基于直播衛星傳輸的應急廣播終端實現和應用

章惠來 趙 震 陳龍斌

（作者單位：杭州圖南電子股份有限公司）

1 建設應急廣播終端的背景

新冠肺炎疫情暴發后，我國防疫形勢嚴峻，各地紛紛采用電視、廣播、新媒體以及大喇叭等多種方式宣傳衛生防疫知識與隔離等事項。當前，國內防疫宣傳工作仍不可怠懈，應急廣播和大喇叭系統仍是強有力的抗疫宣傳工具。

我國中西部地區，特別是西南、西北大部分地區，現有廣播電視信號覆蓋資源嚴重不足，無法依賴現有廣播電視資源，建設覆蓋廣泛并傳輸可靠的應急廣播和大喇叭系統。而移動4G網絡雖然可以用于傳輸應急廣播，但存在運行成本高和抗災能力弱的缺陷。直播衛星具有無死角覆蓋和低成本傳輸的特點，在傳輸應急廣播方面更有優勢。

目前，我國有中星6號、中星9號兩套直播衛星覆蓋系統。中星6號使用C波段，采用1 m左右口徑接收天線；中星9號使用Ku波段，采用較小的30～40 cm口徑天線。考慮到便于部署和抗氣象損毀等要求，中星9號直播衛星接收天線更適合應用于應急廣播接收終端。2021年9月9日，中星9B衛星在西昌衛星發射中心成功發射，該衛星主要使用Ku BSS頻段，顯著提高直播衛星傳輸能力[1]。

在地震、洪水和臺風等極端自然災害發生之后的災后救援時期，通信與電力在一定時間內都無法恢復，而救援信息的傳輸又非常重要，這時就可以借助信號覆蓋能力較強的直播衛星來進行傳輸。如果在災前就部署具有后備電源并具有一定抗損毀能力的直播衛星應急廣播接收終端，那么在災后重建工作中可通過音頻廣播和圖文顯示方式傳達各類災后救援與重建的信息。

2 建設應急廣播終端的系統問題和解決方案

2018年10月，國家廣播電視總局發布的應急廣播系統總體技術規范明確了直播衛星是應急廣播傳輸覆蓋手段之一[2]，直播衛星具有低成本和覆蓋可靠的特點，可在中西部地區進行應用，加快應急廣播覆蓋建設。為了更好滿足區域應急廣播的并發播出與平戰結合需求，有效利用有限的直播衛星轉發帶寬和節約傳輸開銷，為省內區域應急廣播研究制定一套規范化的應急廣播通道分配方案至關重要。

由于直播衛星系統日常情況下主要用于衛星廣播電視節目的傳輸覆蓋，帶寬資源比較寶貴，通過直播衛星傳輸應急廣播信號時不能影響到衛星電視傳輸，因此要提高應急廣播傳輸效率，合理利用帶寬資源。

制訂應急廣播數據通道分配方案時，主要考慮音頻數據格式、音頻數據碼率、分組標號（Process Identification，PID）規劃和通道分配這幾個方面。

2.1 音頻數據傳輸格式

音頻數據編碼格式選擇比運動圖像伴音（MPEG-1）和MP3具有更高壓縮效率的高級音頻編碼（Advanced Audio Coding，AAC）。

2.2 音頻數據碼率

ACC在64～128 kbps碼率下音質效果明顯高于MP3，基于直播衛星的應急廣播音頻數據碼率可以選擇64 kbps或128 kbps。

2.3 PID規劃和通道分配

直播衛星屬于中央級應急廣播資源，地方應急廣播平臺需通過國家應急廣播平臺申請使用[3]。

由于直播衛星帶寬資源有限，原則上只能按省份分配通道資源，即為每個省份應急廣播體系統分配一定數量的直播衛星傳輸PID資源，用于傳輸本省內應急廣播數據，規劃的PID資源由省級應急廣播平臺按照播發需求進行分配。

每個省份規劃一個PID用于傳輸省內直播衛星應急廣播消息數據和指令表。全省所有直播衛星應急廣播終端實時過濾接收該PID的指令數據流，根據應急廣播消息指令播放指定PID的應急廣播內容。

音頻數據通道分配方式分為靜態分配和動態分配兩種方式。靜態分配為省內每個區域固定分配一個PID通道，但因為通道數量有限，一般只能一個市（地區）共用一個PID通道，因此不允許一個地區內兩個縣級平臺同時播發應急廣播。

