廣播電視音頻信號防插播錯播預警系統構建研究

董　信

（大理人民廣播電臺，云南　大理　671000）

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廣播電視音頻信號防插播錯播預警系統構建研究

董信

（大理人民廣播電臺，云南大理671000）

摘要：文章結合云南大理的地形地貌特點及人口分布情況，從設計構思、總體結構、實現功能等方面介紹了云南大理防插播錯播音頻信號報警系統的整體運行流程，并在此基礎上分析了音頻信號等信號傳輸系統中信號分析與處理的具體方法，以及信號相似性判別的相關模型。

關鍵詞：防插播錯播音頻信號；能量相似度；相對誤差；能量度量法

衡量廣播電視音頻信號傳輸質量的基本指標為畫面清晰度及數據損失率。當前對音頻信號質量的檢測主要采用人工監視監聽及畫面切換的方法，在監測控制過程中該方法難免受到人為因素的影響，因此人工監測的精度和效率較低。為此本文結合云南大理的地形地貌特點及人口分布情況，在分析無線電信號特點的基礎上，提出了智能化防插播錯播音頻信號報警系統，從而提高整體音頻傳輸系統的工作性能。

1　系統設計及特點

無線電視廣播信號的傳播受地形、天氣等多種因素的影響，當地形為丘陵地帶時，無線信號的傳播將產生功率損耗，降低信號的傳輸質量。大理位于云貴高原和橫斷山脈的結合處，地貌復雜，多丘陵，因此其地形不利于信號的正常傳播，為此本文設計了防插播錯播音頻信號報警系統，該系統可有效的保證音頻信號的正常傳輸。

防插播錯播音頻報警系統利用數學模型對預傳輸兩路信號進行相關數據計算與處理，并在此基礎上通過智能技術分析、判斷整個系統的運行情況，從而達到技術水平的安全要求。系統整體功能為以下幾個部分：（1）停播報警：在兩路傳輸信號中，若發生信號傳輸中斷，報警系統則發出聲、光2種方式報警。（2）錯播報警：兩路信號源傳輸內容不同時，報警系統則進行相關管理動作，并發出聲、光2種方式報警。（3）插播報警：在兩路信號中，若信號傳輸夾雜噪音信號，報警系統則發出聲、光2種方式報警。（4）語音備查：信號源在傳輸過程中發生故障時，報警系統能夠自動將預傳輸信號源信息進行錄音保存，從而實現用戶的后續查詢。（5）自動信號同步：同一信號源音頻信號進行傳輸時，報警系統能夠降低不同傳輸通道中兩路信號的傳輸延時，實現信號傳輸的同步。

2　系統軟件構成及功能

報警系統的主要工作原理為：通過數學模型對信號進行分析，并利用信號的能量比與相似度判別傳輸的音頻信號是否發生錯播、插播或中斷等。此系統通過研發軟件，實現音頻信號的相關計算、分析、判斷等工作。該系統軟件如圖1所示，分為以下3部分：音頻信號同步及跟蹤操作、計算相似度及能量比、系統存檔及控制報警。

圖1　系統軟件結構圖

2.1音頻信號的同步及跟蹤操作

同源信號的傳輸分為同源傳輸通道和不同源傳輸通道，2種不同傳輸通道的信號存在時延，而無論傳輸通道相同與否時間漂移都會存在，且兩路信號的漂移往往不同。基于音頻信號的該傳輸特性，利用相關數據的分析計算，能夠使傳輸的兩路信號同步，并且傳輸過程中能夠進行同步點跟蹤，實現信號的正確判別。

2.2計算相似度及能量比

此模塊的主要任務是將欲傳輸音頻信號分幀、分段、加窗，且利用數學模型進行音頻信號的相似比及能量比計算，通過該模塊，系統具有抵抗底噪干擾與避免丟幀的功能。

2.3系統存檔及控制報警

此模塊依據上一模塊的相關計算結果及用戶自行設定的報警門限值判斷傳輸的音頻信號是否存在錯播、插播或中斷傳播等問題，若存在問題則會發出聲、光報警以提示相關工作人員進一步操作。

