基于數(shù)字調(diào)幅廣播的突發(fā)事件應(yīng)急廣播系統(tǒng)的構(gòu)建

鄔正義，潘旭東，吳樂南

（1.常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；2.常熟市廣播電視中心，江蘇 常熟 215500；3.蘇州東奇信息科技有限公司，江蘇 常熟 215500）

當(dāng)前，我國公共安全形勢嚴(yán)峻復(fù)雜，突發(fā)事件易發(fā)頻發(fā)，防控難度不斷加大.為此，國務(wù)院辦公廳于2014年12月發(fā)布了加快發(fā)展應(yīng)急產(chǎn)業(yè)的意見.意見指出，為了做到對自然災(zāi)害、事故災(zāi)難等突發(fā)事件的監(jiān)測和預(yù)警，必須發(fā)展和完善突發(fā)事件的預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備.我們從2011年開始，在常熟廣播電視中心的支持下，開展了基于數(shù)字調(diào)幅廣播的突發(fā)事件應(yīng)急廣播系統(tǒng)的構(gòu)建，經(jīng)過幾年的努力，取得了初步成效.我們研制的這一系統(tǒng)是利用傳統(tǒng)的中波調(diào)幅廣播頻道進(jìn)行數(shù)字廣播改造，使得該系統(tǒng)平時可以作為提供農(nóng)村和社區(qū)信息服務(wù)的輔助通道，在突發(fā)事件發(fā)生時，能迅速切換完成突發(fā)事件應(yīng)急廣播的功能.整個系統(tǒng)分為設(shè)在廣播電臺的發(fā)射系統(tǒng)，基于收音機(jī)和工控機(jī)的接收系統(tǒng)，以及通過工控機(jī)接口和相對應(yīng)的適配硬件驅(qū)動外設(shè)的廣播播放系統(tǒng)三部分.軟件部分由嵌入式發(fā)送軟件、嵌入式接收軟件、自動朗讀播放軟件組成，硬件部分由普通收音機(jī)和專用工控機(jī)配套組成.

1 廣播發(fā)射系統(tǒng)

廣播發(fā)射系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，利用現(xiàn)有的廣播發(fā)送系統(tǒng)，只需在編輯廣播節(jié)目的操作端上安裝本產(chǎn)品的嵌入式發(fā)送軟件即可，圖2為嵌入式發(fā)送軟件的操作界面.

廣播發(fā)射系統(tǒng)的任務(wù)是通過計算機(jī)將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息先進(jìn)行信源編碼，再通過信道編碼有選擇地加入冗余保護(hù)，然后通過OFDM基帶處理和DSB-AM調(diào)制，得到廣播電臺能夠播出的調(diào)幅廣播信號，經(jīng)電臺的中波發(fā)射機(jī)功率放大后，從天線發(fā)射出去.

圖1 廣播發(fā)射系統(tǒng)組成

由于在串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，需要非常高的數(shù)據(jù)傳輸率，通常會增加信道帶寬，從而造成碼間串?dāng)_，增加誤碼率.由于中波廣播信號的信道條件較差，多徑傳播造成的多徑衰落影響嚴(yán)重，甚至?xí)l(fā)生突發(fā)性誤碼，使得數(shù)據(jù)系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量大大下降.采用OFDM的多載波技術(shù)，可以將高速串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為由若干個低速數(shù)據(jù)流組成的并行數(shù)據(jù)系統(tǒng)，總信號帶寬被劃分為N個子信道，在N個子信道上進(jìn)行正交頻分復(fù)用.利用這一技術(shù)，將一系列在頻率上等間隔的子載波單獨調(diào)制，組合在一起形成AM廣播信號，以提高頻譜利用率.發(fā)射系統(tǒng)保持現(xiàn)有雙邊帶調(diào)幅體制不變，在不改變模擬調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)的前提下，可將文字、圖片、聲音等多種媒體的數(shù)字基帶信號直接從現(xiàn)有模擬調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)的音頻接口輸入，對發(fā)射載波進(jìn)行幅度調(diào)制后再經(jīng)天線廣播發(fā)送.在需要發(fā)布應(yīng)急信息時，啟動應(yīng)急廣播發(fā)射系統(tǒng)后，將會向其信號覆蓋范圍內(nèi)發(fā)送全數(shù)字廣播信號.由于數(shù)字廣播信號中攜帶了數(shù)據(jù)文件信息、業(yè)務(wù)類型標(biāo)識、接受區(qū)域地址碼、播放次數(shù)等信息.接收端用普通收音機(jī)接收后，需經(jīng)專用接收軟件從數(shù)字信息中解調(diào)出應(yīng)急信息.

