基于FPGA的應急廣播適配器設計與實現

（廣西廣播電視技術中心）

引言

應急廣播作為政府現代化治理體系當中應急管理的重要手段，日益得到世界各國和國際組織的廣泛關注，已成為傳統廣播開拓功能的新亮點、服務社會的新方式。中國是自然災害高發的國家，在面臨突發災害時,中央和地方政府利用廣播在及時傳達政令、發布權威信息、引導社會輿論、積極協助救災等方面，都發揮了不可替代的作用。抓緊推進國家應急廣播體系的建設完善，已成為提高我國國家治理水平、加強政府提供基本公共服務保障能力的必要途徑，對于提升我國對重大突發公共事件的應急處置能力和水平、減少人民群眾生命財產損失、維護社會穩定，具有十分重大的意義。

在廣西全區建立完善的應急廣播體系，可以有效發揮廣播對地震、山洪等自然災害的應急預警作用，也是黨和國家進行政務信息發布和決策宣講的便捷手段，對加快廣西全區應急廣播建設實踐步伐，早日建成統一聯動、安全可靠的應急廣播體系、提高政府公共服務能力具有重要的作用! 多通道應急廣播適配器，作為廣西應急廣播系統傳輸鏈路的核心設備，實現了對上級應急平臺下發的應急廣播發布需求進行適配，信息轉發，接收驗證等功能，實現應急節目解碼和自動切換播發，對全區應急廣播系統起到非常重要的作用。

1 整體應用方案架構

圖1 多通道應急廣播適配器在廣西應急廣播系統中的應用

如圖1所示，廣西全區應急廣播系統根據廣西廣播電視無線發射遠程自動控制系統技術特點，采用省級應急廣播平臺直接控制，市縣級應急廣播平臺發布需求混入傳輸，遠程自動監控系統反饋狀態方式。應急廣播調度控制指令信號和應急廣播聲音信號與原正常廣播節目信號復用后由省級應急廣播平臺發出，通過全區廣播電視信號源網傳輸通道傳送到廣西全區行政村委的多通道應急廣播適配器，由適配器進行解析并執行指令，通過調頻方式控制接收終端。

多通道應急廣播適配器分析節目流及以TS流幀格式封裝的調度控制指令流，解碼出應急廣播節目音頻并切換至發射機進行應急播出，播出狀態通過遠程監控系統傳回各級應急廣播平臺進行實時監控，確保播出安全。多模公共接收終端接收到應急廣播節目以及尋址控制信息，并根據尋址控制信息進行驗證和匹配后應急廣播。

2 硬件設計及實現

多通道應急廣播適配控制器硬件設計，主要分為核心主板和LCD液晶顯示及按鍵板，設備所有輸入輸出信號均由核心主板連接至機箱后面板相關接口。主板原理圖如圖2所示。

多通道應急廣播適配控制器主板主要由FM(帶RDS)調頻接收電路，DTMB射頻信道調諧解調電路、衛星射頻信道調諧解調電路、IP轉TS流電路、TS流串行轉并行電路、FPGA數字信號處理電路、ARM單片機控制電路、音頻解碼電路、以太網通信電路、音頻驅動及濾波電路等構成。

設計原理：上級應急廣播平臺通過廣西廣播電視信號源網下發的多種模式信號進入多通道應急廣播適配控制器。其中DTMB射頻信號和衛星射頻信號各自經過調諧與解調，輸出并行的8位TS流信號到FPGA；IP轉TS模塊將以IP格式封裝的數據轉換為TS流幀格式輸出到FPGA；通過有線傳輸的TS流數據也通過ASI接口經過串并轉換編碼后輸出到FPGA；帶RDS的調頻接收模塊接收其他信息發布平臺發布的無線調頻信號，輸出立體聲音頻，并通過IIC總線將接收到的RDS分組數據傳輸至FPGA。FPGA是整個設備數據處理的核心，對多種模式傳入的數據進行解析解復用，對應急廣播控制指令進行解密、校驗和優先級處理。采用比較判別邏輯解析尋址信息并根據信息進行應急廣播聲音解碼，同時發送上級各種指令數據到ARM主控模塊進行RDS基帶編碼。ARM主控模塊將編碼好的RDS數據通過UDP協議報文格式輸出，并切換應急廣播信號源至發射機進行播出。整體實現上級平臺應急廣播聲音和應急廣播控制指令通過一種或多種模式進入多通道應急廣播適配器，都可以根據尋址信息控制本級發射臺站進行應急廣播的目的。

圖2 多通道應急廣播適配器主板原理圖

3 FPGA軟件設計及實現

FPGA是多通道應急廣播適配器信號處理的核心，主要完成應急廣播聲音的解復用、解析和上級應急廣播平臺下發的調度控制指令的執行、信息流轉等功能。

3.1 TS流優先級處理

應急廣播適配器實現對應急廣播消息和調度控制指令進行優先級處理，輸入通道間設置優先級，不同等級上級平臺下發的數據亦對應設置優先級，包括鄉鎮和行政村的發布需求。應急廣播指令要求，包括指令標識，指令類型，指令來源對象，指令目標對象，指令時間戳，關聯指令標識，業務數據內容。應急廣播適配接入上述內容的碼流，首先進行身份驗證和管理，然后進行格式和完整性校驗，對信息進行解析和存儲，采用遞歸算法實現資源和需求的有效調度。最后根據優先級處理決定是否發布，如果可以發布則根據事件級別選擇發布模式以及資源調度策略，生成發布控制調度方案進行應急廣播。