動態分配方式是指省內各區域可以共享使用本省規劃的PID資源，縣級平臺需要通過直播衛星進行應急廣播時，向國家/省級應急廣播平臺上報直播衛星播發通道請求，如果當前有空閑PID資源可以使用，國家/省級平臺就可以分配一個PID通道給縣級平臺，縣級平臺將播出數據上傳到省平臺，國家/省級平臺將數據進行適配后通過專用網絡傳輸到直播衛星地球站，進行上星傳輸。省級平臺將該縣級平臺應急廣播數據所在的頻點信息、PID信息打包到指令數據流中，通過直播衛星指令PID通道下發到直播衛星終端。該縣的直播衛星應急廣播終端通過指令得到應急廣播音頻數據所在的通道信息，并進行播放。

以動態分配方式為例，可以在國家/省級直播衛星廣播電視傳輸臺站/前端，部署直播衛星應急廣播適配器，以實現直播衛星應急廣播傳輸流的封裝和傳輸適配，應急廣播消息經過符合國密算法的簽名，由直播衛星應急廣播適配器封裝為TS流傳輸到衛星電視集成播出平臺機房，國家/省級應急廣播平臺將應急廣播消息發送至直播衛星應急廣播適配器。

應急廣播音頻數據由國家/省級應急廣播平臺生成發送至直播衛星應急廣播適配器，PID通道范圍按規劃配置。直播衛星應急廣播適配器確保所有PID通道的音頻數據穩定輸出，避免引起衛星播出平臺設備告警和報錯，影響衛星電視播出。省級衛星電視傳輸站到衛星播出平臺的應急廣播傳輸采用主、備雙鏈路傳輸。

市、縣級應急廣播平臺需要通過直播衛星鏈路傳輸應急廣播時，應通過平臺接口向國家/省級應急廣播平臺上報播發請求。經國家/省級應急廣播平臺審核或授權通過后，如果當前沒有空閑PID通道，縣級平臺等待分配通道，或者縣級平臺將播出內容上傳到省級平臺，由國家/省級平臺轉換成AAC格式音頻數據，送到直播衛星應急廣播適配器空閑通道，由直播衛星應急廣播適配器將音頻數據適配到指定的PID通道，適配過程為TS流無縫切換，不引起傳輸碼流錯誤。國家/省級平臺通過應急廣播指令通道下發申請播出的縣級區域應急廣播消息后，該區域的直播衛星終端響應并播放縣級平臺上傳的音頻數據。播發結束后縣級平臺上報結束播發請求。國家/省級平臺向直播衛星應急廣播適配器下發結束應急廣播指令，適配器將PID通道空閑出來以供其他區域使用，并將TS流無縫切換為空包數據。

2.4 國家直播衛星應急廣播與省市縣級直播衛星應急廣播優先級處理

直播衛星因其空中鏈路優勢和衛星系統安全性，成為國家應急廣播傳輸覆蓋的重要通道。國家應急廣播平臺可通過直播衛星通道進行應急廣播終端喚醒和省、市、縣各級應急廣播平臺喚醒傳輸通道。

國家直播衛星應急廣播傳輸采用專用PID通道，與各省直播衛星應急廣播傳輸PID通道相互獨立，直播衛星應急廣播終端同時過濾檢測國家應急廣播指令流和省級應急廣播指令流，并遵循國家應急廣播優先的原則。當終端同時接收到國家級應急廣播消息和省級應急廣播消息的情況下，通過識別消息的發布來源，優先響應國家級應急廣播消息。

3 直播衛星應急廣播終端實現方案

根據國家廣播電視總局《應急廣播系統建設技術白皮書（2020版）》要求，各地建設應急廣播系統時應充分考慮當地廣播電視傳輸覆蓋網的現狀，選擇有效傳輸覆蓋手段時，應重點考慮傳送可靠性，選擇互為備份的多種傳輸覆蓋方式[4]。本文以筆者參與設計研發的產品應急廣播多模一體化終端為例，來說明直播衛星應急廣播終端技術的實現。應急廣播多模一體化終端具有多種信號接收模式，實現有線和無線覆蓋互為備份，在實際應用中并不一定限于本文所設計的產品模式。

直播衛星應急廣播終端的技術實現主要從技術架構、安全播出、基本功能、接口、性能和結構幾個方面進行考慮。

3.1 直播衛星應急廣播終端技術架構

應急廣播多模一體化終端由直播衛星接收模塊、主控板、地面數字電視接收模塊、有線數字電視接收模塊、4G接收模塊、調頻（Frequency Modulation，FM）接收模塊和音頻功放模塊組成。