3　音頻信號特點分析

3.1音頻信號具有豐富傳輸內容且存在較大不確定性

音頻信號中不僅有音樂、語言等信號，還存在噪聲等，各種不同的內容在傳輸過程中不斷進行重疊與交替，且在傳輸時序中也無規律性。信號傳輸過程中，可能當前階段傳輸語言，下階段就變為音樂；也可能當前階段語音信號較平緩，下階段就變得比較抑揚頓挫。不確定性一直存在于音頻傳輸過程中，如圖2-4所示。圖2為純語言信號波形，圖3為純音樂波形，圖4為帶背景音樂的語音信號波形，且以上3種信號包含不同能量。

圖2　純語言信號波形

圖3　純音樂波形

圖4　帶背景音樂語音信號波形

3.2同源傳輸通道不同信號通道時序、相位可能不同

音頻傳輸易受到發送、接收裝置或傳輸媒介等各種因素干擾，體現為即使來自于同源信號，在傳輸通道不同的情況下時序及相位極為不同，表現為接受到的兩路信號間存在較大時延，如圖5所示。

圖5　信號不同衛星接收的信號圖

型號不同的設備、型號相同的兩臺設備甚至同一設備在不同時間或環境下，時延體現均不同。設備的每次重啟或復位操作都會影響信號時延及相位。

3.3兩路信號相位及時序臨時間斷及隨機、動態漂移

兩路信號相位及時序臨時間斷及隨機、動態漂移的產生受環境、時間等外界因素影響，如環境發生變化可引起同一臺設備參數變化，相位及時序發生漂移；編解碼設備、信號采樣及收發設備自身短暫延時或小概率丟幀也會對信號相位和時序造成影響，如圖6所示。

圖6　信號經過兩不同衛星接收數據的丟幀

3.4兩路信號干擾來自不同底噪

由于不同傳輸信道的信噪比不同，兩路音頻信號在不同信道傳輸時受到不同底噪干擾。若傳輸音頻信號的能量較強，底噪干擾表現不明顯；若傳輸音頻信號能量較弱，底噪干擾表現較強烈。

3.5兩路信號電平改變

由于各種影響，接收設備最后收到的信號電平會發生變化，外部表現為某一時間聲音較大，繼而聲音較小，存在著聲音強度大小變化。

4　音頻信號的技術處理

4.1信號分幀、分段、加窗

通過以上分析可知，接收端接收到的音頻信號各項參數（如相位等）及特性變化較大，且不確定性明顯，該過程為非平穩過程。盡管如此，音頻信號在小于30 nm時的特性穩定，此時由相同信號源發出的兩路信號短時自相關函數、短時過零率、短時平均幅度及短時能量等函數特性基本不變，此過程可看做是準平穩過程。由此特性，可將音頻信號分幀（0.5～2ms）操作以便進一步分析計算。將每幀音頻信號依照順序進行依次分析的操作為加窗，窗在信號上緩慢滑動實現分幀。窗在滑動過程中為保持幀的連續性，幀會產生交疊，交疊部分大多為窗長1/3或1/2，其目的為實現幀間的平滑過渡，降低同步過程影響。

窗的類別有矩形窗、漢明窗、漢寧窗等。對于該報警系統研究中信號分析處理部分，交疊部分采用矩形窗。矩形窗函數表達式如下：

音頻信號經分段處理，降低了系統數學模型的運算復雜度，實現了系統的實時性。信號分段較長可降低尺度突變干擾；分段較短報警響應速度得到改善，但由于小尺度突變的強烈干擾使得系統誤判率增加。經試驗，在分段方式介于1/3秒與1/2秒之間時，可較好地滿足報警響應與誤判率要求。

分段大小影響系統報警時間，系統只有分析完讀取的一段數據后，才能得知數據的完整性，若段的時間長，則會增大系統的計算量，從而使得報警時間變長。

信號分析過程中每幀的特征以幀的總能量與平均能量表征，幀總能量計算每段的能量比，段信號相似度以平均能量計算。若多段信號相似度累加值小于相應報警值或能量比的累加值大于相應報警值時，系統報警。相似度與能量報警值由實驗確定，能量報警值設置過低會降低系統識別率，過高則會提高誤判率，而相似度的報警值則相反。

