基于4G通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字廣播系統(tǒng)的研究和設(shè)計

摘 ?要：文章論述了一種基于多路音頻編解碼和數(shù)據(jù)加密技術(shù)，利用4G無線通信傳輸?shù)男滦蛿?shù)字廣播系統(tǒng)設(shè)計。該設(shè)計構(gòu)建了一套廣播收發(fā)終端和數(shù)字廣播播發(fā)平臺，可支持收發(fā)終端單獨進行電話、短信、話筒、U盤、MP3文件等多路模擬和數(shù)字音頻的廣播，也可以利用數(shù)字廣播管理平臺下發(fā)音頻，通過4G通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)收發(fā)終端的音頻數(shù)據(jù)的接收、解碼和播放。該系統(tǒng)同時可支持上下級行政區(qū)域聯(lián)動、分區(qū)廣播和定時廣播。

關(guān)鍵詞：音頻編解碼;數(shù)據(jù)加密;音頻收發(fā)控制;4G網(wǎng)絡(luò)通信

中圖分類號：TN934.4;TN929.5 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）23-0034-04

Research and Design of Digital Broadcast System Based on 4G Communication Network

WU Hao

（Fujian Newland Communication Science and Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou ?350003，China）

Abstract：This paper discusses the design of a new digital broadcasting system based on multi-channel audio CODEC and data encryption technology，which uses 4G wireless communication transmission. This design builds a set of radio receiving and sending terminal and digital radio broadcasting platform，which can support receiving and sending terminal independently broadcast for multi-channel analog and digital audio coming from telephone，SMS，microphone，U disk，MP3 files and so on，also can use digital broadcasting management platform to send audios，realize the receiving，decoding and playback of audio data from receiving and sending terminal through 4G communication network. At the same time，the system can support the linkage of the superior and subordinate administrative regions，regional broadcasting and timing broadcasting.

Keywords：audio CODEC;data encryption;audio receiving and sending control;4G network communication

0 ?引 ?言

自新冠肺炎疫情發(fā)生以來，應(yīng)急廣播對公共突發(fā)事件的宣導(dǎo)和預(yù)警作用日益被各級政府認可。目前國內(nèi)的應(yīng)急廣播系統(tǒng)主要還是以FM調(diào)頻、數(shù)字地面電視DTMB、有線同軸DVB-C等單向無線廣播以及網(wǎng)絡(luò)寬帶等有線雙向廣播為主，存在安全性差、設(shè)備集成度低、功能單一、建設(shè)成本高、管理運維難等缺陷。本公司十幾年來專注于我國電信運營商和廣播電視行業(yè)的整體數(shù)字化改造，以無線射頻及嵌入式終端的核心技術(shù)為基礎(chǔ)，為客戶提供從平臺到終端的音視頻節(jié)目傳輸整體解決方案。作者作為公司廣播電視研發(fā)中心負責(zé)人，從現(xiàn)有的廣播系統(tǒng)制約因素入手，設(shè)計開發(fā)了一套基于多路音頻編解碼和數(shù)據(jù)加密技術(shù)、利用4G無線通信傳輸?shù)男滦碗p向數(shù)字廣播系統(tǒng)，實現(xiàn)了廣播系統(tǒng)的無線化、互聯(lián)網(wǎng)化、數(shù)字化。

1 ?整體設(shè)計

本設(shè)計是基于4G網(wǎng)絡(luò)的新型數(shù)字廣播系統(tǒng)，研究電話、短信、話筒、U盤、MP3文件等多路音頻模擬采集、音頻MPEG轉(zhuǎn)碼和數(shù)據(jù)動態(tài)加密、多路網(wǎng)絡(luò)傳輸融合組網(wǎng)技術(shù)以及應(yīng)急廣播系統(tǒng)平臺軟件，實現(xiàn)語音的覆蓋、回傳及設(shè)備組網(wǎng)和聯(lián)動。數(shù)字廣播系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)包括以下四個部分：數(shù)字廣播收發(fā)終端;音頻處理和數(shù)據(jù)加密;4G網(wǎng)絡(luò)傳輸;數(shù)字廣播管理平臺軟件、安全認證、流媒體服務(wù)和數(shù)據(jù)庫。為提升后續(xù)系統(tǒng)運維的效率，本設(shè)計研究了系統(tǒng)運維軟件，可支持參數(shù)修改、日志回傳、升級等設(shè)備的遠程管理。本設(shè)計遵循標準系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范和系統(tǒng)運維設(shè)計規(guī)范，具體的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 ?硬件架構(gòu)

如圖2所示，本設(shè)計采用SI8000作為主控芯片，基于ARM架構(gòu)的Linux系統(tǒng)運行軟件。本方案具備多個通道的音頻信號輸入：RCA1和RCA2，USB和MP3、4G模組、短信接入和電話語音接入、話筒等，并將這些模擬音頻信號送入音頻ADC。采樣芯片通過I2S接口將ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送至主CPU并編碼成AAC或MP3音頻格式。4G模塊具備USB接口、MIC語音接入接口，CPU通過MINI PCI-E接口對4G模塊進行控制及數(shù)據(jù)雙向傳輸。MIC接口則連接到文本轉(zhuǎn)語音芯片的語音輸出接口，以實現(xiàn)電話呼入時的操作語音提示。本設(shè)計內(nèi)置100 W功放芯片，可連接音箱、功放機等設(shè)備。

