隧道调频广播覆盖系统信号源安全方案

【本文献信息】郑朝晖.隧道调频广播覆盖系统信号源安全方案[J].广播与电视技术，2018,Vol.45(7).隧道调频广播覆盖系统信号源

安全方案

郑朝晖

（深圳市广播电视传输中心，广东 518021）

【摘 要】本文详细介绍了隧道调频广播覆盖系统中各种信号源技术方案，并对各方案进行了分析和比较。为了提升隧道调频广播的安全级别，提出了一种基于音频比对技术的信号源安全方案。通过引入音频比对技术，可以有效地提升隧道调频广播的安全播出水平，降低系统的信号源建设成本和维护成本。【关键词】隧道调频广播覆盖系统，信号源，安全级别，音频比对 TN934 【文献标识码】 B 【DOI 10.16171/j.cnki.rtbe.2018007016【中图分类号】 编码】Source Signal Security Scheme for Tunnel FM Broadcasting Coverage System

Zheng Zhaohui

( Shenzhen Broadcasting Transmission Center, Guangdong 518021, China )

Abstract This paper analyzes in detail the various source signal technical solutions for tunnel FM broadcasting coverage system, and compares

those solutions. To improve the security level of tunnel FM broadcasting, a source signal security scheme based on audio comparison technology is proposed. The audio comparison technology effectively improves the security level of tunnel FM broadcasting, and reduces the source signal construction cost and maintenance cost.

Keywords Tunnel FM broadcasting coverage system，Source signal，Security level，Audio comparison

0 引言

隧道是广播信号的覆盖盲区，同时广播作为一种信息传播方式，是车辆驾驶出行者最直接、及时、便捷的获取信息的途径，因此，实现隧道中广播信号覆盖具有十分重要的现实意义。实现隧道中广播信号覆盖后，实际上就是建立了一个小型的广播发射系统，各隧道就像一个无人值守的发射台，信源容易受到干扰、插播破坏。因此，必须保证隧道调频广播信号源的安全，采用信号源实时比对技术及时发现异常并能实现切换，满足广播电视安全播出相关要求，并降低隧道覆盖的建设和使用成本。

播信号的覆盖，即隧道调频广播前端通过多种方式获得多路已调制FM合成的射频信号，再将多路已调制FM合成的射频信号进行电光转换，通过光缆传输到隧道中的光纤直放站，最后通过隧道中的泄露电缆实现信号覆盖，系统结构如图1所示。

2 隧道前端信号源实现方案

隧道调频广播的信号源质量对确保优质播出至关重要，播出质量关注的是隧道内接收信号的质量，下面结合隧道调频广播信号源获取方式，并结合实际谈谈隧道调频广播信号源的质量和隧道内广播信号播出质量问题。隧道调频广播前端负责接收、处理和产生进行隧道调频广播信号覆盖所必须的信号源，目前信号源的获取有两种实现方案，第一种方案是直接接收空中的开路射频信号，再对射频信号直接进行处

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1 隧道调频广播覆盖技术简介

目前采用隧道调频广播前端和光纤直放站实现隧道中广

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无线覆盖Wireless Coverage ︳

理或对射频信号进行解调和调制；第二种方案是通过光纤、有线电视网络、互联网或者专线，将电台直播间或电台编码前端的音频信号传输到隧道调频广播前端，隧道调频广播前端的音频解码器解调出数字音频信号，再调制成射频信号；在条件具备的情况下，也可以考虑通过光纤直接从调频发射机将射频信号传送至隧道调频广播前端。

但此种信号处理方式为音频信号再生，信号在解调和再调制过程中，消除了调频噪声，射频信噪比高，因此信号质量较好。具体技术方案如图3所示。

2.2 有线方式：MSTP、有线电视、光纤等信号

通过光纤、有线电视网络、互联网或者专线，将电台直播间或电台编码前端的音频信号传输到隧道调频广播前端，隧道调频广播前端的音频解码器解调出多路数字音频信号，再经FM多路调制器调制成多路射频信号，再将多路射频信号合成一路信号，转换成光信号后通过光纤传输到隧道内，最后通过隧道内光纤直放站实现隧道中信号覆盖。通过这种方式获取信号源，是标准发射台普遍采用的信号源结构，获得的音频质量最高，射频信噪比高，同时信号源的安全性也大大提高。

另外一种有线方式是打通发射机房到隧道的光纤资源，将发射机射频信号直接送到隧道直放站。

具体技术方案如图4所示。

2.1 无线方式：空中开路射频信号

在隧道口前端架设接收天线，接收空中开路射频信号，对接收下来的开路射频信号进行信号处理有两种方式，一种方式是对接收的开路射频信号进行射频滤波处理；另一种方式是对接收的开路射频信号先解调成音频信号，再调制成射频信号。

