劉春齡 谷 昱

1.內蒙古新聞出版廣電局微波傳輸總站 內蒙古 呼和浩特市 010050

2.內蒙古新聞出版廣電局錫林浩特廣播發(fā)射中心臺 內蒙古 錫林浩特市 026000

引 言

近年來，隨著無線電發(fā)射設備系統(tǒng)的不斷小型化，城市、村鎮(zhèn)、農牧區(qū)出現(xiàn)了大量的非法廣播播出，即俗稱的“黑廣播”，給人民群眾的精神文化生活帶來了極大的干擾，甚至給廣大人民群眾造成了巨大的經濟損失，非法廣播的存在更為新聞輿論工作埋下了極大的隱患，同時給各行業(yè)正常的無線電通信帶來很大的干擾。

非法廣播的發(fā)現(xiàn)主要是通過群眾在正常收聽廣播時發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)異常后向廣播電視管理部門進行匯報，廣播電視管理部門進行廣播非法性確認，認定非法后報告公安部門并連同報告無線電管理部門，兩部門利用專業(yè)工具對非法廣播發(fā)射源進行定位，鎖定發(fā)射源位置后對發(fā)射設備進行物理拆除。因此，傳統(tǒng)打擊非法廣播的處理流程，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)打擊非法廣播流程

通過上述發(fā)現(xiàn)處理流程，可以看出該流程存在著很大的弊端，主要表現(xiàn)在：很難做到及時發(fā)現(xiàn)非法廣播，發(fā)現(xiàn)非法廣播時說明該廣播已在群眾中造成較大影響；非法廣播從發(fā)生到被打擊，周期長、流程環(huán)節(jié)多；因無法在第一時間收集證據(jù)，造成認定程序繁復。這些弊端造成了非法廣播在部分地區(qū)活動猖獗。這種模式無法有效打擊有組織、有預謀的非法廣播活動。

對于非法廣播的發(fā)現(xiàn)如果可以做到發(fā)現(xiàn)及時、定位及時、證據(jù)收集及時正確這三點，將為執(zhí)法部門提供精準的信息，使其及時完成對非法廣播設備的拆除，并為抓獲違法犯罪分子創(chuàng)造有利條件，有效遏制非法廣播活動。

非法廣播智慧發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)是自動地發(fā)現(xiàn)非法廣播，因而可以有效壓縮發(fā)現(xiàn)非法廣播的時間。自動取證可以有效降低部門協(xié)調時間，使得部門協(xié)調更高效，且非法廣播發(fā)射源位置尋找更有方向性，因此可以極大提高打擊非法廣播的整體效率。使用該發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)后，打擊非法廣播流程如圖2所示。

圖2 使用發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)后的打擊非法廣播流程

1 系統(tǒng)實現(xiàn)

一般情況下，非法廣播設備雖然生產設計很不規(guī)范，但其頻率范圍和調制方式上與正常的廣播系統(tǒng)幾乎一致。非法廣播為了擴大其影響力，盡可能地逃避政府的打擊，發(fā)射位置的選擇會十分的隨機和隱蔽，因此任何物理位置都可能成為非法廣播發(fā)射源位置。

1.1 方案構架

為了及時發(fā)現(xiàn)空間內傳播的非法廣播內容，必須要在所需探測區(qū)域內放置接收設備，才能最準確的收集實際環(huán)境中的信息。因此，需要廣布于環(huán)境中的“探針”設備對無線廣播信號進行嗅探。單個“探針”設備作為孤立的點，無法獨自完成非法廣播發(fā)射源的定位，它只能發(fā)現(xiàn)自己所在的物理位置是否有異常無線廣播信號。需要由數(shù)據(jù)中心將“探針”收集信息加以處理和存儲，才能完成發(fā)射源的精準定位。系統(tǒng)方案最終實現(xiàn)方式：通過分散廣布的智能物理設備——“探針”，嗅探所在物理位置的電磁情況，將所獲得的電磁信息通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)中心對回傳數(shù)據(jù)進行處理，并進行證據(jù)收集且向相關人員提出告警。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)方案整體示意，如圖3所示。

