基于短波通信的應急廣播模式

黃紅偉

（廣西廣播電視監測中心，廣西 南寧 530000）

1 應急廣播無線傳輸現狀

目前，在應急廣播系統中，應急消息的無線發布主要基于調頻廣播（FM/RDS）、移通通信（4G）、地面數字電視（DTMB）、衛星通信以及中短波廣播。除衛星通信和中短波廣播外，其他通信方式均需要一定數量、分布廣的中繼基站，因此建設和維護成本高，且中間環節多，可靠性難以保證。短波通信通過電離層反射進行通信，相比于其他方式，短波通信具有收發設備簡便、建設運營成本低廉以及使用方便等優點，其充分利用了電波在電離層的反射傳輸的特點，具有傳輸距離遠和不易被摧毀 的優勢[1]。

短波通信的信號傳輸質量和數據傳輸速率隨著計算機網絡技術、集成電路微處理器技術及數字信號處理（DSP）技術的發展不斷提高。新技術的應用不斷推動著短波通信技術的發展，使得在短波信道上進行數字圖文傳輸、音頻信號傳輸、視頻信號傳輸、高速數據傳輸以及應急廣播信息傳輸等業務變得更加易于實現。

短波通信具有頻帶窄的特點，其通信頻帶僅為3～30 MHz，同時，短波通過電離層反射進行傳輸，存在通信信號穩定性差、碼間串擾以及時色散時變性大等缺點。目前普遍使用的信源和信道編碼技術已不能適應高質量數字通信的要求[2]。高質量的短波數字通信需要更新的技術來實現，如在短波信號傳輸的信源編碼過程中對信號進行壓縮處理，在信道編碼過程中采用短波正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術等新技術。

2 基于短波正交頻分復用技術的原理

基于短波正交頻分復用技術的主要原理是在頻域內將所給短波頻段的信道分成多個子信道，同時保證任意兩個子信道均具有正交性，將高速率的待傳輸信號轉換成并行的低速率信號，并在每個子信道上使用相應的子載波對其進行調制，經傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）將各子信道合并，進一步處理后經天線發射。接收端處理的方法相反。OFDM傳輸原理如圖1所示。在頻域內將所給信道分成多個子信道，每個子信道所占帶寬相對較小，為窄帶傳輸，這樣即可保證每個子信道頻率響應相對平坦，信號帶寬小于信道的相關帶寬，從而消除符號間干擾[3]。

圖1 OFDM傳輸原理

設OFDM系統有N個子信道，各子信道的子載波為：

式中：Bk為第k路子載波的振幅；fk為第k路子載波的頻率；φk為第k路子載波的初始相位，則N路子信號之和為：

式（2）還可以寫成復數形式：

式（3）中，Bk是一個復數，為第k路子信道的復輸入數據。

正交頻分復用（OFDM）相對于單載波和非正交頻分復用方式具有如下優勢。

（1）抗頻率選擇性衰落能力強。電波在傳輸的過程中，接收端會收到經過折射、反射及散射等途徑到達的信號。不同路徑的信號會有不同的時延，從而相互疊加，產生干擾，造成頻率選擇性衰落。OFDM系統經FFT變換，在頻域上將信道劃分成多個子信道，由于每個子信道占用的頻帶較窄，在該子信道內頻率響應的衰落是平坦的，與頻率無關，因此OFDM系統具有較強的抗頻率選擇性衰落能力。

（2）具有較高的頻譜利用率。由于OFDM系統各個子載波之間是正交調制，OFDM的子載波正交復用技術大大提高了頻帶利用率。

（3）實現簡單。隨著大規模集成電路技術與數字信號處理（DSP）技術的發展，在電路上實現OFDM變得越來越便捷。

（4）滿足高速率數據傳輸要求。在利用現有頻率帶寬及不改變發射功率的前提下，應用MIMO多天線技術實現多發多收，即可大幅度提高信道容量，滿足高速率數據傳輸要求。

3 短波應急廣播適配器

在應急廣播系統中，應急廣播適配器是核心設備。它接收來自上級的指令并解釋，經處理后放大輸出到大喇叭。因此它具備自動接收、適配及播發上級平臺應急廣播消息的功能；支持短波/FM/DTMB/DVB-C/IP/4G多模接收，支持文轉語功能，整機模塊化設計[4]。應急廣播適配器接口如圖2所示。

