文丨何連成

（廈門廣播電視集團(tuán)首席工程師，廈門 361004）

1 廣播電視信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)及其被非法插播可能性分析

1.1 信號(hào)傳輸拓?fù)涫疽鈭D 廣播電視信號(hào)制作好以后，通過各種媒介傳輸?shù)礁采w設(shè)備的前端，進(jìn)行編碼調(diào)制后送達(dá)最終受眾的終端。覆蓋方式主要包含無(wú)線覆蓋（發(fā)射機(jī)房）、有線覆蓋（有線電視網(wǎng)絡(luò)）、互聯(lián)網(wǎng)覆蓋（網(wǎng)絡(luò)數(shù)字媒體）、衛(wèi)星覆蓋等，示意圖如下：

圖1 信號(hào)傳輸拓?fù)涫疽鈭D

一般來(lái)說作為覆蓋設(shè)備的機(jī)房，其信號(hào)源都需要有來(lái)自不同路由的主、備路，如圖中所示。主、備路由有各種不同的組合，如雙光纖（路由不同），或一路光纖、一路微波，也有些機(jī)房還會(huì)使用接收自衛(wèi)星的信號(hào)作為備用信號(hào)源，如圖中的“發(fā)射機(jī)房”。

1.2 非法信號(hào)入侵的途徑 如圖1所示，以“發(fā)射機(jī)房”為例。由于傳輸路途可能很遙遠(yuǎn)，實(shí)際上每一種傳輸路徑都有可能被插播。光纖可能被竊聽，獲取傳輸格式，然后切斷插入非法信號(hào)；微波傳輸，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，可能壓制合法信號(hào)；衛(wèi)星接收的信號(hào)源，當(dāng)衛(wèi)星被非法信號(hào)攻擊時(shí)，也可能被非法插播。

雖然實(shí)現(xiàn)上述插播方式有一定難度，遭遇到的可能性不高，但安全播出的要求很高，還是需要對(duì)一切可能的安全播出隱患做出防范對(duì)策。

2 防非法插播的技術(shù)策略和關(guān)鍵算法

2.1 技術(shù)策略分析選擇 如果直接對(duì)信號(hào)源的內(nèi)容意義進(jìn)行分析，判斷其內(nèi)容是否符合政策和宣傳要求，那么按現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟件軟件技術(shù)而言，不僅難度非常高，而且準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性也很難滿足要求。但是考慮到實(shí)際上信號(hào)源有多路的情況下，我們可以用更簡(jiǎn)單的辦法來(lái)判斷是否有哪路信號(hào)路徑被插播。那就是把同一節(jié)目的來(lái)自不同路由的信號(hào)源拿來(lái)進(jìn)行內(nèi)容比對(duì)，如果所有路由的信號(hào)內(nèi)容全部相同，那么說明信號(hào)是安全的；否則，說明其中必有一路信號(hào)被非法插播，這時(shí)就要馬上輸出報(bào)警信息，等待人工對(duì)信號(hào)內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別判斷。如果信號(hào)源路由超過2路，也可以先把內(nèi)容與眾不同的那一路排除出去，從內(nèi)容相同的信號(hào)源中選一路輸出去播出，然后再報(bào)警請(qǐng)求人工監(jiān)聽的最后裁決。

使用內(nèi)容比對(duì)的方法，我們不需要對(duì)信號(hào)內(nèi)容的意義做出判斷，只需要對(duì)不同信號(hào)源的內(nèi)容是否一致做出判斷即可，這樣對(duì)技術(shù)上的要求就降低到了可行的程度。

2.2 音頻信號(hào)內(nèi)容比對(duì)的依據(jù) 可用的技術(shù)手段，無(wú)非是用于音頻信號(hào)處理的電路硬件和對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的軟件。關(guān)鍵在于對(duì)信號(hào)源內(nèi)容是否一致的特征提取。如果對(duì)某路音頻信號(hào)源的信號(hào)波形用示波器進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)每當(dāng)播音員講話或播放音樂時(shí)，示波器上都會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的波包，而當(dāng)出現(xiàn)節(jié)目間隙、語(yǔ)言語(yǔ)句之間的間隙、音樂之間的間隙的時(shí)候，示波器上的波形就近乎一條直線（幅度近乎零）。如圖2～圖5所示：

