萬洋

摘 要 隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化制播技術(shù)的發(fā)展，我國廣播電臺正在經(jīng)歷大規(guī)模的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化改造。在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化制播環(huán)境下，電臺節(jié)目的質(zhì)量如何進(jìn)行監(jiān)測與評價(jià)成為亟待解決的問題。在此情況下國家新聞出版廣電總局制訂了《電臺節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》對數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、文件化后的節(jié)目質(zhì)量監(jiān)測相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了規(guī)范和定義。有了規(guī)范之后，各電臺需要開展相應(yīng)的系統(tǒng)建設(shè)，那么如何依據(jù)規(guī)范進(jìn)行具體的節(jié)目質(zhì)量評價(jià)呢？本文中研究和設(shè)計(jì)了一種具體的實(shí)施方案，并建設(shè)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)。本文的研究會給其他電臺搭建類似的節(jié)目質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)的建設(shè)提供借鑒和樣板，具有很好的示范意義。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化；音頻信號；監(jiān)測

中圖分類號 G2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）183-0065-05

1 研究的內(nèi)容和意義

隨著電臺數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的推進(jìn)，在整個(gè)電臺的播控和傳輸環(huán)節(jié)中，AES數(shù)字化信號傳輸成為主流配置。在AES傳輸鏈路中，因?yàn)榇罅康囊纛l分配器、音頻處理器、音頻延時(shí)器等設(shè)備的存在，AES信號的狀態(tài)常常會發(fā)生很多變化，例如載波電壓峰峰值（Vpp）的衰減、傳輸阻抗失配導(dǎo)致的數(shù)字信號抖動(dòng)，AES狀態(tài)位變化等。這些變化常常會導(dǎo)致系統(tǒng)間各設(shè)備AES連接失配，輕則導(dǎo)致音頻指標(biāo)變差，重則導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至停播。因此對AES/EBU、MADI信號的基帶及載波信號進(jìn)行監(jiān)測就成了廣播電臺迫切要做的事情。

本文對音頻域的信號質(zhì)量評價(jià)做了一定的研究，在研究平臺中采用的數(shù)字信號質(zhì)量監(jiān)測儀是具有網(wǎng)絡(luò)接口的在線AES信號質(zhì)量監(jiān)測儀。它可以像示波器一樣插入到系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測各節(jié)點(diǎn)的AES載波及基帶信號質(zhì)量，分析眼圖、抖動(dòng)、狀態(tài)、音頻電平、相位以及音頻頻譜分析等參數(shù)。配合上層管理軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、定時(shí)系統(tǒng)巡檢，自動(dòng)掃描各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)、判斷故障類型。系統(tǒng)檢測完成后還可以自動(dòng)生成技檢報(bào)告，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)檢測、自動(dòng)報(bào)告。從而節(jié)約大量的人力物力，提高電臺技檢的自動(dòng)化水平，大幅提升工作效率。

2 《電臺節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》簡介

《電臺節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定了主要規(guī)定的內(nèi)容包括：

1）音頻信號質(zhì)量的監(jiān)測，如電平過低、反相、聲道缺失等。

2）數(shù)字基帶傳輸音頻信號的監(jiān)測，如AES信號的載波電壓、失鎖、有效位等，并對多通道數(shù)字信號MADI信號中的有效標(biāo)志、峰值電壓等進(jìn)行了規(guī)定。

3）基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的音頻文件質(zhì)量監(jiān)測如：文件格式、文件幀結(jié)構(gòu)、比特率合法性、文件傳輸完整性等。

4）網(wǎng)絡(luò)傳輸音頻信號的網(wǎng)絡(luò)和音頻信號的質(zhì)量監(jiān)測如：延時(shí)、丟包率、失真等。

3 監(jiān)測系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺將《電臺節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中所規(guī)定的音頻質(zhì)量指標(biāo)和參數(shù)作為主要測量對象，主要包含如下測量參數(shù)：

1）音頻信號幅度、相位進(jìn)行測量和評價(jià)。

2）音頻總諧波失真加噪聲指標(biāo)測量。

3）數(shù)字音頻載波信號測量，如眼圖、抖動(dòng)等信息。

4）網(wǎng)絡(luò)化傳輸后音頻延時(shí)測量。

5）對音頻文件進(jìn)行播出后，對音頻幅度、相位及總諧波失真加噪聲測量。

6）對三層交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等參數(shù)進(jìn)行測量。

3.1 總體設(shè)計(jì)及說明

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺中，調(diào)音臺是進(jìn)行信號播放的中心，本文調(diào)音臺的測試音源使用的是測試樣本信號發(fā)生器（PowerEditor）產(chǎn)生的測試樣本信號，以及專業(yè)音頻測試儀（AudioPrecsion）產(chǎn)生的測試樣本信號。

