广播电视音频信号防插播错播预警系统构建研究

董　信

（大理人民广播电台，云南　大理　671000）



广播电视音频信号防插播错播预警系统构建研究

董信

（大理人民广播电台，云南大理671000）

摘要：文章结合云南大理的地形地貌特点及人口分布情况，从设计构思、总体结构、实现功能等方面介绍了云南大理防插播错播音频信号报警系统的整体运行流程，并在此基础上分析了音频信号等信号传输系统中信号分析与处理的具体方法，以及信号相似性判别的相关模型。

关键词：防插播错播音频信号；能量相似度；相对误差；能量度量法

衡量广播电视音频信号传输质量的基本指标为画面清晰度及数据损失率。当前对音频信号质量的检测主要采用人工监视监听及画面切换的方法，在监测控制过程中该方法难免受到人为因素的影响，因此人工监测的精度和效率较低。为此本文结合云南大理的地形地貌特点及人口分布情况，在分析无线电信号特点的基础上，提出了智能化防插播错播音频信号报警系统，从而提高整体音频传输系统的工作性能。

1　系统设计及特点

无线电视广播信号的传播受地形、天气等多种因素的影响，当地形为丘陵地带时，无线信号的传播将产生功率损耗，降低信号的传输质量。大理位于云贵高原和横断山脉的结合处，地貌复杂，多丘陵，因此其地形不利于信号的正常传播，为此本文设计了防插播错播音频信号报警系统，该系统可有效的保证音频信号的正常传输。

防插播错播音频报警系统利用数学模型对预传输两路信号进行相关数据计算与处理，并在此基础上通过智能技术分析、判断整个系统的运行情况，从而达到技术水平的安全要求。系统整体功能为以下几个部分：（1）停播报警：在两路传输信号中，若发生信号传输中断，报警系统则发出声、光2种方式报警。（2）错播报警：两路信号源传输内容不同时，报警系统则进行相关管理动作，并发出声、光2种方式报警。（3）插播报警：在两路信号中，若信号传输夹杂噪音信号，报警系统则发出声、光2种方式报警。（4）语音备查：信号源在传输过程中发生故障时，报警系统能够自动将预传输信号源信息进行录音保存，从而实现用户的后续查询。（5）自动信号同步：同一信号源音频信号进行传输时，报警系统能够降低不同传输通道中两路信号的传输延时，实现信号传输的同步。

2　系统软件构成及功能

报警系统的主要工作原理为：通过数学模型对信号进行分析，并利用信号的能量比与相似度判别传输的音频信号是否发生错播、插播或中断等。此系统通过研发软件，实现音频信号的相关计算、分析、判断等工作。该系统软件如图1所示，分为以下3部分：音频信号同步及跟踪操作、计算相似度及能量比、系统存档及控制报警。

图1　系统软件结构图

2.1音频信号的同步及跟踪操作

同源信号的传输分为同源传输通道和不同源传输通道，2种不同传输通道的信号存在时延，而无论传输通道相同与否时间漂移都会存在，且两路信号的漂移往往不同。基于音频信号的该传输特性，利用相关数据的分析计算，能够使传输的两路信号同步，并且传输过程中能够进行同步点跟踪，实现信号的正确判别。

2.2计算相似度及能量比

此模块的主要任务是将欲传输音频信号分帧、分段、加窗，且利用数学模型进行音频信号的相似比及能量比计算，通过该模块，系统具有抵抗底噪干扰与避免丢帧的功能。

2.3系统存档及控制报警

此模块依据上一模块的相关计算结果及用户自行设定的报警门限值判断传输的音频信号是否存在错播、插播或中断传播等问题，若存在问题则会发出声、光报警以提示相关工作人员进一步操作。

3　音频信号特点分析

3.1音频信号具有丰富传输内容且存在较大不确定性

音频信号中不仅有音乐、语言等信号，还存在噪声等，各种不同的内容在传输过程中不断进行重叠与交替，且在传输时序中也无规律性。信号传输过程中，可能当前阶段传输语言，下阶段就变为音乐；也可能当前阶段语音信号较平缓，下阶段就变得比较抑扬顿挫。不确定性一直存在于音频传输过程中，如图2-4所示。图2为纯语言信号波形，图3为纯音乐波形，图4为带背景音乐的语音信号波形，且以上3种信号包含不同能量。

