趙勇

摘 要 同音頻廣播節(jié)目的識(shí)別，是廣播節(jié)目監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中技術(shù)性很強(qiáng)的工作。對(duì)于幅員遼闊的我國(guó)疆土，廣播覆蓋和廣播實(shí)驗(yàn)工作始終離不開(kāi)對(duì)廣播發(fā)射機(jī)播出質(zhì)量和播出效果的監(jiān)測(cè)。本文通過(guò)Duffing振蕩器對(duì)隨機(jī)數(shù)和周期信號(hào)的不同響應(yīng)，既微弱信號(hào)檢測(cè)的研究，達(dá)到對(duì)同音頻廣播節(jié)目播出質(zhì)量和效果的識(shí)別。

關(guān)鍵詞 同音頻廣播 Duffing 振蕩器7 混沌 微弱信號(hào)檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN931 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Based on the Research and Implementation of Audio Broadcast Recognition

ZHAO Yong

（State General Administration of Press and Publication， Radio and Television 761 Station， Yongan， Fujian 366000）

Abstract The audio broadcast identification is highly technical work in radio monitoring system. For vast Chinese territory， radio coverage and broadcast experimental work always cannot leave to broadcast transmitter monitoring air quality and effect. Based on Duffing oscillator for random number and the different response of periodic signal， this article studies on both the research of weak signal detection， reach the same radio program broadcast audio quality and effect of recognition.

Key words audio broadcast； Duffing； oscillator； chaotic； weak signal detection

0 引言

廣播發(fā)射機(jī)的播出質(zhì)量直接關(guān)系到接收效果的好壞。這對(duì)于擔(dān)負(fù)廣播覆蓋和廣播實(shí)驗(yàn)任務(wù)的國(guó)家級(jí)廣播發(fā)射臺(tái)來(lái)說(shuō)，發(fā)射機(jī)播出質(zhì)量效果的監(jiān)測(cè)是非常重要的工作，他對(duì)于發(fā)射機(jī)滿(mǎn)功率、滿(mǎn)調(diào)幅、滿(mǎn)時(shí)間播出有著緊密的聯(lián)系。由于廣播覆蓋和實(shí)驗(yàn)服務(wù)方向地域原因，有時(shí)往往需要多部發(fā)射機(jī)同音頻廣播來(lái)完成，這對(duì)于擔(dān)負(fù)廣播監(jiān)測(cè)或自臺(tái)監(jiān)測(cè)播出質(zhì)量效果來(lái)說(shuō)，如何甄別哪部發(fā)射機(jī)播出節(jié)目的質(zhì)量和效果，是發(fā)射臺(tái)一項(xiàng)重要工作。為此，我們通過(guò)研究探索采用了對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)，即通過(guò)Duffing振蕩器對(duì)隨機(jī)數(shù)和周期信號(hào)的不同的響應(yīng)來(lái)識(shí)別同頻音頻廣播節(jié)目方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廣播發(fā)射機(jī)播出效果和質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。

1 廣播節(jié)目的播出質(zhì)量監(jiān)測(cè)

1.1 廣播節(jié)目監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的廣播節(jié)目監(jiān)聽(tīng)監(jiān)測(cè)中，基本上是將接收機(jī)的接收頻率手動(dòng)或遙控地預(yù)置在需要監(jiān)測(cè)的發(fā)射機(jī)的頻率上，監(jiān)聽(tīng)播音效果。或者是通過(guò)各發(fā)射機(jī)房的有線(xiàn)監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)部門(mén)。

這兩種方式，無(wú)線(xiàn)檢測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對(duì)于交叉覆蓋的區(qū)域，不能識(shí)別是哪個(gè)臺(tái)站，哪部發(fā)射機(jī)播出的節(jié)目。尤其是對(duì)于非常時(shí)期，擔(dān)負(fù)特別任務(wù)的發(fā)射機(jī)，往往多部發(fā)射機(jī)從幾個(gè)發(fā)射臺(tái)同頻音頻進(jìn)行廣播，這就更加無(wú)法進(jìn)行識(shí)別了。若采用有線(xiàn)監(jiān)測(cè)，則需要超大容量的存儲(chǔ)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)支持，這樣方式建設(shè)費(fèi)用極高，且安全系數(shù)較低，如果沒(méi)有內(nèi)網(wǎng)支持就根本無(wú)法進(jìn)行。

1.2 廣播節(jié)目監(jiān)測(cè)方向

針對(duì)以上問(wèn)題，我們的研究是尋求在發(fā)射機(jī)的節(jié)目源中添加識(shí)別的信息。在監(jiān)測(cè)的接收端檢測(cè)這識(shí)別信息以達(dá)到識(shí)別各發(fā)射機(jī)播音的情況。由于這些供監(jiān)聽(tīng)監(jiān)測(cè)識(shí)別的信息還必須是微弱的信號(hào)，以不至于對(duì)發(fā)射機(jī)播出節(jié)目造成干擾，所以我們研究的項(xiàng)目就是對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)范疇。