矩陣輸出直接送入分析對比站，進(jìn)行音頻文件比對，評價(jià)音頻編解碼、光纖傳輸后的音頻質(zhì)量監(jiān)測和評價(jià)。

另外，矩陣輸出信號分別送入網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)音頻信號通過三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之后在接收端進(jìn)行輸出。輸出之后的音頻信號與矩陣的直接輸出信號會進(jìn)入音頻質(zhì)量信號監(jiān)測和評價(jià)設(shè)備進(jìn)行比對和監(jiān)測。第一種設(shè)備是在線數(shù)字基帶信號質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，第二種設(shè)備是離線專業(yè)音頻測試儀AP2722，第三種設(shè)備是比對工作站。

3.2 數(shù)字基帶監(jiān)測系統(tǒng)

AES基帶信號監(jiān)測有多種方法，例如通過測量固有抖動(dòng)（instrinct jitter）、上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間、載波電壓等參數(shù)就可以表述AES基帶信號的質(zhì)量。然而測量AES基帶信號最直接的方法還是測量它的眼圖，通過眼圖可以直觀、清楚地看到AES信號的畸變、抖動(dòng)以及衰減情況。

本系統(tǒng)中采用了在線AES數(shù)字信號質(zhì)量監(jiān)測儀（本節(jié)內(nèi)簡稱“監(jiān)測儀”）進(jìn)行數(shù)字信號質(zhì)量的監(jiān)測和評價(jià)，它能夠?qū)崟r(shí)測量AES信號的眼圖、抖動(dòng)、載波電壓，AES通道狀態(tài)數(shù)據(jù)、音頻幅度和相位以及音頻頻譜等參數(shù)，同時(shí)可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)、筆記本電腦或平板電腦上實(shí)時(shí)觀測監(jiān)測結(jié)果。與專業(yè)音頻測試儀相比，監(jiān)測儀雖然測量指標(biāo)相對較少，但體現(xiàn)出了較好的實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測的優(yōu)勢。在本實(shí)驗(yàn)平臺中，我們將使用監(jiān)測儀和AP2722一起完成專業(yè)音頻信號的基帶信號質(zhì)量、音頻幅度和相位以及總諧波失真加噪聲以及頻譜分析等參數(shù)的測量和評價(jià)。

4 監(jiān)測和評價(jià)方法

4.1 數(shù)字音頻基帶信號質(zhì)量測量原理

4.1.1 眼圖成像原理

采用現(xiàn)代數(shù)字信號測量技術(shù)，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用一次觸發(fā)，可捕獲一組連續(xù)的比特位的信號，然后根據(jù)信號頻率對捕獲到的信號按比特位切割，切割一次，疊加一次，最終將捕獲到的一組數(shù)據(jù)的每個(gè)比特位都疊加到眼圖上。具體步驟如下：

1）首先根據(jù)音頻信號的采樣率FS及信號頻率、顯示要求、屏幕分辨率粗略計(jì)算出眼圖的相關(guān)顯示參數(shù)：例如fs為100M，即采樣間距Ts為10ns；當(dāng)信號頻率為6.144M時(shí)，根據(jù)顯示要求1.25UI（101.7ns取100ns），屏幕橫軸顯示分辨率500點(diǎn)，相鄰像素點(diǎn)間的時(shí)間寬度Tp為0.2ns。

2）根據(jù)參數(shù)將采樣點(diǎn)放在合適的位置，放置時(shí)需要按照采樣周期進(jìn)行初始位置偏移。

4.1.2 抖動(dòng)測量原理

根據(jù)成像后的眼圖，將圖像向橫軸投影進(jìn)行點(diǎn)數(shù)累計(jì)疊加，找到上升沿和下降沿的交叉點(diǎn)，然后在投影軸上計(jì)算寬度，算出jitter值。

4.1.3 上升沿和下降沿的測量原理

根據(jù)樣本采樣值，找到10%～90%峰峰值電壓之間的點(diǎn)，計(jì)算該區(qū)域時(shí)間寬度，得到上升沿和下降沿時(shí)間。

4.1.4 Vpp測量

根據(jù)ADC高速采樣值，找出最大值或平均值，直接得出Vpp值。

4.2 AES狀態(tài)信息測量顯示

4.2.1 AES時(shí)鐘鎖定狀態(tài)檢測

采用專業(yè)AES接收芯片進(jìn)行時(shí)鐘鎖定檢測，AES/EBU解碼端是否可以從串行信號中恢復(fù)出采樣時(shí)鐘，處理器讀取寄存器狀態(tài)，并檢測失鎖報(bào)警輸出引腳狀態(tài)，判斷時(shí)鐘是否鎖定。

