基于调频副载波的应急广播消息传输协议探讨

刘春江 马艳 李晓鸣

（国家新闻出版广电总局广播科学研究院，北京，10086）

【摘要】本文探讨定义一种基于调频副载波的应急广播消息传输技术机制和协议封装格式，实现对应急广播信令和数据传输控制协议及终端设备编码规则的统一和规范化，解决各设备厂商生产的终端互不兼容导致后期维护困难等方面的问题，促进和加快各地采用调频负载波技术进行应急广播消息播发的应用系统建设和发展速度。【关键词】调频副载波 应急广播消息 协议封装格式

1.引言

基于调频副载波的数据广播系统在智能交通、天气预报及灾害信息预报等行业和领域得到了广泛的应用（1）~（3），各地建设的尤其是面向农村地区的公共广播系统很多也采用调频副载波技术，实现远程开关控制和区域地址码及其终端编号的选择匹配等功能，但由于当初进行建设时，缺乏对基于副载波的通讯协议和终端设备编号的统一的定义和规范，各个设备厂商依据自己内部协议生产的各种相关设备互不兼容，从而导致完成建设的系统在应用过程中运行维护困难重重，甚至造成部分系统由于厂商倒闭或转行停产而无法正常运行使用。当前各地又逐渐兴起规划和建设面向农村地区的应急广播系统的热潮，很多规划和拟建设的农村应急广播系统打算采用成熟的调频副载波技术，实现应急广播消息控制信令和部分文本内容的传输以及终端设备远程开关控制等功能，为防止各厂商生产的设备互不兼容导致运行维护困难的历史重演，有必要对基于调频副载波进行应急广播的技术机制和协议封装格式（包括终端编码规则等）进行统一的规范和定义。本文正是探讨提出一种基于调频副载波的应急广播消息传输协议封装格式，争取解决各厂商生产的设备不规范不标准无法实现兼容的问题，为促进和加快各地采用调频负载波技术的应急广播系统建设和发展速度扫清障碍。

2.物理层编解码及调制解调机制

目前世界上采用调频副载波的技术方式主要有:广播数据系统(Radio Data System, RDS)、日本ＮＨＫ方式、美国ＳＣＡ方式以及日本数据广播频道(Data Radio Channel, DARC)等几种(2)。其中，中国国内在1995年引进RDS技术，形成了自己的国家标准（GB/T 15770-1995 广播数据系统（RDS） 技术规范）(4)，其编码和解码技术也得到国内相关技术人员的深入探索和研究(5) (6)，同时由于很多芯片厂商生产的收音机芯片能够直接支持和实现RDS的硬件编解码，从而极大降低了基于RDS的调频副载波终端设备的生产制造成本，使得RDS技术在基于调频副载波的各种系统中获得最大的应用。因此，本文探讨的应急广播消息传输机制和协议封装格式的物理层编解码和调制解调技术机制基于RDS的相关标准和规范，相关技术细节可参阅《GB/T 15770-1995 广播数据系统（RDS） 技术规范》文本，在此只对其技术要点加以简单介绍，RDS采用的副载波频率为57Khz，容差为±6hz，在立体声广播时副载波频率锁定于19Khz导频的第三次谐波上的同相相位上，其相位角的容差在FM射频调制信号输入端为±10。。RDS的物理层数据帧结构如下图所示：

图1 RDS数据帧结构示意图

每个数据帧由4个块 block组成，每个块由16bits信息位+10bits校验位组成，即每个block中的有效数据载荷为2个字节（16bits）。日常应用中，最常采用的一种数据帧有效数据形式如下表所示：

表1 RDS数据帧有效数据结构表

BLOCK A (2 bytes)	BLOCK B (2 bytes)	BLOCK C(2 bytes)	BLOCK D (2 bytes)
PI码	标识码	信息	信息

