潘明照 賈大偉

（作者單位：平度市融媒體中心）

為了實(shí)現(xiàn)在突發(fā)公共事件中盡快發(fā)布群眾所需信息，提升政府在處理突發(fā)性危機(jī)事件中的指揮調(diào)度能力，中國(guó)共產(chǎn)黨的十七屆六中全會(huì)就提出建立統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)、安全可靠的國(guó)家應(yīng)急廣播體系，并致力于推動(dòng)該體系的建設(shè)。隨著數(shù)字電視技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)在廣播電視行業(yè)的普及和推廣，利用數(shù)字電視廣播業(yè)務(wù)發(fā)布應(yīng)急信息成為應(yīng)急廣播體系建設(shè)的重要內(nèi)容之一，引起相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遗c學(xué)者的廣泛研究[1-2]，如使用數(shù)字廣播應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)（DVB-EWS）等。進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，通過(guò)數(shù)字電視開(kāi)展增值業(yè)務(wù)成為可能。

由于數(shù)字壓縮技術(shù)的使用，數(shù)字電視可以在一個(gè)原模擬電視頻道中播出6～8套高質(zhì)量的標(biāo)清電視節(jié)目（或者2套左右的高清電視節(jié)目），隨著傳輸節(jié)目套數(shù)的增加，用戶如何在眾多電視節(jié)目中快速找到想要觀看的電視節(jié)目就成為一個(gè)問(wèn)題。為幫助用戶了解相關(guān)的節(jié)目信息，DVB-C（有線數(shù)字視頻廣播）制定了相關(guān)的電子節(jié)目指南（Electrical Program Guide, EPG），即一種電視節(jié)目信息導(dǎo)航系統(tǒng)，我國(guó)也制定了相應(yīng)的EPG標(biāo)準(zhǔn)[3]。通過(guò)EPG，用戶可以了解待播或正在播出節(jié)目的相關(guān)信息，包括節(jié)目名稱、時(shí)間、內(nèi)容介紹等。EPG的播發(fā)需要在節(jié)目播出前端將符合數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcasting, DVB）標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)信息（Service Information, SI）插入傳送流（Transport Stream, TS）中。SI不僅攜帶了EPG所需的全部數(shù)據(jù)，還規(guī)定了一些可以由用戶定義的結(jié)構(gòu)。通過(guò)這些結(jié)構(gòu)，就可以開(kāi)發(fā)一些基于SI的增值業(yè)務(wù)。本文設(shè)計(jì)的應(yīng)急信息廣播系統(tǒng)就是一個(gè)基于SI的自定義結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)。

數(shù)字電視應(yīng)急信息廣播系統(tǒng)包括信息編輯、信息發(fā)送和信息接收三個(gè)部分。信息編輯指信息編輯工作站對(duì)各類應(yīng)急信息進(jìn)行編輯制作，并將編輯制作好的信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。信息發(fā)送是指信息播發(fā)服務(wù)器將編輯好的各種（應(yīng)急）信息從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中取出，并按照SI的自定義結(jié)構(gòu)的要求進(jìn)行打包，插入數(shù)字電視的播出碼流中，經(jīng)復(fù)用調(diào)制后送到數(shù)字發(fā)射機(jī)播出或者送入有線電視系統(tǒng)進(jìn)行播出。信息接收是指數(shù)字電視機(jī)頂盒從解碼后的TS流中取出相應(yīng)的（應(yīng)急）信息，在用戶的電視機(jī)上進(jìn)行顯示、提醒。本文內(nèi)容主要針對(duì)數(shù)字電視應(yīng)急信息廣播系統(tǒng)的信息發(fā)送端展開(kāi)。

1 系統(tǒng)發(fā)送端的基本原理

發(fā)送端的任務(wù)是把需要播發(fā)的各種信息按順序以一定的碼率進(jìn)行打包，然后發(fā)送出去。信息播發(fā)服務(wù)器能夠定時(shí)查看數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器要發(fā)送的信息，并將這些信息打包，借助碼流播發(fā)卡輸出，經(jīng)異步串行接口（Asynchronous Serial Interface, ASI）智能切換器（冗余設(shè)計(jì)，防止某臺(tái)信息播發(fā)服務(wù)器出現(xiàn)故障）后選擇最優(yōu)一路進(jìn)入碼流分配器，將打包的碼流分配，然后送到要插入信息的復(fù)用器。各復(fù)用器從打包的碼流中取出本復(fù)用器要插入的信息，與視音頻節(jié)目等其他業(yè)務(wù)信息進(jìn)行復(fù)用，形成復(fù)用的碼流，進(jìn)入加擾調(diào)制等后續(xù)處理部分。其基本原理如圖1所示。

