音频信号插播、错播和停播自动报警系统项目建设
2021-05-27罗胜
罗胜
【摘要】七六一台模拟调频节目目前均有四路信号源，为了防止音频信号有插播、错播和停播事故的发生，建设一套广播信号音频比对系统使信号源之间以及信号源和空收节目（解调）之间的音频实时比对，实现了信号不一致时进行实时语音报警，确保了广播信号的安全播出。
【关键词】音频信号;插播;错播;停播;比对;自动报警
中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.05.005
1. 建设背景
贵州广播电视局七六一台严格按照上级部门的要求，承担着中央和省广播电视无线发射工作。随着国家加大对无线覆盖的投入，2006年在广电总局、省广电局的重视和扶持下，我台所有广播电视模拟发射机陆续实现了全固态化。2015年国家广电总局启动了中央广播电视数字化无线覆盖工程，2017年在七六一发射台新建设了两套DTMB地面数字电视发射系统、一套CDR数字广播发射系统。
七六一发射台目前2套模拟广播节目、13套DTMB地面数字电视节目，3套CDR数字广播节目，发射信号最大覆盖半径50公里，覆盖人口超过200万人。
七六一发射台模拟广播电视信号前端控制系统、发射采集系统，2015年均已建设完成，台站模拟电视调频节目目前均有四路信号源，为了保障安全播出工作，为了防止音频信号有插播、错播的现象发生，建设一套广播信号音频比对系统迫在眉睫。
2019年是新中国成立70周年，届时党和国家将隆重举办庆祝活动。为确保本台无线广播电视安全播出工作，圆满完成各项重大活动的直播、转播任务，根据省局《关于转发<中宣部国家广播电视总局关于开展迎接新中国成立70周年全国广播电视行业安全大检查的通知>的通知》（黔广电发〔2019〕18号）文件精神，进一步落实整改全省广播电视安全播出大检查中发现的问题和自查的安全播出隐患，将启动建设贵州省广播电视局七六一台发射台站广播信号音频比对系统项目。
2.建设目标
1.建设广播音频信号对比系统，实现台站音频信号的信号源、与空收信号的实时比对，预防插播、错播的现象，对信号不一致的进行实时语音报警，并进行录音储存。
2.按4路信号源对发射台站的2套模拟调频节目的进行音频比对监测。
3.对发射台站信号源之间以及信号源和空收（解调）之间的音频比对，更全面地掌握节目传输发射环节链路中首末两端的信号传输与播出情况。
4.可以有效的预防发射台站因检修或者其他原因导致的信号源插错等因素导致的错播现象。
5.对发射台站所有信号源进行实时比对可以保证信号源不一致时进行报警提現。对于信号源插播情况进行报警提醒。
6.具备延时判别功能，在信号源不同步的情况下，仍然可以对不同来源的信号进行音频比对。
7.引用标准
GB/T 19001-2000 质量体系认证
GY/T113-93 中波及调频、电视发射台微机实时控制规范
GY5053-94 广播传音电缆线路工程建设技术规范
GB/T6113.1-1995 无线电干扰和抗扰度测量设备规范
GY5048-93 省级广播电视监测台站建设标准
ISO/IEC13818-4 测试规范
SNMPv2RFC1889/1890 列实时传输协议
RTP/RTCP：RFC1889/1890 系列实时传输协议
RTSP：RFC2326 实时流传输协议
MP3 音频压缩、解压缩算法标准
H.264 视频压缩、解压缩算法标准
广电总局第62号令 广播电视安全播出管理规定
3. 设计原则
广播信号音频比对系统面临的监控任务具有数据传输量大、实时性强、对数据安全性、可靠性及一致性要求高的特点，在整体设计过程中应遵循以下原则：
可靠性：要求采用多种安全性设计技术，重点考虑冗余备份容错和故障恢复等问题，以保证在任何情况下，不至于丢失数据、损坏数据，以及在系统出问题时能够有必要的挽救手段和措施。
先进性：在通用和实用的基础上，充分利用先进的网络，结合各种先进的测试设备以及音视频处理技术，保证系统的技术层次能满足未来的监测任务的要求。
高效性：响应时间是综合监控网络系统的一个重要指标，网络通信容量能方便地随着业务量的增长而同步增长，
但又不过多地增加网络延迟时间，使系统达到最佳的响应时间，以适应业务发展的需要。
开放性：采用开放式网络结构及其协议和开放式的浏览器/服务器模式，从而实现充分的资源共享，使系统具有良好的互操作性和可移植性。
安全性：系统具有良好的安全性和保密性，自动删除病毒，对进入网络的用户实施身份验证和入境方式检查，防止“黑客”混入后对系统做破坏活动;为防止合法用户越权访问数据，对合法用户也合理地设置权限。