該系統(tǒng)信息流的形成過程是：首先，廣播發(fā)射系統(tǒng)對輸入的音頻數(shù)據(jù)流和其它純數(shù)據(jù)流信息進(jìn)行信源編碼，然后將各路數(shù)據(jù)流信號加到一個復(fù)用器進(jìn)行復(fù)合與處理，形成一路主業(yè)務(wù)信道（MSC）數(shù)據(jù)流以及快速訪問通道（FAC）和業(yè)務(wù)描述通道（SDC）兩路輔助數(shù)字信號流，這三路信號加至信道編碼器進(jìn)行信道編碼.最后，采用OFDM技術(shù)將基帶數(shù)據(jù)流（MSC、FAC、SDC）分別調(diào)制在頻率等間隔的子載波上，組合形成AM廣播信號.

圖2 嵌入式發(fā)送軟件的操作界面

廣播發(fā)射系統(tǒng)所處理的信號主要分為兩類：

第一類信號所要傳送的是節(jié)目信號，具體內(nèi)容包含在輸入的數(shù)據(jù)流中.將多個信號加到復(fù)用器復(fù)合與處理后，獲得的一路信號稱為主業(yè)務(wù)通道（MSC：Main Service Channel）.信源編碼器和數(shù)據(jù)流預(yù)編碼器的輸出，包括需要不同保護(hù)等級的兩部分，可在信道編碼中采用不同的保護(hù)強度，以提高系統(tǒng)在易錯信道中的糾錯性能.所有信道都使用這兩種統(tǒng)一的保護(hù)等級.本系統(tǒng)實現(xiàn)了用于糾錯的冗余編碼的長度設(shè)置.界面可以選擇0、2、4、6、8、10、12和14字節(jié)，糾錯能力分別對應(yīng)0、1、2、3、4、5、6和7字節(jié).

第二類信號專門用于給應(yīng)急廣播接收系統(tǒng)提供相應(yīng)的信息數(shù)據(jù).由于應(yīng)急廣播接收系統(tǒng)采用自適應(yīng)接收方式，需要將廣播發(fā)射系統(tǒng)所選擇的系統(tǒng)參數(shù)實時地通知接收系統(tǒng)做應(yīng)變處理.它由快速訪問通道（FAC：Fast Access Channel）和業(yè)務(wù)描述通道（SDC：Service Description Channel）兩個獨立通道組成. 兩路信號不經(jīng)復(fù)用而直接加至信道編碼器.

快速訪問通道（FAC）把發(fā)射端的復(fù)用器復(fù)合了哪種業(yè)務(wù)以及有關(guān)信道編碼參數(shù)等信息提供給接收端.據(jù)此，應(yīng)急廣播接收系統(tǒng)自動調(diào)整其復(fù)用參數(shù)，以便解調(diào)出各種傳輸業(yè)務(wù)，或者按照發(fā)射端的提示，改變接收頻率和重新搜索信號.SDC用來向應(yīng)急廣播接收系統(tǒng)提供復(fù)用器中各種業(yè)務(wù)的特征.例如，同一個節(jié)目的下一個替換頻率、頻率時間表及其音頻元的數(shù)據(jù)信息等.根據(jù)目前射頻帶寬的要求，F(xiàn)AC的幀周期是400 ms.本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型標(biāo)識設(shè)置和接收區(qū)域碼設(shè)置信息就在此通道中.

設(shè)置數(shù)字信號業(yè)務(wù)類型，能夠區(qū)別普通廣播和緊急廣播.緊急業(yè)務(wù)類型標(biāo)記用于在發(fā)生突發(fā)事件時，控制接收端自動打開應(yīng)急廣播播放軟件，并播放應(yīng)急信息.

接收區(qū)域碼采用24位地址碼，控制應(yīng)急廣播接收系統(tǒng)是否播放應(yīng)急信息.該功能可分為模糊發(fā)射和精準(zhǔn)發(fā)射兩種，以“城市碼/縣區(qū)碼/鄉(xiāng)鎮(zhèn)碼/村編碼”4級劃分，可以準(zhǔn)確指定到某個村莊/社區(qū)播放應(yīng)急廣播信息（相同村內(nèi)如果有多臺接收終端，可以使用相同地址碼接收），也可以模糊指定某個鎮(zhèn)（鎮(zhèn)及鎮(zhèn)下的所有村莊/社區(qū)）、縣或者市播放應(yīng)急廣播信息.