圖1 數(shù)字電視應(yīng)急信息廣播系統(tǒng)發(fā)送端基本原理

進(jìn)行發(fā)送端設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定需要發(fā)送的信息內(nèi)容，明確這些信息在終端如何顯示，并規(guī)劃好這些信息是在全頻點(diǎn)發(fā)送還是只在某些頻點(diǎn)發(fā)送。確定了要發(fā)送的信息和所在的頻點(diǎn)后，還需確定要發(fā)送的各類信息的碼率。（有線）數(shù)字電視一般采用正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation, QAM），分為16QAM、64QAM、256QAM等多種調(diào)制方式，數(shù)字越大，頻帶利用率越高，但抗干擾能力也隨之降低。不同的QAM調(diào)制方式能夠傳輸?shù)拇a率是不同的，如64QAM的有效數(shù)據(jù)傳輸速率大約是38 Mb/s。除去音視頻節(jié)目和其他業(yè)務(wù)占用的碼率，剩余的才是可用于應(yīng)急信息發(fā)布的碼率。如果超過(guò)這個(gè)碼率，就會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，造成音視頻節(jié)目的卡頓。為不影響節(jié)目的正常播出，碼率應(yīng)小于該值，并留有一定余量。

確定好各類信息的碼率，就可以進(jìn)行打包播發(fā)了。打好包的數(shù)據(jù)的發(fā)送比較簡(jiǎn)單，使用無(wú)窮循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷地發(fā)送數(shù)據(jù)。但是，各類信息的播出碼率是不同的，在打包各類信息時(shí)的數(shù)據(jù)量也是不一樣的，因而打包過(guò)程比較復(fù)雜。

2 應(yīng)急信息及其處理

2.1 應(yīng)急信息的播發(fā)途徑

應(yīng)急信息既可以是文字形式也可以是圖片形式，甚至可以是音頻形式或視音頻形式。本文設(shè)計(jì)的應(yīng)急信息廣播系統(tǒng)可以在數(shù)字電視顯示終端上通過(guò)各種方式顯示各種等級(jí)的應(yīng)急信息。當(dāng)應(yīng)急信息等級(jí)較高時(shí)，可在顯示畫(huà)面的同時(shí)播出聲音信號(hào)，甚至可以強(qiáng)制切換到應(yīng)急頻道進(jìn)行信息播發(fā)。應(yīng)急信息的播發(fā)途徑分為以下幾種：

（1）開(kāi)機(jī)畫(huà)面。這是機(jī)頂盒加電后顯示的第一幅畫(huà)面。在機(jī)頂盒加電啟動(dòng)過(guò)程中需要一定的時(shí)間，可以利用這段時(shí)間的開(kāi)機(jī)畫(huà)面進(jìn)行應(yīng)急信息的播發(fā)。

（2）EPG搭載。在顯示主菜單、頻道列表、頻道導(dǎo)航條時(shí)，利用空余版面加載或疊加顯示要播發(fā)的應(yīng)急信息。此外，節(jié)目切換時(shí)一般會(huì)顯示換臺(tái)后節(jié)目的正播和待播信息，也可以同時(shí)加載要播發(fā)的應(yīng)急信息。

（3）音量調(diào)整。利用調(diào)整音量時(shí)電視機(jī)上的音量顯示的空余版面顯示應(yīng)急信息。

（4）游動(dòng)字幕。這是應(yīng)急信息播發(fā)最靈活、最有效的一種途徑。比如在播發(fā)各類預(yù)警信息時(shí)，如果在每個(gè)頻點(diǎn)都插入應(yīng)急信息，則可以做到顯示全覆蓋，即所有收看電視節(jié)目的用戶不論在收看什么節(jié)目都可以接收得到應(yīng)急信息。

（5）基于特殊業(yè)務(wù)信息加載應(yīng)急信息。比如利用天氣預(yù)報(bào)顯示界面加載應(yīng)急信息，用戶可通過(guò)遙控器按鍵，在查詢天氣預(yù)報(bào)的同時(shí)獲取應(yīng)急信息內(nèi)容。

（6）其他途徑。比如掛角信息發(fā)布，在數(shù)字電視終端畫(huà)面的某角顯示應(yīng)急信息。

為了簡(jiǎn)單實(shí)用，將其做如下簡(jiǎn)化：

播發(fā)游動(dòng)字幕時(shí)停止其他信息的播發(fā)。即游動(dòng)字幕的播發(fā)具有較高的優(yōu)先級(jí)，可用于重大應(yīng)急信息的即時(shí)播發(fā)。此外，高級(jí)別的緊急信息可以強(qiáng)制在數(shù)字電視的所有節(jié)目中顯示播出。而其他信息的更新播發(fā)只在每天的一個(gè)固定時(shí)間，比如每天晚上8點(diǎn)重新讀取數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的記錄，將查詢更新后的記錄重新打包播發(fā)。