其中，BLOCK A中通常用作国家识别、区域识别以及节目基准号等，通常是反复循环重复发送传输的，BLOCK B中的标识码通常用于标识节目类型等内容。

3.应急广播数据报格式和封装协议

3.1 相关术语定义对于文中使用的几个特定术语进行如下定义：1）应急广播数据报完整表示一条应急广播消息指令或消息内容的数据包，由1个或多个数据帧组成。2）应急广播数据报有效信息数据应急广播数据报中除报头和帧总数及帧序号之外承载应急广播指令或消息内容的有效载荷，由数据报中每帧数据的最后5个字节构成。3）数据帧由RDS技术基层编码调制机制所决定的一个完整的数据单元，其构成如图1所示，由4个数据块（Block）组成，数据帧长度固定为104bits，其中64bits为信息位。4）数据块。RDS技术中进行编码校验的最小组织单位，由16bits信息位和10bits校验位组成。3.2应急广播数据报结构由于采用RDS技术进行数据传输时，其码率大约为1187.5比特/秒（ 57Khz/48），传送字节的效率约为148字节/秒（1187.5/8），传送的有效载荷速率小于92字节/秒（148*16/26），效率非常低，因此在定义传输协议时必须考虑到每个字节每个比特的使用效率，为保证应急广播指令的安全可靠和可管可控，应急广播指令和数据文本必须进行安全签名验证，本文中的安全签名验证机制为暂定方案，相关数据长度为上限值，目前正寻求参数更短更合适的方案。根据应急广播应用需求，对RDS数据帧中的PI码及Block B C D的有效数据载荷重新进行定义，应急广播数据报的结构如下图所示：

图2 应急广播数据报结构示意图

应急广播数据报中各字段的格式及其定义说明如下表所示：

表2 数据字段定义一览表

序号	名称	长度	字段说明
1	数据报来源级别	3 bits	表明应急广播消息来源级别，具体定义见表3，用于终端进行优先级处理。
2	数据报ID	5bits	数据报的ID序号，用于和其他应急广播数据报加以区分,以及和设置参数、日常广播节目加以区分。其中0x00为设置参数数据报；0x01到0x0F为应急广播数据报ID;0x10到0x15为日常广播节目ID；0x16到0x1F 预留。
3	数据帧总数	8bits	标明数据报包含的数据帧个数，最大值为255。
4	当前帧序号	8bits	指明该数据帧为数据报中的第几帧，其中首帧为0x00，用于确认数据报的起始。
5	有效信息数据	长度不定	由各数据帧的信息数据组合构成整个应急广播数据报的有效载荷内容，具体定义见第4部分。
6	CRC校验码	16bits	位于整个数据报最后一帧的最后两个字节， 对所有数据帧序号（含）及信息位和尾帧填充字 进行循环冗余校验，校验码生成多项式：x^16 + x^15 + x^2 + 1

表3数据报来源级别定义

序号	二进制值	字段定义说明
1	000	预留
2	001	消息来自中央
3	010	消息来自省
4	011	消息来自市
5	100	消息来自县
6	101	消息来自乡镇
7	110	消息来自村
8	111	预留

3.3应急广播数据封装协议和格式应急广播数据报传送的有效信息数据分为应急广播指令和应急广播消息内容两种，每种又包含多种类型，无论是何种种类和类型，均连续分布在各个数据帧最后5个字节的有效数据载荷中，数据报尾帧的最后一个字节为CRC-16校验和，该校验和是对所有数据帧序号（含）及信息位和尾帧填充字进行循环冗余校验，校验码生成多项式x^16 + x^15 + x^2 + 1。应急广播数据封装格式如下图所示：

图3 应急广播数据报有效信息数据封装格式

各字段数据的定义如表4所示：

表4应急广播指令语法定义

序号	语法	长度（单位：bit）	编码规则
1	数据报类型	5	取值范围：0～31其中0~15为应急广播指令；16~31为应急广播消息内容的类型；
2	数据报长度	11	表示数据报的总字节数。
3	目标区域数	8	取值范围：1～255，指示需要响应本条指令的目标区域个数，考虑到RDS传输信道的传输特性及数据报容量，实际使用中建议该值不超过16；
4	目标区域码及终端编号	48	包含了需要响应本条指令的目标终端所处区域的行政区域数字码及终端编号，每个数字按4位BCD编码，共12个数字，其中前6个数字按GB/T 2260-2007确定，后6个数字由各省广电局按照乡镇、行政村、终端编号各占2个数字的规定统一进行编定。
5	数据报内容	长度可变建议不超过512字节	主要分为应急广播指令和消息内容两大类，与数据报类型配合实现对开播/停播、复位、应急测试、更新密钥及各种类型消息内容的传输。
6	数字证书编号	16	签名验证需要使用的发送源数字证书编号, 取值范围1～65535。
7	数字签名	512	对前述所有字段内容的数字签名。终端需要使用发送源证书对指令的签名信息进行校验，以确保指令的完整性、正确性及来源真实性。