圖2 應急廣播適配器接口

應急廣播系統中，適配器作為具有適配轉發上下鏈路功能的中間連接設備，實現應急信息指令和應急音頻不同方式的解析、封裝及按需輸出。應急廣播適配器的功能如圖3所示。

圖3 應急廣播適配器功能

3.1 安全認證防范功能

應急廣播適配器具備完善的抗干擾、防插播及防盜播等安全播出技術措施，確保系統安全播出，采取數字簽名驗證等技術手段防止干擾、非法插播及盜播等的發生。

3.2 TS信道解析功能

應急廣播適配器解析TS流，對流內的應急指令及應急節目進行篩選分析，進行下一步的解碼及邏輯運算。

3.3 尋址控制功能

應急廣播適配器是一個TS流終端設備，每個適配器有一個統一編碼的地址碼。適配器根據應急控制指令的地址碼信息來判定是否響應的相應操作，如切換信源和開關等。應急廣播管理平臺可以根據應急預警信息的發布目標區域和事件類型等發布要求，對適配器進行尋址操作，實現應急預警信息的分區、分片精確響應，實現區域廣播覆蓋或組合廣播覆蓋。

3.4 按需切換控制功能

應急廣播適配器能夠根據業務實際需要，在原有廣播音源和應急廣播節目之間進行人工或自動控制切換，也設置了斷電音源直通通道，既保證了既有系統的功能完整性和獨立性，也能夠滿足新系統的業務需求。

3.5 狀態采集和回傳功能

應急廣播適配器能夠采集到適配器現有的狀態數據，以及適配器自身的各種狀態和參數信息，通過臺站監控網，按需向應急廣播系統管理平臺加以回傳反饋，從而使得系統管理平臺能夠隨時獲知切換器的狀態和適配器的工作狀態，進而進行相應的控制操作和設備檢修維護安排。

3.6 遠程維護功能

應急廣播適配器由于斷電或其他原因導致工作異常，但并未造成硬件損壞時，可以通過遠程維護功能進行重啟復位，修復部分軟件錯誤。在需要進行升級時，設備可以通過遠程維護功能進行在線升級。

3.7 短波接收模塊

短波接收模塊的功能是接收短波信號，并解調、解釋指令，將上級來的指令和信息轉換成TS流給應急廣播適配器。短波接收模塊的通信協議標準符合《應急廣播TS流傳輸技術規范》要求。短波接收模塊在收到短波信號并解碼后，將接收到的短報文轉成語音信號，并產生相應的音頻流，以TS流方式送給適配器。

在短波模塊和適配器主電路的通信設計中，為應急廣播傳輸流每套節目的信號都設置一個識別符PID（PackedIdentifier），使用特定的PID傳輸應急廣播消息和指令，包含應急廣播消息的內容和相關參數，該PID對應的節目內容和信息直接進行透傳。當應急廣播適配器監聽到該短波特定PID的內容時，依據應急廣播消息封裝協議進行解析，通過擴音喇叭播出相應的應急廣播消息內容。

4 結 語

基于短波通信的應急廣播，具有通信距離遠和實現成本低等特點。短波正交頻分復用技術在應急廣播上的應用，使得應急廣播無線通信具有較高的頻譜利用率，可滿足高速率數據傳輸要求。在應急廣播適配器中設置短波接收模塊，增加了應急廣播對于無線通信方式的接收能力，對山區和海面等移動信號無法進行通信的區域的應急廣播覆蓋具有重要意義。