SDC是單一的數(shù)據(jù)通道，只用于給應(yīng)急廣播接收系統(tǒng)提供如何解碼、如何跟蹤發(fā)射端的變化、如何進(jìn)行節(jié)目和數(shù)據(jù)的有效接收等指導(dǎo)性信息.SDC的幀周期是1200 ms.

2 廣播接收系統(tǒng)

廣播接收系統(tǒng)直接利用普通的MW波段收音機(jī)將接收信號下變頻為中頻信號，放大并檢波后通過收音機(jī)的耳機(jī)插孔輸出頻率低于5 kHz的COFDM基帶信號，直接連接到普通PC或?qū)Ｓ霉た貦C(jī)的聲卡的話筒輸入端，利用聲卡內(nèi)置的音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再利用電腦的CPU進(jìn)行同步、信道估計、信道解碼和信源解碼，得到原來的語音和數(shù)據(jù)信息.這一過程是發(fā)射系統(tǒng)軟件處理過程的逆過程，是典型的軟件無線電技術(shù)，但由于完全基于通用電腦的CPU而無需其它硬件數(shù)字信號處理器（DSP）即可實現(xiàn)，故又稱之為虛擬無線電.基于虛擬無線電技術(shù)實現(xiàn)的廣播接收系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示.

圖3 廣播接收系統(tǒng)的原理框圖

圖4 廣播接收系統(tǒng)組成

廣播接收系統(tǒng)的具體處理過程如下：

1）對模擬信號采樣數(shù)據(jù)利用頻率參考符號進(jìn)行頻率捕獲，接著對采樣率進(jìn)行糾正.

2）進(jìn)行時間粗同步，利用引導(dǎo)符號與有用符號進(jìn)行相關(guān)實現(xiàn)時間捕獲，提取出有用符號部分，再進(jìn)行頻率糾正和OFDM解調(diào).

3）進(jìn)行頻率細(xì)同步（頻率跟蹤）后利用每個傳輸幀中第一個符號中的時間參考單元進(jìn)行相關(guān)運算，實現(xiàn)幀同步.

4）進(jìn)行信道估計，利用增益參考符號估計出信道對信號的影響，接著進(jìn)行時間跟蹤.

5）進(jìn)行OFDM星座圖解映射、信道解碼、信源解碼等過程.

6）獲取FAC通道信息，根據(jù)區(qū)域碼信息判斷是否接收應(yīng)急廣播的信息，并根據(jù)業(yè)務(wù)類型判讀是否啟動應(yīng)急廣播播放軟件.因為發(fā)射系統(tǒng)在FAC中已經(jīng)設(shè)置了應(yīng)急廣播的業(yè)務(wù)類型標(biāo)識和接收區(qū)域碼信息.

7）接收區(qū)域碼判讀可分為模糊判斷和精準(zhǔn)判讀，對應(yīng)應(yīng)急廣播發(fā)射系統(tǒng)的模糊發(fā)射和精準(zhǔn)發(fā)射.如果本機(jī)輸入的“城市碼縣區(qū)碼鄉(xiāng)鎮(zhèn)碼村編碼”4級區(qū)域碼與FAC中的區(qū)域碼一致，則表示此次接收為準(zhǔn)確判讀，可以接收應(yīng)急廣播信息；如果本機(jī)輸入的“城市碼縣區(qū)碼鄉(xiāng)鎮(zhèn)碼村編碼”4級區(qū)域碼前幾位與FAC中的區(qū)域碼一致，而FAC中數(shù)據(jù)的后幾位為0，則表示此次接收為模糊判讀，也可以接收應(yīng)急廣播的信息.

接收系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)置應(yīng)急廣播播放系統(tǒng)播放次數(shù)、繼電器參數(shù)和LED顯示墻參數(shù)的功能，保存在配置文件中，方便應(yīng)急廣播播放系統(tǒng)的調(diào)用，使之能控制播放次數(shù)，適應(yīng)不同PC串口和不同LED屏參數(shù)的場景，適宜于整合農(nóng)村或社區(qū)的現(xiàn)有廣播設(shè)備.

