肖 婧 任立君

1.興安盟阿爾山市融媒體中心 內(nèi)蒙古 阿爾山市 137800

2.內(nèi)蒙古新聞出版廣電局通遼廣播發(fā)射中心臺 內(nèi)蒙古 通遼市 028000

1 背景需求

發(fā)射臺已經(jīng)對播出設(shè)備建立起完備的監(jiān)測監(jiān)控，對發(fā)射臺內(nèi)播出的廣播節(jié)目信號一般是通過收音機(jī)或音頻監(jiān)測軟件進(jìn)行監(jiān)測，但這種對音頻的監(jiān)測方式只是實(shí)現(xiàn)了信號有無的監(jiān)測，對信號是否有誤不能準(zhǔn)確監(jiān)測。發(fā)射臺普遍存在播出節(jié)目多的特點(diǎn)，同時監(jiān)測的信號節(jié)點(diǎn)就更多了，在這種情況下，值班人員并不能及時發(fā)現(xiàn)播出有誤的情況，尤其是發(fā)射臺站還承擔(dān)著蒙古語節(jié)目的播出，大多數(shù)值班人員對少數(shù)民族語言掌握程度不高，更是增加了工作難度。針對這種情況，在發(fā)射臺監(jiān)控室內(nèi)建設(shè)一套音頻內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)就變得尤為重要，利用音頻比對的成熟技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射臺播出節(jié)目的內(nèi)容識別，當(dāng)播出時段內(nèi)出現(xiàn)錯播、插播以及信號丟失時能及時報警提示。

2 方案設(shè)計

在發(fā)射臺的播出節(jié)目中，為了保證播出節(jié)目的信號安全，播出的節(jié)目都是主備備份，根據(jù)播出節(jié)目的不同，至少是3 路信源，有的節(jié)目是4 路信源，以下以4 路信源的節(jié)目為例進(jìn)行方案介紹。發(fā)射機(jī)節(jié)目傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由節(jié)目傳輸結(jié)構(gòu)圖可以看出，發(fā)射機(jī)播出節(jié)目從信號源到發(fā)射機(jī)經(jīng)過了兩臺設(shè)備，一個是音頻切換器，一個是音頻處理器，目前各個發(fā)射臺用的切換器和音頻處理器都具有音頻編碼功能，即兩種設(shè)備都可以把音頻信號進(jìn)行數(shù)字化編碼，通過設(shè)備自帶RJ45接口編碼輸出，除了信源信號，還要對播出的接收信號進(jìn)行比對監(jiān)測，整體監(jiān)測結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如音頻監(jiān)測結(jié)構(gòu)圖中所示，利用音頻內(nèi)容比對技術(shù)，把同一套節(jié)目的四路信源信號經(jīng)音頻處理器后，將輸入發(fā)射機(jī)信號，接收的解調(diào)信號通過音頻比對軟件進(jìn)行實(shí)時比對，當(dāng)某一路信號出現(xiàn)跟其他信號內(nèi)容不一致時會有聲光報警提示。音頻監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)容比對判別時，經(jīng)過如下幾步：音頻采集、音頻信號濾波、音頻信號增益補(bǔ)償、模數(shù)轉(zhuǎn)換、特征值提取比較、比對結(jié)果輸出。

圖1 節(jié)目傳輸結(jié)構(gòu)圖

圖2 音頻監(jiān)測結(jié)構(gòu)圖

在上述的幾個步驟中，音頻切換器、音頻處理器、廣播解調(diào)設(shè)備分別對信源信號、輸入發(fā)射機(jī)信號、接收信號進(jìn)行音頻采集，并實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。為有效地抵抗解調(diào)信號所引入的噪聲干擾，音頻特征值的提取采用基于頻譜分析的算法。

音頻信號在進(jìn)行比對時，不管是基于哪種算法，首先要解決的就是各個信號之間的時延問題，因?yàn)樗穆沸旁葱盘枺瑏碜圆煌穆酚?，信號之間存在不同的時延，提取音頻特征值前就需要剔除時延的影響，即定位音頻時延的同步點(diǎn)。音頻時延同步點(diǎn)的定位算法，是基于音頻時域中的相關(guān)性查找算法實(shí)現(xiàn)的。簡單地講，就是把第一路信號在時域上的時幅圖看作是一副長軸“畫卷”，在比對信號（第二路、第三路、第四路、輸入發(fā)射機(jī)、接收）的時幅圖上截取一個片段，然后卷動第一路信號的時幅圖進(jìn)行比較，看看在哪個時間點(diǎn)上比對信號的片段和第一路信號的“畫卷”重合。

同時截取的兩路音頻信號如圖3 所示，上半部分是第一路信號時域上的波形時幅圖，下半部分是第二路（第三路、第四路、輸入發(fā)射機(jī)、接收）信號在時域上的波形時幅圖。可以比較明顯地觀察到，第二路信號比第一路信號遲滯了一點(diǎn)時間（其他信號可能提前）。

