无线覆盖Ｉ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｖｅｒａｇｅ 【本文献信息】刈春江．基干音频信 七匕对的尢线广播节１３智能监测系统【Ｊ１．Ｊ 播与电｝见技术，２０１８，Ｖｏ１．４５（４） 基于音频信号比对的无线广播节目 刘春江 （国家新闻出版广电总局广播科学研究院，北京１００８６６） 【摘要】ｌ本文基下音频信号比对技术搭建的智能监控系统，可同时完成多路音频节Ｅｌ信号源与开路解调广播信号的『人ｌ容 比对监测。 · 发现错播、插播、停播等异常状态即刻报警，同时对报警时段节目完成录音备案，以便对事¨：进行后续网 溯和追诉。经过伏验家测试及发射台现场不同广播节目类型的实测结果，本系统对不同响度、不同时延、不 ｇ－频节¨类 ， 噪声叠『Ｊｌ】十扰都能准确识别异态许进行报警提示，没有发现误报漏报。 【关键词】厄线广播，阡频比对，博 叶变换，向量夹角余弦 【中图分类号】ＴＮ９３ 【文献标识码】Ｂ 【ＤＯＩ编码】１０．１６１７Ｉ／ｊ．ｃｎｋｉ．ｒｔｂｅ．２０ｌ ８００４０１８ Ｒａｄｉｏ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｕｄｉｏ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ Ｌｉｕ Ｃｈｕｎｊｉａｎｇ （Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＢｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｓＡＰＰＲＦ Ｂｅｒｉｎｇ １００８６６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｎ１ ｏｆ ｒａｄｉｏ ｐｒｏｇｒａｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｕｄｉｏ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ ａｕｄｉｏ ｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｒａｄｉｏ ｓｉｇｎａｌｓ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｏｎｃｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｉｓｃｏｖｅｒｓ ａｎ ａｂｎｏｒｍａｌ ｓｔａｔｅ——ｓｕｃｈ ａｓ ｗｒｏｎｇ ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ．ｉｎｔｅｒｃｕｔｓ． ｓｈｕｔｄｏｗｎ ｅｔｃ．－ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｌｌ ｓｅｔ ｏｆｆ ｔｈｅ ａｌａｒｍ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｅ ａ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｆｉｌｅ ｏｆ ｔｈａｔ ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ｐｅｒｋｘｌ ｒ０ｒ ｆｕｔｕｒｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｉｎ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｖａｒｉｏｕｓ ｌｉｖｅ ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍｓ．