基于4G通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字廣播系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)

摘 ?要：文章論述了一種基于多路音頻編解碼和數(shù)據(jù)加密技術(shù)，利用4G無(wú)線通信傳輸?shù)男滦蛿?shù)字廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)構(gòu)建了一套廣播收發(fā)終端和數(shù)字廣播播發(fā)平臺(tái)，可支持收發(fā)終端單獨(dú)進(jìn)行電話、短信、話筒、U盤(pán)、MP3文件等多路模擬和數(shù)字音頻的廣播，也可以利用數(shù)字廣播管理平臺(tái)下發(fā)音頻，通過(guò)4G通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)收發(fā)終端的音頻數(shù)據(jù)的接收、解碼和播放。該系統(tǒng)同時(shí)可支持上下級(jí)行政區(qū)域聯(lián)動(dòng)、分區(qū)廣播和定時(shí)廣播。

關(guān)鍵詞：音頻編解碼;數(shù)據(jù)加密;音頻收發(fā)控制;4G網(wǎng)絡(luò)通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TN934.4;TN929.5 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）23-0034-04

Research and Design of Digital Broadcast System Based on 4G Communication Network

WU Hao

（Fujian Newland Communication Science and Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou ?350003，China）

Abstract：This paper discusses the design of a new digital broadcasting system based on multi-channel audio CODEC and data encryption technology，which uses 4G wireless communication transmission. This design builds a set of radio receiving and sending terminal and digital radio broadcasting platform，which can support receiving and sending terminal independently broadcast for multi-channel analog and digital audio coming from telephone，SMS，microphone，U disk，MP3 files and so on，also can use digital broadcasting management platform to send audios，realize the receiving，decoding and playback of audio data from receiving and sending terminal through 4G communication network. At the same time，the system can support the linkage of the superior and subordinate administrative regions，regional broadcasting and timing broadcasting.

Keywords：audio CODEC;data encryption;audio receiving and sending control;4G network communication

0 ?引 ?言

自新冠肺炎疫情發(fā)生以來(lái)，應(yīng)急廣播對(duì)公共突發(fā)事件的宣導(dǎo)和預(yù)警作用日益被各級(jí)政府認(rèn)可。目前國(guó)內(nèi)的應(yīng)急廣播系統(tǒng)主要還是以FM調(diào)頻、數(shù)字地面電視DTMB、有線同軸DVB-C等單向無(wú)線廣播以及網(wǎng)絡(luò)寬帶等有線雙向廣播為主，存在安全性差、設(shè)備集成度低、功能單一、建設(shè)成本高、管理運(yùn)維難等缺陷。本公司十幾年來(lái)專注于我國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商和廣播電視行業(yè)的整體數(shù)字化改造，以無(wú)線射頻及嵌入式終端的核心技術(shù)為基礎(chǔ)，為客戶提供從平臺(tái)到終端的音視頻節(jié)目傳輸整體解決方案。作者作為公司廣播電視研發(fā)中心負(fù)責(zé)人，從現(xiàn)有的廣播系統(tǒng)制約因素入手，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于多路音頻編解碼和數(shù)據(jù)加密技術(shù)、利用4G無(wú)線通信傳輸?shù)男滦碗p向數(shù)字廣播系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了廣播系統(tǒng)的無(wú)線化、互聯(lián)網(wǎng)化、數(shù)字化。

1 ?整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于4G網(wǎng)絡(luò)的新型數(shù)字廣播系統(tǒng)，研究電話、短信、話筒、U盤(pán)、MP3文件等多路音頻模擬采集、音頻MPEG轉(zhuǎn)碼和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加密、多路網(wǎng)絡(luò)傳輸融合組網(wǎng)技術(shù)以及應(yīng)急廣播系統(tǒng)平臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的覆蓋、回傳及設(shè)備組網(wǎng)和聯(lián)動(dòng)。數(shù)字廣播系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)包括以下四個(gè)部分：數(shù)字廣播收發(fā)終端;音頻處理和數(shù)據(jù)加密;4G網(wǎng)絡(luò)傳輸;數(shù)字廣播管理平臺(tái)軟件、安全認(rèn)證、流媒體服務(wù)和數(shù)據(jù)庫(kù)。為提升后續(xù)系統(tǒng)運(yùn)維的效率，本設(shè)計(jì)研究了系統(tǒng)運(yùn)維軟件，可支持參數(shù)修改、日志回傳、升級(jí)等設(shè)備的遠(yuǎn)程管理。本設(shè)計(jì)遵循標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范和系統(tǒng)運(yùn)維設(shè)計(jì)規(guī)范，具體的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 ?硬件架構(gòu)