要確定第二路信號遲滯的時間就需要工作人員在第二路信號中截取一個片段，在算法實(shí)現(xiàn)中是定點(diǎn)或隨機(jī)截取的，但為了便于本文描述，第二路信號的片段選取從靜音結(jié)束后的一小段時長的音頻，然后在第一路信號緩沖區(qū)開始依次進(jìn)行比較，每比較一次移動一定的時長單位（滑動比對），直至緩沖區(qū)比較完畢，找到最高相似度的時延同步點(diǎn)，如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 同時截取的兩路音頻信號圖

圖4 緩沖區(qū)比對圖

圖5 移動一定的時長單位比對圖

圖6 定位到最高相似度的時延同步點(diǎn)比對圖

在比較精確地找到了多路音頻時延的同步點(diǎn)后，就可以進(jìn)入實(shí)時音頻比對流程了。實(shí)際測試中，在時域上完成音頻比對已達(dá)到了非常好的效果，但由于時域運(yùn)算上掩蓋了音頻頻率的特征，因此在比對噪聲很大的解調(diào)信號時，時域比對算法會產(chǎn)生誤報現(xiàn)象。因此，進(jìn)入到實(shí)時比對階段，筆者選擇頻域特征值的算法。其基于頻譜的特征進(jìn)行比較，最大的特點(diǎn)就是抗噪能力極強(qiáng)，參與比對的解調(diào)信號即使背景噪聲非常大（實(shí)測信噪比如果能夠達(dá)到10dB 以上）也不會對算法的比對結(jié)果造成影響。

音頻信號在頻域上實(shí)現(xiàn)比對，就是比較它們的頻譜特征。經(jīng)過理論推導(dǎo)及反復(fù)地測試觀察，工作人員發(fā)現(xiàn)了一個非常簡單的頻譜特征可以作為兩路音頻一致性比對的依據(jù)：音頻信號在時域同步后，其頻譜上最高能量的頻點(diǎn)是基本一致的。雖然由于干擾等因素的影響，兩路內(nèi)容基本相同（人耳無法分辨）的音頻最高能量點(diǎn)的頻率偶爾會有偏差，但很快又能變得一致；反之，兩路內(nèi)容不同的音頻其頻譜上最高能量的頻點(diǎn)差異很大。

光纖信號與衛(wèi)星信號的頻譜圖如圖7 所示，總體看頻譜圖基本一致，在60HZ 頻點(diǎn)處都是能量最高峰。

輸入發(fā)射機(jī)信號與解調(diào)信號的頻譜圖如圖8 所示，總體看頻譜圖基本一致，低頻部分有一些差異，但200Hz 頻點(diǎn)處都是能量最高值。

3 音頻比對與報警

同步時延的時間點(diǎn)找到后，后續(xù)的所有音頻序列都按照此同步點(diǎn)進(jìn)行對齊，進(jìn)行連續(xù)的相似度計算并設(shè)定相似度的門限值、次數(shù)，當(dāng)計算相似度值在連續(xù)低于門限值達(dá)到設(shè)定的次數(shù)時，系統(tǒng)則認(rèn)為兩路信號的內(nèi)容已經(jīng)不一樣，會進(jìn)行聲光報警提示。

圖7 光纖信號與衛(wèi)星信號的頻譜圖

相似度曲線如圖9 所示，綠色是利用時域波形圖實(shí)現(xiàn)音頻比對的相似度曲線，相似度值都在95%以上；黃色是相對信噪比曲線，其值在50dB至60dB間波動。

圖8 輸入發(fā)射機(jī)信號與解調(diào)信號的頻譜圖

圖9 相似度曲線圖

4 音頻內(nèi)容監(jiān)測軟件主要功能

音頻內(nèi)容監(jiān)測軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能有：支持任意兩路音頻的實(shí)時比對；音頻比對支持柱形圖、波形圖、頻譜圖、相似度曲線圖展現(xiàn)；支持音頻比對參數(shù)展現(xiàn)，包括時延、相似度、頻譜特征點(diǎn)、信噪比；報警方式支持閃爍、閃爍+鈴聲，報警恢復(fù)支持自動恢復(fù)和手動恢復(fù)；報警判斷支持常閉報警、常開報警、依據(jù)運(yùn)行圖報警；支持同步丟失報警，其錄音包含報警前指定時長音頻；支持相似度異常報警，其錄音包含報警前指定時長音頻，左聲道錄制標(biāo)準(zhǔn)信號，右聲道錄制比對信號；支持頻譜特征報警判斷；報警時自動切換到對應(yīng)瀏覽畫面；實(shí)時展現(xiàn)比對信號的信噪比，方便用戶辨識信號源質(zhì)量，避免劣播。

結(jié)束語

廣播節(jié)目內(nèi)容監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義：一是增強(qiáng)安全播出等級，切實(shí)提高了廣播發(fā)射臺的安全播出保障能力，有效防止了錯播、插播行為，杜絕廣播節(jié)目出現(xiàn)非法信號， 避免政治播出事件發(fā)生，對維穩(wěn)和廣播覆蓋的安全播出工作，具有很強(qiáng)的政治意義和明顯的社會效益；二是極大減輕值班人員的工作壓力，減少監(jiān)控人力物力投入。