由于這樣的簡(jiǎn)化，系統(tǒng)需應(yīng)對(duì)正在播發(fā)的信息中存在錯(cuò)誤需要立即更新的情況。針對(duì)這種情況，編輯制作端將更正后的信息編輯好并存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器后通知發(fā)送端，發(fā)送端接收到此信息后重新讀取數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的記錄，并重新打包播發(fā)。

2.2 應(yīng)急信息的打包描述

信息的打包發(fā)布需要按照DVB-C的SI信息的標(biāo)準(zhǔn)，并最終打包成188字節(jié)的TS包。其中包含的信息圖片、文字及與本信息相關(guān)的其他結(jié)構(gòu)是其凈負(fù)載。

在DVB-C中，所有的SI/節(jié)目特定信息（Program Specific Information, PSI）都以表的形式進(jìn)行傳輸，表中包含了整個(gè)節(jié)目信息和業(yè)務(wù)信息，這些表在傳輸時(shí)，被封裝在大小固定的被稱為段（section）的數(shù)據(jù)塊中。本系統(tǒng)的發(fā)送端采用私有段結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），即ISO/IEC 13818-1:2019規(guī)定的私有段結(jié)構(gòu)中將section syntax indicator置為1時(shí)的結(jié)構(gòu)[4]，它包括段頭(從table id到last section number)、私有數(shù)據(jù)（N privata data）和一個(gè)32位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC32）。

圖2 私有段結(jié)構(gòu)示意圖

除了封裝要發(fā)布信息的私有段外，還有一種私有段表，稱為描述符私有段表。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了缺省信息版本號(hào)描述符、天氣預(yù)報(bào)描述符、取消描述符、游動(dòng)字幕屬性描述符等各種描述符。

每一個(gè)具體的信息基本上是以圖片的形式進(jìn)行發(fā)布的。在封裝這種私有段時(shí)，需在段頭后加入一個(gè)描述該圖片的相關(guān)描述符，如圖片類型描述符（這個(gè)描述符是必有的）、鏈接描述符（這個(gè)描述符是可選的）等。圖片類型描述符能夠描述該圖片屬于哪個(gè)類型的信息、圖片本身的文件類型（如png、jpg、gif等）信息，以便接收端解碼。在這些描述符之后是該圖片的具體數(shù)據(jù)。

也就是說(shuō)，系統(tǒng)發(fā)送端會(huì)將每一個(gè)信息封裝成一個(gè)段或多個(gè)段。對(duì)每一個(gè)段都要計(jì)算其循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC32。

將各信息封裝到段后，就可以進(jìn)入TS打包環(huán)節(jié)。TS包的大小固定為188字節(jié)，TS層分為三個(gè)部分：TSHeader（TS包頭）、Adaptation Field（調(diào)整字段）、Payload（負(fù)載）。其中，包頭結(jié)構(gòu)中的有效凈荷單元開(kāi)始指示為payload_unit_start_indicator，標(biāo)志此TS包中帶有SI數(shù)據(jù)分段的第一個(gè)字節(jié)，即這個(gè)包是一個(gè)段的起始包。

在循環(huán)播出時(shí)，雖然根據(jù)業(yè)務(wù)信息封裝生成的段是不變的，但是在每次定時(shí)處理時(shí)根據(jù)段生成的TS包卻是不同的，這是因?yàn)門(mén)S包中有連續(xù)計(jì)數(shù)（continuity_conunter）字段。為保證連續(xù)計(jì)數(shù)器的連續(xù)，需要在每次播發(fā)時(shí)將生成的TS包的continuity_conunter字段重新修改，以保證continuity_conunter字段的連續(xù)。

也就是說(shuō)，打包有兩個(gè)層次：第一個(gè)層次是先把凈負(fù)載封裝成多個(gè)段，第二個(gè)層次是將生成的段打包成一個(gè)個(gè)的TS包。

將所有的業(yè)務(wù)信息都打包成連續(xù)的TS包后，還需要生成一個(gè)具有一定時(shí)間間隔（如0.5 s）的總的數(shù)據(jù)包，按照各業(yè)務(wù)信息設(shè)定的發(fā)送速率，計(jì)算在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)各業(yè)務(wù)信息需要發(fā)送的TS包的數(shù)目，并按一定順序?qū)⑵洳迦刖彌_區(qū)（TS Buffer）中，利用定時(shí)函數(shù)將此緩沖區(qū)的內(nèi)容通過(guò)播發(fā)卡發(fā)送出去。

