電臺節目質量監測評價系統設計

萬洋

摘 要 隨著數字化、網絡化制播技術的發展，我國廣播電臺正在經歷大規模的數字化和網絡化改造。在數字化、網絡化制播環境下，電臺節目的質量如何進行監測與評價成為亟待解決的問題。在此情況下國家新聞出版廣電總局制訂了《電臺節目制播質量監測技術規范》對數字化、網絡化、文件化后的節目質量監測相關技術進行了規范和定義。有了規范之后，各電臺需要開展相應的系統建設，那么如何依據規范進行具體的節目質量評價呢？本文中研究和設計了一種具體的實施方案，并建設了一個實驗平臺進行試驗。本文的研究會給其他電臺搭建類似的節目質量評價系統的建設提供借鑒和樣板，具有很好的示范意義。

關鍵詞 數字化；音頻信號；監測

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）183-0065-05

1 研究的內容和意義

隨著電臺數字化、網絡化進程的推進，在整個電臺的播控和傳輸環節中，AES數字化信號傳輸成為主流配置。在AES傳輸鏈路中，因為大量的音頻分配器、音頻處理器、音頻延時器等設備的存在，AES信號的狀態常常會發生很多變化，例如載波電壓峰峰值（Vpp）的衰減、傳輸阻抗失配導致的數字信號抖動，AES狀態位變化等。這些變化常常會導致系統間各設備AES連接失配，輕則導致音頻指標變差，重則導致系統不穩定甚至停播。因此對AES/EBU、MADI信號的基帶及載波信號進行監測就成了廣播電臺迫切要做的事情。

本文對音頻域的信號質量評價做了一定的研究，在研究平臺中采用的數字信號質量監測儀是具有網絡接口的在線AES信號質量監測儀。它可以像示波器一樣插入到系統的各個節點中，實時監測各節點的AES載波及基帶信號質量，分析眼圖、抖動、狀態、音頻電平、相位以及音頻頻譜分析等參數。配合上層管理軟件可以實現實時、定時系統巡檢，自動掃描各關鍵節點，并準確定位故障點、判斷故障類型。系統檢測完成后還可以自動生成技檢報告，實現系統的自動檢測、自動報告。從而節約大量的人力物力，提高電臺技檢的自動化水平，大幅提升工作效率。

2 《電臺節目制播質量監測技術規范》簡介

《電臺節目制播質量監測技術規范》中規定了主要規定的內容包括：

1）音頻信號質量的監測，如電平過低、反相、聲道缺失等。

2）數字基帶傳輸音頻信號的監測，如AES信號的載波電壓、失鎖、有效位等，并對多通道數字信號MADI信號中的有效標志、峰值電壓等進行了規定。

3）基于計算機網絡環境的音頻文件質量監測如：文件格式、文件幀結構、比特率合法性、文件傳輸完整性等。

4）網絡傳輸音頻信號的網絡和音頻信號的質量監測如：延時、丟包率、失真等。

3 監測系統平臺設計

本實驗平臺將《電臺節目制播質量監測技術規范》中所規定的音頻質量指標和參數作為主要測量對象，主要包含如下測量參數：

1）音頻信號幅度、相位進行測量和評價。

2）音頻總諧波失真加噪聲指標測量。

3）數字音頻載波信號測量，如眼圖、抖動等信息。

4）網絡化傳輸后音頻延時測量。

5）對音頻文件進行播出后，對音頻幅度、相位及總諧波失真加噪聲測量。

6）對三層交換機的網絡延時等參數進行測量。

3.1 總體設計及說明

在整個實驗平臺中，調音臺是進行信號播放的中心，本文調音臺的測試音源使用的是測試樣本信號發生器（PowerEditor）產生的測試樣本信號，以及專業音頻測試儀（AudioPrecsion）產生的測試樣本信號。

矩陣輸出直接送入分析對比站，進行音頻文件比對，評價音頻編解碼、光纖傳輸后的音頻質量監測和評價。

另外，矩陣輸出信號分別送入網絡傳輸設備，網絡音頻信號通過三層網絡交換機之后在接收端進行輸出。輸出之后的音頻信號與矩陣的直接輸出信號會進入音頻質量信號監測和評價設備進行比對和監測。第一種設備是在線數字基帶信號質量監測設備，第二種設備是離線專業音頻測試儀AP2722，第三種設備是比對工作站。

3.2 數字基帶監測系統

AES基帶信號監測有多種方法，例如通過測量固有抖動（instrinct jitter）、上升沿時間、下降沿時間、載波電壓等參數就可以表述AES基帶信號的質量。然而測量AES基帶信號最直接的方法還是測量它的眼圖，通過眼圖可以直觀、清楚地看到AES信號的畸變、抖動以及衰減情況。

