国际台音频信号同源判定功能实现设计探讨

王俊涛

[摘要]当前国内针对播出信号的监控主要还在技术参数方面，对于最终接收的信号是否正确还没有好的解决办法。本文将基于国际台电台的技术架构对播出、切换、传输和开路监测所组成的大闭环系统，探讨一种音频信号的同源判定方法，在开路接收信号与播出节目源之间进行同源判定，探讨存在时延的情况下两者之间如何在时间上对齐，进而通过相关系数来分析同源与否，运用这种方法，系统可实时发现接收到的节目是否与播出节目源同源，预防节目被插播、篡改等情况的发生。本文第一部分为引言，简单介绍此方法实现的基础和国际台需求，第二部分介绍音频信号同源判定的实现机制，第三部分介绍音频信号同源判定的实现方案。

[关键词]音频信号比对相关系数 时延同步

一、引言

中国国际广播电台（以下简称国际台）经过多年在海外进行广播落地传播，已建成100多个调频、中波整频率电台，除部分节目由频率覆盖地域进行制作外，大部分节目都是由台内进行制作，并通过卫星等链路进行节目实时传输，这当中会有多个节点进行转发、接收，最终在频率落地地域进行发射覆盖。即便在落地地域自行制作，受环境限制也无法像在国内能够进行全流程实时监控。由于传输链路涉及多个环节且距离遥远，实际上每一种传输链路都有可能由于主观或者客观的原因被插播或篡改。光纤可能被接错或者获知传输格式后被更换内容，在靠近的地点使用大功率非法信号波束照射接收天线，可能压制卫星接收的信号源。因此开路接收的节目是否完整或是否有异常篡改也是安全播出中的一大隐患。

笔者多年在国际台进行安全播出工作，基于台外节目的监听监测功能设计，已经实现了海外播出节目的开路收听和参数实时监测，并能将节目信号实时传回台内，但节目内容是否一致仍在探索，本文将就整个节目播出环节的大闭环体系中，开路回传音频信号与源信号之间的同源判定功能实现的方法进行探讨。

二、音频信号同源判定实现机制介绍

一般来讲，对电台节目传播流程的监控可以形成一个大闭环架构，包括节目源播出、节目构成切换、节目流传输发射、开路信号监测回传四个大部分。节目源播出和节目构成切换这两个环节一般都在电台内部，安全防范控制比较容易做到，而节目流传输发射这一环节往往由于物理环境等因素限制不太容易进行管控，尤其像国际台除了部分节目在国内播出以外，绝大部分节目都经过多重传输环节在海外发射覆盖，而台内人员无法实时对信号传输过程进行有效监控，这就给安全管控带来严重隐患。

1.同源判定机制的选择

国际台通过一系列开发和建设，已初步开始搭建海外落地频率节目的开路信号监听监测体系，目前仅对节目是否正常播出、调制度和相对场强等节目的技术参数进行判别，尚未对节目内容是否正确进行判断，但由于在设计之初已经考虑到这一隐患，因此也设计了开路信号的实时回传功能，这样就为音频信号同源判定创造了条件。

首先，如果通过人工方式去对开路回传信号进行实时监听监测，这无论对单频率或者多频率都是不切实际的。

其次，如果要实时对节目源的内容进行分析，判断内容是否正确，在现有的技术条件下实施难度和投资规模极高，且无法保证其判断结果的正确率，也是不切实际的选择。

考虑到节目源播出的可管控性，也就是说确认节目播出的内容无误的情况下，我们考虑以节目源为基准，将开路接收回传的信号与之进行同源判定，判断回传信号是否与基准节目源一致。

2.同源判定所需要考虑的关键点

首先，信号在播出以后，每经过一个环节或者设备，均会产生一定的时延，链路距离越长以及经过的设备环节越多，最终收测回传的信号与基准节目源的时延就越大，且时延并不是一个常数。这就需要在功能设计时考虑如何在一定时间范围内将信号在时间轴上对齐。

其次，信号经过多个环节和设备后，由于噪声叠加或者数字信号传输丢包，时域波形会发生变化，光凭简单的波形比较无法真正进行同源判定，必须经由频域分析再结合时域分析才能准确的判定。

最后，受处理能力和投资规模的限制，必须对算法进行优化，在保证同源判定准确性的条件下尽可能减少计算量，保证能够通过简单的设备实时进行判断，这样对于功能的实现才有意义。