2.3 應(yīng)急信息數(shù)據(jù)和輔助信息的讀取加密及打包成段

制作完成的應(yīng)急信息或者從上級(jí)部門(mén)傳送過(guò)來(lái)的應(yīng)急信息通過(guò)制作端上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，發(fā)送端定時(shí)讀取要播出的應(yīng)急信息。

應(yīng)急廣播信息事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，因此必須采取措施保證信息內(nèi)容的真實(shí)性、完整性、權(quán)威性[5]。為保證應(yīng)急信息的安全，需要對(duì)業(yè)務(wù)（應(yīng)急）信息進(jìn)行加密、數(shù)字簽名等處理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急廣播消息和指令的安全。假定這些處理已經(jīng)在編輯制作端完成，發(fā)送端負(fù)責(zé)這些已經(jīng)完成處理的信息的發(fā)送。本系統(tǒng)應(yīng)急信息的存取采用ADO編程方式。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)，選出要播發(fā)的數(shù)據(jù)記錄，對(duì)每一條這樣的記錄，通過(guò)其組ID找出其組ID此時(shí)對(duì)應(yīng)的版本號(hào)gidvernum，并更新其下一個(gè)數(shù)據(jù)記錄對(duì)應(yīng)的版本號(hào)。再根據(jù)這條記錄的包ID找到對(duì)應(yīng)的連續(xù)記數(shù)（continuity_conunter）信息。有了這些信息就可以生成一個(gè)針對(duì)此記錄的InfoGroupDataRecord對(duì)象。根據(jù)InfoGroupDataRecord中的一個(gè)類InfoContentSectionTable的指針對(duì)象pinfopicture，在類InfoContentSectionTable中封裝各種與段生成相關(guān)的函數(shù)和信息，在makeupsections函數(shù)中將本數(shù)據(jù)記錄的應(yīng)急信息封裝成段。

需注意正確設(shè)置最后一個(gè)段的大小。在生成段時(shí)，要設(shè)置段頭信息。如果段表有描述符，則要首先封裝描述符，描述符之后才是含有加密后的業(yè)務(wù)圖片的信息結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。在每個(gè)段的最后計(jì)算其CRC32。生成段表之后就可以進(jìn)行TS包的打包了。

2.4 打包信息的發(fā)送

以一定速率重復(fù)發(fā)送這些信息的基本方法是利用定時(shí)器。只需要注意發(fā)送的速率不要太高使得復(fù)用器的碼率超載，定時(shí)器的精度倒不是特別重要。當(dāng)然作為系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡可能地讓碼率精確一些。對(duì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以考慮使用多媒體定時(shí)器。即用timeSetEvent函數(shù)，該函數(shù)可以達(dá)到1 ms的分辨率。

本系統(tǒng)假定游動(dòng)字幕形式的應(yīng)急信息在一個(gè)固定的時(shí)間點(diǎn)（如每晚8∶00）進(jìn)行播發(fā)（不太緊急的應(yīng)急信息的播出，如天氣災(zāi)害預(yù)報(bào)等），需在定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)中設(shè)置一個(gè)變量m_loop，在每次調(diào)用時(shí)其值增加1，以此模擬回調(diào)函數(shù)調(diào)用的次數(shù)。通過(guò)監(jiān)視這個(gè)變量，看是否到達(dá)預(yù)定的時(shí)間，到時(shí)間后即啟動(dòng)游動(dòng)信息的播發(fā)。如果沒(méi)有到達(dá)預(yù)定的時(shí)間，則回調(diào)函數(shù)更新將要播發(fā)的數(shù)據(jù)的continuity_conunter字段，并將此數(shù)據(jù)發(fā)至播發(fā)卡播出。

用比較m_loop的次數(shù)來(lái)判斷是否到達(dá)定時(shí)時(shí)間，是因?yàn)槎〞r(shí)間隔是一個(gè)常數(shù)（如0.5 s一次）。通過(guò)當(dāng)前時(shí)間與下次定時(shí)時(shí)間的差就可以知道要循環(huán)多少次能夠到達(dá)下次定時(shí)時(shí)間，該方式可能不太精確，但對(duì)于本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是足夠的，因?yàn)椴惶o急的應(yīng)急信息并不一定需要太精確的定時(shí)播出。

