國際臺(tái)音頻信號(hào)同源判定功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)探討

王俊濤

[摘要]當(dāng)前國內(nèi)針對播出信號(hào)的監(jiān)控主要還在技術(shù)參數(shù)方面，對于最終接收的信號(hào)是否正確還沒有好的解決辦法。本文將基于國際臺(tái)電臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)對播出、切換、傳輸和開路監(jiān)測所組成的大閉環(huán)系統(tǒng)，探討一種音頻信號(hào)的同源判定方法，在開路接收信號(hào)與播出節(jié)目源之間進(jìn)行同源判定，探討存在時(shí)延的情況下兩者之間如何在時(shí)間上對齊，進(jìn)而通過相關(guān)系數(shù)來分析同源與否，運(yùn)用這種方法，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)接收到的節(jié)目是否與播出節(jié)目源同源，預(yù)防節(jié)目被插播、篡改等情況的發(fā)生。本文第一部分為引言，簡單介紹此方法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和國際臺(tái)需求，第二部分介紹音頻信號(hào)同源判定的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，第三部分介紹音頻信號(hào)同源判定的實(shí)現(xiàn)方案。

[關(guān)鍵詞]音頻信號(hào)比對相關(guān)系數(shù) 時(shí)延同步

一、引言

中國國際廣播電臺(tái)（以下簡稱國際臺(tái)）經(jīng)過多年在海外進(jìn)行廣播落地傳播，已建成100多個(gè)調(diào)頻、中波整頻率電臺(tái)，除部分節(jié)目由頻率覆蓋地域進(jìn)行制作外，大部分節(jié)目都是由臺(tái)內(nèi)進(jìn)行制作，并通過衛(wèi)星等鏈路進(jìn)行節(jié)目實(shí)時(shí)傳輸，這當(dāng)中會(huì)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、接收，最終在頻率落地地域進(jìn)行發(fā)射覆蓋。即便在落地地域自行制作，受環(huán)境限制也無法像在國內(nèi)能夠進(jìn)行全流程實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于傳輸鏈路涉及多個(gè)環(huán)節(jié)且距離遙遠(yuǎn)，實(shí)際上每一種傳輸鏈路都有可能由于主觀或者客觀的原因被插播或篡改。光纖可能被接錯(cuò)或者獲知傳輸格式后被更換內(nèi)容，在靠近的地點(diǎn)使用大功率非法信號(hào)波束照射接收天線，可能壓制衛(wèi)星接收的信號(hào)源。因此開路接收的節(jié)目是否完整或是否有異常篡改也是安全播出中的一大隱患。

筆者多年在國際臺(tái)進(jìn)行安全播出工作，基于臺(tái)外節(jié)目的監(jiān)聽監(jiān)測功能設(shè)計(jì)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了海外播出節(jié)目的開路收聽和參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能將節(jié)目信號(hào)實(shí)時(shí)傳回臺(tái)內(nèi)，但節(jié)目內(nèi)容是否一致仍在探索，本文將就整個(gè)節(jié)目播出環(huán)節(jié)的大閉環(huán)體系中，開路回傳音頻信號(hào)與源信號(hào)之間的同源判定功能實(shí)現(xiàn)的方法進(jìn)行探討。

二、音頻信號(hào)同源判定實(shí)現(xiàn)機(jī)制介紹

一般來講，對電臺(tái)節(jié)目傳播流程的監(jiān)控可以形成一個(gè)大閉環(huán)架構(gòu)，包括節(jié)目源播出、節(jié)目構(gòu)成切換、節(jié)目流傳輸發(fā)射、開路信號(hào)監(jiān)測回傳四個(gè)大部分。節(jié)目源播出和節(jié)目構(gòu)成切換這兩個(gè)環(huán)節(jié)一般都在電臺(tái)內(nèi)部，安全防范控制比較容易做到，而節(jié)目流傳輸發(fā)射這一環(huán)節(jié)往往由于物理環(huán)境等因素限制不太容易進(jìn)行管控，尤其像國際臺(tái)除了部分節(jié)目在國內(nèi)播出以外，絕大部分節(jié)目都經(jīng)過多重傳輸環(huán)節(jié)在海外發(fā)射覆蓋，而臺(tái)內(nèi)人員無法實(shí)時(shí)對信號(hào)傳輸過程進(jìn)行有效監(jiān)控，這就給安全管控帶來嚴(yán)重隱患。