4.2信號的初步同步

通常接收設備接收的兩路音頻信號有較大程度的時延，信號初步同步可保持同源不同信道信號初步同步。

4.3同步點的自動跟蹤和精度同步

4.3.1自動跟蹤

信號存在丟幀及漂移所導致的初步同步點失效的情況，該情況發生后，需系統采取一定應對措施自動跟蹤同步點；數據比較時出現的誤差也將導致系統誤判，此時同樣需自動跟蹤同步點。

4.3.2精確同步

分幀后的長度范圍之間，當信號強度較弱甚至靜音時，系統底噪的影響不可忽略。盡管經過加窗，未絕對同步造成的相似度的影響被降低，但未完全消除，此時便需信號精度同步。

幀同步點被找到后，在此點前后以一幀長度范圍內將一個采樣點作為循環單位確定起始點重新分幀，并與目標信號比較，經過此過程，可找到最大相似度點，即為精確同步點。初步同步與精確同步操作既可計算最精確相似度，又可實現系統實時響應目標。

4.3.3自動過濾低信號區域及自動保持相似度

傳輸的信號數據是否被篡改可通過計算能量比的方法綜合判斷。此算法在實際應用中能夠降低系統運行量，從而使系統的實時性得到保證。但信號強度較低區域因受到底噪干擾較大，即使傳輸數據未發生改變，其小尺度突變等特征表現較為強烈，可引發系統誤判。

因此比較每段信號前，都應計算不同信道傳輸信號的能量，若均低于日常實驗經驗值，則放棄此段信號，當前能量比值與相似度直接沿用上一段信號的計算結果。經此操作，降低了篡改信號的相似度，提高了正常信號的相似度，從而減少誤判，同時提高了系統的靈敏度及報警響應時間與識別率。

4.3.4自動過濾處理跳變點

實際應用中，盡管信號強度較大，但由于某一時間點的突變使得一段信號的能量與相似度受到很大程度影響，從而影響系統判別。若當前信號為篡改數據信號，則必然經過了較長時間累積，且該累積時間是連續的，此段數據的前后兩段數據應具有較差的相似度，此時可將前后兩段信號相似度計算的平均值來代替此段信號的相似度，改方法可較大程度上削弱小尺度突變的影響。

4.3.5信號相似性的判別模型

只有解決計算信號相似度問題，才可判別語音信號是否篡改，進而實現防插播錯播音頻信號的報警系統。信號經處理后才可進行相關計算工作，信號相似度的計算方法有傅里葉變換、信號的過零率等。傅里葉變換是一種較好的判別方法，但由于其較大的運算量且產生較多無用信息，難以實現較好的實時性。信號過零率的特點為其具有較高誤判的可能。為了避免上述兩缺點，本文利用相對誤差能量衡量信號數據的相似度，同時配合信號要求，較好的判斷信號是否經過了篡改。

5　結語

本文結合云南大理的地形地貌特點及人口分布情況，設計了防插播錯播音頻信號報警系統。文中介紹了該系統的設計特點及軟件構成，分析了音頻信號的特點，研究了音頻信號的處理技術。該技術可較好的處理音頻信號的插播錯播問題，提高了播出的可靠性、安全性，降低了監測值班人員的勞動強度，在實際應用中具有良好的效果。

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Radio and Television Audio Signal Protection Spots Construction and Research of Broadcast Warning System Fault

Dong Xin

Abstract：In this paper, Dali, Yunnan topography characteristic and population distribution, introduces Yunnan Dali anti spots wrong broadcast audio signal alarm process of the operation of the whole system from the aspect of design, the overall structure, the realization function, and based on this analysis the concrete methods for the analysis and processing of the signals of the audio signal such as signal transmission system, signal and similar discriminant model.

Key words：anti fault broadcast audio signal energy spots; similarity; relative error; energy measurement method

作者簡介：董信（1972-），男，云南大理。