如圖2所示，本設(shè)計(jì)采用SI8000作為主控芯片，基于ARM架構(gòu)的Linux系統(tǒng)運(yùn)行軟件。本方案具備多個(gè)通道的音頻信號(hào)輸入：RCA1和RCA2，USB和MP3、4G模組、短信接入和電話語(yǔ)音接入、話筒等，并將這些模擬音頻信號(hào)送入音頻ADC。采樣芯片通過(guò)I2S接口將ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送至主CPU并編碼成AAC或MP3音頻格式。4G模塊具備USB接口、MIC語(yǔ)音接入接口，CPU通過(guò)MINI PCI-E接口對(duì)4G模塊進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)雙向傳輸。MIC接口則連接到文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音芯片的語(yǔ)音輸出接口，以實(shí)現(xiàn)電話呼入時(shí)的操作語(yǔ)音提示。本設(shè)計(jì)內(nèi)置100 W功放芯片，可連接音箱、功放機(jī)等設(shè)備。

3 ?軟件架構(gòu)

數(shù)字廣播收發(fā)終端基于嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，除了芯片驅(qū)動(dòng)、內(nèi)核系統(tǒng)、文件系統(tǒng)，還包含音頻編解碼、媒體數(shù)據(jù)收發(fā)、音頻數(shù)據(jù)加解密模塊等主要軟件模塊。數(shù)字廣播管理和運(yùn)維平臺(tái)基于Linux CENTOS7.5系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，采用主流的J2EE平臺(tái)設(shè)計(jì)。

3.1 ?音頻編解碼模塊

該模塊主要功能是將模擬采樣產(chǎn)生的PCM數(shù)據(jù)或U口接入的數(shù)字音頻文件通過(guò)模塊進(jìn)行編碼、轉(zhuǎn)碼產(chǎn)生不同比特率的AAC和MP3格式的音頻文件。它包含了用于各種音頻封裝格式的生成和解析nllibaformat庫(kù)和用于各種類(lèi)型聲音編解碼的nllibavcodec庫(kù)。通過(guò)指令nlmpeg-i origine-vn-ar 44100-ac 2-ab 192-f mp3 final.mp3，可將任意格式的音視頻文件編碼成新的MP3文件，其中44 100對(duì)應(yīng)的是重采樣率（單位：Hz）;192對(duì)應(yīng)的是比特率（單位：Kbps），可設(shè)置成32-320等多種不同值。

3.2 ?流媒體數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

該模塊主要功能是基于RTSP協(xié)議將音頻流推送給支持RTSP的流媒體服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)以RTSP協(xié)議封裝、解析和收發(fā)，支持廣播應(yīng)用。模塊提供restful api以及web hook接口，支持媒體流列表獲取，拉流和推流流媒體信息詳情查看;支持推流和拉流的上下行流量和連接客戶端數(shù)量等統(tǒng)計(jì);支持流媒體的實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)功能。

3.3 ?音頻數(shù)據(jù)加解密模塊

采用SM2國(guó)密算法和對(duì)稱算法的密鑰，對(duì)音頻流進(jìn)行加密，加密的密鑰和音頻流通過(guò)流媒體格式發(fā)送到收發(fā)終端，收發(fā)終端使用根證書(shū)對(duì)加密的公鑰進(jìn)行解密，用公鑰對(duì)加密的DES密鑰進(jìn)行解密，獲取密鑰后采用DES解密算法對(duì)音頻流進(jìn)行解密，播放音頻。收發(fā)終端存放1個(gè)根證書(shū)和10個(gè)SM2數(shù)字證書(shū)，證書(shū)定期從控制流中獲取更新。收發(fā)終端只有在解密校驗(yàn)音頻信息錯(cuò)誤后，才會(huì)使用最新的公鑰和數(shù)字證書(shū)。