本系統中采用了在線AES數字信號質量監測儀（本節內簡稱“監測儀”）進行數字信號質量的監測和評價，它能夠實時測量AES信號的眼圖、抖動、載波電壓，AES通道狀態數據、音頻幅度和相位以及音頻頻譜等參數，同時可以通過網絡實現在PC機、筆記本電腦或平板電腦上實時觀測監測結果。與專業音頻測試儀相比，監測儀雖然測量指標相對較少，但體現出了較好的實時性和網絡化監測的優勢。在本實驗平臺中，我們將使用監測儀和AP2722一起完成專業音頻信號的基帶信號質量、音頻幅度和相位以及總諧波失真加噪聲以及頻譜分析等參數的測量和評價。

4 監測和評價方法

4.1 數字音頻基帶信號質量測量原理

4.1.1 眼圖成像原理

采用現代數字信號測量技術，實際設計中采用一次觸發，可捕獲一組連續的比特位的信號，然后根據信號頻率對捕獲到的信號按比特位切割，切割一次，疊加一次，最終將捕獲到的一組數據的每個比特位都疊加到眼圖上。具體步驟如下：

1）首先根據音頻信號的采樣率FS及信號頻率、顯示要求、屏幕分辨率粗略計算出眼圖的相關顯示參數：例如fs為100M，即采樣間距Ts為10ns；當信號頻率為6.144M時，根據顯示要求1.25UI（101.7ns取100ns），屏幕橫軸顯示分辨率500點，相鄰像素點間的時間寬度Tp為0.2ns。

2）根據參數將采樣點放在合適的位置，放置時需要按照采樣周期進行初始位置偏移。

4.1.2 抖動測量原理

根據成像后的眼圖，將圖像向橫軸投影進行點數累計疊加，找到上升沿和下降沿的交叉點，然后在投影軸上計算寬度，算出jitter值。

4.1.3 上升沿和下降沿的測量原理

根據樣本采樣值，找到10%～90%峰峰值電壓之間的點，計算該區域時間寬度，得到上升沿和下降沿時間。

4.1.4 Vpp測量

根據ADC高速采樣值，找出最大值或平均值，直接得出Vpp值。

4.2 AES狀態信息測量顯示

4.2.1 AES時鐘鎖定狀態檢測

采用專業AES接收芯片進行時鐘鎖定檢測，AES/EBU解碼端是否可以從串行信號中恢復出采樣時鐘，處理器讀取寄存器狀態，并檢測失鎖報警輸出引腳狀態，判斷時鐘是否鎖定。

監測方法是直接讀取AES信號的通道狀態數據，這個數據是AES解碼芯片寫入的。

數字音頻信號通道狀態數據的0字節的比特5為“0”則表明取樣源頻率鎖定，為“1”則表明取樣源頻率未鎖定。

4.2.2 雙相編碼狀態檢測

AES采用雙相標記碼來傳輸數據，提高傳輸準確度、降低直流分量、恢復時鐘。如果AES 解碼芯片無法正確對雙相標記碼解碼，將在通道狀態數據中寫Biphase狀態位。

讀取AES狀態數據中的Biphase位，如果為錯誤狀態，則需檢查是否是AES信號，并進一步檢查AES基帶信號質量，如抖動、上升下降時間等，可依靠眼圖檢測來判斷。奇偶校驗。

4.2.3 奇偶校驗位檢測

AES/EBU及MADI標準作為串行數據傳輸技術，對傳輸數據都有奇偶校驗值，接收電路再次計算校驗值并與串行信號中攜帶的原始校驗值比較，即可知道奇偶校驗是否正確。檢測方法是通過讀取AES基帶解碼芯片里的對應PARITY位來判斷。

4.2.4 循環冗余校驗（CRC）檢測

AES/EBU及MADI的串行數據中包含循環校驗碼，用于校驗傳輸過程中是否出現誤碼。當CRC校驗失敗，即表明該段數據有誤碼。檢測方法是直接讀取AES/EBU解碼芯片中對應寄存器內容判斷。

4.2.5 有效標志（Validity）檢測

AES規范中標準音頻采樣碼可以轉換為模擬音頻信號的標記。當AES編碼端認為信號不是合適的音頻信號時就將該有效標記設置為flase，解碼端根據該有效位就可以不用音頻輸入進行信號輸出，避免了輸出噪聲。檢測方法是直接讀取AES/ EBU解碼芯片中的對應寄存器內容。

