無線電廣播電視發射臺信號智能監測方法

吳 波

（山西廣播電視局無線管理中心7402臺，山西 晉中 045300）

0 引 言

無線覆蓋在我國廣播影視事業中占有舉足輕重的地位，但長期以來，廣播電臺仍停留在人工值班模式上，無法適應無線廣播電臺的要求[1,2]。因此，需要進一步深化研究無線電廣播電視發射臺信號智能監測方法。本文提出時域和頻域相結合的一種相似度比對算法，對音頻時延及相關性系數做出判斷，將無線電信號包絡相似度進行信號切換調度，完成音頻頻域的特征值提取與信號監測。機房自動化信號監測要遵循安全穩定、拓展靈活、易于維護以及規范標準的原則，從而保證智能信號監測過程安全、穩定、高效，同時可滿足未來發展需求。

1 無線電信號包絡相似度計算

1.1 音頻比對

在無線廣播電視節目中，音頻信號抵達監測點的時間存在差距[3,4]。將多個音頻信號采集后，觀察采集到的脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）數據，對數據進行數字化處理，并將其存儲在緩沖中，以判斷是否具有相似性[5]。在比對過程中，存在的時間間隔稱為聲音比對窗。選擇視窗長度，以16比特的取樣準確度對聲音采集編碼裝置進行數字化，1 s內有12 500個聲音取樣。將1 s的聲音視窗分成10個聲頻幀，每一聲頻幀長90 ms（每一聲像采樣數目為1 100）。在圖1中出示50 ms的鄰近音頻幀（600個采樣疊加）。

圖1 音頻幀劃分示意

根據圖1劃分音頻幀，在信號不同步的情況下，進行對位比較往往不能得出準確的結果，所以尋找同步音頻的同步時刻是實現匹配的先決條件。采用平均振幅法，計算平均無線電廣播電視發射臺的信號音頻，計算公式為

式中：n代表在音頻幀中采樣的數量；Xi(1≤i≤n)代表一系列的試樣樣本。在聲頻比較窗口內，所有聲像幀間的能量序列組成總體多維矢量，以此實現音頻包絡向量的計算和觀測。

1.2 計算向量夾角

在對比窗口中，音頻頻率與所有音頻幀數的Pi平均值進行比較，其窗口的多維矢量由20維矢量組成。第一個音頻包絡矢量是X={Xi|1≤i≤n}，第二個音頻包絡矢量是Y={Yi|1≤i≤n}。多維矢量角余弦是用來測量2個矢量間距離的一種測量方法，它在平面上的幾何意義是指在橫向X方向上的曲線沿Y方向的變化，不同角度下的變化曲線如圖2所示。

圖2 不同向量夾角時的波形

對向量X和向量Y的多維向量夾角余弦進行計算，假設向量空間為A。在A空間中，多目標信號包括有向線a和b，而有向線a和b之間的角度表示為ab的向量夾角θab，通過對矢量空間的認識，可以得到夾角θab的余弦數值為

式中：m為信號的指標權重。通過余弦計算得到矢量距離值為[0,π]。當坐標在0點時，相似度為100%，坐標在π點時，相似度為0%，因此可通過矢量距離值描述相似度，由此進行下一步音頻時延及其相關性的計算。

1.3 音頻時延及相關性系數計算

無線廣播和電視節目的信號經過調制與傳輸，延遲大概在幾毫秒到幾十毫秒之間，所以只要音頻對比窗口的長度達到一定程度，就能穩定地進行音頻比對操作[6]。通常用r來表示采樣的簡單相關性，計算公式為

2 音頻頻域的特征值提取與信號監測

2.1 信號切換調度

采用高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）、編碼復用信號切換、TS流智能切換系統等技術，建立一套完整的無線電廣播電視發射臺信號智能切換方案。將信號傳送到機房，根據預先設定的操作流程和處理程序，向工作人員發出警報。若是在規定的時間（預定時間）內沒有值班人員的確認，緊急切換和處理會自動進行，保證傳送是正確的，并且記錄音頻信號的進入時間、頻率、切換操作等，以便進行后期追溯。信號切換調度的特定流程如圖3所示。

圖3 信號切換調度流程

2.2 提取音頻特征

在時域計算中，當對無線電廣播電視發射臺的聲頻信號進行平均能量計算時，其特性分辨值類似，從而使各臺發射信號具有更高的相似性。傅里葉轉換法將時域信號變為更易分析的音頻特征信號，轉換式為

式中：Xn是在時間域上，由N個取樣點組成的取樣矢量；e-i2πkn/N為復變函數。

在快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）后，為了得到最大的能量頻差，必須從頻域曲線中提取出能量峰，并通過FFT得到頻點矢量。對音頻峰值特性的提取如圖4所示。

圖4 音頻峰值特征提取

圖4中，點3為低谷值，高峰值為點2和點4。這幾個點的微分都是0，但0的微分并不代表所有的點都是峰值或低谷。1的轉折導數是0，很明顯它既非峰值也非低谷。在此基礎上，通過對2個頻段的頻域進行分析，得出2個頻段間的頻差。若2個聲道相同，則頻差相同。當音頻時域非常相似時，其頻率特征也相似，此時可提取該頻點的主要特征信息。

2.3 實現信號檢測

智能監測可以實現對無線廣播電視節目信號的自臺監測以及中央監測，二者在系統配置上的最大差別是其特征信息的差異。無線電廣播電視發射臺的信號智能監測部署如圖5所示。

圖5 無線電廣播電視發射臺信號智能監測部署

3 仿真試驗

3.1 實驗準備

此次無線廣播電視發射臺智能監控實驗在廣播科學研究院的實驗室進行，并在實驗室進行智能監測方法的開路測試。采用編碼器AB相轉RS232/485采集器采集音頻，選擇FusionServer X6800數據中心服務器、HART MODEM解調器、DS-MDT001音頻終端進行對比監測。該音頻采集和編碼裝置采用16比特的取樣準確度，每秒鐘可獲得12 500個音頻取樣。將1 s的聲音視窗分成10個聲頻幀，每一聲頻幀長90 ms（每一聲像采樣數目為1 100）。匯總采集到的信號，隨機挑選其中的7個音頻信號做出測試，并判斷其準確率。

3.2 實驗結果

音頻信號的準確率可以有效反映無線廣播節目智能監測方法的效果。分別對信號傳輸目標速率、信號傳輸實際速率、傳輸信號發送長度和傳輸信號接收長度進行監測，結果如表1所示。

表1 信號智能監測結果

結合表1數據可以看出，在本文設計中，不同音頻信號的傳輸速率與預期傳輸速率結果相差不大，滿足無線廣播節目智能檢測需求。

4 結 論

通過探索無線電廣播電視發射臺信號智能監測的方法，基于無線電廣播音頻信號接收中的音頻比較計算矢量角度，判斷音頻時延和相關系數，切換調度無線電信號包絡相似度，完成頻域特征值提取和信號監測，改進了廣播電視節目的播放質量，提高了廣播電臺的自動管理水平，為我國電信事業的進一步發展起到了積極的作用，且可以通過報警輔助機房工作人員完成監測，監測效率較高。