前瞻性：为了保证系统在可预见的将来也能满足广播电视发射节目的监控任务的需要，并随着技术的发展而发展，系统在设计时必须有相当的前瞻性。
扩充性：系统采用模块化结构，当监控任务增加，网点增加和网络规模扩大时，通过增加相應的系统模块，就能方便地扩大网络规模，灵活配置各监控台站的功能，满足系统功能、网络带宽和通信容量等方面的需求。
升级性：随着网络技术的发展，先进的网络设备及产品不断涌现，要求系统可方便过渡到更先进的网络技术，并能保护现有投资，不造成较大的浪费。
4. 建设方案
建设广播音频信号对比系统，实现台站音频信号的信号源、与空收信号的实时比对，预防插播、错播的现象，对信号不一致的进行实时语音报警，并进行录音储存。系统方框图如图一所示：
第一，可以对信号源之间以及信号源和空收（解调）之间的音频比对，更全面地掌握节目传输发射环节链路中首末两端的信号传输与播出情况。
第二，可以有效的预防台站因检修或者其他原因导致的信号源插错等因素导致的错播现象。
第三，对所有信号源进行实时比对可以保证信号源不一致时进行报警提现。对于信号源插播情况进行报警提醒。
第四，具备延时判别功能，在信号源不同步的情况下，仍然可以对不同来源的信号进行音频比对。
4.1 比对处理技术原理
音频比对技术是利用数字音频的时域、频域特征和属性来分析两段音频序列的相似度，再以相似度的大小来判断这两段音频序列播放的是否是相同或相似的内容。
其流程大概是：（1）音频采集滤波（2）增益补偿（3）模数转换（4）压缩（5）提取特征参数（6）比较特征参数（7）输出比对结果。（如图二）
滤波和增益补偿主要目的是降低噪音的干扰;压缩处理是为了减少音频中相关性较低或不相关的参数，提高后续工作的处理速度;特征参数是指音频流中以帧为单位提取出音频的质心、均方根、Mel倒谱系数、音高、振幅、带宽、能量等;音频比对是利用上一步提取的特征参数完成计算和比较，将比较结果同预先设定的阈值进行对比，得出最终结果。
音频比对技术在实现时并不考虑音频的具体内容，它只注重音频序列的关键参数和属性的相似度。
对同时多路采集到音频，经过数字化后成为音频数字流。音频相似度比对前的准备工作就是要按统一的时间跨度分割为一个一个相同时间长度的矩形比对窗口，多路音频都在同一个度量窗口中完成相似度比对。
比对窗口的宽度要根据实际的应用场景进行调整。窗口太宽则比对的时效性会降低;窗口太窄则不易准确定位多路音频的时间同步点。在不同的应用环境中，需要对窗口宽度实际进行测试调整。比如需要比对两路光纤传输的信号时，可以把窗口设计的比较窄，考虑到光信号经过不同的路由延时，则按0.5秒到1秒开设音频比对窗口就足够了;如果需要比对最快到达的音频信号（播音室输出信号）和最慢到达的解调信号（1.光纤微波2.卫星地面站卫星3.卫星接收机4.发射机5.解调器），可以把窗口设计的宽一些，1秒到2秒（卫星的高度约36000KM，因此卫星信号至少有0.2秒的延迟）;当然如果前端解调信号还需要编码压缩通过网络回传的话，那么窗口的宽度就应该更为宽泛，具体实施时通过调整窗口宽度参数来完成配置及部署。
软件在设计上最优的方法是：查找多路音频同步的时间点时，比对窗口宽一点，这样方便准确定位;一旦多路音频同步上后，就可以动态地缩小比对窗口的宽度，从而提高比对的时效性能。
4.2 软件功能
点击桌面客户端快捷方式，进入主页面：（如图三）
该界面显示五套节目解调和信源比对情况，其中，解调部分与相对应节目信源部分比对，信源部分自身进行比对，如有异常下方会提示某套节目信源（或解调）比对异常报警，并记录在下方通知栏里。
主界面左侧为配置部分，该部分可配置循环监听时间，是否开启。左右声道切换和音频回放功能。具体功能介绍如下：（如图四）
4.3 循环监听
选择循环监听使能大对勾，并选择时长。点击监看设置，即可完成该操作。循环监听为所有节目的循环监听，如需要只监听解调部分，需在软件上进行该操作。
4.4 音频回放
音频回放功能为选择某一时段，查看该时段音频信息，音频质量等信息，保存时长为自动覆盖类型，改功能需配置相应的文件保存位置才能调用查看方式。（如图五）
4.5 音频比对与报警
在确定了同步时间点后，后续的相似度比对就采取定位的比对运算了。可以定义相似度门限，该门限应该比同步查找的门限略微放宽（实际测试中使用87%作为相似度门限），若连续几次（实际测试中为3次）的相似度低于门限，则可以报警了，同时程序返回到同步时间点查找过程中。
5. 结束语
音频信号插播、错播和停播自动报警系统的建设完成，使七六一台模拟调频节目的四路信号源和空收节目进行音频实时比对，实现了信号不一致时进行实时语音报警，防止了音频信号有插播、错播和停播事故的发生，确保了广播信号的安全播出。