對于AES/EBU而言就是輸出信號的電平峰峰值。當峰峰值超過允許范圍，將導致無法解碼。按AES3-2003標準，應該在200mVpp到7Vpp之間。

4.3 音頻域信號測量

4.3.1 音頻電平測量原理

在計算周期內，對左右聲道采樣點尋找最大值，獲得音頻電平的峰峰值。

4.3.2 相位測量原理

通過大量的統計發現相關系數與相位之間存在著某種雖然不精確、但卻具有相應的、表征其特性的近似關系。因此，本系統采用相關系數計算方法來計算左右聲道之間的相位關系。

反相檢測原理如下，左聲道pcm值以x表示，右聲道值以y表示，在n次采樣中的每次左右聲道信號pcm值分別表示為x（n），y（n），則這n次采樣的相關系數計算公式為：

對左右聲道的序列進行相關系數計算，并根據系數閾值和持續時間閾值來判斷是否反相，如果為MPEG壓縮文件則先將MPEG1 L2或L3文件解碼為16位PCM原始數據。

4.4 音頻網絡延時測量方法

在音頻網絡化傳輸延時測量系統中使用專門的音頻對比分析工作站系統和波形發生器軟件。

波形發生器軟件可生成多軌可調節參數的正弦，三角，矩形等相關的測試波形，可調節的波形參數包括采樣率，電平，頻率等。

音頻對比工作站可以通過音頻波形分析等獨有的監測技術，配合專業音頻信號發生器一起完成高精度的網絡音頻延時測量，測量精度1ms。

分析對比工作站使用專業聲卡進行音頻信號采集，為了有效克服聲卡啟動、關閉以及通道帶來的固有延時和誤差，我們采用了雙通道時間差法，通過獨特的測試序列，完成音頻網絡延時測試。具體步驟如表1。

4.5 音頻質量測試方法

THD+N：總諧波失真加噪聲，用以表征波形畸變程度和噪聲大小情況。測量原理是將去除了基波分量之后的信號均方根能量與全部信號的均方根能量之比。本系統中的測量方法是直接采用音頻測試儀AP2722。測試路徑是首先使用AP2722產生標準測試信號經過調音臺網絡音頻信號輸出后，進入AP2722分析儀，測量音頻幅度、相位以及THD+N參數。

4.6 文件質量監測方法

對經過編碼、存儲、光纖傳輸、解碼之后的音頻文件進行文件完整性檢查、文件格式檢查。對文件里的音頻幅度、相位進行計算和檢查，觀測結果是否發生變化。軟件可以自動根據用戶設置的參數對文件進行分析，對不合格的文件進行剔除并給出告警提示。

完整性檢查方法是逐幀檢測：

MPEG1 Layer2文件按每768字節逐個分析每一幀幀頭信息，MPEG1 Layer3文件逐個分析每一幀幀頭信息，幀長度根據幀頭計算。檢測到有不完整的幀就進行數據告警。同時進行文件冗余校驗檢查，判斷文件的完整性。

比特率檢測：

根據每幀幀頭信息進行分析，要求MP2時比特率不小于256kbps，MP3時比特率不小于128Kbps。

文件合法性檢測：

比較文件擴展名，文件頭信息，并進行逐幀檢查。只允許三者一致且為mp2或mp3的文件通過，任何篡改或者其他文件不允許通過。

采樣精度檢測：

檢測采樣頻率和量化精度，要求采樣率大于等于44.1Khz，小于等于192Khz。量化精度大于等于16bit，小于等于32bit。

5 結論

1）通過音頻測試樣本產生器Powereditor和分析對比軟，對經過錄制、編碼、轉碼、多倍速傳輸、解碼、播放等制播環節之后的音頻節目質量進行了測試和評價。

2）通過AP2722專業音頻信號產生器和數字信號質量監測儀對數字化、網絡化之后的數字音頻信號進行了眼圖、抖動、基帶信號電平、AES通道狀態數據、音頻電平、相位、頻譜等關系音頻節目質量的參數進行了測量和評價。

3）通過AP2722音頻信號產生器和音頻分析

傳播創新研究對比工作站，對三層網絡交換機的延時，經過網絡傳輸協議傳輸后的音頻傳輸延時參數進行了測量和評價。

通過本文的音頻節目制播質量監測和評價平臺的設計和實際測試，我們驗證了音頻節目質量監測的方法、技術，建立了一套較為全面和完整的音頻節目播出質量監測和評價平臺和技術。該平臺和方法較好地契合了225-GYT 275-2013《電臺節目制播質量監測技術規范》。可以為我國各級廣播電臺建立自己的節目質量監測和評價平臺提供借鑒和樣板，具有很好的示范意義。

參考文獻

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