在發(fā)射機(jī)音頻中添加微弱識(shí)別信息有兩種方式，一種方式在發(fā)射機(jī)節(jié)目源中添加各個(gè)臺(tái)標(biāo)和發(fā)射機(jī)號(hào)，這種方式添加的信息量相對(duì)于音頻廣播的10KHz的保護(hù)帶來(lái)說(shuō)，信息量太大，且識(shí)別信息與音頻信號(hào)的合成的設(shè)備和接收端對(duì)識(shí)別信息的解碼設(shè)備都很復(fù)雜。信息量大，則無(wú)法滿(mǎn)足發(fā)射機(jī)信噪比指標(biāo)的要求，編解碼設(shè)備復(fù)雜，則費(fèi)用巨大。另一種方式是我們所研究的，是在音頻節(jié)目源中間歇地添加一個(gè)微弱的單一頻率的正弦波信號(hào)，不同的發(fā)射機(jī)的節(jié)目源添加的正弦波的頻率和間歇次數(shù)不同。在接收端使用專(zhuān)門(mén)的設(shè)備（即Duffing振蕩器）檢測(cè)這個(gè)微弱的正弦波信號(hào)。根據(jù)接收信號(hào)是否包含有微弱正弦波信息以及間隙內(nèi)出現(xiàn)正弦波的次數(shù)來(lái)識(shí)別播音的發(fā)射機(jī)。這種方法，識(shí)別信息與音頻信號(hào)的合成方法簡(jiǎn)單，且信息量小，僅是單一頻率的正弦波。使用很小的信息量可換取高的信噪比，滿(mǎn)足了發(fā)射機(jī)對(duì)信噪比指標(biāo)的要求。

其做法是在信號(hào)源中間歇地添加一個(gè)單一頻率的微弱正弦波信號(hào)，接收端使用不同閾值Duffing振蕩器陣列，對(duì)確知弱正弦波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并確定時(shí)隙內(nèi)Duffing振子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)同頻音頻廣播節(jié)目的識(shí)別。重點(diǎn)是數(shù)據(jù)采樣的同步和時(shí)間序列的李雅普諾夫指數(shù)的計(jì)算。

下面對(duì)Duffing振蕩器弱信號(hào)檢測(cè)原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析。

2 Duffing振蕩器的弱信號(hào)檢測(cè)

Duffing方程是混沌系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)中廣泛使用的一個(gè)非線(xiàn)性方程，典型的Duffing方程具體形式為：

（1）

這里，和是狀態(tài)變量，是阻尼系數(shù)， + 是非線(xiàn)性恢復(fù)力， （）是周期驅(qū)動(dòng)力。假定 = ，得到如下的方程：endprint

（2）

Duffing振蕩器的弱信號(hào)檢測(cè)：驅(qū)動(dòng)力 從小到大變化，系統(tǒng)的狀態(tài)從短周期運(yùn)動(dòng)到混沌運(yùn)動(dòng)，最后變化到長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)。在這過(guò)程中得到閾值。

（a）混沌狀態(tài)

（b）周期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖1 Duffing振蕩器的狀態(tài)變化

它是系統(tǒng)從混沌運(yùn)動(dòng)到長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)躍變時(shí)驅(qū)動(dòng)力臨界值。處于臨界狀態(tài)的Duffing系統(tǒng)，對(duì)輸入到系統(tǒng)的周期信號(hào)非常敏感，即使幅度很小的周期信號(hào)也能使系統(tǒng)的相圖發(fā)生躍變。因此，Duffing振蕩器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否躍變可判斷輸入信號(hào)是否存在微弱的周期信號(hào)。圖1是系統(tǒng)的兩種狀態(tài)，（a）為混沌狀態(tài)，（b）為周期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)播音情況，在不同發(fā)射機(jī)的信號(hào)源間歇地添加不同頻率的微弱正弦周期信號(hào)作為識(shí)別信息，在接收端解調(diào)出帶有微弱周期信息的音頻信號(hào)，由Duffing振蕩器陣列檢測(cè)時(shí)隙內(nèi)添加正弦波的次數(shù)來(lái)識(shí)別播出音頻節(jié)目的發(fā)射機(jī)。

3.1 識(shí)別信號(hào)的添加

圖2 音頻信號(hào)源間歇地添加微弱正弦波信號(hào)

正弦波發(fā)生器產(chǎn)生微弱的單頻正弦波信號(hào)，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路形成間歇的微弱正弦波信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)頻率以產(chǎn)生時(shí)隙內(nèi)正弦波的次數(shù)，如圖2所示。