圖2 內(nèi)容相同的兩路語(yǔ)言信號(hào)波形對(duì)比

圖3 內(nèi)容不同的兩路語(yǔ)言信號(hào)波形對(duì)比

圖4 內(nèi)容相同的含音樂背景的兩路信號(hào)波形對(duì)比

圖5 準(zhǔn)白噪聲（上）與音樂（下）信號(hào)波形對(duì)比

我們可以把語(yǔ)音節(jié)目的內(nèi)容，看成是由各種不同時(shí)間長(zhǎng)度和幅度變化規(guī)律的波包，以及各種不同時(shí)間長(zhǎng)度的間隙組成的信息系列。這種系列與節(jié)目?jī)?nèi)容一一對(duì)應(yīng)，相同的節(jié)目?jī)?nèi)容必有完全相同的系列，而不同的系列則意味著不同的節(jié)目?jī)?nèi)容。圖2展示了兩路內(nèi)容相同、沒有時(shí)延差的語(yǔ)言信號(hào)的信息系列，圖3是內(nèi)容不同的信息系列。

因此，我們就把對(duì)內(nèi)容的判斷轉(zhuǎn)化成對(duì)音頻信息系列的比對(duì)判斷，如果信息系列完全相同則內(nèi)容相同，否則內(nèi)容不同。從圖2～圖5可以看出來(lái)，只要比對(duì)的信號(hào)中有一路是純語(yǔ)言類，內(nèi)容相同與否其特征非常明顯；音樂（或帶音樂背景）類信號(hào)之間，以及與準(zhǔn)白噪聲之間的波包特征差別較小甚至難于分辨。

2.3 具體電路和關(guān)鍵算法 來(lái)自不同路由的音頻信號(hào)可能存在時(shí)間延遲，即不同步的問題。因此在進(jìn)行信號(hào)比對(duì)之前必須先把兩路信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)“拉”齊，一般是把先到達(dá)的信號(hào)延時(shí)然后與后到達(dá)的信號(hào)對(duì)齊在同一時(shí)間點(diǎn)。假設(shè)最大可能的信號(hào)時(shí)間延遲為5秒，用于信號(hào)比對(duì)的時(shí)長(zhǎng)為3秒，下面討論不同處理算法的資源開銷。

2.3.1 直接對(duì)音頻信號(hào)高速采樣的比對(duì)方案 直接的音頻信號(hào)采樣，為了不漏掉任何一個(gè)信號(hào)上升下降細(xì)節(jié)，采樣率最好是最高信號(hào)頻率分量的十倍以上。調(diào)頻立體聲的音頻信號(hào)最高頻率達(dá)15 KHz，采樣率需要達(dá)到150 KB/S。因?yàn)楸葘?duì)前不知道兩路信號(hào)哪一路的延時(shí)更多，所以實(shí)際需要截取的信號(hào)時(shí)長(zhǎng)是比對(duì)時(shí)長(zhǎng)與最大信號(hào)延時(shí)時(shí)長(zhǎng)之和，即8秒。每一路信號(hào)8 s時(shí)長(zhǎng)的采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為8*150K= 1200K。為了得到信號(hào)比對(duì)的結(jié)果，需要對(duì)每一路信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)逐個(gè)后移，取其后3 s的數(shù)據(jù)與另一路信號(hào)的前3 s數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)比對(duì)，因此最大的比對(duì)次數(shù)為2*5*150K*3*150K=6.75*1011次，而每次比對(duì)都需要取數(shù)、運(yùn)算、比較判斷、統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)等操作，最少也需要10個(gè)指令周期，就算都是單時(shí)鐘周期指令，總共也需要6.75*1012個(gè)時(shí)鐘周期，這一切需要在3秒內(nèi)完成，所以每秒需要最少2.25*1012個(gè)時(shí)鐘，即時(shí)鐘頻率要達(dá)到2250GHz。這還只是進(jìn)行兩路信號(hào)的比對(duì)運(yùn)算量，如果要求更多路信號(hào)的比對(duì)，運(yùn)算量還要大得多。這樣的運(yùn)算速度對(duì)于單核的芯片是很難完成的，需要多核的高速芯片并行計(jì)算才可能實(shí)現(xiàn)。因此這種方案成本太高，現(xiàn)實(shí)可行性差。