1.同源判定機(jī)制的選擇

國際臺(tái)通過一系列開發(fā)和建設(shè)，已初步開始搭建海外落地頻率節(jié)目的開路信號(hào)監(jiān)聽監(jiān)測體系，目前僅對節(jié)目是否正常播出、調(diào)制度和相對場強(qiáng)等節(jié)目的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行判別，尚未對節(jié)目內(nèi)容是否正確進(jìn)行判斷，但由于在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)考慮到這一隱患，因此也設(shè)計(jì)了開路信號(hào)的實(shí)時(shí)回傳功能，這樣就為音頻信號(hào)同源判定創(chuàng)造了條件。

首先，如果通過人工方式去對開路回傳信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)聽監(jiān)測，這無論對單頻率或者多頻率都是不切實(shí)際的。

其次，如果要實(shí)時(shí)對節(jié)目源的內(nèi)容進(jìn)行分析，判斷內(nèi)容是否正確，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下實(shí)施難度和投資規(guī)模極高，且無法保證其判斷結(jié)果的正確率，也是不切實(shí)際的選擇。

考慮到節(jié)目源播出的可管控性，也就是說確認(rèn)節(jié)目播出的內(nèi)容無誤的情況下，我們考慮以節(jié)目源為基準(zhǔn)，將開路接收回傳的信號(hào)與之進(jìn)行同源判定，判斷回傳信號(hào)是否與基準(zhǔn)節(jié)目源一致。

2.同源判定所需要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)

首先，信號(hào)在播出以后，每經(jīng)過一個(gè)環(huán)節(jié)或者設(shè)備，均會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)延，鏈路距離越長以及經(jīng)過的設(shè)備環(huán)節(jié)越多，最終收測回傳的信號(hào)與基準(zhǔn)節(jié)目源的時(shí)延就越大，且時(shí)延并不是一個(gè)常數(shù)。這就需要在功能設(shè)計(jì)時(shí)考慮如何在一定時(shí)間范圍內(nèi)將信號(hào)在時(shí)間軸上對齊。

其次，信號(hào)經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié)和設(shè)備后，由于噪聲疊加或者數(shù)字信號(hào)傳輸丟包，時(shí)域波形會(huì)發(fā)生變化，光憑簡單的波形比較無法真正進(jìn)行同源判定，必須經(jīng)由頻域分析再結(jié)合時(shí)域分析才能準(zhǔn)確的判定。

最后，受處理能力和投資規(guī)模的限制，必須對算法進(jìn)行優(yōu)化，在保證同源判定準(zhǔn)確性的條件下盡可能減少計(jì)算量，保證能夠通過簡單的設(shè)備實(shí)時(shí)進(jìn)行判斷，這樣對于功能的實(shí)現(xiàn)才有意義。

3.信號(hào)同源判定機(jī)制總結(jié)

為了使音頻信號(hào)同源判定功能可以高效、安全的應(yīng)用于國際臺(tái)播出技術(shù)體系中，在硬件資源有限情況下，性能的追求與算法的簡化之間的折中是關(guān)鍵，系統(tǒng)必須滿足以下條件：

（1）可以檢測出兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差并進(jìn)行自動(dòng)對齊；

（2）對于信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，以便判別待測信號(hào)是否與節(jié)目源相同；

（3）評(píng)估不同計(jì)算方法的計(jì)算容量占用，選擇最優(yōu)算法；

三、音頻信號(hào)同源判定實(shí)現(xiàn)方案

播出的節(jié)目源信號(hào)（以下簡稱基準(zhǔn)信號(hào)Y（0））與開路收測的回傳信號(hào)（以下簡稱待測信號(hào)X（N））應(yīng)為同源信號(hào)，這也就意味著這兩組信號(hào)具有很高的相似度，最直接的同源判斷方法就是利用兩者的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行判斷，因而同源的判斷可采用相似性分析的算法進(jìn)行。同時(shí)，由于兩者之間必然存在一定的時(shí)延，音頻信號(hào)的相關(guān)系數(shù)分析又與這兩者的同步性即兩段信號(hào)是否開始于同一個(gè)位置有很大關(guān)系，這樣要在整個(gè)時(shí)延范圍內(nèi)進(jìn)行查找將產(chǎn)生巨大的計(jì)算量，理論上在實(shí)際系統(tǒng)中這個(gè)時(shí)延不會(huì)大于2秒，因此可以采用分階段的查找判斷方法：

·第一階段：分段查找進(jìn)行音頻對齊

第一步：在待測信號(hào)x（N）中按設(shè)定步長n取出某一段待測信號(hào)序列x（n）。

第二步：對信號(hào)序列x（n）進(jìn)行快速離散傅里葉變換（國際臺(tái)目前均為數(shù)字播出信號(hào)，因此均按數(shù)字信號(hào)處理），獲取待測信號(hào)的頻域函數(shù)Fx（n/2）；