3.4应急广播指令和消息内容格式与应急广播相关的数据主要分为指令和消息内容两大类，其中应急广播指令又包括参数设置、应急广播开关、日常节目播出开关、密钥更新等多种类型，在此仅以参数设置中的设置区域代码、开播/停播以及应急广播消息文本内容为例加以说明。1）设置区域代码指令格式该指令的应急广播数据报类型为0x00；应急广播数据报总长度为13字节，具体定义如下图：

设置区域代码
设备类型	设备物理地址	县级代码	镇级代码	村级代码	终端编号
8	48	24	8	8	8

图4 应急广播数据报有效信息数据封装格式

设备类型码：1字节，用于区分设备类型，0x01为终端，其他值保留；设备物理地址：6字节，设备唯一识别码，出厂时被设定；县级代码：3字节，表示6位BCD码。符合 GB/T2260-2007的国家行政区划代码规范。镇级代码：1字节，表示2位BCD码，最多可表示99个乡镇。村级代码：1字节，表示2位BCD码，最多可表示99个行政村。终端编码：1字节，表示2位BCD码，最多可表示99个终端。2）应急广播开播/停播指令格式该指令的应急广播数据报类型为0x01；应急广播数据报总长度为6字节（不需要切换频点）或9字节（需切换频点），相关字段的定义如表5所示：

表5 开播/停播指令语法定义

序号	语法	长度（单位：bit）	编码规则
1	指令类型	2	00：保留01：开播；10：停播；11：保留
2	是否切换频点	2	00：保留01：切换；10：不切换；11：保留取值为10时，取消“切换频点信息”字段。
3	事件级别	4	取值范围0～15，本字段参照了国务院颁发的《国家突发公共事件总体应急预案》(2006)中的级别定义。0：缺省1：1级（特别重大）2：2级（重大）3：3级（较大）4：4级（一般）5～15：保留
4	事件类型	40	40位字段，应急广播消息的类别，按照《国家突发公共事件总体应急预案》和《国家应急平台体系信息资源分类与编码规范》中对突发事件的分类和编码要求，每个字符都按照GB/T 15273.1-1994编码为8位。
5	切换频点信息	24	要切换的目标频率（单位kHz）,占3个字节；不需要切换时，此字段取消。

3）应急广播消息文本内容格式应急广播数据报类型为0x10；应急广播数据报长度可变，视文本内容长度需要而定，建议不超过512字节，消息内容字段和编码字符集字段定义分别见表6和表7：

表6 消息内容类型定义表

类型	描述
0	保留
1	应急事件文本
2	日常宣传文本
3	应急测试文本
4	天气预报信息文本
5～31	预留

表 7编码字符集

类型	描述
0	GB 2312-1980
1	GB 18030-2005（可选）
2	GB 13000-2010（可选）
3	GB 21669-2008（可选）
4	GB 16959-1997（可选）
5～7	预留

4.结束语

调频副载波技术在已经建成和即将建设的面向农村地区进行日常节目和应急广播信息播放的系统中获得广泛应用，由于以往缺乏应急广播指令和数据封装协议以及终端设备编码规则的统一规范和定义，导致各厂家生产的终端设备不能互相兼容，已建成系统运行维护困难重重，本文讨论确定了基于调频副载波的应急广播消息（包括指令和内容）的传输协议封装格式，通过定义参数设置、应急广播开关、日常节目播出开关、密钥更新等多种应急广播指令以及应急广播消息内容的字段封装格式，从而实现了调频副载波技术用于应急广播系统时技术细节的规范和统一，对于指导和促进各地采用调频副载波技术进行应急广播系统建设具有重要的意义。参考文献：[1]上海建立灾害信息调频副载波广播系统[N]《生命与灾害》，2011（2）：43.[2] 赵奕阳，张东海，调频副载波技术及其在智能交通系统中的应用[J]。低压电器，2008（1）：56-59。[3] 王峰，史杏荣等，基于RDS和SCA技术的气象预警信息发布系统[J]。通信技术，2008（10）:196-198。[4] GB/T 15770-1995 广播数据系统（RDS） 技术规范[S].[5] 苏威，RDS技术原理与接收机电路设计[J]。山西电子技术，2007 (3)：92-94。[6] 卢云川，RDS编码和解码技术及应用[J]。工程勘察，2000（2）：50-52。 编辑：中国新闻技术工作者联合会