圖6 音頻信號(hào)包絡(luò)檢波預(yù)處理

2.3.2 先對(duì)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波，再低速采樣的比對(duì)方案 如果先對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行幅度變化的包絡(luò)檢波——簡(jiǎn)單的預(yù)處理，那么雖然我們失去了波形的瞬間（毫秒級(jí)）幅度變化細(xì)節(jié)，但是還是可以保留語(yǔ)句、音樂等間隙和幅度變化的整體趨勢(shì)等最重要的特征信息，而這些信息對(duì)內(nèi)容比對(duì)來(lái)說就已經(jīng)足夠了，這樣做的結(jié)果就是可以極大降低比對(duì)所需要的運(yùn)算速度。下面以圖6的預(yù)處理電路參數(shù)為例說明：

上圖中的檢波電路可以消除檢波二極管死區(qū)電壓的影響，即使只有幾十毫伏的音頻信號(hào)也能得到正常的包絡(luò)輸出。包絡(luò)跟蹤的R1C1 =47 ms，因此采樣周期可以取5 ms，即采樣速率200 B/S。對(duì)于時(shí)長(zhǎng)3 s、最大可能延時(shí)量5 s的兩路音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行完整比對(duì)所需要的最大比對(duì)次數(shù)為2*5*200*3*200=1.2*106次，需要的總時(shí)鐘周期數(shù)為1.2*107 ,如果運(yùn)算時(shí)間最長(zhǎng)為3 s，則時(shí)鐘頻率要求為最小4 MHz。這樣的運(yùn)算速度要求還不到上一方案的百萬(wàn)分之一，使用價(jià)格便宜的51系列單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)了。當(dāng)然，使用運(yùn)算速度更快的芯片或DSP 可以獲得更快的反應(yīng)速度，實(shí)時(shí)性更令人滿意。

2.3.3 采樣數(shù)據(jù)的比對(duì)處理和判斷基準(zhǔn) 在兩路音頻信號(hào)之間進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)比對(duì)，還要考慮信號(hào)本身的幅度問題。內(nèi)容相同的信號(hào)幅度不一定相同，但對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)時(shí)，其比例應(yīng)該是相同的，這一比例值可以取一段時(shí)間長(zhǎng)度（例如8 s）中兩路信號(hào)最大采樣值之比為“比例參考值”。

對(duì)于語(yǔ)言類信號(hào)，使用圖6的信號(hào)預(yù)處理電路，如果對(duì)一段時(shí)間長(zhǎng)度3秒的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一比對(duì)，大量的實(shí)驗(yàn)表明：1）如果內(nèi)容相同，則采樣數(shù)據(jù)值之比與“比例參考值”誤差10%以內(nèi)的比對(duì)結(jié)果（簡(jiǎn)稱“比例一致性”）個(gè)數(shù)，可以占總比對(duì)個(gè)數(shù)的80%以上。這個(gè)結(jié)論在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中至少有99%的準(zhǔn)確性。2）如果內(nèi)容不同，則“比例一致性”個(gè)數(shù)，占總比對(duì)個(gè)數(shù)的50%以下。這個(gè)結(jié)論在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中至少有95%的準(zhǔn)確性。3）如果把“比例一致性”的個(gè)數(shù)是否占總比對(duì)個(gè)數(shù)65%以上，作為語(yǔ)言類節(jié)目?jī)?nèi)容是否相同的判斷基準(zhǔn)，則準(zhǔn)確率可達(dá)99%以上。4）對(duì)報(bào)警實(shí)時(shí)性放寬要求，可以極大降低誤報(bào)率。每增加一次（3秒）比對(duì)內(nèi)容不一致的累積才報(bào)警，誤報(bào)率可以降低100倍。