第三步：同時(shí)從參考信號(hào)Y（0）開始，以固定步進(jìn)l取出長度為n的一段信號(hào)序列y（k，n）（k，表示第k次步進(jìn)）進(jìn)行快速傅里葉離散變換獲取Fy（k，n/2）；endprint

第四步：Fx（n/2）與Fy（k，n/2）進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算，得出c（k）；

第五步：獲取最大c（k）時(shí)的k位置，并截取k前后兩倍步長l的待測音頻段y（m）（m=n+4L）。

·第二階段：精確比對判斷是否同源

第六步：y（m）與x（n）進(jìn)行逐點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)計(jì)算，根據(jù)最大相關(guān)系數(shù)找出最大相關(guān)位置；

第七步：利用最大相關(guān)系數(shù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，從而判斷這兩組音頻信號(hào)是否同源。

1.仿真試驗(yàn)分析

首先準(zhǔn)備兩組音頻信號(hào)，其一作為參考信號(hào)，設(shè)為播出的節(jié)目源信號(hào)，另一組作為開路收測的回傳信號(hào)，如下圖1和圖2：

這兩組信號(hào)為同源信號(hào)，但稍有時(shí)延，且經(jīng)過一系列播出環(huán)節(jié)后在電平幅度上稍有變化，符合仿真試驗(yàn)要求。

按分階段查找的步驟要求，先對待測信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉離散變換，可以看出待測信號(hào)按一定步長多次計(jì)算后的頻域分布，如下圖3：

這樣可以得出每一步長的頻譜結(jié)果，到此對于從待測信號(hào)的處理就結(jié)束了，接下來將對參考信號(hào)進(jìn)行處理，如下圖4：

此時(shí)，通過對兩組信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉離散變換處理，已經(jīng)得到兩組信號(hào)的頻譜圖數(shù)據(jù)，接下來進(jìn)行相關(guān)性系數(shù)的計(jì)算，以便能夠得到兩組信號(hào)的對齊時(shí)間點(diǎn)，如下圖5和圖6。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，獲取兩組音頻信號(hào)后，先以某一時(shí)刻為起始點(diǎn)，對待測信號(hào)分段進(jìn)行快速傅里葉離散變換處理，然后對參考信號(hào)取相同長度的段后進(jìn)行快速傅里葉離散變換處理，并對得出的兩組函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算。如果計(jì)算結(jié)果達(dá)不到設(shè)置要求，則繼續(xù)以小于取段的時(shí)間單位作為步長在參考信號(hào)上繼續(xù)取段重復(fù)上述處理和計(jì)算，在時(shí)延不大的情況下將很快得到兩者相關(guān)系數(shù)最匹配的時(shí)間點(diǎn)，這一點(diǎn)即為兩者信號(hào)的同步時(shí)間點(diǎn)。

這樣在音頻信號(hào)起始點(diǎn)開始，通過分段頻域計(jì)算和相關(guān)系數(shù)匹配的方式很快可以得到信號(hào)同步時(shí)間點(diǎn)，接下來即可以此時(shí)間點(diǎn)為基準(zhǔn)，開始進(jìn)行時(shí)域相關(guān)系數(shù)匹配的工作，以實(shí)時(shí)計(jì)算兩組信號(hào)是否同源。

2.算法優(yōu)化

對信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化可以對每一時(shí)刻的信號(hào)進(jìn)行頻域分析，但此方法計(jì)算量太大，僅是作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證使用，如果將其應(yīng)用到電臺(tái)實(shí)際監(jiān)測體系中，每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都需要配備高級(jí)服務(wù)器進(jìn)行處理，這對于實(shí)施應(yīng)用不具可操作性，我們的目標(biāo)是盡可能在應(yīng)用時(shí)實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比，因此，對算法進(jìn)行優(yōu)化以及計(jì)算芯片處理能力的提高是實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)同源判定實(shí)用化的兩條路，筆者這里只對算法優(yōu)化提出一些自己的看法?，F(xiàn)在數(shù)字信號(hào)處理方面已有多種優(yōu)化方法，快速傅里葉變換是其中一個(gè)方法，比如頻域抽取的算法和時(shí)域抽取的算法，通過頻域抽取的基2算法，可以使計(jì)算量縮小約200倍，這就使得音頻信號(hào)實(shí)時(shí)同源判定的實(shí)際應(yīng)用成為可能。endprint