3.2 信號(hào)的解調(diào)

獲取微弱正弦波的識(shí)別信息，需將調(diào)制信號(hào)解調(diào)，解調(diào)的信號(hào)中將含有大幅度的音頻信號(hào)和微弱的正弦周期信號(hào)，如圖3的虛線(xiàn)框部分。

3.3 同步協(xié)議

由于是微弱信號(hào)檢測(cè)，在接收端基本上不可能獲取數(shù)據(jù)采樣的同步信息。因此本研究采取將協(xié)議和定時(shí)技術(shù)相結(jié)合的方法。在發(fā)射端，規(guī)定開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的方波在整點(diǎn)處的相位為‘0，如圖4所示。接收端，數(shù)據(jù)采樣次數(shù)是時(shí)隙內(nèi)方波周期數(shù)的兩倍，并且在方波的起點(diǎn)處和半周期處開(kāi)始采樣，采樣持續(xù)時(shí)間為方波的半個(gè)周期。以保證數(shù)據(jù)采樣中，奇數(shù)次采樣的數(shù)據(jù)不包含識(shí)別信息（微弱的正弦波信號(hào)），偶數(shù)次采樣的數(shù)據(jù)中包含有識(shí)別信息。例如，假設(shè)方波周期為4秒，且整點(diǎn)處的相位為‘0，時(shí)隙內(nèi)添加3次的識(shí)別信息，則在接收端時(shí)隙內(nèi)要進(jìn)行6次的數(shù)據(jù)采樣，每次采樣的持續(xù)時(shí)間為2秒，并且可以在時(shí)間0秒，2秒，4秒，6秒，8秒，10秒，…處開(kāi)始采樣。

圖3 Duffing振蕩器陣列的廣播節(jié)目監(jiān)測(cè)

圖4 單一頻率正弦信號(hào)和開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的方波

3.4 Duffing振蕩器陣列檢測(cè)

Duffing振蕩器檢測(cè)系統(tǒng)用于判定Duffing系統(tǒng)是處于混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)還是周期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Duffing系統(tǒng)的狀態(tài)可通過(guò)觀察相圖（如圖1）來(lái)確定，它是人工行為，效率低且不適于工程應(yīng)用；李雅普諾夫指數(shù)（Lyapunov exponent）定量描述了混沌振蕩器的這種現(xiàn)象的量。李雅普諾夫指數(shù)是指在相空間中相互靠近的兩條軌跡隨著時(shí)間推移，按指數(shù)分離或聚合的平均變化率。在診斷和描述混沌信號(hào)時(shí)，李雅普諾夫指數(shù)是一個(gè)不變量，是判斷混沌存在的重要依據(jù)，它的正負(fù)性用來(lái)判定系統(tǒng)是否混沌。

對(duì)于Duffing振子，若它的Lyapunov指數(shù)均小于0，系統(tǒng)處于周期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；若存在一個(gè)Lyapunov指數(shù)大于0，則系統(tǒng)處于混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，用改進(jìn)C-C方法計(jì)算時(shí)間序列的嵌入維數(shù)值為無(wú)窮大（Inf）時(shí)，觀察到Duffing振子的相圖都為混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此，當(dāng)計(jì)算時(shí)間序列嵌入維數(shù)的值為無(wú)窮大時(shí)，相應(yīng)的Lyapunov指數(shù)以‘0代替。

微弱信號(hào)以[0，0.01]形式間歇加入，兩次計(jì)算Lyapunov指數(shù)值，Lyapunov指數(shù)值從正數(shù)或0躍變到負(fù)數(shù)，說(shuō)明Duffing振子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從混沌狀態(tài)躍變到長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)數(shù)器加1。由計(jì)數(shù)器的值指示時(shí)隙內(nèi)加入微弱正弦波的次數(shù)。不同類(lèi)型的音頻信號(hào)需要不同閾值的Duffing振蕩器，兩個(gè)閾值的Duffing振蕩器陣列檢測(cè)如圖5所示。

圖5 Duffing振蕩器檢測(cè)陣列

3.5 李雅普諾夫指數(shù)計(jì)算

計(jì)算李雅普諾夫指數(shù)流程，如圖6所示。設(shè)置Duffing系統(tǒng)的參數(shù)，將解調(diào)信號(hào)輸入到Duffing振蕩器陣列，Duffing系統(tǒng)輸出時(shí)間序列，使用快速傅立葉變換計(jì)算時(shí)間序列的平均周期，改進(jìn)C-C方法計(jì)算重構(gòu)相空間的嵌入維數(shù)和時(shí)間延遲，通過(guò)相空間重建，計(jì)算最大李雅普諾夫指數(shù)。