游動(dòng)字幕的播出與其他應(yīng)急信息的播出不同，它不需要一直循環(huán)播出，其在顯示端的游動(dòng)一般只需要兩次即可。也就是說(shuō)，發(fā)送端的一條游動(dòng)字幕信息只需播發(fā)2～3次即可（多播發(fā)幾次可以保證接收端軟件能夠完整收到此信息）。在所有游動(dòng)字幕信息播發(fā)完成后就可以重新讀取其他應(yīng)急信息進(jìn)行播發(fā)了。

2.5 緊急信息的播發(fā)

除上述應(yīng)急信息的播發(fā)外，對(duì)某些緊急消息必須實(shí)現(xiàn)即時(shí)播發(fā)。這意味著對(duì)緊急信息需要立即響應(yīng)。為此，在發(fā)送端和編輯制作端需使用網(wǎng)絡(luò)編程。在編輯制作端將需要即時(shí)播發(fā)的信息編輯好后通知發(fā)送端，發(fā)送端接收到有緊急信息需要播出的消息后，停止當(dāng)前信息的播發(fā)，轉(zhuǎn)為播發(fā)此緊急信息。緊急信息既可以設(shè)定播出次數(shù)或到期時(shí)間，也可以設(shè)置為無(wú)窮（即一直播出）。若為一直播出，則需要通過(guò)制作端發(fā)送停止緊急信息播發(fā)的消息以停止此緊急信息的播發(fā)。

3 調(diào)試

調(diào)試是編程開(kāi)發(fā)重要的一個(gè)方面，通過(guò)調(diào)試找出并改正編程錯(cuò)誤是開(kāi)發(fā)人員的一項(xiàng)基本技能。本系統(tǒng)需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此要注意字節(jié)序問(wèn)題。字節(jié)序錯(cuò)誤，就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。所以，如果接收到的數(shù)據(jù)有問(wèn)題，就要查看字節(jié)序是否存在問(wèn)題。另外，系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)段都要計(jì)算循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC32，在計(jì)算CRC32時(shí)需注意段長(zhǎng)的計(jì)算問(wèn)題。

除開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的調(diào)試手段外，程序開(kāi)發(fā)人員還可以將打包數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件進(jìn)行分析，看數(shù)據(jù)是否正確及哪里出了問(wèn)題。同時(shí)，還可以寫(xiě)出相應(yīng)的解析程序，對(duì)打包的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。解析程序既可以用于打包數(shù)據(jù)的測(cè)試，也可以直接用于接收端軟件，或者使用接收端的解析軟件對(duì)打包的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，兩者可互相驗(yàn)證。

然而，打包數(shù)據(jù)正確、接收解析正確也并不意味著所有都正常。在測(cè)試調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果每個(gè)PID（Packet ID，包ID）只在有應(yīng)急信息圖片數(shù)據(jù)的時(shí)候才發(fā)送數(shù)據(jù)，反之不發(fā)送數(shù)據(jù)，則如果某個(gè)PID不存在應(yīng)急信息數(shù)據(jù)，在剛沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，接收到的碼流中其他PID的碼流也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，TS計(jì)數(shù)不連續(xù)，即會(huì)出現(xiàn)丟TS包的情況，一般每個(gè)PID會(huì)丟一個(gè)包。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因沒(méi)有得到解釋，但估計(jì)很大程度上與復(fù)用器有關(guān)。所以讓每個(gè)PID在沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送缺省的應(yīng)急信息數(shù)據(jù)，以免引起丟包。以上是在播出碼流中隨時(shí)添加、刪除應(yīng)急信息時(shí)可能發(fā)生的情況，如果規(guī)定播發(fā)時(shí)不在播出的碼流中添加、刪除應(yīng)急信息則不會(huì)存在上述問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)送端軟件是一個(gè)打包程序，它將打包的數(shù)據(jù)通過(guò)播發(fā)卡發(fā)送出去。這是一個(gè)循環(huán)播發(fā)的系統(tǒng)，應(yīng)急信息播發(fā)完一遍后從頭繼續(xù)重新播發(fā)。發(fā)送端對(duì)定時(shí)精度要求并不嚴(yán)格，只需注意發(fā)送的速率不要超過(guò)其上限即可。如果某個(gè)頻點(diǎn)的總碼率超過(guò)了上限，則有可能引起該頻點(diǎn)的節(jié)目出現(xiàn)馬賽克的現(xiàn)象。一般說(shuō)來(lái)，開(kāi)機(jī)畫(huà)面、節(jié)目指南附加信息等在主頻點(diǎn)播發(fā)時(shí)使用的碼率較大，所以電視系統(tǒng)在主頻點(diǎn)的節(jié)目安排應(yīng)該使其碼流有較大的余量。