圖3 方案整體示意圖

1.2 軟件定義無線電

SDR（Software Defined Radio）軟件定義無線電的思想是為各類射頻信號提供統(tǒng)一的硬件平臺，通過軟件的方式去解決各類需求不同的射頻問題。軟件定義無線電系統(tǒng)利用程序代碼對調制模式、波形控制、邏輯輸出等方面的應用參數(shù)進行控制，而不需要做硬件改動。盡管SDR 頻率處理范圍和處理帶寬受器件性能限制，但由于其能夠提供多種解調技術，利用軟件可處理的信號范圍是相當寬泛的，并且可以通過軟件更新的方式增加更多的解調能力。

1.3 “探針”設備實現(xiàn)

“探針”設備是能夠自動發(fā)現(xiàn)非法廣播并提供位置信息的智能設備，是整個系統(tǒng)的最前沿部件。為了建立更實用、更加靈活、更符合實際工程需求的發(fā)現(xiàn)設備，大幅提高設備的更新升級及功能開發(fā)效率，系統(tǒng)中的硬件均采用模塊化、統(tǒng)一接口的方式進行設計，按照不同的功能需求，形成不同的功能模塊，通過通用的數(shù)據(jù)總線的連接方式實現(xiàn)設備的整體功能。軟件方面，摒棄軟件系統(tǒng)從底層到應用的全開發(fā)方式，轉而采用基礎平臺（操作系統(tǒng)）+驅動+API 到應用的開發(fā)方式。

“探針”設備，將由天線模塊實現(xiàn)非法廣播發(fā)射源的接收及射頻信號捕獲，射頻模塊將高頻的RF 信號轉換成可以進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)，GPS模塊確定“探針”所在點的物理位置，通信模塊建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路，完成設備與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交互，核心處理模塊作為“探針”設備最核心、功能最強大的部分，完成復雜的數(shù)據(jù)處理和其他附屬功能模塊的控制，并對無線信息進行處理加工，完成初步的非法認定及非法證據(jù)收集，并將這些信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。“探針”設備硬件模塊，如圖4所示。

圖4 “探針”設備硬件模塊圖

1.3.1 核心處理模塊

核心處理模塊選用了應用廣泛而穩(wěn)定的Raspberry Pi3 Model B 平臺，該設備選用博通公司BCM2837 處理芯片，可以提供高達1.2GHz 的主頻，系統(tǒng)集成1GB RAM、802.11n 無線局域網(wǎng)和藍牙4.1。其尺寸長度僅有85mm，寬度僅有56mm，高度最高16mm，安裝防護外殼后設備整機體積不大，可以很容易的在室內、室外找到安放位置。可在基站、公共攝像頭、路燈等設施上搭載，也可以獨立地放置在房屋建筑、電線桿等上。

1.3.2 操作系統(tǒng)

利用Raspberry 官方提供的Linux 操作系統(tǒng)發(fā)行版RASPBIAN，可以對Raspberry 平臺提供最穩(wěn)定的支持。Linux 開發(fā)最早只是適用于基于Intel 80386微處理器的IBM PC兼容機的操作系統(tǒng)。隨著世界各地的Linux 開發(fā)者的共同努力，Linux 已經在多種平臺上成功而穩(wěn)定地運行，包括ARM 處理平臺。在現(xiàn)代嵌入式領域、移動終端領域，Linux 內核的操作系統(tǒng)因其性能而廣受開發(fā)者的推崇。

1.3.3 天線及射頻模塊

天線及射頻模塊利用以Rafael R820T2 調諧器和NXP LPC4370 ADC 為核心的AIRSPY 模塊，通過USB 接口為核心處理模塊提供12bit 的ADC 后的無線電信號數(shù)據(jù)。該模塊實現(xiàn)了RF 信號降頻、模擬信號到數(shù)字信號的轉換、數(shù)字信息的USB 數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗泄δ?，其功能框圖，如圖5所示。