3 ?軟件架構(gòu)

數(shù)字廣播收發(fā)終端基于嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)，除了芯片驅(qū)動、內(nèi)核系統(tǒng)、文件系統(tǒng)，還包含音頻編解碼、媒體數(shù)據(jù)收發(fā)、音頻數(shù)據(jù)加解密模塊等主要軟件模塊。數(shù)字廣播管理和運維平臺基于Linux CENTOS7.5系統(tǒng)開發(fā)，采用主流的J2EE平臺設(shè)計。

3.1 ?音頻編解碼模塊

該模塊主要功能是將模擬采樣產(chǎn)生的PCM數(shù)據(jù)或U口接入的數(shù)字音頻文件通過模塊進行編碼、轉(zhuǎn)碼產(chǎn)生不同比特率的AAC和MP3格式的音頻文件。它包含了用于各種音頻封裝格式的生成和解析nllibaformat庫和用于各種類型聲音編解碼的nllibavcodec庫。通過指令nlmpeg-i origine-vn-ar 44100-ac 2-ab 192-f mp3 final.mp3，可將任意格式的音視頻文件編碼成新的MP3文件，其中44 100對應(yīng)的是重采樣率（單位：Hz）;192對應(yīng)的是比特率（單位：Kbps），可設(shè)置成32-320等多種不同值。

3.2 ?流媒體數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

該模塊主要功能是基于RTSP協(xié)議將音頻流推送給支持RTSP的流媒體服務(wù)器，實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)以RTSP協(xié)議封裝、解析和收發(fā)，支持廣播應(yīng)用。模塊提供restful api以及web hook接口，支持媒體流列表獲取，拉流和推流流媒體信息詳情查看;支持推流和拉流的上下行流量和連接客戶端數(shù)量等統(tǒng)計;支持流媒體的實時監(jiān)聽功能。

3.3 ?音頻數(shù)據(jù)加解密模塊

采用SM2國密算法和對稱算法的密鑰，對音頻流進行加密，加密的密鑰和音頻流通過流媒體格式發(fā)送到收發(fā)終端，收發(fā)終端使用根證書對加密的公鑰進行解密，用公鑰對加密的DES密鑰進行解密，獲取密鑰后采用DES解密算法對音頻流進行解密，播放音頻。收發(fā)終端存放1個根證書和10個SM2數(shù)字證書，證書定期從控制流中獲取更新。收發(fā)終端只有在解密校驗音頻信息錯誤后，才會使用最新的公鑰和數(shù)字證書。

3.4 ?數(shù)字廣播管理和運維平臺軟件

基于Linux CENTOS7.5系統(tǒng)開發(fā)，采用先進的計算機程序設(shè)計平臺J2EE平臺進行設(shè)計開發(fā)，整個網(wǎng)站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全可以進行自定義配置和管理設(shè)備信息，具有良好的靈活性和可擴展性。系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器采用Tomcat;數(shù)據(jù)庫為Mysql 5.6，功能模塊包括安全認證、流媒體服務(wù)、媒體制作播發(fā)、設(shè)備管理、系統(tǒng)運維，整個管理系統(tǒng)易操作易維護。

4 ?基于4G網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)控制

4G通道收發(fā)控制單元是本設(shè)計的核心功能。4G模組通過USB-Serial連接主板，設(shè)備上電后Linux系統(tǒng)會依照配置的驅(qū)動根據(jù)VID/PID，將模組作為RNDIS設(shè)備掛載，相關(guān)端口會出現(xiàn)在/sys/bus/usb-serial/drivers/option1/目錄下以ttyUSBx的形式掛載。并且系統(tǒng)會將該模組認為usb0網(wǎng)卡。設(shè)備應(yīng)用程序檢測到/sys/bus/usb-serial/drivers/option1/出現(xiàn)ttyUSBx設(shè)備后，通過lsusb命令檢測其PID/VID，并確定其大致型號。根據(jù)型號選擇并打開對應(yīng)AT口的ttyUSB，進行后續(xù)AT指令的查詢與設(shè)置。通過socket（）與ioctl（）函數(shù)打開模組網(wǎng)卡usb0，并使用busybox的udhcpc工具來從模組里自動獲取ip。以上初始化流程結(jié)束后設(shè)備便正常注冊上4G網(wǎng)絡(luò)。