射频处理方案：对天线接收下来的开路射频信号，按照不同频点采用不同的滤波器进行选频滤波，再对滤波处理后的多路信号合成一路信号，再将合路信号进行功率放大，转换成光信号后通过光纤传输到隧道内，最后通过隧道内光纤直放站实现隧道中信号覆盖。这种信号处理方式无需对信号进行解调和再调制，没有改变接收信号的载波频率和调制度，μs级，因此能很好解信号处理延时小，信号处理延时达到10

决信号相干区的同频干扰问题，在隧道口的同步效果好。具体技术方案如图2所示。

射频解调和调制方案：对天线接收下来的开路射频信号，先解调成音频信号，再调制成射频信号，进行功率放大，转换成光信号后通过光纤传输到隧道内，最后通过隧道内光纤直放站实现隧道中信号覆盖。由于这种信号处理方式对信号进行了解调和再调制，改变了接收信号的载波频率和调制度，信号处理延时较大，信号处理延时达到ms级；同时解调后再调制的信号频率、调制度不可能完全与隧道口的信号相同，就可能会造成在隧道口附近几十米的范围内覆盖效果变差。

3 基于音频比对的信号源安全方案

信号源获取方式和处理方式直接关系到信号源安全性。通过天线直接接收空中的开路射频信号的方式获取信号源安全性较差，信号源容易受到外界信号干扰、非法信号入侵的危险；通过有线电视网络、互联网、专线将电台直播间或电台编码前端的音频信号传输到隧道调频广播前端的方式获取信号源安全性较高，可大大减少非法信号入侵的危险，信号源不易受到空间其它信号的干扰，提高了信号源的安全性，但这种方式需要租用有线电视或运营商传输链路资源，传输链路租用费按年付费，需要较高的投入成本。

为了解决开路信号源安全性问题，本文在通过天线直接接收空中开路信号的系统中增加音频实时比对系统，在降低

前端--信号源RF直接射频处理RFFM解调E1、IP或有线电视等FM调制射频合成、光发光放大、分路器后端1——泄露电缆光缆泄漏电缆光纤直放站泄漏电缆泄漏电缆光纤直放站泄漏电缆后端2——天线光缆光纤直放站光纤直放站音频解码FM调制射频光信号（来自发射机）图󰀡1 隧道调频广播覆盖系统结构图广播与电视技术 〔2018 年·第45卷·第7期〕

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无线覆盖 ︳ Wireless Coverage

系统成本的同时确保信号源的安全性。

RF带通滤波+低噪放A12采用音频实时比对技术，将各隧道信号

AD（宽带）数字信号处理A12DAA1光发2源音频回传到总控，与电台信号源实时比对，及时发现播出过程中的异常，提升信号源的安全性，全面满足隧道调频广播信号安全播出。

FFF为了提升隧道调频广播覆盖信号源的安全性，采用音频内容比对技术，增加音频采集和比对设备，对各隧道中回

图󰀡2前端信号源方案（射频处理）

传音频信号和演播室音频信号等播出节目信息进行监测、比

RF射频解调FM调制FM调制FM调制对、预警以及错误内容记录，能及时发现异常信号，有效防

射频合成、光发光放大、分路器止非法信号插播和错播事故，提高了信号源的安全性，确保安全播出。同时也为广播系统运维人员提供了有力的系统运维工具，提高了安全播出的智能性。

采用的音频内容比对系统结构如图5所示，演播室音频和各隧道回传音频分别通过特征参数提取模块提取音频特征值，进入音频比对模块进行自动化比对，算法会根据音频比对的历史结果修正算法，达到自适应提升算法性能的目的。

多通道FM调制图󰀡3前端信号源方案（射频解调+调制）音频比对系统的主要性能指标如下：

1. 鲁棒性：在监测前端射频信噪比高于15dB时或音频信

E1有线电视光纤IPFM调制音频解码FM调制射频合成、光发光放大、分路器噪比高于50dB时，比对应该应满足准确性要求。

2. 准确性：在本系统中，正确识别率应大于99%、漏检率小于0.5%和误检率小于0.5%。

3. 区分性：采用的算法应不针对某些特定音频，要适用于所有类型广播节目。

4. 颗粒度：颗粒度报警及时性，应尽量小。通过配置，可实现对任意持续整数秒的异常音频检测。

5. 自适应性：系统算法具备机器学习能力，可以自动根

据历史音频对算法进行调整，提升比对性能。

FM调制射频光信号（来自发射机）图󰀡4前端信号源方案（音频传输+调制）演播室音频隧道回传音频特征参数提取音频相似度值音频比对网络传输一致性对比结果音频特征参数的选取是比对算法的关键。音频特征参数提取是指从音频信号中提取能够反映音频本质，有利于音频比对，并且适于用计