3 應(yīng)急廣播播放控制系統(tǒng)

應(yīng)急廣播播放控制系統(tǒng)能在發(fā)生緊急情況的時候，強行打開農(nóng)村/社區(qū)現(xiàn)有有線廣播系統(tǒng)，或在有線廣播正常進(jìn)行時自動切換到應(yīng)急播放系統(tǒng)，通過232串口控制LED顯示屏，顯示緊急消息的文字，并用合成語音通過大喇叭朗讀播放應(yīng)急信息.

通過適當(dāng)改造農(nóng)村/社區(qū)有線廣播站工作臺，將數(shù)字AM廣播接收和解碼系統(tǒng)嵌入控制臺，將單片機(jī)、繼電器和音視頻信號選擇開關(guān)進(jìn)行整合，構(gòu)成應(yīng)急廣播播放控制系統(tǒng).當(dāng)沒有接收到應(yīng)急信號時，鄉(xiāng)村社區(qū)廣播站工作臺正常播放調(diào)頻接收機(jī)和有線網(wǎng)絡(luò)的廣播信息；當(dāng)AM接收機(jī)接收到應(yīng)急信號時，譯碼工控機(jī)通過單片機(jī)控制繼電器和音頻選擇開關(guān)、視頻選擇開關(guān)，使廣播站控制臺停止播放正常廣播信息，優(yōu)先播放調(diào)幅廣播的應(yīng)急信息.應(yīng)急信息播放或處理完畢后，如緊急狀態(tài)解除，可以繼續(xù)播放正常的廣播信息.改造后的應(yīng)急廣播播放系統(tǒng)原理圖如圖5所示.

應(yīng)急廣播接收和播放系統(tǒng)只是村鎮(zhèn)/社區(qū)現(xiàn)有的有線廣播系統(tǒng)的一個附加設(shè)備，不需要對有線廣播的基礎(chǔ)設(shè)施（如普通收音機(jī)、顯示屏、LED公告牌、音樂廣播等）作任何變動，只需安裝本系統(tǒng)的專用工控機(jī)和配套的嵌入式接收軟件和自動朗讀播放軟件，即可實現(xiàn)接收應(yīng)急廣播的功能.圖6為嵌入式接收軟件和自動朗讀播放軟件的軟件操作界面.

圖5 應(yīng)急廣播接收和播放系統(tǒng)原理圖

圖6 軟件操作界面

4 總結(jié)與討論

基于數(shù)字調(diào)幅廣播的突發(fā)事件應(yīng)急廣播系統(tǒng)作為一種低成本廣覆蓋的突發(fā)事件應(yīng)急廣播系統(tǒng)，能在發(fā)生緊急情況的時候，強行中斷現(xiàn)有的公眾廣播系統(tǒng)，在最短的時間內(nèi)向公眾發(fā)布緊急信息，對現(xiàn)有國家應(yīng)急安全系統(tǒng)是一個重要的補充.雖然現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)和4G通信網(wǎng)在全國發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)十分普及，但是在廣大農(nóng)村或者山區(qū)、邊疆等欠發(fā)達(dá)地區(qū)，互聯(lián)網(wǎng)和4G通信網(wǎng)還覆蓋不到，在發(fā)生地震、洪水、山體塌方、泥石流等天災(zāi)時，移動通信網(wǎng)的基站往往也會被同時摧毀，這時，公眾廣播系統(tǒng)將成為人們獲取緊急避險信息的唯一正常渠道，因此，使這一應(yīng)急系統(tǒng)真正發(fā)揮作用具有重要的實際意義.

調(diào)幅廣播的接收方便簡單，成本低廉，只要一臺普通收音機(jī)就能完成，現(xiàn)在的智能手機(jī)一般都具有收音機(jī)功能，如果將以上接收軟件優(yōu)化嵌入到普通收音機(jī)或智能手機(jī)的芯片中，則普通收音機(jī)或智能手機(jī)就是一個便攜式智能應(yīng)急廣播接收系統(tǒng)；如果各地農(nóng)村或城市社區(qū)的有線廣播系統(tǒng)和大屏幕LED廣告顯示屏都能加入這一系統(tǒng)，就能在緊急事件發(fā)生時，及時有效地發(fā)布緊急信息，形成農(nóng)村和城市社區(qū)應(yīng)急信息的全覆蓋，這對于提高我國全民應(yīng)急防御能力意義重大.

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