圖7

以上算法的準(zhǔn)確性主要受信號(hào)的信噪比影響。信噪比20 dB以下的時(shí)候，當(dāng)信號(hào)幅度小的瞬間噪聲電平的影響比率增大很多，影響了其判斷的準(zhǔn)確度。為了修正這種影響，可以適當(dāng)調(diào)整“比例一致性”的標(biāo)準(zhǔn)，例如當(dāng)采樣值為最大值的十分之一以下時(shí)，改用與“比例參考值”誤差30%以內(nèi)作為“比例一致性”的參考標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.4 音樂節(jié)目信號(hào)之間內(nèi)容比對(duì)的優(yōu)化方法 從圖4看到，音樂節(jié)目或含有音樂背景的節(jié)目，其波包的特征比較不明顯，以上述算法去判斷準(zhǔn)確率是比較低的。因?yàn)橐魳沸盘?hào)由各種不同的樂器組合而成，不同樂器其頻譜是不同的，所以可以按頻譜對(duì)總信號(hào)進(jìn)行分頻率段濾波篩選，分別進(jìn)行檢波采樣，然后再用上述算法判斷，這樣做以后準(zhǔn)確率依然可以很高。例如可以把300 Hz 以下的為一段（分出鼓類樂器），500 Hz～2000 Hz為一段（中音樂器），3000 Hz以上為一段（高音樂器）。分得越細(xì)準(zhǔn)確度越高，但是計(jì)算量越大，要求的芯片處理速度越高。

2.3.5 準(zhǔn)白噪聲信號(hào)的識(shí)別 某些情況下，當(dāng)節(jié)目信號(hào)丟失時(shí)，信道完全由噪聲占據(jù)，表現(xiàn)為幅度連續(xù)的寬頻譜的“沙沙”聲，這里稱之為“準(zhǔn)白噪聲”?！皽?zhǔn)白噪聲”與音樂信號(hào)在總波形的波包特征上差別不大，很難直接識(shí)別出來(lái)。但是，如果按頻譜對(duì)總信號(hào)進(jìn)行分段篩選，分段后的波包特征，音樂信號(hào)與準(zhǔn)白噪聲信號(hào)之間的差別還是很明顯的。準(zhǔn)白噪聲信號(hào)無(wú)論是總信號(hào)波包還是分頻段的信號(hào)波包，都顯示出很“木”的特征，即起伏很小而且一直不變，信息含量很低；而音樂信號(hào)在分頻段之后，其波包顯得很活躍，并時(shí)刻在隨著內(nèi)容的不同而變化著。根據(jù)這些特征可以對(duì)某路信號(hào)是噪聲還是音樂節(jié)目作出準(zhǔn)確的判斷。

3 實(shí)用系統(tǒng)的組成與應(yīng)用

現(xiàn)代化覆蓋設(shè)備的信號(hào)源，已經(jīng)有很多是數(shù)字音頻信號(hào)，這種情況可以從其音頻分配器的分配口取出后進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行內(nèi)容比對(duì)處理，判斷結(jié)果作為報(bào)警觸發(fā)信號(hào)或自動(dòng)切換的依據(jù)。如圖7所示：

圖中，語(yǔ)言類節(jié)目只需要用到“總包絡(luò)檢波”的采樣數(shù)據(jù)?！邦l率段n”是用帶通濾波器實(shí)現(xiàn)的，用于音樂類節(jié)目的比對(duì)和噪聲信號(hào)的識(shí)別。

該比對(duì)系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于中波和調(diào)頻廣播，也可以對(duì)電視節(jié)目的伴音進(jìn)行比對(duì)，通過對(duì)伴音內(nèi)容一致性的識(shí)別來(lái)判斷電視節(jié)目是否被插播，因?yàn)楣?jié)目的語(yǔ)言被插播其后果遠(yuǎn)超圖像被插播。

筆者敘述的算法屬于“模糊算法”范疇，這種智能性算法的準(zhǔn)確度取決于對(duì)象特征提取的準(zhǔn)確度和精細(xì)度。文中的模糊規(guī)則基準(zhǔn)如“比例一致性”誤差范圍，“比例一致性”個(gè)數(shù)的占比等等，是在大量實(shí)際試驗(yàn)中得出來(lái)的，該算法在實(shí)際測(cè)試中完全達(dá)到了預(yù)期的準(zhǔn)確度，是可以進(jìn)行產(chǎn)品化的實(shí)用算法。