圖6 李雅普諾夫指數(shù)計(jì)算

3.6 判決

固定時(shí)隙內(nèi)，各發(fā)射機(jī)信號(hào)源加入的弱周期信號(hào)的頻率和次數(shù)不同，據(jù)Duffing振蕩器陣列檢測(cè)到的李雅普諾夫指數(shù)值躍變次數(shù)，將這個(gè)李雅普諾夫指數(shù)值的躍變次數(shù)與輸入端間歇添加到節(jié)目源的周期信號(hào)的次數(shù)進(jìn)行比較，它們是否一致來(lái)識(shí)別播出音頻節(jié)目的發(fā)射機(jī)。對(duì)各發(fā)射機(jī)播出的音頻信號(hào)進(jìn)行巡回檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)音頻廣播節(jié)目的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

4 實(shí)際應(yīng)用分析

4.1 十六個(gè)音頻片段的測(cè)試分析

試驗(yàn)應(yīng)用，首先使用16個(gè)音頻片段（9個(gè)為語(yǔ)音，7個(gè)為音樂(lè)，格式為wav）測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)試它們的長(zhǎng)度、幅值、抽樣率如表1所示。

根據(jù)實(shí)際播音情況，分兩種情況作檢測(cè)：（1）一個(gè)頻率音頻節(jié)目用一部發(fā)射機(jī)播出情況。在時(shí)隙內(nèi)節(jié)目源間歇加入10次正弦信號(hào)。Duffing振蕩器陣列檢測(cè)到Lyapunov指數(shù)值從正數(shù)或0躍變到負(fù)數(shù)的次數(shù)也是10次。（2）一個(gè)頻率音頻節(jié)目同時(shí)用兩部發(fā)射機(jī)播出情況。一部發(fā)射機(jī)節(jié)目源加入弱信號(hào)的頻率為與Duffing系統(tǒng)固有頻率相同，另一部發(fā)射機(jī)節(jié)目源加入微弱信號(hào)的頻率為3。同樣在時(shí)隙內(nèi)間歇加入10次正弦信號(hào)。Duffing振蕩器陣列檢測(cè)到Lyapunov指數(shù)值從正數(shù)或0躍變到負(fù)數(shù)的次數(shù)也是10次。

4.2 信噪比分析

音頻片段幅值多數(shù)在[-1，1]之間；情況1采用2倍的信號(hào)幅值，情況2采用4倍的信號(hào)幅值。弱周期信號(hào)的幅值大都為0.01，有的為0.02。由信噪比定義 = 20，多數(shù)音頻片段的信噪比在46dB和52dB之間，個(gè)別片段的信噪比小至40dB。

綜述以上試驗(yàn)分析，Duffing振蕩器陣列對(duì)帶有弱正弦周期信息的音頻節(jié)目的檢測(cè)，能輸出穩(wěn)定的李雅普諾夫指數(shù)值，在時(shí)隙內(nèi)檢測(cè)到的李雅普諾夫指數(shù)值躍變次數(shù)與間歇加入的微弱正弦周期信號(hào)的次數(shù)一致，實(shí)現(xiàn)了音頻節(jié)目的識(shí)別，也滿(mǎn)足了信噪比指標(biāo)要求。同時(shí)還具有：（1）識(shí)別信息融入音頻節(jié)目源的方法簡(jiǎn)單。（2）識(shí)別信號(hào)的信息量很小，可換取高的信噪比，滿(mǎn)足發(fā)射機(jī)播音對(duì)信噪比指標(biāo)的要求。（3）可識(shí)別出各播音的發(fā)射機(jī)，特別的是解決了同頻音頻廣播節(jié)目識(shí)別的問(wèn)題。（4）將協(xié)議和定時(shí)相結(jié)合，簡(jiǎn)化接收端數(shù)據(jù)采集同步的復(fù)雜的定時(shí)技術(shù)，更易于工程上的實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用Duffing振蕩器對(duì)弱信號(hào)檢測(cè)研究的實(shí)現(xiàn)，為混沌理論用于識(shí)別技術(shù)提供了一種新的算法，新的技術(shù)；也為協(xié)議和定時(shí)技術(shù)結(jié)合，為微弱信號(hào)的數(shù)據(jù)采集提供了一種新的同步技術(shù)。此項(xiàng)研究成功解決了同頻音頻廣播節(jié)目識(shí)別的問(wèn)題，與同類(lèi)的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)相比增加了新的技術(shù)，附加值更高；與有網(wǎng)絡(luò)支持的有線(xiàn)監(jiān)測(cè)相比，極大地降低了設(shè)備成本。對(duì)于大功率廣播發(fā)射臺(tái)而言，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)的播出質(zhì)量和效果探索出新的途徑。

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