Ｉｔ ｃａｎ ｒｅｃｏｇｎｉｚｅ ａｂｎｏｒｍａｌ ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ ｉｎ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｖｏｌｕｍｅｓ，ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙｓ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｕｄｉｏ ｐｒｏｇｒａｍ ｔｙｐｅｓ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓ．ｗｉｔｈｏｕｔ ｆａｌｓｅ ａｌａｒｍ ａｎｄ ｍｉｓｓｉｎｇ ａｌａｒｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｒａｄｉｏ．Ａｕｄｉｏ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ．ＦＦｒ．Ｖｅｃｔｏｒ ａｎｇｌｅ ｃｏｓｉｎｅ 目前并没有好的方式进行监测。无线广播节目播出智能监测 ０引言 在无线发射台节目广播过程中，发射机只是被动地对播 系统，是以音频节目内容比对作为核心技术组建的智能监控 系统。可同时完成多路音频节目信号源（卫星信号、光纤信号、 出信号进行调制发射，而播出节目是否出现错播、插播、停播， 微波信号等）与开路解调广播信号的内容比对监测。一旦发 【４】梁景鸿，征Ｉ 强． Ｂ样条曲线到四点法曲线的转换问题…． 【ｌ０】刘德江，攸阳．基于Ｍａｔｌａｂ仿真的短波无线信道研究【Ｊ１．微计 算机信息，２００６（０４）：２６６－２６８． ’ 南理ｒ夫学学｜ｌ＿ｌ（Ｆ１然科学版）．２００ｌ（０４）：７５－－７８． 【５】江勇，游人 ．人功牢一ｆＪ波发射台选址——地波场强计算【Ｊ］＿广 播与电视技术，２００２（０１）：１３８－ｌ４０． 【６】韩荣华．地表结构及频串对中波地波辐射场强的影响［Ｊ】．广播与 电说技术．２００２（０Ｉ）：Ｉ４１—１４３． 【ｌｌ】陈德泽．中、短波广播场强测量麻注意的问题【Ｊ】．广播与电视 技术，２Ｏｌ １（０４）：１Ｉ）２－１０７． ［１ ２】Ｄｙｎ Ｎ，Ｌｅｖｉｎ Ｄ．Ａ ４－ｐｏｉｎｔ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｏｒｙ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｃｕｒｖｅ ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ．１ ９８７．２５７—２６８． 【７１胡江川Ｉ，孙旭东，张琦．中短波段地波场强计肄与分析…．中国 新技术新产品，２００９（１９）：２７． ［１３】朱松．四点法，一种离散造型方法【Ｄ】．Ｉ：海：艇 夫学数学研 究所，Ｉ９９２． ［８１颜史清，张宁，赵扩敏．典型环境下短波通信场强计算建模研 究【Ｊ】．中国新通信，２００９（１９）：６５—６８． ｛９１ １三雁涛．陈波，刘洪泉．混合路径条件 中短波段地波场强计 分析…．电ｆ１ 包对抗技术，２Ｏ１３（０３）：６５－－６９． １（）【） 作者简介： 许晓春，男，１９６５年生，本科，浙江省中波发射管理中心 技术科长，高级工程师，主要从事中波技术管理工作。 广播与电视技术［２０１８年·第４５卷·第４朗］ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｖｅｒａｇｅ Ｉ无线覆盖 现停播、错播、非法插播等异常即刻报警，同时 对报警时段节目完成录音备案，以便对事件进行 后续回溯和追溯。 