3.4 ?數(shù)字廣播管理和運(yùn)維平臺(tái)軟件

基于Linux CENTOS7.5系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)平臺(tái)J2EE平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，整個(gè)網(wǎng)站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全可以進(jìn)行自定義配置和管理設(shè)備信息，具有良好的靈活性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器采用Tomcat;數(shù)據(jù)庫(kù)為Mysql 5.6，功能模塊包括安全認(rèn)證、流媒體服務(wù)、媒體制作播發(fā)、設(shè)備管理、系統(tǒng)運(yùn)維，整個(gè)管理系統(tǒng)易操作易維護(hù)。

4 ?基于4G網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)控制

4G通道收發(fā)控制單元是本設(shè)計(jì)的核心功能。4G模組通過(guò)USB-Serial連接主板，設(shè)備上電后Linux系統(tǒng)會(huì)依照配置的驅(qū)動(dòng)根據(jù)VID/PID，將模組作為RNDIS設(shè)備掛載，相關(guān)端口會(huì)出現(xiàn)在/sys/bus/usb-serial/drivers/option1/目錄下以ttyUSBx的形式掛載。并且系統(tǒng)會(huì)將該模組認(rèn)為usb0網(wǎng)卡。設(shè)備應(yīng)用程序檢測(cè)到/sys/bus/usb-serial/drivers/option1/出現(xiàn)ttyUSBx設(shè)備后，通過(guò)lsusb命令檢測(cè)其PID/VID，并確定其大致型號(hào)。根據(jù)型號(hào)選擇并打開(kāi)對(duì)應(yīng)AT口的ttyUSB，進(jìn)行后續(xù)AT指令的查詢與設(shè)置。通過(guò)socket（）與ioctl（）函數(shù)打開(kāi)模組網(wǎng)卡usb0，并使用busybox的udhcpc工具來(lái)從模組里自動(dòng)獲取ip。以上初始化流程結(jié)束后設(shè)備便正常注冊(cè)上4G網(wǎng)絡(luò)。

收發(fā)終端啟動(dòng)并注冊(cè)到4G網(wǎng)絡(luò)后，周期性發(fā)送設(shè)備心跳到管理平臺(tái)，同時(shí)內(nèi)置的廣播流媒體數(shù)據(jù)收發(fā)模塊對(duì)廣播信息進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)有語(yǔ)音電話接入，設(shè)備的AD采樣芯片按已設(shè)置的采用率進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，生成PCM數(shù)據(jù);當(dāng)有短信接入，設(shè)備的TTS芯片將文字轉(zhuǎn)成語(yǔ)音PCM數(shù)據(jù);當(dāng)有平臺(tái)音頻數(shù)據(jù)接入，流媒體數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行RTSP協(xié)議解析后，生成音頻流數(shù)據(jù);以上接入數(shù)據(jù)可單獨(dú)接入，也可以同時(shí)接入。接入的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到音頻編碼器模塊進(jìn)行編碼，生成AAC或MP3文件，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)加密（電話或者短信）和解密（平臺(tái)下發(fā)音頻），產(chǎn)生混合數(shù)字信息，控制單元根據(jù)收發(fā)終端已設(shè)置好的優(yōu)先級(jí)產(chǎn)生通過(guò)輸出指令，可同步輸出到音頻平衡/非平衡、功放兩種模擬輸出通道，同時(shí)生成攜帶不同收發(fā)終端區(qū)域信息的RTSP流媒體數(shù)據(jù)，發(fā)送到流媒體收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)和廣播。通過(guò)以上流程，可實(shí)現(xiàn)基于4G網(wǎng)絡(luò)的多通道接入和多設(shè)備的分組、分區(qū)廣播，詳細(xì)流程如圖3所示。