圖5 無線電外設模塊框圖

Rafael R820T2 調諧器工作頻率范圍為42～1002MHz，廣泛應用在開路數(shù)字電視、閉路電視等電視傳播領域，其在靈敏度、線性度、相鄰信道抗干擾、鏡像抑制等方面表現(xiàn)均十分優(yōu)異。Rafael R820T2 調諧器功能主要是將頻率較高的RF 信號降頻至ADC 可以處理的較低的IF 中頻頻率。

NXP LPC4370 處理芯片是一款 32 位的 ARM 控制處理芯片，本系統(tǒng)主要利用芯片本身提供80Msps采樣速率的12bit ADC 處理能力及USB 數(shù)據(jù)傳輸能力。NXP LPC4370 處理芯片將降頻的RF 信號進行ADC 數(shù)據(jù)處理，并將處理結果利用USB 總線傳輸給核心處理板卡。

1.3.4 頻率解調

主機接收到無線電外設模塊通過USB 總線傳輸來的數(shù)據(jù)，需要進一步的數(shù)據(jù)處理才能成為有用數(shù)據(jù)，需經歷濾波器去除干擾頻率信息，再經過寬帶調頻解調可輸出語音的PCM 信息，這些信息傳輸?shù)铰暱ㄔO備便可以直接發(fā)出聲音。但是，“探針”設備直接將聲音信息發(fā)出來，對于遠端的監(jiān)測人員沒有任何意義，因此需要將這些聲音信息以文件的形式記錄下來，以便于記錄和分析。對于非法廣播的播出內容，需用軟件將該PCM 信息封裝在WAV 文件中，形成一個獨立文件進行存儲。

1.3.5 非法廣播認定及處理

對于調頻廣播來說，合法的廣播在廣播電視管理部門均有備案登記，當“探針”設備搜索到調頻廣播頻率范圍內的某一頻率，便將之與已備案的頻率進行比對，不在備案登記表內的頻率便可第一時間認定為非法。將已備案登記的廣播頻率設置成白名單，將該白名單寫入到“探針”設備內，當“探針”發(fā)現(xiàn)與白名單內不符的廣播頻率時，則觸發(fā)告警、上報及記錄功能，通過數(shù)據(jù)鏈路將必要的信息上傳到數(shù)據(jù)中心。

1.3.6 定位系統(tǒng)

當“探針”設備探測到設定空域內的無線電信息中存在非法廣播時，若不能明確自己的地理位置信息，對于非法廣播的打擊是沒有意義的，因此，“探針”設備必須能夠“聲明”自身的地理位置，才能對發(fā)現(xiàn)非法廣播有意義。

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（the Global Navigation Satellite System）是現(xiàn)今應用最為廣泛、使用最為簡單的地址位置信息系統(tǒng)?！疤结槨痹O備的定位采用衛(wèi)星定位的方式進行，采用了ATGM336H-5N系列模塊。

1.3.7 通信模塊

由于“探針”均是分布在外的設備，需要將其加工后的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進行再處理，實現(xiàn)該數(shù)據(jù)回傳要有相應的信息傳輸手段。由于“探針”布置具有分散、室外、獨立的特性，數(shù)據(jù)傳輸利用移動通信網(wǎng)的方式更能符合數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H需要，通過移動通信網(wǎng)將“探針”設備生成的包含無線電信息及位置信息的文件傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。移動通信網(wǎng)通信模塊實現(xiàn)基于TCP/IP 的數(shù)據(jù)連接，可以使“探針”在不同的網(wǎng)絡環(huán)境中都可實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的互相通信，而不用過多考慮數(shù)據(jù)傳輸硬件及傳輸體系。

1.4 數(shù)據(jù)中心

由于數(shù)據(jù)中心是整個發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的核心樞紐及處理顯示中心，必然要求更高的可靠性、可擴展性。任何的設備都不能保障不發(fā)生故障，為提供高質量、高可靠的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)中心的云化是其必然的選擇。云計算在對大規(guī)模服務器集群的應用實例上，相較傳統(tǒng)的物理負載均衡方式有著質的優(yōu)勢。