收發(fā)終端啟動并注冊到4G網(wǎng)絡(luò)后，周期性發(fā)送設(shè)備心跳到管理平臺，同時內(nèi)置的廣播流媒體數(shù)據(jù)收發(fā)模塊對廣播信息進行監(jiān)控。當(dāng)有語音電話接入，設(shè)備的AD采樣芯片按已設(shè)置的采用率進行AD轉(zhuǎn)換，生成PCM數(shù)據(jù);當(dāng)有短信接入，設(shè)備的TTS芯片將文字轉(zhuǎn)成語音PCM數(shù)據(jù);當(dāng)有平臺音頻數(shù)據(jù)接入，流媒體數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進行RTSP協(xié)議解析后，生成音頻流數(shù)據(jù);以上接入數(shù)據(jù)可單獨接入，也可以同時接入。接入的數(shù)據(jù)實時傳送到音頻編碼器模塊進行編碼，生成AAC或MP3文件，經(jīng)過數(shù)據(jù)加密（電話或者短信）和解密（平臺下發(fā)音頻），產(chǎn)生混合數(shù)字信息，控制單元根據(jù)收發(fā)終端已設(shè)置好的優(yōu)先級產(chǎn)生通過輸出指令，可同步輸出到音頻平衡/非平衡、功放兩種模擬輸出通道，同時生成攜帶不同收發(fā)終端區(qū)域信息的RTSP流媒體數(shù)據(jù)，發(fā)送到流媒體收發(fā)模塊進行數(shù)據(jù)分發(fā)和廣播。通過以上流程，可實現(xiàn)基于4G網(wǎng)絡(luò)的多通道接入和多設(shè)備的分組、分區(qū)廣播，詳細流程如圖3所示。

5 ?系統(tǒng)調(diào)試和成果展示

5.1 ?數(shù)字廣播系統(tǒng)功能調(diào)試和性能測試

本設(shè)計經(jīng)過以上的軟硬件模塊開發(fā)后，進行了基于4G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的收發(fā)終端和平臺廣播開停播、電話和短信廣播、分組定時廣播等功能調(diào)試，輸出音質(zhì)清晰、流暢。同時針對4G網(wǎng)絡(luò)不同信號強度的通信環(huán)境，在不同音頻比特率的MP3音頻格式條件下，測試收發(fā)終端的4G信號接收門限，確保音頻接收和解碼輸出的清晰流暢。以下是本系統(tǒng)的主要的功能和性能測試數(shù)據(jù)，如表1所示。

5.2 ?收發(fā)終端實物展示

收發(fā)終端的內(nèi)部模塊如圖4所示，采用工業(yè)級開關(guān)電源，支持次級短路保護，具備防護外殼，保證設(shè)備的穩(wěn)定與可靠性。電源及輸出端有防雷器件，4G模塊和功放采用模塊化設(shè)計，故障時易于更換，核心電路板三防漆處理，設(shè)備具有接地端子。

收發(fā)終端的外部硬件接口如圖5所示，包含4G天線SMA接口、USB、RCA模擬音頻輸出、SIM卡槽、外置喇叭接線柱、工作狀態(tài)指示燈、音量旋鈕等接口，設(shè)備倒掛安裝，使用抱箍等配件固定。

收發(fā)終端采用全鋁合金柱形機箱，接線全在機箱底部，箱體金屬部分噴粉防腐設(shè)計，機箱顏色有灰色和白色可選。如圖6所示是收發(fā)終端的正面圖。

5.3 ?管理平臺頁面展示

數(shù)字廣播系統(tǒng)平臺采用B/S架構(gòu)，可以通過瀏覽器遠程安全登錄管理和信息的展示。如圖7所示，管理平臺采用倒L形菜單結(jié)構(gòu)，包含設(shè)備管理、節(jié)目制作、廣播管理、運維管理等子模塊，設(shè)備管理頁面展示設(shè)備狀態(tài)、更新時間、當(dāng)前節(jié)目信號強度以及設(shè)備功放的電壓電流值。

5.4 ?相關(guān)技術(shù)的成功案例

目前該系統(tǒng)借助于電信、廣電網(wǎng)絡(luò)等運營商云服務(wù)平臺，已在包括福建在內(nèi)的全國二十多個縣市的農(nóng)村、景區(qū)、學(xué)校等地批量商用，日常播放平安三率、黨建知識、文明創(chuàng)城等各類“平戰(zhàn)結(jié)合”的宣傳，應(yīng)急接入新冠疫情、森林防火、洪災(zāi)備災(zāi)等突發(fā)事件的播報。如圖8所示是數(shù)字廣播系統(tǒng)主頁，可顯示系統(tǒng)設(shè)備在線數(shù)量和實時播放任務(wù)數(shù)量。

6 ?結(jié) ?論

本設(shè)計分析了基于4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字廣播市場需求和整體方案，描述了收發(fā)終端的硬件原理設(shè)計，詳細介紹了基于Linux系統(tǒng)的嵌入式收發(fā)終端的軟件模塊和平臺管理運維軟件，并對以上設(shè)計系統(tǒng)進行功能驗證和不同4G信號網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下性能測試。該系統(tǒng)組網(wǎng)簡單、部署快、管理便捷、廣播形式多樣，可廣泛應(yīng)用于美麗鄉(xiāng)村、城市建設(shè)、交通、學(xué)校、景區(qū)等場所。

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作者簡介：吳好（1981—），男，漢族，福建福州人，工程師，研究生，主要研究方向：通信技術(shù)研究、廣播系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。