广播节目内容监控系统的设计与实现

邸娜 王旖旎 赵长青

（国家新闻出版广电总局广播科学研究院）

【摘要】 广播节目内容的有效监管一直是困扰我国广播电视领域安全播出的重要问题。本文针对我国模拟广播播出现状，首先介绍了广播监控系统的网络架构和节目内容监控的两种应用方案。之后详细介绍了应用于节目内容监控的监测系统、监测设备及关键技术。该系统可在很大程度上提高了音频广播的监测效率，保证安全播出，解决了传统上对人工监听方法的依赖。【关键字】 广播监控系统 节目内容监控 数字水印技术 PN序列1. 引言随着广播电视技术的迅猛发展，人们对于广播电视节目内容的要求越来越高，广播发射台的网络覆盖规模也越来越大，偏远的地区如今也能实时收听到各地区的新闻和各种形式的节目，改变了以往的封闭状态。但是不断丰富的广播节目和安全播出问题也成为一对日益凸显的矛盾。国内曾出现过多起重大的误播错播和恶意宣传反动言论的事件。此外由于缺乏有效的节目内容和来源的监管手段，偏远地区的插播非法广告的事件也不计其数，因此对广播节目的监控一直是我国比较重视的问题。2. 我国音频广播监控系统广播监测网是一个复杂的网络系统，主要用于监控各个发射台广播信号的质量，播出设备的运行状态等。以北京周边的监控网络为例，监控系统由监测前端、中心监控平台、区县监测终端、数据传输网络四个子系统组成，实现对大兴、房山等10个远郊区县的571个无线调频广播发射站点发射的北京新闻广播和城市管理广播2套模拟广播节目的监测及报警信息处理，系统如图1所示。

图1 音频广播监控系统

该监控网络分为市区县三级监控信息汇总机房及远程控制系统，市级中心监控平台具有最高监控权限，可监测所有发射台的节目播出情况和设备运行状况。区县级的监控终端可管理本地区广播节目的播出情况。在发射台用带有解调功能的监测前端对该发射机房的设备，如发射机、UPS、解码器和广播信号的功率运行状态进行采集，得到的监控数据由GPRS专线经过移动基站汇总到区县及市级的监控终端，实现级级上报。该系统可监控广播发射系统的相关设备和发射信号质量，但是却无法对音频广播节目的内容进行监控。3. 基于广播节目内容的监控方案对音频广播节目内容的监控，必须符合实际应用的需求，例如，防止由于人为因素导致的节目的错播和误播，可从电台的总控室端进行监控。防止某局部区域范围的非法插播，可在本地发射台节目发射之前进行监控，如图2所示。

图2 基于广播节目内容的监控方案

对于方案一，将数字水印嵌入设备串入到电台端的总控室之后，水印检测终端可安装在广播的各传输链路如有线电视网、其他广播电台或上星节目解调端的音频输出口，实时监测该传输链路的节目，这种方式的特点是对节目从源头开始进行监控，保证各个广播链路都能同时监测到在播的音频节目。对于方案二，在地方发射台机房里加入数字水印嵌入设备，经过发射机后，用水印检测终端对水印进行检测，这种方式只对本地区播出的节目进行监控，防止非法插播及反动言论的传播。我们用一台数字水印嵌入设备和数字水印检测终端完成对音频广播内容的监控。4. 应用于广播监测网的数字水印技术在本系统中，音频广播节目内容监测的核心技术是基于PN序列的数字水印技术，使用此技术不但实现了将水印信息嵌入到音频节目源中，还能对节目内容和来源进行唯一性标识，实践证明了基于PN序列的数字水印技术在音频广播中具有以下优点和适用性：1）由于PN序列有足够多的地址码码组可适用于类型丰富的音频节目和不同的来源、并且有尖锐的自相关特性和处处为零的互相关特性，因此由每个地址码生成的PN序列都具有唯一性[1]，可唯一表示广播中丰富的节目内容和不同的来源。2）由于PN序列具有白噪声的频谱特性，可抵抗在音频广播传输链路中遇到的畸变和攻击，如音频处理器、编码复用器、DA和无线信道的衰减等，因此将PN序列嵌入到音频流中，经过广播发射系统后，在接收端仍然可以被检测出来。3）由于PN序列具有很强的自相关性，因此在接收端用相同的PN序列进行匹配接收可很快地检测出来，这正好适应了音频广播节目短实效的特性，如广告、音乐等类型的节目。综上，可用某一标识信息表示特定的节目，对应生成PN序列，应用心理声学模型[2]将该PN序列嵌入到音频中，在解调端用相同的PN序列进行匹配接收，通过检测相关峰值判断正在播出的音频节目是否是正确或者合法的。该方法可以合理地应用于我国模拟广播监测网络中，在对广播发射机状态和发射信号质量等指标监测的同时，完成对音频广播信号内容的监测。4.1 数字水印嵌入设备设备的基本功能是将PN序列嵌入到PCM音频样点里。另外考虑到对整个播出网络稳定性与安全的影响，本设备还具备断电直通、故障的声光电报警及查询、音频监听、运行状态指示等附加功能。本设备为1U机箱，机箱外围有液晶显示及功能按键选择，支持1路AES/EBU数字音频输入和输出，2路模拟立体声的输入和输出。支持63套水印标识和一套无水印标识并可实时调节水印功率，机箱前面板如图3所示。