无线广播节目播出智能监测系统中的音频比 对算法，是时域算法和频域算法相结合的一种相 似度比对算法，通过实时采集信源音频信号和广 播解调信号，在时域上采用了向量夹角余弦 算法完成相似度度量；并通过三级音频窗划分完 成相关性搜索实现两路音频时延同步点定位；在 频域上计算高能频点频率差作为特征值进行实时 相似度判定。 １音频时域包络的几何相似度度量 音频的相似度比对算法分为时域算法和频域算法两大类。 时域算法速度快、资源消耗少，但抗干扰性较差：频域算法 速度慢，资源消耗多但抗干扰性好。本文首先论述时域下音 频包络的几相似度的度量算法。 １．１向量夹角余弦算法 人类的视觉系统能够轻易地识别和比对摆在眼前两幅绘画 是否相似或完全不同，而依靠计算机的算法完成同样的任务却 非常困难且具有极高的挑战性。如果把音频时域的包络图看做 是一幅长长的画卷，那么音频内容相似度的判定，本质上来说 就是要完成两幅无限长画卷的比对。首先需要把两幅无限长的 画卷切分为一块一块固定长度的小画布，如果一一对应的小画 余弦夹角接近１５。。相似度为９ｌ％，表示两个向量较为一致。 ３）所示两个包络图形，单位水平方向上的纵向变化趋势相反， 计算其余弦夹角接近１８０。，相似度接近Ｏ％。表示两个向量 完全相反。４）所示两个包络图形，视觉上非常相似，但其实 单位水平方向上的纵向变化趋势差异很大，计算其余弦夹角 接近７０。，相似度为接近６ｌ％。表示两个向量不一致。 布是相似的，那么就可以认定这两幅画卷也是相似的。下面讨 论两个等长的小画布如何用计算机算法进行相似度的判定。一 个朴素的思想就是把画布重叠起来，看看两块画布上包络图的 差别即可。如果把音频包络几何形状看做是多纬空间中向量的 话，那么它们的差别就等同于计算向量问的距离了，向量间距 离越接近就表示相似度越高，反之距离越大相似度越低，而距 ２音频时延的搜索定位 在广播节目中，即使相同的两路音频信号经过不同的路 由链路（光纤、微波、卫星、网络、调制、解调），它们到达 离的数值就作为相似度的度量标准。向量的距离计算有很多方 法－１１。本文选取“向量夹角余弦”作为距离度量算法。 音频比对监测点的时间一定是有差别的。在信号非同步状态 下进行对位比较不会得到正确的结论。因此查找音频的时延 同步时间点是完成相似度比对的前提和条件。 １．２向量夹角余弦的几何意义 向量夹角余弦是计算两个向量之间距离的一种度量 方法，其在平面上的几何的意义就是在单位水平ｘ方向上曲 线在纵向Ｙ的变化趋势，不同夹角角度时的波形如下图： ２．１音频比对窗口 多路音频经ＡＤ采样后，数字化为ＰＣＭ数据流保存到缓 冲区中，为计算相似度，对各路音频同时摘取一段时间跨度 相同的待比对数据，此时间跨度称为音频比对窗口。音频节 目信号经调制发射再到空收解调，大约会延迟十几到几十毫 秒，因此音频比对窗的时长只要涵盖这个时延长度就可以稳 定进行音频比对了。为了方便后续的计算。窗口时长选定为 １０ｌ 图１中：１）所示两个包络图形，虽然幅度不一致，但单 位水平方向上的纵向变化趋势基本一致，计算其余弦夹角接 近０。。相似度达到９９．５％，表示两个向量基本一致。２）所示 两个包络图形（右侧是人为构造的），视觉上差异非常大，但 单位水平方向上的纵向变化趋势依然保持基本一致。计算其 广播与电视技术［２０１８年·第４５卷·第４期］ 无线覆盖ｌ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｖｅｒａｇｅ ｎ表示音频帧中的样本数，ｘｉ（１≤ｉ≤ｎ）表示音频 帧中的样本序列。图６所示的音频帧划分方案中，样本数量 ｒｌ－１６００。对单声道音频帧平均能量可以直接计算；对双声道 ＋Ｒ音频先混音为单声道Ｘｉ：—Ｌｉｉ后再计算－＝＝＿。 ２．４向量的构成 。 音频比对窗中所有的音频帧平均能量Ｐｉ序列．构成了一 个向量，构成的是一个２０纬向量。