图2　纯语言信号波形

图3　纯音乐波形

图4　带背景音乐语音信号波形

3.2同源传输通道不同信号通道时序、相位可能不同

音频传输易受到发送、接收装置或传输媒介等各种因素干扰，体现为即使来自于同源信号，在传输通道不同的情况下时序及相位极为不同，表现为接受到的两路信号间存在较大时延，如图5所示。

图5　信号不同卫星接收的信号图

型号不同的设备、型号相同的两台设备甚至同一设备在不同时间或环境下，时延体现均不同。设备的每次重启或复位操作都会影响信号时延及相位。

3.3两路信号相位及时序临时间断及随机、动态漂移

两路信号相位及时序临时间断及随机、动态漂移的产生受环境、时间等外界因素影响，如环境发生变化可引起同一台设备参数变化，相位及时序发生漂移；编解码设备、信号采样及收发设备自身短暂延时或小概率丢帧也会对信号相位和时序造成影响，如图6所示。

图6　信号经过两不同卫星接收数据的丢帧

3.4两路信号干扰来自不同底噪

由于不同传输信道的信噪比不同，两路音频信号在不同信道传输时受到不同底噪干扰。若传输音频信号的能量较强，底噪干扰表现不明显；若传输音频信号能量较弱，底噪干扰表现较强烈。

3.5两路信号电平改变

由于各种影响，接收设备最后收到的信号电平会发生变化，外部表现为某一时间声音较大，继而声音较小，存在着声音强度大小变化。

4　音频信号的技术处理

4.1信号分帧、分段、加窗

通过以上分析可知，接收端接收到的音频信号各项参数（如相位等）及特性变化较大，且不确定性明显，该过程为非平稳过程。尽管如此，音频信号在小于30 nm时的特性稳定，此时由相同信号源发出的两路信号短时自相关函数、短时过零率、短时平均幅度及短时能量等函数特性基本不变，此过程可看做是准平稳过程。由此特性，可将音频信号分帧（0.5～2ms）操作以便进一步分析计算。将每帧音频信号依照顺序进行依次分析的操作为加窗，窗在信号上缓慢滑动实现分帧。窗在滑动过程中为保持帧的连续性，帧会产生交叠，交叠部分大多为窗长1/3或1/2，其目的为实现帧间的平滑过渡，降低同步过程影响。

窗的类别有矩形窗、汉明窗、汉宁窗等。对于该报警系统研究中信号分析处理部分，交叠部分采用矩形窗。矩形窗函数表达式如下：

音频信号经分段处理，降低了系统数学模型的运算复杂度，实现了系统的实时性。信号分段较长可降低尺度突变干扰；分段较短报警响应速度得到改善，但由于小尺度突变的强烈干扰使得系统误判率增加。经试验，在分段方式介于1/3秒与1/2秒之间时，可较好地满足报警响应与误判率要求。

分段大小影响系统报警时间，系统只有分析完读取的一段数据后，才能得知数据的完整性，若段的时间长，则会增大系统的计算量，从而使得报警时间变长。

信号分析过程中每帧的特征以帧的总能量与平均能量表征，帧总能量计算每段的能量比，段信号相似度以平均能量计算。若多段信号相似度累加值小于相应报警值或能量比的累加值大于相应报警值时，系统报警。相似度与能量报警值由实验确定，能量报警值设置过低会降低系统识别率，过高则会提高误判率，而相似度的报警值则相反。

4.2信号的初步同步

通常接收设备接收的两路音频信号有较大程度的时延，信号初步同步可保持同源不同信道信号初步同步。

4.3同步点的自动跟踪和精度同步

4.3.1自动跟踪

信号存在丢帧及漂移所导致的初步同步点失效的情况，该情况发生后，需系统采取一定应对措施自动跟踪同步点；数据比较时出现的误差也将导致系统误判，此时同样需自动跟踪同步点。