图3机箱前面板

4.1.1. 内部功能模块：嵌入器内部有音频处理板负责数字/模拟音频的收发处理，核心处理板负责用户指令的处理和水印的嵌入，电源板产生不同的电压为各板级及板上各芯片供电。其中最复杂的为核心板，它由MCU、DSP、CPLD三大部份组成，核心板的信号处理方案如图4所示。

图4核心板信号处理方案

MCU负责前面板液晶菜单的选择和显示，并将指令传输给CPLD和DSP，如音频信号源、音频信号的时钟源、直通测试模式、水印标识、水印功率等。MCU还能将报警信息显示于液晶屏上可供用户查询。CPLD在核心板的作用是解析MCU的指令并对音频源进行处理，根据DSP接口的传输标准对音频数据进行封装。CPLD还可进行MCU故障检测、音频源故障检测、DSP运行状态的报警系统。核心板中最主要的是DSP，水印嵌入的功能在这部份完成。4.1.2. 数字水印嵌入算法：水印嵌入的具体实现过程如下，DSP接收到音频数据后，根据用户选择的水印标识生成唯一的PN序列。心理声学模型计算每帧音频数据频域中32个子带的信掩比，并计算出每个子带的功率调整因子，该因子能保证嵌入的信息被掩蔽在音频信号之下不被人耳察觉，同样将PN序列进行时頻转换，在频域上分割成32个子带，根据每个子带的功率调整因子调整每个子带中PN序列的功率，使嵌入的PN序列被掩蔽在音频的最小掩蔽电平下，然后将PN序列恢复到时域，根据用户设置的水印功率增益进行调整，最后嵌入到音频数据中，输出带有水印的音频信号。算法实现功能框图如图5所示。

图5水印嵌入算法实现框图

此外，DSP通过发送水印信号处理周期脉冲，对看门狗电路进行计数清零。当DSP软件运行出现问题不再发送脉冲信号，看门狗和报警系统开始运行。4.2 水印检测终端本方案的水印检测终端基本功能是对基带音频信号中的水印信号进行检测，并上报报警信息。水印检测终端由一块TI的DM642评估板实现，实物如图6所示，在该芯片中完成水印信号的检测工作，并由串口上传水印检测报警状态。

图6 DM642水印检测终端

板卡为5V直流供电，音频输入为一3.5mm的模拟音频插孔，音频经过AIC23B专用音频处理芯片对模拟音频进行左右声道处理并转换为数字信号，DSP的MCASP串口实时接收数字信号。水印检测处理过程分为同步和跟踪两种状态，同步完成PN序列的初始捕获，使用滑动相关的方法，在本地产生和嵌入端一致的PN序列，对接收数据帧中的水印信号进行滑动相关运算，当找到最大峰值时说明数据帧中的水印信号已被检测到，程序开始执行跟踪，跟踪的作用是继续检测音频节目内容是否发生变化，由于在同步过程中已经找到PN序列起始位置，因此跟踪是用本地的PN序列直接进行无滑动的相关运算，判断在播音频是否一直正确，如果继续找到相关峰则表示正在播出的音频节目源依旧正常，否则做异常报警处理，图7为水印检测核心算法流程图。

图7水印检测核心算法流程图

5. 报警系统

由图1可知，所有的报警信息均上报给市级的中心监控平台。节目内容的报警信息由检测板的串口输出，监测前端采集到报警信息后由GPRS专线上报给中心监控平台。中心监控人员可根据报警界面提示查询发生报警发生的地区、节目、时间和次数，及时通知当地工作人员进行检查。报警界面如图8所示。

图8报警界面

图8为中心监控平台运行的北京市门头沟斋堂县节目监测界面，分别监测北京新闻广播100.6MHz和北京城市管理广播107.3MHz节目。左图为两路节目运行正常状态，右图为节目二运行异常报警，并可在下方的数据库中查询报警相关的信息。6. 总结本文介绍的音频广播节目内容的监控方案是基于我国诸多广播电台和发射台的实际需求，实现对播出的节目的自动化监控，从而取代对人工监听的依赖。本方案中的基于PN序列的水印技术在模拟广播节目监测中具有很强的优势。监测设备可灵活应用于监测网络中的任意结点，并可根据运行情况灵活调整报警机制，如，对于监测非法插播的台站，可缩短报警间隔，增加报警频率。应用于节目源监控的台站，可将增加报警间隔，提高报警的准确率。 参考文献：[1] 许希斌 周世东《CDMA系统工程手册》2001年2月第1版；北京；人民邮电出版社[2] ISO/IEC 11172-3:1993 Information technology AB-ANNEX C-ANNEX D-ANNEX. 编辑：中国新闻技术工作者联合会