值大于检测系统的阈值则系统发生故障漏报。因此，本系统通过分析音频信号的频域特征而非响度进行信号检测。

一. 当前音频识别领域两种主要技术的比较

数字音频水印技术结合人类听觉系统的遮蔽效应，对原音频通过加水印算法在人耳听阈之外或不敏感的时域、频域嵌入用于音频识别的水印信息，然后，在识别过程中通过水印提取算法验证音频中包含的水印信息以获取识别结果。

声纹是指从一段音频中根据其频率、幅值等特性，经过压缩、提炼而成的数字特征码，一般采用哈希码的形式。即使比对的音频在格式、压缩比率、音量和信噪比等多种特性都不同，但只要其是来源于同一段音频，具有相同的听觉声学特性，即可匹配成功。

在音频数字水印技术的应用中，大多数在频域加水印的算法多将水印信息嵌入到人耳不敏感的18kHz以上的频段，超出了广播通路15kHz的频段上限，而在时域加水印的算法则在实时性上效果欠佳。而且，如果转播其他台的节目信号，音频水印叠加对信号播出质量、水印加取的影响也比较难于操控。而声纹识别技术，不污染匹配的音频源，具有良好的配效率和鲁棒性，并且算法复杂度较低，可运行在较经济的硬件系统上。

因此，本系统采用了声纹比对技术进行信号识别。广播系统中普遍使用延时设备和音频处理设备保证节目播出质量。因此，本检测系统采用的特征提取及比对算法需有效对抗信号的延时、拉伸和增益调节。

二.音频匹配算法介绍

本系统采用的声纹提取算法借鉴了Wang在2003年论文中提出的Landmark指纹算法。笔者精炼了声纹提取过程以降低系统的硬件需求，并设计了完全不同的比对算法以获得检测故障的高灵敏度。

1.将音频统一转换为22050Hz，16bit，单声道的PCM裸流。

2.对音频进行非重叠加矩形窗，窗口长度为2048.

3.对加窗后的音频进行FFT转换，得到频域信息。

4.基于语谱图，将频率划为5个频段，分别选取功率峰值点作为声纹。

5.将两段音频声纹逐一比对，选取各个频段功率值最相近并达到阈值的的配为一组，得到匹配点集合。

6）对匹配点集合（x，y）的坐标求相关系数。x为匹配点在音频1中的位序，y为匹配点在音频2中的位序。

7）间隔固定时间步长后（依據设定的故障报警时长而定），重复步骤1至 6，直到关闭比对程序。

8）如果连续不匹配时长超过报警阈值则触发“不匹配警报”（信号错误、静音、白噪声均视为不匹配）

不匹配时长 = 比对音频时长 + （连续不匹配次数 - 1）× 时间间隔步长

9）如果音频恢复匹配，则关闭“不匹配警报”。

三. 唐山广播电台实时监播系统的设计实现。

1. 系统构成

本系统采用的音频处理比对算法简洁高效，可运行在工作稳定的PC机或笔记本电脑上。系统将直播间信号经、本台空中信号和需要转播的中央台、省台及电视台信号分别传入音频采集卡。系统中的音频采集卡采用USB即插即用式声卡，每块声卡带有一条16比特、立体声、22050Hz采样率的输入通道（Line In）用于音频采集。采集的音频输入到一台i3四核、8G内存、100G固态盘、2TB SATA硬盘的笔记本电脑进行声纹提取、声纹比对以及报警信息记录。本系统的功能主要是在原有的硬件系统上进行的软件开发，即提高了安全保障能力，又经济高效。

2. 音频对比程序模块

录音模块采用Core Audio 底层API实现，具有低延时、高可靠性的特点。实时采集的音频存储到PCM队列缓存中。

声纹提取模块从PCM队列缓存中读取准备进行比对的PCM码流数据，并根据前述算法分别进行声纹提取。

声纹比对模块对提取的声纹进行比对，并对比对结果的位序求相关系数，然后根据设定的相关系数阈值判断比对是否匹配。

日志记录模块负责在声纹比对不匹配时，从PCM队列缓存中读取PCM数据，连同报警日志信息一起保存在报警记录中。

本系统的设计实施对本台的安全播出工作做出了很大的改进。利用此技术也可以检测侵占广播频率和上星广播电视节目的非法信号的攻击。通过对日志收集的报警数据进行分析，技术人员还可以找出播出报警的时间、时长规律，对报警进行分类，以更好的预防播出异常的发生，更快的处障。

参考文献

[1] Avery Li-Chun Wang，An Industrial-Strength Audio Search Algorithm[C].Interna0tional Symposium on Music Information Retrieval（ISMIR），Maryland，2003，7-13

[2] 李怀畅. 电台广告智能监播系统设计[J]. 电声技术，2016，40（ 10） ： 20-25，