云計算將服務器提供的資源池化，進而提供滿足高彈性、高拓展性、高穩(wěn)定性需要的底層基礎，用戶軟件通過云計算面對高度同質的計算量、存儲量而不是異化的物理硬件。由于物理硬件池化的特性，當已有計算能力不能滿足需求時，僅需新采購計算能力，并入管理系統(tǒng)便可直接應用，而不需暫停原服務。采購也可以分批次進行，而不用考慮短期財政壓力。

1.4.1 云系統(tǒng)

系統(tǒng)利用OpenStack 完成數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)私有云的搭建，服務器系統(tǒng)采用64 位的ubuntu 系統(tǒng)作為底層系統(tǒng)。OpenStack 來源于 NASA 和 Rackspace 的合作項目，對市面上幾乎所有類型的云環(huán)境都有支持，OpenStack 通過集成大量服務的方式提供IaaS 層面的解決方案，而集成的服務都是以API 的方式集成在項目包中的。

1.4.2 數(shù)據(jù)庫

隨著監(jiān)聽規(guī)模的擴大，“探針”設備數(shù)量會規(guī)模性的上漲，同時“探針”設備不間斷地收集海量的數(shù)據(jù)并加以傳輸，如何有效地管理、存儲、利用好這些數(shù)據(jù)是一個需要解決的重要議題。數(shù)據(jù)庫技術是解決這一系列問題的有力工具。

MySQL 是現(xiàn)在使用最為廣泛的關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在WEB 應用方面MySQL 是最好的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應用軟件之一。系統(tǒng)中MySQL 作為數(shù)據(jù)中心核心數(shù)據(jù)調度節(jié)點，為數(shù)據(jù)中心前端顯示、非法廣播報表報送、歷史規(guī)律分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1.4.3 地理位置信息系統(tǒng)

在工程實際應用中，用戶界面也是至關重要的環(huán)節(jié)，用戶需要方便直觀地獲得有用信息，才能更高效的做出判斷。GIS（geographical information system）地理信息系統(tǒng)是利用計算機系統(tǒng)，對整個或者部分地球表面空間中的有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、分析、運算、管理的技術系統(tǒng)。GIS 技術多年來成功地應用在土地、環(huán)境、交通、軍事等重要領域，在無線電傳輸覆蓋分析上也已經有了較成熟的應用，得到了業(yè)內的廣泛認同。利用地理信息系統(tǒng)，可以直觀地觀察非法廣播發(fā)射源情況。

考慮到“探針”是位于真實多變的環(huán)境之中，同時需要大量的實時信息作為非法廣播發(fā)射源位置判斷依據(jù)。對于封閉的系統(tǒng)，是很難做到這一點的，因此選用百度地圖API 的方式進行位置信息展示及周圍環(huán)境展示?；诰W(wǎng)頁的百度地圖API 是以JavaScript 代碼段的形式嵌入在html 文件中實現(xiàn)函數(shù)調用，當網(wǎng)頁解析程序運行到該JavaScript 代碼段時，會直接對百度的地圖服務器提出請求，百度地圖服務器通過讀取需求函數(shù)和需求函數(shù)參數(shù)的內容返回相應數(shù)據(jù)。

為承載百度API 的顯示，需要有相應的WEB服務為其提供WEB 頁面支持，系統(tǒng)采用流行LAMP （Linux+Apache+MySQL+PHP）結構搭建，該方式是Linux 系統(tǒng)下最為常用的WEB 服務構架，其使用也十分成熟。