5 ?系統(tǒng)調(diào)試和成果展示

5.1 ?數(shù)字廣播系統(tǒng)功能調(diào)試和性能測(cè)試

本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)以上的軟硬件模塊開(kāi)發(fā)后，進(jìn)行了基于4G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的收發(fā)終端和平臺(tái)廣播開(kāi)停播、電話和短信廣播、分組定時(shí)廣播等功能調(diào)試，輸出音質(zhì)清晰、流暢。同時(shí)針對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)不同信號(hào)強(qiáng)度的通信環(huán)境，在不同音頻比特率的MP3音頻格式條件下，測(cè)試收發(fā)終端的4G信號(hào)接收門(mén)限，確保音頻接收和解碼輸出的清晰流暢。以下是本系統(tǒng)的主要的功能和性能測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示。

5.2 ?收發(fā)終端實(shí)物展示

收發(fā)終端的內(nèi)部模塊如圖4所示，采用工業(yè)級(jí)開(kāi)關(guān)電源，支持次級(jí)短路保護(hù)，具備防護(hù)外殼，保證設(shè)備的穩(wěn)定與可靠性。電源及輸出端有防雷器件，4G模塊和功放采用模塊化設(shè)計(jì)，故障時(shí)易于更換，核心電路板三防漆處理，設(shè)備具有接地端子。

收發(fā)終端的外部硬件接口如圖5所示，包含4G天線SMA接口、USB、RCA模擬音頻輸出、SIM卡槽、外置喇叭接線柱、工作狀態(tài)指示燈、音量旋鈕等接口，設(shè)備倒掛安裝，使用抱箍等配件固定。

收發(fā)終端采用全鋁合金柱形機(jī)箱，接線全在機(jī)箱底部，箱體金屬部分噴粉防腐設(shè)計(jì)，機(jī)箱顏色有灰色和白色可選。如圖6所示是收發(fā)終端的正面圖。

5.3 ?管理平臺(tái)頁(yè)面展示

數(shù)字廣播系統(tǒng)平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，可以通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程安全登錄管理和信息的展示。如圖7所示，管理平臺(tái)采用倒L形菜單結(jié)構(gòu)，包含設(shè)備管理、節(jié)目制作、廣播管理、運(yùn)維管理等子模塊，設(shè)備管理頁(yè)面展示設(shè)備狀態(tài)、更新時(shí)間、當(dāng)前節(jié)目信號(hào)強(qiáng)度以及設(shè)備功放的電壓電流值。

5.4 ?相關(guān)技術(shù)的成功案例

目前該系統(tǒng)借助于電信、廣電網(wǎng)絡(luò)等運(yùn)營(yíng)商云服務(wù)平臺(tái)，已在包括福建在內(nèi)的全國(guó)二十多個(gè)縣市的農(nóng)村、景區(qū)、學(xué)校等地批量商用，日常播放平安三率、黨建知識(shí)、文明創(chuàng)城等各類(lèi)“平戰(zhàn)結(jié)合”的宣傳，應(yīng)急接入新冠疫情、森林防火、洪災(zāi)備災(zāi)等突發(fā)事件的播報(bào)。如圖8所示是數(shù)字廣播系統(tǒng)主頁(yè)，可顯示系統(tǒng)設(shè)備在線數(shù)量和實(shí)時(shí)播放任務(wù)數(shù)量。

6 ?結(jié) ?論

本設(shè)計(jì)分析了基于4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字廣播市場(chǎng)需求和整體方案，描述了收發(fā)終端的硬件原理設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了基于Linux系統(tǒng)的嵌入式收發(fā)終端的軟件模塊和平臺(tái)管理運(yùn)維軟件，并對(duì)以上設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證和不同4G信號(hào)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下性能測(cè)試。該系統(tǒng)組網(wǎng)簡(jiǎn)單、部署快、管理便捷、廣播形式多樣，可廣泛應(yīng)用于美麗鄉(xiāng)村、城市建設(shè)、交通、學(xué)校、景區(qū)等場(chǎng)所。

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作者簡(jiǎn)介：吳好（1981—），男，漢族，福建福州人，工程師，研究生，主要研究方向：通信技術(shù)研究、廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。