为方便后续描述，另 第一路音频包络向量为ｘ＝｛ｘｉｌｌ≤ｉ≤ｎ｝，另第二路音频包络 向量为Ｙ＝｛Ｙｉｌｌ≤ｉ≤ｎ｝。 ２．５相似度运算 对向量Ｘ和向量Ｙ，计算其“向量夹角余弦”再经 过反余弦运算获得向量距离数值［０，兀］。习惯上定义０等价 于１００％而兀等价于０％。于是距离度量数值就归一 化为百分比的相似度数值了。 ＼十／ 音 频 信号探—’ 分 ＼十／ 广 ２．６音频时延计算与相关性系数 先观察一个非常简单的例子，数列ｘ＝｛５，４，３， ２，１ｌ，数列Ｙ＝｛１，Ｉ，５，４，３｝，显然数列Ｙ从第 三个索引位置开始与数列Ｘ线性相关度最高。 在实现音频时延计算时，可以运用相关性系数 公式实现。简单相关系数又称皮尔逊相关系数或“皮 尔逊积矩相关系数”，它描述了两个定距变量问联 发 射 机 配 播 解 调 器 嚣 』 Ｉ 音频采集编码器 ｌ ｌ 系的紧密程度。样本的简单相关系数一般用ｒ表示， 计算公式为： ： 墨 二！ ￣ＪＴ．ｎ＝１（ｘｉ一又ｉ） √∑ｎ－１（Ｙｉ一 ｉ） 其中ｎ为向量纬度，ｘｉ表示第一路音频帧能量 向量第ｉ个分量值，Ｘ ｉ表示Ａ路音频平均帧能量， Ｙｉ表示Ｂ路音频帧能量向量第ｉ个分量值，Ｙｉ表示 第二路音频平均帧能量。ｒ描述的是两个向量间线 性 相关强弱的程度。ｒ的取值在一Ｉ与＋Ｉ之间，若ｒ＞Ｏ ｌｓ。系统中的音频采集编码设备按照１６Ｋ采样率１６位采样精 度进行数字化，Ｉ 的音频样本数为１６０００个。 表明两个数列是正相关；若ｒ＜Ｏ表明两个数列是负相关；ｒ的 绝对值越大表明相关性越强；若ｒ＝０，表明两个变量问不是线 ２．２音频帧划分 把Ｉ 的音频窗口，划分为２０个音频帧。每个音频帧长 度为１００ｍｓ（每个音频帧样本数为１６００个），相邻音频帧重叠 ５０ｍｓ（重叠８００个样本），如图２所示。 性相关。本文依然采用相似度运算来实现更为精确的时延计 算。序列Ｘ不做变换而对Ｙ序列的不同偏移索引分别构造不 同维度的向量集Ｙ。，Ｙ．，Ｙ ．然后同向量Ｘ进行夹角余弦计算， 取得相似度最高的向量Ｙｉ，此时ｉ就表示音频时延，实际时 延的时间长度为：Ｔ＝ｉ×音频帧时长。 ２．３音频帧平均能量 音频帧的平均能量，采用平均振幅的法完成计算，即： ３音频频域的特征值提取 实际测试中，在时域上完成音频比对已达到了非常好的 广播与电视技术［２０１８年·第４５卷－第４期］ ｐ一圣 ‘ ｎ ｌ（）２ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｖｅｒａｇｅ ｌ无线覆盖 效果，但由于时域运算上掩盖了音频频率的特征，因此在进 行两路强烈音乐信号测试时遇到了问题。两段不同的音乐信 号，尤其是节奏比较快的响度强烈音乐节目，其在时域的波 形上是非常相似的，时域算法认为它们的相似度非常高，反 而不会发生报警。经过分析，由于时域计算时在统计音频帧 的平均能量时，等价于降低信号特征分辨率，因此导致两段 不同音乐信号的相似度反而比较高。此时就需要加上频域的 特征进行比较了。 Ｘｎ＝＝＝ １ｖ Ｎ－１ Ｘ ｒｋ ］ｅｉ２ｎｋｎ／Ｎ 一这里ｘ 是时域上信号的Ｎ个采样点的样本向量，ｘ［ｋ］是 离散傅里叶变换后得到的频率谱中的频点向量。对于频点向 量ｘ［ｋ］可记为复数ａｋ＋ｂ ｉ，为方便下面的讨论也可以看作在复 平面上的向量记为（ａｋＩｂｋ）。 ３．２频域特征值 对两路音频的１ Ｓ音频窗口（１６０００个样本）数据进行（８１９２ 个样本的）快速傅里叶变换，获得两组频点向量数据，下面所 述只针一路信号处理，另一路同样处理。设傅里叶变换后得 到的频点向量组为： （ａ０，ｂ０），（ａｌ，ｂｌ】，…（ａｋ，ｂｋ） （ｋ＝８１９２） ３．１快速傅里叶变换（ＦＦＴ） 由于使用计算机处理数字信号，因此这里只考虑离散傅 里叶变换。离散傅立叶变换是数字信号处理领域中一种非常 重要和常用的分析算法。