2 系統(tǒng)現(xiàn)階段成果展示

2.1 WEB界面顯示

單“探針”系統(tǒng)測試運行在WEB 界面顯示結果，如圖6所示。將“探針”設備放置在圖中標識“測試點”的位置進行真實環(huán)境測試，經過解析“探針”設備的GPS 信息，最終百度地圖API在呼和浩特體育場名字右下方給出了位置顯示，可以看出真實位置和顯示位置出現(xiàn)了偏差。之所以會產生這樣的偏差，是由于商用網(wǎng)頁頁面使用Web 墨卡托坐標系表示物理位置，而這個坐標系在對應真實坐標系時被進行了人為加密，百度地圖使用的BD09 Web 墨卡托坐標系是在國家測繪局制訂的GCJ—02 坐標系統(tǒng)上進行二次加密的商用產品。

圖6 WEB界面顯示

為了使“探針”位置能夠在地圖頁面準確表達出來，則必須要在將地理位置信息通過百度地圖API 發(fā)送到百度前通過算法進行相應的加密。該算法的獲得需要同測繪局和百度公司進行進一步的具體協(xié)商。WEB 界面的正常顯示說明，數(shù)據(jù)中心在運行WEB 服務和調用百度地圖API 顯示“探針”位置的過程均是正?？尚械摹?/p>

2.2 無線電數(shù)據(jù)顯示

用“探針”接收真實空域內的無線電信號進行系統(tǒng)測試，通過解析“探針”回傳的無線電數(shù)據(jù)，最終得到實際帶寬數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 實際帶寬數(shù)據(jù)顯示

圖中可以看到7 個較明顯的能量峰值，分別位于97.6MHz、97.8MHz、98.5MHz、99.1MHz、99.7MHz、100MHz、101.4MHz位置，其中除97.6MHz和100MHz位置所占帶寬較小，是對講機等設備使用的窄帶調頻及噪聲干擾，無法通過解調調頻廣播的方式解析出語音，其余五個位置都能解析出語音信息，這五個頻點都是可以在測試地點用收音機收聽到的正常調頻廣播節(jié)目。

2.3 采集音頻文件分析

“探針”設備解析獲取的無線電數(shù)據(jù)，最終將特定頻點的調頻信息解調后錄制成WAV 文件，數(shù)據(jù)中心通過FTP 協(xié)議獲取該文件并將其保存。測試中將呼和浩特地區(qū)99.1MHz 頻率假想設置成非法廣播頻率并對其內容進行錄制，制成WAV 文件。利用常規(guī)WAV 音頻文件分析工具對該文件做展示分析，得到如圖8所示結果。

圖8 WAV 文件分析

通過分析軟件可以看到，在錄制時間段內均有聲音強度并在人耳可聽范圍內，聲音強度高低錯落變化柔和，是較為標準的音樂信息。99.1MHz頻率是中央廣播電視總臺音樂之聲在呼和浩特地區(qū)的播出頻率，錄制時段正播放音樂節(jié)目，文件分析結果與人為主觀監(jiān)聽結果一致。通過對WAV文件的分析說明，“探針”設備可以正確的解調特定頻點的調頻廣播并錄制成聲音文件。

總 結

本系統(tǒng)模型在實際環(huán)境中完成了功能性測試，通過測試結果可以看出系統(tǒng)運行正常，利用“探針”進行非法廣播發(fā)現(xiàn)的方法是可行的，可以對非法廣播的發(fā)現(xiàn)提供有力的技術支持，為我區(qū)調頻廣播的安全播出提供進一步保障，保障我區(qū)無線廣播發(fā)射網(wǎng)絡的網(wǎng)絡安全。

對于現(xiàn)階段系統(tǒng)中，地圖顯示位置準確性的問題，則需要通過與相關部門和公司進行進一步協(xié)調的方式加以解決。

本系統(tǒng)功能還有極大的挖掘潛力，各功能模塊算法還有很大的優(yōu)化空間，未來系統(tǒng)將結合更優(yōu)的軟硬件條件，將朝著智能化、自動化的目標逐步升級發(fā)展。最終，成熟完善的非法廣播發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)，將徹底拋開人為干預而做出精準的報警和精準的發(fā)射源位置預測。