浅谈广播节目内容识别报警系统

肖 婧 任立君

1.兴安盟阿尔山市融媒体中心 内蒙古 阿尔山市 137800

2.内蒙古新闻出版广电局通辽广播发射中心台 内蒙古 通辽市 028000

1 背景需求

发射台已经对播出设备建立起完备的监测监控，对发射台内播出的广播节目信号一般是通过收音机或音频监测软件进行监测，但这种对音频的监测方式只是实现了信号有无的监测，对信号是否有误不能准确监测。发射台普遍存在播出节目多的特点，同时监测的信号节点就更多了，在这种情况下，值班人员并不能及时发现播出有误的情况，尤其是发射台站还承担着蒙古语节目的播出，大多数值班人员对少数民族语言掌握程度不高，更是增加了工作难度。针对这种情况，在发射台监控室内建设一套音频内容监测系统就变得尤为重要，利用音频比对的成熟技术，实现发射台播出节目的内容识别，当播出时段内出现错播、插播以及信号丢失时能及时报警提示。

2 方案设计

在发射台的播出节目中，为了保证播出节目的信号安全，播出的节目都是主备备份，根据播出节目的不同，至少是3 路信源，有的节目是4 路信源，以下以4 路信源的节目为例进行方案介绍。发射机节目传输结构如图1所示。

由节目传输结构图可以看出，发射机播出节目从信号源到发射机经过了两台设备，一个是音频切换器，一个是音频处理器，目前各个发射台用的切换器和音频处理器都具有音频编码功能，即两种设备都可以把音频信号进行数字化编码，通过设备自带RJ45接口编码输出，除了信源信号，还要对播出的接收信号进行比对监测，整体监测结构如图2所示。

如音频监测结构图中所示，利用音频内容比对技术，把同一套节目的四路信源信号经音频处理器后，将输入发射机信号，接收的解调信号通过音频比对软件进行实时比对，当某一路信号出现跟其他信号内容不一致时会有声光报警提示。音频监测系统进行内容比对判别时，经过如下几步：音频采集、音频信号滤波、音频信号增益补偿、模数转换、特征值提取比较、比对结果输出。

图1 节目传输结构图

图2 音频监测结构图

在上述的几个步骤中，音频切换器、音频处理器、广播解调设备分别对信源信号、输入发射机信号、接收信号进行音频采集，并实现模数转换。为有效地抵抗解调信号所引入的噪声干扰，音频特征值的提取采用基于频谱分析的算法。

音频信号在进行比对时，不管是基于哪种算法，首先要解决的就是各个信号之间的时延问题，因为四路信源信号，来自不同的路由，信号之间存在不同的时延，提取音频特征值前就需要剔除时延的影响，即定位音频时延的同步点。音频时延同步点的定位算法，是基于音频时域中的相关性查找算法实现的。简单地讲，就是把第一路信号在时域上的时幅图看作是一副长轴“画卷”，在比对信号（第二路、第三路、第四路、输入发射机、接收）的时幅图上截取一个片段，然后卷动第一路信号的时幅图进行比较，看看在哪个时间点上比对信号的片段和第一路信号的“画卷”重合。

同时截取的两路音频信号如图3 所示，上半部分是第一路信号时域上的波形时幅图，下半部分是第二路（第三路、第四路、输入发射机、接收）信号在时域上的波形时幅图。可以比较明显地观察到，第二路信号比第一路信号迟滞了一点时间（其他信号可能提前）。

要确定第二路信号迟滞的时间就需要工作人员在第二路信号中截取一个片段，在算法实现中是定点或随机截取的，但为了便于本文描述，第二路信号的片段选取从静音结束后的一小段时长的音频，然后在第一路信号缓冲区开始依次进行比较，每比较一次移动一定的时长单位（滑动比对），直至缓冲区比较完毕，找到最高相似度的时延同步点，如图4、图5、图6所示。

图3 同时截取的两路音频信号图

图4 缓冲区比对图

图5 移动一定的时长单位比对图

图6 定位到最高相似度的时延同步点比对图

在比较精确地找到了多路音频时延的同步点后，就可以进入实时音频比对流程了。实际测试中，在时域上完成音频比对已达到了非常好的效果，但由于时域运算上掩盖了音频频率的特征，因此在比对噪声很大的解调信号时，时域比对算法会产生误报现象。因此，进入到实时比对阶段，笔者选择频域特征值的算法。其基于频谱的特征进行比较，最大的特点就是抗噪能力极强，参与比对的解调信号即使背景噪声非常大（实测信噪比如果能够达到10dB 以上）也不会对算法的比对结果造成影响。

音频信号在频域上实现比对，就是比较它们的频谱特征。经过理论推导及反复地测试观察，工作人员发现了一个非常简单的频谱特征可以作为两路音频一致性比对的依据：音频信号在时域同步后，其频谱上最高能量的频点是基本一致的。虽然由于干扰等因素的影响，两路内容基本相同（人耳无法分辨）的音频最高能量点的频率偶尔会有偏差，但很快又能变得一致；反之，两路内容不同的音频其频谱上最高能量的频点差异很大。

光纤信号与卫星信号的频谱图如图7 所示，总体看频谱图基本一致，在60HZ 频点处都是能量最高峰。

输入发射机信号与解调信号的频谱图如图8 所示，总体看频谱图基本一致，低频部分有一些差异，但200Hz 频点处都是能量最高值。

3 音频比对与报警

同步时延的时间点找到后，后续的所有音频序列都按照此同步点进行对齐，进行连续的相似度计算并设定相似度的门限值、次数，当计算相似度值在连续低于门限值达到设定的次数时，系统则认为两路信号的内容已经不一样，会进行声光报警提示。

图7 光纤信号与卫星信号的频谱图

相似度曲线如图9 所示，绿色是利用时域波形图实现音频比对的相似度曲线，相似度值都在95%以上；黄色是相对信噪比曲线，其值在50dB至60dB间波动。

图8 输入发射机信号与解调信号的频谱图

图9 相似度曲线图

4 音频内容监测软件主要功能

音频内容监测软件主要实现的功能有：支持任意两路音频的实时比对；音频比对支持柱形图、波形图、频谱图、相似度曲线图展现；支持音频比对参数展现，包括时延、相似度、频谱特征点、信噪比；报警方式支持闪烁、闪烁+铃声，报警恢复支持自动恢复和手动恢复；报警判断支持常闭报警、常开报警、依据运行图报警；支持同步丢失报警，其录音包含报警前指定时长音频；支持相似度异常报警，其录音包含报警前指定时长音频，左声道录制标准信号，右声道录制比对信号；支持频谱特征报警判断；报警时自动切换到对应浏览画面；实时展现比对信号的信噪比，方便用户辨识信号源质量，避免劣播。

结束语

广播节目内容监测系统具有重要意义：一是增强安全播出等级，切实提高了广播发射台的安全播出保障能力，有效防止了错播、插播行为，杜绝广播节目出现非法信号， 避免政治播出事件发生，对维稳和广播覆盖的安全播出工作，具有很强的政治意义和明显的社会效益；二是极大减轻值班人员的工作压力，减少监控人力物力投入。