分布式多通道接收技术于中短波广播频谱监测监管的应用与开发

张 澍

国家广播电视总局203台 内蒙古 呼和浩特市 010010

引 言

当前对广播频谱的监测和监听越来越需要体现多路同时接收、实时多路播出和指标测量并且可及时体现监测目标频率的播出动态。对监管目标频率的识别、取证等工作需要给繁琐人工监听识别减负，以减轻工作量，提升广电监测监管工作的智能化水平。在这样的背景和要求下，先后出现了2、4、8 等多通道接收机。这些多通道接收机采用多个模拟调谐高频头，将天线信号分路给各个高频处理电路，以同时监听多路电台的广播信号，但仍无法更好地满足实际应用。数字多通道化的多通道监测接收机，避免模拟信号分路降低灵敏度，同时接收调频与调幅等多种调制模式，结合采用音频声纹对比识别技术的分布式多通道接收技术于中短波广播频谱监测与后续开发，实现对接收频率节目的自动判别，提升了广电监管工作的效率与智能化水平。

1 信号接收处理系统的组成和架构

1.1 多路射频直采

多个射频直采频段，分别对应接收调幅（中、短波）和调频等广播信号。每个频段由抗混叠滤波、程序控制、增益控制、数字化和多通道化处理器等构成。其中，中短波频段抗混叠滤波采用500kHz～26.5MHz 带通滤波器，调频抗混叠滤波范围为87～108MHz 带通滤波器。两路信号分别经过程控增益调节到适合AD 数字转化的电平，由250MHz 高速数字化。量化后的数据送到基于FPGA 的中频处理器，在中频处理器内实现多通道的通道化。

图1 接收机基本架构

1.2 信号通道化处理

对接收信号进行通道化处理，是一个变频降采样率的信号处理过程。通过将数字化的波形和数字本振进行数字混频，将接收的信号中心频率搬移到直流（0Hz），然后进行多级低通滤波和降采样，将采样率较高的数字波形降低为适于广播监测的采样率。其中，中短波调幅保持9kHz 以上频率通带，调频保持250kHz 以上频率通带，以保证广播测量的能力。信号处理流程见图2。

为更好抗噪声和增强频率选择性，在通带范围内还设置可变的频响补偿滤波器，一方面补偿降采样的通带频响平坦度，另一方面为调幅监测提供6kHz、9kHz 通带选项，为调频监测提供100kHz、200kHz、280kHz 通带选项。降采样之后的基带IQ 数据用于计算测量、记录，并且提供中频处理实时解调得到音频节目内容。这些基带数据和音频数据通过高速总线集中到CPU，并传送给播放、显示、记录存储设备。多通道解调监听设备的总体架构如图3 所示，主要包括接收机模块、数字信号处理模块、信号调理模块、磁盘阵列、高速总线、嵌入式系统控制模块以及仪器驱动软件、功能软件等。

图2 信号处理流程图

图3 接收系统结构原理图

接收机模块负责采集和记录中短波全频段的信号，利用高速A/D 射频直采功能，实现全带宽信号的采集记录。信号前置处理模块作为采集的前端，提供滤波与放大功能，滤除带外信号，增加信号的信噪比。磁盘阵列是高速缓存结构，将全带宽的IQ 原始数据进行缓存；数字信号处理模块是多通道解调的核心，数字处理模块采用高性价比FPGA，提供多个乘法器单元，保证了多路信号处理并行实现，能够实现单一芯片多路信号的数字滤波，大大提高了解调系统的能力。基于工业标准高速总线保证了接收机到磁盘阵列（数据存储模块）、磁盘阵列到数字信号处理模块的数据传输高效性。

2 关键技术

2.1 射频信号直采与软件无线电技术相结合

软件无线电技术对射频信号的理想采集方式是射频直采，也就是通过ADC直接采集天线接收到的无线电波，而不用模拟变频器电路。取消变频环节，可实现大动态、宽窄接收两宜、提高扫频速度，同时必须兼顾低噪声、平通带，实现高选择，如此可减小模拟变频非线性和多级变频引入噪声而提高接收信号动态范围。信号直采对比图见图4。

