基于短波通信的應(yīng)急廣播模式

黃紅偉

（廣西廣播電視監(jiān)測(cè)中心，廣西 南寧 530000）

1 應(yīng)急廣播無(wú)線傳輸現(xiàn)狀

目前，在應(yīng)急廣播系統(tǒng)中，應(yīng)急消息的無(wú)線發(fā)布主要基于調(diào)頻廣播（FM/RDS）、移通通信（4G）、地面數(shù)字電視（DTMB）、衛(wèi)星通信以及中短波廣播。除衛(wèi)星通信和中短波廣播外，其他通信方式均需要一定數(shù)量、分布廣的中繼基站，因此建設(shè)和維護(hù)成本高，且中間環(huán)節(jié)多，可靠性難以保證。短波通信通過(guò)電離層反射進(jìn)行通信，相比于其他方式，短波通信具有收發(fā)設(shè)備簡(jiǎn)便、建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本低廉以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，其充分利用了電波在電離層的反射傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，具有傳輸距離遠(yuǎn)和不易被摧毀 的優(yōu)勢(shì)[1]。

短波通信的信號(hào)傳輸質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、集成電路微處理器技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展不斷提高。新技術(shù)的應(yīng)用不斷推動(dòng)著短波通信技術(shù)的發(fā)展，使得在短波信道上進(jìn)行數(shù)字圖文傳輸、音頻信號(hào)傳輸、視頻信號(hào)傳輸、高速數(shù)據(jù)傳輸以及應(yīng)急廣播信息傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)變得更加易于實(shí)現(xiàn)。

短波通信具有頻帶窄的特點(diǎn)，其通信頻帶僅為3～30 MHz，同時(shí)，短波通過(guò)電離層反射進(jìn)行傳輸，存在通信信號(hào)穩(wěn)定性差、碼間串?dāng)_以及時(shí)色散時(shí)變性大等缺點(diǎn)。目前普遍使用的信源和信道編碼技術(shù)已不能適應(yīng)高質(zhì)量數(shù)字通信的要求[2]。高質(zhì)量的短波數(shù)字通信需要更新的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如在短波信號(hào)傳輸?shù)男旁淳幋a過(guò)程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，在信道編碼過(guò)程中采用短波正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)等新技術(shù)。

2 基于短波正交頻分復(fù)用技術(shù)的原理

基于短波正交頻分復(fù)用技術(shù)的主要原理是在頻域內(nèi)將所給短波頻段的信道分成多個(gè)子信道，同時(shí)保證任意兩個(gè)子信道均具有正交性，將高速率的待傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速率信號(hào)，并在每個(gè)子信道上使用相應(yīng)的子載波對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）將各子信道合并，進(jìn)一步處理后經(jīng)天線發(fā)射。接收端處理的方法相反。OFDM傳輸原理如圖1所示。在頻域內(nèi)將所給信道分成多個(gè)子信道，每個(gè)子信道所占帶寬相對(duì)較小，為窄帶傳輸，這樣即可保證每個(gè)子信道頻率響應(yīng)相對(duì)平坦，信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，從而消除符號(hào)間干擾[3]。

圖1 OFDM傳輸原理

設(shè)OFDM系統(tǒng)有N個(gè)子信道，各子信道的子載波為：

式中：Bk為第k路子載波的振幅；fk為第k路子載波的頻率；φk為第k路子載波的初始相位，則N路子信號(hào)之和為：

式（2）還可以寫(xiě)成復(fù)數(shù)形式：

式（3）中，Bk是一個(gè)復(fù)數(shù)，為第k路子信道的復(fù)輸入數(shù)據(jù)。

正交頻分復(fù)用（OFDM）相對(duì)于單載波和非正交頻分復(fù)用方式具有如下優(yōu)勢(shì)。

（1）抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。電波在傳輸?shù)倪^(guò)程中，接收端會(huì)收到經(jīng)過(guò)折射、反射及散射等途徑到達(dá)的信號(hào)。不同路徑的信號(hào)會(huì)有不同的時(shí)延，從而相互疊加，產(chǎn)生干擾，造成頻率選擇性衰落。OFDM系統(tǒng)經(jīng)FFT變換，在頻域上將信道劃分成多個(gè)子信道，由于每個(gè)子信道占用的頻帶較窄，在該子信道內(nèi)頻率響應(yīng)的衰落是平坦的，與頻率無(wú)關(guān)，因此OFDM系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落能力。

（2）具有較高的頻譜利用率。由于OFDM系統(tǒng)各個(gè)子載波之間是正交調(diào)制，OFDM的子載波正交復(fù)用技術(shù)大大提高了頻帶利用率。

（3）實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展，在電路上實(shí)現(xiàn)OFDM變得越來(lái)越便捷。

（4）滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸要求。在利用現(xiàn)有頻率帶寬及不改變發(fā)射功率的前提下，應(yīng)用MIMO多天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，即可大幅度提高信道容量，滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸要求。

3 短波應(yīng)急廣播適配器

在應(yīng)急廣播系統(tǒng)中，應(yīng)急廣播適配器是核心設(shè)備。它接收來(lái)自上級(jí)的指令并解釋，經(jīng)處理后放大輸出到大喇叭。因此它具備自動(dòng)接收、適配及播發(fā)上級(jí)平臺(tái)應(yīng)急廣播消息的功能；支持短波/FM/DTMB/DVB-C/IP/4G多模接收，支持文轉(zhuǎn)語(yǔ)功能，整機(jī)模塊化設(shè)計(jì)[4]。應(yīng)急廣播適配器接口如圖2所示。