傅立叶原理告诉我们：连续测量的 时域信号都可以表示为不同频率叠加的正弦波信号，因此说 傅立叶变换是将难以分析处理的时域信号转换成了易于分析 处理的频域信号即信号的频谱。离散傅里叶变换式： 计算每个频点向量的能量幅度Ｍｎ＝￣Ｊａｎ２＋ｂ （ｎ＝１， ２…ｋ／２），如图３所示，和相位Ｐｎ＝ｔａｎ （ ｎ＝１，２…．ｋ／２）。 由于傅里叶变换后频谱中频点能量具有以中心频率为轴左右 Ｘ［ｋ］＝∑ ｘｎｅ－ｉ２ｎｋｎ／Ｎ 离散傅里叶逆变换式： 广播与电视技术【２０１８年·第４５卷·第４期］ 对称的特性，因此只需计算扫描前半轴的数据，即ｎ＝Ｏ，１ ｋ／２。 ｌ０３ 无线覆盖Ｉ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｖｅｒａｇｅ 图３中横轴表示频率点，如采样率为１６ｋＨｚ，则频点单 到各个监测点；监测点的“解调器”通过天线接收射频信号 位精度是ＦＲＥＱ／ｋ＝１６ｋＨｚ／８１９２＝１．９５Ｈｚ；纵轴表示向量的模， 即频点的能量幅度。０点为直流分量，表示各个频点的幅度累 计值。搜索频谱中能量幅度找到峰值幅度最大的两个频点（图 后完成解调。再经过编码压缩传输至监测终端完成特征值实 时比对、报警、录音功能，报警信息及录音文件可通过传输 网络上报监测中心。 中标识圆圈的频点），计算此两频点的频率差值。另一路信号 同样计算后也得到两个幅度峰值的最大频点差，如果两路音 频一致，则两路频率差也一致。其物理意义就是：如果一路 ５测试结果及应用展望 基于音频信号比对技术设计的无线广播节目智能监测系 统在国家新闻出版广电总局广播科学研究院的实验室内，请 国家新闻出版广电总局广播电视规划院进行了实验室测试， 音频中包含鼓声和锣声，另一路也包含鼓声和锣声，那么我 们认为这两路音频在时域上非常相似的时候，其频率特这也 相似则为相同的节目内容 在昌吉州呼图壁６３１台请维吾尔自治区广播电影电 视科研所进行了现场实际应用开路测试，测试结论见图７。 该系统经实验室和现场应用检测，各项功能和性能指标 能够满足发射台站和广播节目传输管理部门对信号监测方面 的应用需求，能够按需进行播出节目是否出现错播、插播、停 ３．３峰值提取算法 经过ＦＦ丁快速傅里叶变换后，为获得最高能量频率差作 为频谱特征，还需要实现在幅频图中提取能量峰值，这需要 用到导数的分析算法。 如图４所示ｂ点、ｄ点是峰值，Ｃ点是谷值，它们这些点 播等状况的监测，在广播节目安全播出和信号监测等领域具 有广泛的应用需求和前景。衄 的导数（切线的斜率）都为０。但导数为０的点并不一定都是 波峰或波谷，ａ是拐点导数为０，显然既不是波峰也不是波谷。 ４系统构成及应用部署 无线广播节目播出智能监测系统由信号分配器、解调器、 音频采集设备、音频编码设备和网络通讯设备和运行在工控 机上的处理软件构成。无线广播节目智能监测系统，可以实 现自台监测也可以完成中心监测。它们在系统部署上的主要 区别是信号源的提供者不同。 本文受广播科学研究院基本科研业务费课题 ＪＢＫＹ２０ｌ７０１９资金资助。 参考文献： ［Ｉ］张字，刘雨东，ｉ．ｔ 钊．向量相似度测度疗法…Ｊ．声学技术 ２００９，２８（４）：５３２－５３６． 作者简介： 刘春江，男，１９７８年生，硕士，教授级高级工程师，主要 从事安全播出、应急广播、发射台站自动化监控等方面的 自台监测系统的部署如图５。图中音频采集编码器实现 信源信号和解调信号的采集，经过数字编码压缩后通过网络 传输到监测终端计算机上，由计算机完成实时音频内容比对、 报警、和录音功能。 研究，曾参与科技部、与国家新闻出版广电总局安 全播出和应急广播等方面研究项目近２（）项目，发表技术 论文２０余篇。 中心监测系统的部署如图６。图中“音频采集编码器”同 时可以采集编码多路音频信源信号，提取音频特征值（时域音 频帧向量和频域最高能量频点差）经服务器通过传输网络分发 ｌ０４ 广播与电视技术［２０＂１８年·第４５卷·第４期］