3.信号同源判定机制总结

为了使音频信号同源判定功能可以高效、安全的应用于国际台播出技术体系中，在硬件资源有限情况下，性能的追求与算法的简化之间的折中是关键，系统必须满足以下条件：

（1）可以检测出两个信号之间的时间差并进行自动对齐；

（2）对于信号进行相关分析，以便判别待测信号是否与节目源相同；

（3）评估不同计算方法的计算容量占用，选择最优算法；

三、音频信号同源判定实现方案

播出的节目源信号（以下简称基准信号Y（0））与开路收测的回传信号（以下简称待测信号X（N））应为同源信号，这也就意味着这两组信号具有很高的相似度，最直接的同源判断方法就是利用两者的相关系数进行判断，因而同源的判断可采用相似性分析的算法进行。同时，由于两者之间必然存在一定的时延，音频信号的相关系数分析又与这两者的同步性即两段信号是否开始于同一个位置有很大关系，这样要在整个时延范围内进行查找将产生巨大的计算量，理论上在实际系统中这个时延不会大于2秒，因此可以采用分阶段的查找判断方法：

·第一阶段：分段查找进行音频对齐

第一步：在待测信号x（N）中按设定步长n取出某一段待测信号序列x（n）。

第二步：对信号序列x（n）进行快速离散傅里叶变换（国际台目前均为数字播出信号，因此均按数字信号处理），获取待测信号的频域函数Fx（n/2）；

第三步：同时从参考信号Y（0）开始，以固定步进l取出长度为n的一段信号序列y（k，n）（k，表示第k次步进）进行快速傅里叶离散变换获取Fy（k，n/2）；endprint

第四步：Fx（n/2）与Fy（k，n/2）进行相关系数计算，得出c（k）；

第五步：获取最大c（k）时的k位置，并截取k前后两倍步长l的待测音频段y（m）（m=n+4L）。

·第二阶段：精确比对判断是否同源

第六步：y（m）与x（n）进行逐点的相关系数计算，根据最大相关系数找出最大相关位置；

第七步：利用最大相关系数与预设阈值进行比较，从而判断这两组音频信号是否同源。

1.仿真试验分析

首先准备两组音频信号，其一作为参考信号，设为播出的节目源信号，另一组作为开路收测的回传信号，如下图1和图2：

这两组信号为同源信号，但稍有时延，且经过一系列播出环节后在电平幅度上稍有变化，符合仿真试验要求。

按分阶段查找的步骤要求，先对待测信号进行快速傅里叶离散变换，可以看出待测信号按一定步长多次计算后的频域分布，如下图3：

这样可以得出每一步长的频谱结果，到此对于从待测信号的处理就结束了，接下来将对参考信号进行处理，如下图4：

此时，通过对两组信号进行快速傅里叶离散变换处理，已经得到两组信号的频谱图数据，接下来进行相关性系数的计算，以便能够得到两组信号的对齐时间点，如下图5和图6。

由实验结果可见，获取两组音频信号后，先以某一时刻为起始点，对待测信号分段进行快速傅里叶离散变换处理，然后对参考信号取相同长度的段后进行快速傅里叶离散变换处理，并对得出的两组函数数据进行相关系数计算。如果计算结果达不到设置要求，则继续以小于取段的时间单位作为步长在参考信号上继续取段重复上述处理和计算，在时延不大的情况下将很快得到两者相关系数最匹配的时间点，这一点即为两者信号的同步时间点。

这样在音频信号起始点开始，通过分段频域计算和相关系数匹配的方式很快可以得到信号同步时间点，接下来即可以此时间点为基准，开始进行时域相关系数匹配的工作，以实时计算两组信号是否同源。

2.算法优化

对信号进行傅里叶变化可以对每一时刻的信号进行频域分析，但此方法计算量太大，仅是作为实验验证使用，如果将其应用到电台实际监测体系中，每一个监测点都需要配备高级服务器进行处理，这对于实施应用不具可操作性，我们的目标是尽可能在应用时实现高性价比，因此，对算法进行优化以及计算芯片处理能力的提高是实现信号实时同源判定实用化的两条路，笔者这里只对算法优化提出一些自己的看法。现在数字信号处理方面已有多种优化方法，快速傅里叶变换是其中一个方法，比如频域抽取的算法和时域抽取的算法，通过频域抽取的基2算法，可以使计算量缩小约200倍，这就使得音频信号实时同源判定的实际应用成为可能。endprint