特征参数提取异常样本记录音频比对模型模型优化SVM分类器算机进行处理的特征参数。常用的音频特征大致可以分为三类：时域特征(Time Domain

内容一致性比对模块Feature)，频域特征(Spectral Domain Feature)和声学感知特

图󰀡5󰀡󰀡音频内容比对系统结构图征(Perceptual Feature)。时域特

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无线覆盖Wireless Coverage ︳

当比对系统发现信号源故障时可以及时向维护人员推送报警，

时域参数比较待测序列特征码标准序列特征码频域参数比较并且通过远程监控系统自动切换空间分集的备路无线信号源。

过零率轨迹基于特征直方图的比较方法平均短时能量能量修正4 结束语

输出相似度保证信号“高质量，不间断，既经济又安全”是安全播出总方针，不仅无线发射台站应该遵守，而且也应该贯彻在隧道、地铁、地下商场等空间的信号覆盖系统中。

本文对隧道调频广播覆盖的信号源方案进行分析和比较，

图6󰀡󰀡音频比对流程针对无线信号源方式提出了基于音频比对的安全性方案。采用本方案，能及时发现异常信号，有效防止非法信号插播和

征只利用音频信号在时域上的信息，在提取时不需要特别的转换，处理时间短。常见的时域特征包括：短时过零率、平均能量、自相关函数、短时平均幅度差函数等。频域特征需要将时域波形信号转换到频谱或倒谱域，然后进行运算。常见的频域特征包括：频谱质心、带宽、频率、线性预测系数(LPC)、Mel频谱倒谱系数(MFCC)等。声学感知特征是一些声学上定义的概念，可以通过时域或频域上的特征计算得到。声学感知特征考虑了人的听觉感知特点，但通常计算比较复杂。常见的声学感知特征包括：音调、节奏、音色等。

根据项目应用背景，音频特征码的选取主要考虑三个方面需求：

1. 特征码应该尽可能丰富，能够充分体现音频的主要特征，满足音频内容一致性的判决需求；

2. 特征码提取的计算复杂度要尽可能小，以保证达到目标监测平台的实时处理要求；

3 特征码的数据量应该尽可能少，以减少特征数据向中心平台传输的带宽压力。

综上，特征码的选择应该是基于准确度、计算量和数据量三个要素的折衷。考虑到人耳的听觉特性对音频内容的重要影响，拟采用以频域特征为主、时域特征为辅的内容一致Mel频谱倒谱系数、频性评价模型，选用的音频特征码包括：谱质心、平均能量和短时过零率等。

在分别提取标准和待测音频特征码向量的基础上，通过距离测量算法，计算两个音频序列的相似度系数。比对算法根据提取特征码时域和频域参数的不同分为两级计算相似度系数，其过程如图6所示，先进行时域参数比较，当时域参数差异在一定阈值内时，继续进行频域参数比较，并利用平均适时能量参数对频域参数进行能量修正，而当时域特征参数较大差异时，则跳过频域参数比较过程，输出相似度系数。

采用音频内容比对技术，对各隧道中回传音频信号和演播室音频信号等播出节目信息进行监测、比对以及错误记录。

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错播事故，提高了信号源的安全性，确保安全播出。本方案提升了无线信号源的安全等级，降低了隧道调频广播中信号源的建设和使用成本。

隧道覆盖是一个系统性工程，在项目实施中还会面临很多实际问题，包括隧道内系统设备运行状态的远程监控、施工工艺要求和各种参数的调整等。通过科学的方案设计、高水准的施工及调试、有效的远程监控系统可以提升隧道调频广播覆盖系统的可用性、可靠性和安全性。

参考文献：

［1］󰀡何连成.广播电视信号隧道覆盖的信号源方案分析与思考[J].中国传媒科技.2013，（01下）：131-132.

［2］󰀡张泳.浙江省高速隧道调频广播覆盖工程的实践[J].电声技术.2015，39（11）:9-12,28.

［3］󰀡李晓辉.音频比对技术在安全播出中的发展与应用[J].新媒体研究.2016（21）:41-42.

作者简介：郑朝晖，男，1971年5月出生，1996年毕业于北京广播学院（现为中国传媒大学）无线电工程系，硕士研究生学历，工学硕士学位，研究方向为数字音频广播。从事广播电视安全播出和技术管理工作多年，现任深圳市广播电视传输中心主任、高级工程师。105