在外差结构中，接收器接收RF 频率的信号之后，将信号下变频到较低的中频（IF），并进行数字化、滤波和解调。可以看到，该仪器的RF 前端包含了带通滤波器、低噪声放大器、混频器和本机振荡器（LO）。

图4 超外差接收与信号直采对比图

如图，外差接收器框图显示了一个带有RF 前端的处理，该前端由带通滤波器、低噪声放大器、混频器和本地振荡器组成。而直接RF 采样接收器架构仅由低噪声放大器、适当的滤波器和ADC 组成。直采结构不需要使用混频器和LO，ADC 直接数字化RF 信号并将其发送到处理器。直采架构中，数字信号处理（DSP）芯片上可实现接收器的许多模拟组件，还可以使用直接数字转换（DDC）来隔离目标信号，而不需要使用混频器。此外，在大多数情况下，除了抗混叠或重建滤波器之外，还可以使用数字滤波替换大部分模拟滤波。由于不需要模拟频率转换，直接RF 采样接收器的整体硬件设计要简单得多，从而允许更小的外形尺寸和更低的设计成本。直接RF 采样接收器架构可以仅包含一个低噪声放大器、适当的滤波器和ADC。

直接RF 采样的优点主要是简化了RF 信号链，降低了每个通道的成本以及通道密度。基于直接RF 采样架构的仪器由于使用的模拟组件较少，因此外形尺寸通常更小，功率效率更高。如果构建的是多通道数系统，直接RF 采样可以减少系统的配置面积和成本。

高性能通道化技术是多路解调监测的核心功能。要良好的接收选择性就要求通带可调、矩形系数小、阻带抑制深。同时，要测量调制度和保证频偏准确，就要求通带平坦。若要做到二者兼备，必须对通道化算法进行特别设计以提高软件计算效率。应用快速傅里叶变换实现多通道化的手段日趋成熟，但这种技术限制了通道化的中心频率必须是等间隔的（落在傅里叶变换的频率点上）。对于中短波电台间隔不等，短波电台频点不一定规范的现状并不能实现合聚。实践中通过对接收电路采用了大量滤波器设计，实现了高性能通道化算法，同时利用降采样数据流速率逐级下降的方法，逐级合并处理单元，利用一个滤波单元分时处理多个通道的数据。这个逐级简并的树形算法大大节约了计算资源。通过合理分配计算单元和线程，使得性价比和可靠性得以提升。

2.2 音频声纹对比识别技术

音频声纹对比，即为将接收机获取的声音与已知的电台播音（如开始曲、报台、特定声音背景等）进行对比，从而实现目标电台的快速发现与识别、播出动态的判定、广播频谱的智能化监测等效用。主要步骤包括音频声纹特征提取和模式匹配。

2.2.1 特征提取

分析广电音频节目时集中于频域分析上，探索基于对音频二维语谱图像识别进行检索的方法，从而把音频检索任务转换成图像检索任务。借助图像处理技术中很多已经成熟的算法，如Harr 准小波滤波变换等技术完成特征提取。

对信号进行时频变换后，便可提取基于内容的音频特征。该处理过程可以使用多种不同的算法，其主要目的都是对音频信号进行降维的同时，即在确保完整、准确地表达音频信号所携带信息的基础上，用较少的维数来表征音频特征，从而减少模板数目、运算量和存储开销，而且可以滤除信号中对识别无用的冗余信息并且增强特征对信号畸变的鲁棒性。

2.2.2 检索筛选

首先，使用训练得到的分类器，对目标音频，亦即广播节目的每帧提取M位特征向量，并存储在一个标准的哈希表中。然后对每个对比音视频模板，基于检索窗从哈希表中进行相似性检索，以筛选出候选片段。