監(jiān)測方法是直接讀取AES信號的通道狀態(tài)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)是AES解碼芯片寫入的。

數(shù)字音頻信號通道狀態(tài)數(shù)據(jù)的0字節(jié)的比特5為“0”則表明取樣源頻率鎖定，為“1”則表明取樣源頻率未鎖定。

4.2.2 雙相編碼狀態(tài)檢測

AES采用雙相標(biāo)記碼來傳輸數(shù)據(jù)，提高傳輸準(zhǔn)確度、降低直流分量、恢復(fù)時(shí)鐘。如果AES 解碼芯片無法正確對雙相標(biāo)記碼解碼，將在通道狀態(tài)數(shù)據(jù)中寫B(tài)iphase狀態(tài)位。

讀取AES狀態(tài)數(shù)據(jù)中的Biphase位，如果為錯(cuò)誤狀態(tài)，則需檢查是否是AES信號，并進(jìn)一步檢查AES基帶信號質(zhì)量，如抖動(dòng)、上升下降時(shí)間等，可依靠眼圖檢測來判斷。奇偶校驗(yàn)。

4.2.3 奇偶校驗(yàn)位檢測

AES/EBU及MADI標(biāo)準(zhǔn)作為串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對傳輸數(shù)據(jù)都有奇偶校驗(yàn)值，接收電路再次計(jì)算校驗(yàn)值并與串行信號中攜帶的原始校驗(yàn)值比較，即可知道奇偶校驗(yàn)是否正確。檢測方法是通過讀取AES基帶解碼芯片里的對應(yīng)PARITY位來判斷。

4.2.4 循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）檢測

AES/EBU及MADI的串行數(shù)據(jù)中包含循環(huán)校驗(yàn)碼，用于校驗(yàn)傳輸過程中是否出現(xiàn)誤碼。當(dāng)CRC校驗(yàn)失敗，即表明該段數(shù)據(jù)有誤碼。檢測方法是直接讀取AES/EBU解碼芯片中對應(yīng)寄存器內(nèi)容判斷。

4.2.5 有效標(biāo)志（Validity）檢測

AES規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣碼可以轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號的標(biāo)記。當(dāng)AES編碼端認(rèn)為信號不是合適的音頻信號時(shí)就將該有效標(biāo)記設(shè)置為flase，解碼端根據(jù)該有效位就可以不用音頻輸入進(jìn)行信號輸出，避免了輸出噪聲。檢測方法是直接讀取AES/ EBU解碼芯片中的對應(yīng)寄存器內(nèi)容。

對于AES/EBU而言就是輸出信號的電平峰峰值。當(dāng)峰峰值超過允許范圍，將導(dǎo)致無法解碼。按AES3-2003標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該在200mVpp到7Vpp之間。

4.3 音頻域信號測量

4.3.1 音頻電平測量原理

在計(jì)算周期內(nèi)，對左右聲道采樣點(diǎn)尋找最大值，獲得音頻電平的峰峰值。

4.3.2 相位測量原理

通過大量的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)與相位之間存在著某種雖然不精確、但卻具有相應(yīng)的、表征其特性的近似關(guān)系。因此，本系統(tǒng)采用相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法來計(jì)算左右聲道之間的相位關(guān)系。

反相檢測原理如下，左聲道pcm值以x表示，右聲道值以y表示，在n次采樣中的每次左右聲道信號pcm值分別表示為x（n），y（n），則這n次采樣的相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

對左右聲道的序列進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算，并根據(jù)系數(shù)閾值和持續(xù)時(shí)間閾值來判斷是否反相，如果為MPEG壓縮文件則先將MPEG1 L2或L3文件解碼為16位PCM原始數(shù)據(jù)。

4.4 音頻網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測量方法

在音頻網(wǎng)絡(luò)化傳輸延時(shí)測量系統(tǒng)中使用專門的音頻對比分析工作站系統(tǒng)和波形發(fā)生器軟件。

波形發(fā)生器軟件可生成多軌可調(diào)節(jié)參數(shù)的正弦，三角，矩形等相關(guān)的測試波形，可調(diào)節(jié)的波形參數(shù)包括采樣率，電平，頻率等。