4.3.2精确同步

分帧后的长度范围之间，当信号强度较弱甚至静音时，系统底噪的影响不可忽略。尽管经过加窗，未绝对同步造成的相似度的影响被降低，但未完全消除，此时便需信号精度同步。

帧同步点被找到后，在此点前后以一帧长度范围内将一个采样点作为循环单位确定起始点重新分帧，并与目标信号比较，经过此过程，可找到最大相似度点，即为精确同步点。初步同步与精确同步操作既可计算最精确相似度，又可实现系统实时响应目标。

4.3.3自动过滤低信号区域及自动保持相似度

传输的信号数据是否被篡改可通过计算能量比的方法综合判断。此算法在实际应用中能够降低系统运行量，从而使系统的实时性得到保证。但信号强度较低区域因受到底噪干扰较大，即使传输数据未发生改变，其小尺度突变等特征表现较为强烈，可引发系统误判。

因此比较每段信号前，都应计算不同信道传输信号的能量，若均低于日常实验经验值，则放弃此段信号，当前能量比值与相似度直接沿用上一段信号的计算结果。经此操作，降低了篡改信号的相似度，提高了正常信号的相似度，从而减少误判，同时提高了系统的灵敏度及报警响应时间与识别率。

4.3.4自动过滤处理跳变点

实际应用中，尽管信号强度较大，但由于某一时间点的突变使得一段信号的能量与相似度受到很大程度影响，从而影响系统判别。若当前信号为篡改数据信号，则必然经过了较长时间累积，且该累积时间是连续的，此段数据的前后两段数据应具有较差的相似度，此时可将前后两段信号相似度计算的平均值来代替此段信号的相似度，改方法可较大程度上削弱小尺度突变的影响。

4.3.5信号相似性的判别模型

只有解决计算信号相似度问题，才可判别语音信号是否篡改，进而实现防插播错播音频信号的报警系统。信号经处理后才可进行相关计算工作，信号相似度的计算方法有傅里叶变换、信号的过零率等。傅里叶变换是一种较好的判别方法，但由于其较大的运算量且产生较多无用信息，难以实现较好的实时性。信号过零率的特点为其具有较高误判的可能。为了避免上述两缺点，本文利用相对误差能量衡量信号数据的相似度，同时配合信号要求，较好的判断信号是否经过了篡改。

5　结语

本文结合云南大理的地形地貌特点及人口分布情况，设计了防插播错播音频信号报警系统。文中介绍了该系统的设计特点及软件构成，分析了音频信号的特点，研究了音频信号的处理技术。该技术可较好的处理音频信号的插播错播问题，提高了播出的可靠性、安全性，降低了监测值班人员的劳动强度，在实际应用中具有良好的效果。

［参考文献］

［1］王靖傅，蔡国炎，刘兵.音频信号防插播错播预警系统［J］.广播与电视技术，2011（7）：156-159.

［2］王龙.基于FPGA+DSP的音频监测系统设计［D］.上海：复旦大学，2012.

［3］王艳.某无线广播发射台质量保证系统的分析与设计［D］.北京：北京邮电大学，2012.

［4］袁雄辉.中波转播台播出信号监测记录系统［J］.广播与电视技术，2014（7）：111-114.

［5］周春光.数字音频信号监测设备设计研究实践［D］.鞍山：辽宁科技大学，2012.

［6］金龙.基于嵌入式的数字音频信息监测软件设计［D］.南京：南京理工大学，2014.

［7］郑科鹏.基于图像比对的电视播出信号监测系统［D］.西安：西北大学，2015.

Radio and Television Audio Signal Protection Spots Construction and Research of Broadcast Warning System Fault

Dong Xin

Abstract：In this paper, Dali, Yunnan topography characteristic and population distribution, introduces Yunnan Dali anti spots wrong broadcast audio signal alarm process of the operation of the whole system from the aspect of design, the overall structure, the realization function, and based on this analysis the concrete methods for the analysis and processing of the signals of the audio signal such as signal transmission system, signal and similar discriminant model.

Key words：anti fault broadcast audio signal energy spots; similarity; relative error; energy measurement method

作者简介：董信（1972-），男，云南大理。