当音频功率谱时间对齐之后，两个对比图像的相似概率取决于每个特征的位（bit）差异。假设模板音频特征为，目标音频特征为，那么两者之间相似性概率的计算公式如下：

2.2.3 信号相似度对比

两个音视频相似度比较，设x（t）和y（t）是待测的两个信号，它们的相似度代表了它们是否是对同一目标在同一时间测量而得的结果。信号相似度的比较在很多领域都有重要的应用。在相似度比较中，最常用也是最基本的概念是相关系数。

假定x（t）和y（t）是能量有限的两个信号，那么它们之间的相关系数可由下式表示：

式中，分子即为x（t）和y（t）的内积，由Cauchy-Schwarz不等式可知，Pxy≤1。若Pxy=1，说明信号x（t）和y（t）完全线性相关；反之，若Pxy=0，说明两者完全线性无关。一般而言，Pxy的值介于0-1之间，可以这个值作为信号相似度的量化判别结果。相同的概念可以引入离散时间系统，设x（n）和y（n）为长度相同的信号，则它们的相关系数可以表示为：

或：

3 后续应用开发

3.1 融合系统性安全稳定控制

由于广播监管设备运行周期为24 小时不间断运行，对设备系统的安全稳定运行要求非常严格。系统硬件采用无风扇传导对流散热设计和固态硬盘存储，并采用RAID 等技术提升运行可靠度，且兼顾了容量和读写速度，能够保证缓存数据的时间长度，同时又不影响解调过程的连续性。

3.2 开发更多路通道接收系统

理论上可实现8、16、24 乃至32 路或更高接收通道和路数的监测接收系统，从而满足更多广电监测监管应用。

3.3 广播频谱监管的深层拓展

广播电视行业监测监管工作的广度和深度以及监管效能水平的要求不断提高。广电频率频道核查、广电无线电频谱监测、特定音频节目（广告）排查、非法违规有害音视频信息监管、频率频道播出质量与效果监测水平的升级等，无不推动广电监测监管向智能化迈进，推动提升广电监管工作的质量与效率，推动提高广电行业安全播出管理科学化水平。

3.3.1 广电播出质量与效果评估自动化

对比识别正常播出的频率、频道是否按照既定运行图执行。将各播出机构播出的内容与标准节目源信号或内容采样对比，可及时发现播出频率频道停、错、劣异态，提高准确性，降低劳动强度。

3.3.2 无线声音广播频谱负荷监管

中短波广播频谱资源占用情况智能化监测。空中无线电波拥挤繁忙，特别是短波广播的跨境传播，且各个国家、各种语言广播让监测人员在短时间内辨识出台名、呼号和语种十分不易且效率低下。运用已掌握的各类电台的呼号、开始曲、结束曲等建立模板库，通过与接收到的音频信号对比，从而识别出哪些电台在什么时间使用哪些频率频道和语言进行广播，从而提高广电无线电频谱监测与管理的效率和智能化水平。

3.3.3 特定音频、视频节目的排查与监管

特定广电音频节目（如广告）在哪些频率、频道上播出，开展广电频率、频道核查，直播监测等，通过声纹对比与频道台标、画面等信息的对比识别，直接作用于广电内容、广电音视频舆情监管。

3.3.4 结合新技术促进广电智能监管

无线电频谱自动扫描、多信道接收与解调、多信道播出内容的音频存储检索等技术，以及数字化信号处理能力与计算能力的保障，都在为投入音频与图像对比识别技术到广电监管作技术支撑，这也将更深层次助力广电智能监管。

结 束 语

多通道接收技术对于广电行业监管工作日趋成熟，助力广电监管工作的智能化的同时与监管工作的向深层迈进，开展全频段、覆盖面更广、技术监测指标更精准并行。该项技术可以广泛应用并值得与其它相关技术相结合更好地满足广电监管工作的日益发展。