應急廣播消息可以通過直播衛星接收模塊、地面數字電視（DTMB）接收模塊、有線數字電視（DVB-C）接收模塊、FM接收模塊、中波接收模塊和4G通信模塊接收，主控板解析和國密安全驗簽后，驅動音頻功放播出。其中直播衛星應急廣播目前參照《有線數字電視應急廣播技術規范》（GD/J 086-2018），DTMB應急廣播接收采用《地面數字電視應急廣播技術規范》（GD/J 087-2018），DVB-C應急廣播接收采用《有線數字電視應急廣播技術規范》（GD/J 086-2018），FM應急廣播接收采用《模擬調頻應急廣播技術規范》（GD/J 085-2018），中波應急廣播接收采用《中波調幅廣播應急廣播技術規范》（GD/J 084-2018），4G通信模塊接收應急廣播采用《應急廣播大喇叭系統技術規范》（GD/J 089-2018）[2]。本地播出模塊可以通過線路輸入、話筒喊話、播放U盤文件等輸入音源進行廣播。

直播衛星接收模塊由調諧芯片、主控解碼芯片[含先進衛星廣播系統（Advanced Broadcasting System-Satellite，ABS-S）解調與北斗定位]、內存芯片、存儲芯片、外圍接口芯片（USB/RS232/AV）、硬件安全模塊（Hardware security module，HSM）和電源部分組成。

調諧芯片接收經高頻頭下變頻的直播衛星信號，解調出中ABS-S基帶信號后送入主控解碼芯片，進行ABS-S解調和傳送流（Transport stream，TS）解復用處理，取出授權控制信息（Entitlement Control Message，ECM）數據送入HSM進行安全解密，解出條件接收控制字（Control Word，CW），返回給主控解碼芯片，主控解碼芯片用CW解擾字對接收的節目進行解擾，音視頻解碼后，通過音頻接口電路輸出音視頻信號。對于應急廣播指令數據，直播衛星主控芯片中的專用軟件會過濾出指定的PID數據，通過串行接口電路輸出、送給設備的主控板進行應急廣播消息解碼。主控板接收到應急廣播指令并通過國密安全芯片驗簽后，根據指令內容，通過串行接口向直播衛星接收模塊發送播放指令，控制直播衛星模塊播放指定PID與業務標識（service_id）的應急廣播音頻數據，并通過音視頻接口輸出音頻，由主控板控制音頻功放進行播放。

3.2 安全播出要求

應急廣播多模一體化終端可以被包括直播衛星信號的多種應急廣播信號喚醒播出音頻內容，部署于公共場所，屬于主動式應急廣播發布終端[4]，信息播出影響較大，有著嚴格的安全播出要求。

應急廣播系統采用數字簽名和數字證書技術實現應急廣播消息和傳輸覆蓋指令的真實性、合法性和完整性保護。數字簽名采用國產密碼算法SM2和SM3，并遵循《應急廣播安全保護技術規范 數字簽名》（GDJ 081-2018）[2]。

應急廣播數字簽名安全保護的基本原理是：發布平臺對應急廣播消息數據使用SM3算法計算摘要數據，然后使用一個時間戳與摘要數據結合，再用平臺證書私鑰通過SM2算法計算簽名數據，最后將應急廣播消息原文和時間戳、簽名證書號、簽名數據一并發送給接收終端。接收終端接收到應急廣播數據后，首先驗證簽名證書號是否被信任，然后使用簽名證書的公鑰通過SM2算法進行驗證，如果驗證通過，則響應應急廣播消息和指令進行播出，否則不作出響應。信任證書列表需要在系統安裝部署時進行授權配置。

由于我國中星9號直播衛星接收解碼需使用DCAS解密[5]，直播衛星接收解碼芯片解決方案中都配套了HSM，也使用國密SM2算法，因此應急廣播接收的數字驗簽也可以使用HSM，其算法和技術規范符合《應急廣播安全保護技術規范 數字簽名》（GD/J 081-2018）就可以。根據不同芯片解決方案提供商的方案特點和軟件中間件實現方式，需要對軟件中間件進行適當修改，提供應急廣播數字簽名驗簽接口，并需要通過應急廣播行業技術測試機構的測驗。

3.3 基本功能

3.3.1 信號接收和解碼

具有ABS-S直播衛星信號接收功能，內置解調解擾模塊，能夠解析出應急廣播指令和數據。

支持有線數字電視（DVB-C）、地面數字電視（DTMB）、IP、調頻副載波和中波應急廣播的接收，同時支持應急廣播平臺和大喇叭系統發布的控制指令信號和廣播信息接收，能夠實現應急廣播的功能。

并且具有4G移動通信接收能力，內置4G模塊，支持時分雙工4G長期演進系統和頻分雙工4G長期演進系統全網通；具有將設備的工作狀態和參數信息，按照規范向應急廣播平臺進行回傳反饋功能；具有移動信號接收功能，支持各大移動通信運營商。