音頻對比工作站可以通過音頻波形分析等獨(dú)有的監(jiān)測技術(shù)，配合專業(yè)音頻信號發(fā)生器一起完成高精度的網(wǎng)絡(luò)音頻延時(shí)測量，測量精度1ms。

分析對比工作站使用專業(yè)聲卡進(jìn)行音頻信號采集，為了有效克服聲卡啟動(dòng)、關(guān)閉以及通道帶來的固有延時(shí)和誤差，我們采用了雙通道時(shí)間差法，通過獨(dú)特的測試序列，完成音頻網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測試。具體步驟如表1。

4.5 音頻質(zhì)量測試方法

THD+N：總諧波失真加噪聲，用以表征波形畸變程度和噪聲大小情況。測量原理是將去除了基波分量之后的信號均方根能量與全部信號的均方根能量之比。本系統(tǒng)中的測量方法是直接采用音頻測試儀AP2722。測試路徑是首先使用AP2722產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)測試信號經(jīng)過調(diào)音臺網(wǎng)絡(luò)音頻信號輸出后，進(jìn)入AP2722分析儀，測量音頻幅度、相位以及THD+N參數(shù)。

4.6 文件質(zhì)量監(jiān)測方法

對經(jīng)過編碼、存儲、光纖傳輸、解碼之后的音頻文件進(jìn)行文件完整性檢查、文件格式檢查。對文件里的音頻幅度、相位進(jìn)行計(jì)算和檢查，觀測結(jié)果是否發(fā)生變化。軟件可以自動(dòng)根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)對文件進(jìn)行分析，對不合格的文件進(jìn)行剔除并給出告警提示。

完整性檢查方法是逐幀檢測：

MPEG1 Layer2文件按每768字節(jié)逐個(gè)分析每一幀幀頭信息，MPEG1 Layer3文件逐個(gè)分析每一幀幀頭信息，幀長度根據(jù)幀頭計(jì)算。檢測到有不完整的幀就進(jìn)行數(shù)據(jù)告警。同時(shí)進(jìn)行文件冗余校驗(yàn)檢查，判斷文件的完整性。

比特率檢測：

根據(jù)每幀幀頭信息進(jìn)行分析，要求MP2時(shí)比特率不小于256kbps，MP3時(shí)比特率不小于128Kbps。

文件合法性檢測：

比較文件擴(kuò)展名，文件頭信息，并進(jìn)行逐幀檢查。只允許三者一致且為mp2或mp3的文件通過，任何篡改或者其他文件不允許通過。

采樣精度檢測：

檢測采樣頻率和量化精度，要求采樣率大于等于44.1Khz，小于等于192Khz。量化精度大于等于16bit，小于等于32bit。

5 結(jié)論

1）通過音頻測試樣本產(chǎn)生器Powereditor和分析對比軟，對經(jīng)過錄制、編碼、轉(zhuǎn)碼、多倍速傳輸、解碼、播放等制播環(huán)節(jié)之后的音頻節(jié)目質(zhì)量進(jìn)行了測試和評價(jià)。

2）通過AP2722專業(yè)音頻信號產(chǎn)生器和數(shù)字信號質(zhì)量監(jiān)測儀對數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化之后的數(shù)字音頻信號進(jìn)行了眼圖、抖動(dòng)、基帶信號電平、AES通道狀態(tài)數(shù)據(jù)、音頻電平、相位、頻譜等關(guān)系音頻節(jié)目質(zhì)量的參數(shù)進(jìn)行了測量和評價(jià)。

3）通過AP2722音頻信號產(chǎn)生器和音頻分析

傳播創(chuàng)新研究對比工作站，對三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的延時(shí)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議傳輸后的音頻傳輸延時(shí)參數(shù)進(jìn)行了測量和評價(jià)。

通過本文的音頻節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測和評價(jià)平臺的設(shè)計(jì)和實(shí)際測試，我們驗(yàn)證了音頻節(jié)目質(zhì)量監(jiān)測的方法、技術(shù)，建立了一套較為全面和完整的音頻節(jié)目播出質(zhì)量監(jiān)測和評價(jià)平臺和技術(shù)。該平臺和方法較好地契合了225-GYT 275-2013《電臺節(jié)目制播質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》?？梢詾槲覈骷墢V播電臺建立自己的節(jié)目質(zhì)量監(jiān)測和評價(jià)平臺提供借鑒和樣板，具有很好的示范意義。

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