3.2 應急廣播控制命令解析及轉發

多通道應急廣播適配器采用多模輸入的方式，這樣更能適合廣西全區廣播電視無線覆蓋的實際情況。FPGA對多種輸入的信號碼流進行解析解復用處理，每個節目流以其在TS包中的PID字段來區分。FPGA將接收到的每一個TS包（188字節與204字節自適應）先送入一個由FPGA內置RAM組成的緩沖區，然后進行解包，解析出每一個包的PID號、PAT表、PMT表等信息進行存儲并傳送給ARM單片機主控處理，FPGA再通過比較判別算法提取用戶想要輸出的TS包送至FPGA指定的端口輸出，未被選擇的TS包將被拋棄。應急廣播控制命令的解析也在FPGA中完成，一旦接收到上級平臺下發的控制命令，則進行消息解密處理，優先級判斷，播發資源調度等操作。

多通道應急廣播適配器對每一個模塊輸入的TS流數據進行解壓縮、解包，解出原始音頻PES流及其他同步控制和數據信息，存儲到外部DDR3 SDRAM存儲器上。解碼芯片通過MEPG-1/2編碼格式的音頻硬解碼再將各種數據信息還原成完整的音頻信號。數字音頻信號經過解碼芯片內置高精度D/A模塊轉換和外置功放放大后輸出左右聲道音頻信號。多通道應急廣播適配器目前設計為兩路音頻信號的獨立解碼，其中一路為信源監測用，另一路為應急廣播聲音解碼輸出。多種輸入方式中任意一種均可實現獨立的兩路音頻解碼輸出，完全滿足臺站實際使用需求。

3.3 FPGA解碼流復用

多通道應急廣播適配器采用高性能FPGA實現碼流信號的解析、解復用。使用FPGA片上RAM創建一個FIFO接收模塊。此模塊為FIFO緩沖區，包括兩個4字節的緩沖區，用于取出信息包的PID號并將取得的PID號送入PID表控制模塊，以便FPGA將其與用戶選中的PID號相比較，根據情況以決定存儲或丟棄。

使用FPGA實現傳輸流解復用器。FPGA內部模塊有信道接口、信道FIFO、PID處理器、PID后處理器、內部音視頻接口和節目時鐘提取電路等組成。其中信道接口提供自動傳輸包同步字節檢測，及實現同步鎖定與未鎖定的具有可編程延遲時間的滯后機構。一旦建立同步，信道接口就通過信道FIFO將完整的傳輸包傳輸到PID處理器。信道接口還檢查傳輸包的完整性，指示傳輸錯誤等。最終輸出兩路路經過分離和篩選的TS流，送至解碼模塊。

4 控制軟件設計及實現

主控模塊采用一片32位的ARM單片機STM32F103VET6作為整個設備的控制、數據采集和通信處理核心。主控模塊遠程可管可控并向上級應急廣播平臺返回播控狀態數據，實現RDS標準格式編碼并通過DUP報文方式流轉數據到下一級設備。

ARM主控還可與FPGA實時通訊，監控并獲取FPGA的運行參數，同時對外提供遠程監控接口。在遠程監控接口上，提供上位機應用通訊方式及嵌入式WEB通訊方式。大大簡化了配置工作。上位機界面如圖3所示。

此外，多通道應急廣播適配器顯示面板使用LCD液晶屏，中英文菜單可切換顯示，配置菜單清晰。控制使用飛梭操作設計，使用流暢，簡潔。實物如圖4所示。

5 推廣及應用

自主研發的應急廣播適配器目前已用于我國國家應急廣播中心和廣西新聞出版廣電局聯合開展的應急廣播發布實驗，并在廣西崇左市江州區瀨湍鎮及該鎮所屬多個行政村實際安裝使用，運行正常，取得良好的效果。

2016年已應用于國家“百縣萬村示范工程” 廣西306個示范行政村器材配置工程，截止目前均已經全部安裝完成投入使用，村委用戶反應良好。

隨著國家及地方應急廣播工程的推進，今后廣西一萬四千多個行政村及廣西廣播電視部分無線發射臺站將都需要配備多通道應急廣播適配器，需求數量將非常龐大，將會產生巨大的經濟效益和社會效益。

6 結語

應急廣播建設是整個廣電系統的事業,更是各級政府部門和社會各界共同的事業。結合廣西全區廣播電視覆蓋特點及優勢,積極推動全區應急廣播體系建設,研究和處理好應急廣播預警信息發布機制和安全播出問題,才能真正發揮應急廣播的作用。自主研發的多通道應急廣播適配控制器是廣西應急廣播建設的核心信息流轉及控制設備，對加快廣西全區應急廣播建設實踐步伐，早日建成統一聯動、安全可靠的應急廣播體系、提高政府公共服務能力具有重要的作用!

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圖3 多通道應急廣播適配器WEB上位機軟件

圖4 多通道應急廣播適配器實物圖