3.3.2 業務安全功能

支持可下載條件接收系統，支持直播衛星接收機標準開戶流程，內置HSM。

內置應急廣播安全模塊，支持國密數字簽名算法，具有應急廣播消息驗簽功能，支持應急廣播證書信任列表授權功能，符合《應急廣播安全保護技術規范 數字簽名》（GD/J 081-2018）。

3.3.3 遵循技術規范

符合《應急廣播大喇叭系統技術規范》（GD/J 089-2018），中波應急廣播接收符合《中波調幅廣播應急廣播技術規范》（GD/J 084-2018），調頻應急廣播接收符合《模擬調頻應急廣播技術規范》（GD/J 085-2018），有線數字電視應急廣播接收符合《有線數字電視應急廣播技術規范》（GD/J 086-2018）。

3.3.4 使用和操作

可通過前面板液晶屏及按鍵，對設備基本參數進行配置，包括對IP地址與信號強度等進行設置或查看，對本設備的參數與資源編碼進行遠程配置。

為實現應急廣播音頻廣播播放，應急廣播多模一體化終端內置音頻功放模塊，功放音頻輸出功率為100 W，可連接4個25 W號筒式高音喇叭。

為方便村級用戶進行村務廣播，應急廣播多模一體化終端具備話筒輸入、線路輸入和U盤接口，可通過本機進行本地直接廣播。另外，還具有音頻監聽功能，內置監聽揚聲器，可調節監聽音量，具有本地廣播內容的錄音存儲功能，并可通過4G網絡上傳到管理平臺，以便進行安全播出管理和播出內容回溯。

3.4 接口

3.4.1 信號接收接口

具備一路ABS-S直播衛星信號輸入，接口采用F型銅軸電纜接口。具備一路DTMB（DVB-C）或獨立輸入接口，采用F型銅軸電纜接口。一路FM輸入接口，使用公制F型銅軸電纜接口。一路AM輸入接口，采用平衡電纜接口。

3.4.2 音頻輸入接口

有兩路線路音頻輸入用于輸入外部音頻，采用蓮花插座（RCA）接口。具有一路話筒輸入，采用6.35 mm的單環三觸點（TRS）接口。

3.4.3 音頻輸出接口

具有一路線路音頻輸出，接口采用RCA母座。功率音頻輸出采用定壓輸出方式，以適應較長距離音頻饋送，功率100 W。

3.4.4 其他接口

具有一路USB接口，用于接入U盤播放音頻文件，接口采用USB A型插座。具有一路百兆RJ45網絡接口。220 V交流受控電源輸出，額定電流10 A，用于更大功率的音頻功放。

3.5 性能指標

（1）工作電壓范圍：交流電源100～245 V。

（2）信噪比：≥70 dB。

（3）頻響：40 Hz～15 kHz （±3 dB）。

（4）諧波失真：≤0.3%。

（5）音頻輸出電壓：0.775±10% V（r.m.s）。

（6）音頻輸出接口阻抗：＜100 Ω。

（7）音頻輸入接口阻抗：＞10 kΩ。

（8）ABS-S輸入頻率范圍：950～2150 MHz

（9）調頻接收頻率范圍：87～108 MHz。

（10）中波接收頻率范圍：525～1607 kHz。

（11）有線數字電視輸入頻率范圍：72～860 MHz。

（12）地面數字電視輸入頻率范圍：470～860 MHz。

（13）高頻頭：工作頻段11 700～12 200 MHz，輸出頻率950～1450 MHz。

（14）北斗定位信號接收范圍：1 561.098 MHz（B1），1 589.742 MHz（B1-2），1 207.14 MHz（B2），1 268.52 MHz（B3）。

3.6 結構

本文描述的應急廣播多模一體化終端，主要適用于室內應用場景，可連接4個25 W高音喇叭，可連接話筒直接喊話或連接U盤播放音頻文件。結構上適合采用機架式或桌面式結構，符合廣播電視設備耐用性要求。配套直播衛星接收天線需支持地盤式安裝，采用優質鋼板，厚度不低于0.55 mm，支持俯仰調節和水平調節。

對于戶外應用應急廣播終端，結構上需要采用防雨防塵抗損設計，直播衛星天線不易直接安裝在地面上，可通過角架固定在立桿上或固定在平臺型屋面上，并通過螺栓固定接收天線支架。

4 結語

據業內消息，內蒙古自治區近年已經開始了基于直播衛星傳輸突發事件預警信息發布系統建設試點，取得了良好的效果。同時，國家廣播電視總局積極推動直播衛星在應急廣播系統中的應用，其與云南省廣播電視局開展的戰略合作中把推動構建可靠便捷的直播衛星應急廣播信息傳輸系統、探索“直播衛星+”發展路徑[6]，作為重要的工作內容。筆者相信直播衛星會在應急廣播系統中發揮越來越重要的作用。