圖2 應(yīng)急廣播適配器接口

應(yīng)急廣播系統(tǒng)中，適配器作為具有適配轉(zhuǎn)發(fā)上下鏈路功能的中間連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急信息指令和應(yīng)急音頻不同方式的解析、封裝及按需輸出。應(yīng)急廣播適配器的功能如圖3所示。

圖3 應(yīng)急廣播適配器功能

3.1 安全認(rèn)證防范功能

應(yīng)急廣播適配器具備完善的抗干擾、防插播及防盜播等安全播出技術(shù)措施，確保系統(tǒng)安全播出，采取數(shù)字簽名驗(yàn)證等技術(shù)手段防止干擾、非法插播及盜播等的發(fā)生。

3.2 TS信道解析功能

應(yīng)急廣播適配器解析TS流，對(duì)流內(nèi)的應(yīng)急指令及應(yīng)急節(jié)目進(jìn)行篩選分析，進(jìn)行下一步的解碼及邏輯運(yùn)算。

3.3 尋址控制功能

應(yīng)急廣播適配器是一個(gè)TS流終端設(shè)備，每個(gè)適配器有一個(gè)統(tǒng)一編碼的地址碼。適配器根據(jù)應(yīng)急控制指令的地址碼信息來(lái)判定是否響應(yīng)的相應(yīng)操作，如切換信源和開(kāi)關(guān)等。應(yīng)急廣播管理平臺(tái)可以根據(jù)應(yīng)急預(yù)警信息的發(fā)布目標(biāo)區(qū)域和事件類型等發(fā)布要求，對(duì)適配器進(jìn)行尋址操作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)警信息的分區(qū)、分片精確響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域廣播覆蓋或組合廣播覆蓋。

3.4 按需切換控制功能

應(yīng)急廣播適配器能夠根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際需要，在原有廣播音源和應(yīng)急廣播節(jié)目之間進(jìn)行人工或自動(dòng)控制切換，也設(shè)置了斷電音源直通通道，既保證了既有系統(tǒng)的功能完整性和獨(dú)立性，也能夠滿足新系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。

3.5 狀態(tài)采集和回傳功能

應(yīng)急廣播適配器能夠采集到適配器現(xiàn)有的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及適配器自身的各種狀態(tài)和參數(shù)信息，通過(guò)臺(tái)站監(jiān)控網(wǎng)，按需向應(yīng)急廣播系統(tǒng)管理平臺(tái)加以回傳反饋，從而使得系統(tǒng)管理平臺(tái)能夠隨時(shí)獲知切換器的狀態(tài)和適配器的工作狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的控制操作和設(shè)備檢修維護(hù)安排。

3.6 遠(yuǎn)程維護(hù)功能

應(yīng)急廣播適配器由于斷電或其他原因?qū)е鹿ぷ鳟惓＃⑽丛斐捎布p壞時(shí)，可以通過(guò)遠(yuǎn)程維護(hù)功能進(jìn)行重啟復(fù)位，修復(fù)部分軟件錯(cuò)誤。在需要進(jìn)行升級(jí)時(shí)，設(shè)備可以通過(guò)遠(yuǎn)程維護(hù)功能進(jìn)行在線升級(jí)。

3.7 短波接收模塊

短波接收模塊的功能是接收短波信號(hào)，并解調(diào)、解釋指令，將上級(jí)來(lái)的指令和信息轉(zhuǎn)換成TS流給應(yīng)急廣播適配器。短波接收模塊的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)符合《應(yīng)急廣播TS流傳輸技術(shù)規(guī)范》要求。短波接收模塊在收到短波信號(hào)并解碼后，將接收到的短報(bào)文轉(zhuǎn)成語(yǔ)音信號(hào)，并產(chǎn)生相應(yīng)的音頻流，以TS流方式送給適配器。

在短波模塊和適配器主電路的通信設(shè)計(jì)中，為應(yīng)急廣播傳輸流每套節(jié)目的信號(hào)都設(shè)置一個(gè)識(shí)別符PID（PackedIdentifier），使用特定的PID傳輸應(yīng)急廣播消息和指令，包含應(yīng)急廣播消息的內(nèi)容和相關(guān)參數(shù)，該P(yáng)ID對(duì)應(yīng)的節(jié)目?jī)?nèi)容和信息直接進(jìn)行透?jìng)鳌．?dāng)應(yīng)急廣播適配器監(jiān)聽(tīng)到該短波特定PID的內(nèi)容時(shí)，依據(jù)應(yīng)急廣播消息封裝協(xié)議進(jìn)行解析，通過(guò)擴(kuò)音喇叭播出相應(yīng)的應(yīng)急廣播消息內(nèi)容。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于短波通信的應(yīng)急廣播，具有通信距離遠(yuǎn)和實(shí)現(xiàn)成本低等特點(diǎn)。短波正交頻分復(fù)用技術(shù)在應(yīng)急廣播上的應(yīng)用，使得應(yīng)急廣播無(wú)線通信具有較高的頻譜利用率，可滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸要求。在應(yīng)急廣播適配器中設(shè)置短波接收模塊，增加了應(yīng)急廣播對(duì)于無(wú)線通信方式的接收能力，對(duì)山區(qū)和海面等移動(dòng)信號(hào)無(wú)法進(jìn)行通信的區(qū)域的應(yīng)急廣播覆蓋具有重要意義。