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，利用4G無線通信傳輸?shù)男滦蛿?shù)字廣播系統(tǒng)設計。該設計構建了一套廣播收發(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，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。

　　關鍵詞：音頻編解碼;數(shù)據(jù)加密;音頻收發(fā)控制;4G網(wǎng)絡通信

　　0 引 言

　　自新冠肺炎疫情發(fā)生以來，應急廣播對公共突發(fā)事件的宣導和預警作用日益被各級政府認可。目前國內(nèi)的應急廣播系統(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)絡寬帶等有線雙向廣播為主，存在安全性差、設備集成度低、功能單一、建設成本高、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為基礎，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)中心負責人，從現(xiàn)有的廣播系統(tǒng)制約因素入手，設計開發(fā)了一套基于多路音頻編解碼和數(shù)據(jù)加密技術、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 整體設計

　　本設計是基于4G網(wǎng)絡的新型數(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)絡傳輸融合組網(wǎng)技術以及應急廣播系統(tǒng)平臺軟件，實現(xiàn)語音的覆蓋、回傳及設備組網(wǎng)和聯(lián)動。數(shù)字廣播系統(tǒng)的系統(tǒng)架構包括以下四個部分：數(shù)字廣播收發(fā)終端;音頻處理和數(shù)據(jù)加密;4G網(wǎng)絡傳輸;數(shù)字廣播管理平臺軟件、安全認證、流媒體服務和數(shù)據(jù)庫。為提升后續(xù)系統(tǒng)運維的效率，本設計研究了系統(tǒng)運維軟件，可支持參數(shù)修改、日志回傳、升級等設備的遠程管理。本設計遵循標準系統(tǒng)設計規(guī)范和系統(tǒng)運維設計規(guī)范，具體的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　2 硬件架構

　　如圖2所示，本設計采用SI8000作為主控芯片，基于ARM架構的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。本設計內(nèi)置100 W功放芯片，可連接音箱、功放機等設備。

　　3 軟件架構

　　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對應的是重采樣率(單位：Hz);192對應的是比特率(單位：Kbps)，可設置成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計平臺J2EE平臺進行設計開發(fā)，整個網(wǎng)站系統(tǒng)結構完全可以進行自定義配置和管理設備信息，具有良好的靈活性和可擴展性。系統(tǒng)應用服務器采用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、媒體制作播發(fā)、設備管理、系統(tǒng)運維，整個管理系統(tǒng)易操作易維護。

　　4 基于4G網(wǎng)絡的收發(fā)控制

　　4G通道收發(fā)控制單元是本設計的核心功能。4G模組通過USB-Serial連接主板，設備上電后Linux系統(tǒng)會依照配置的驅(qū)動根據(jù)VID/PID，將模組作為RNDIS設備掛載，相關端口會出現(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。設備應用程序檢測到/sys/bus/usb-serial/drivers/option1/出現(xiàn)ttyUSBx設備后，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AT口的ttyUSB，進行后續(xù)AT指令的查詢與設置。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。以上初始化流程結束后設備便正常注冊上4G網(wǎng)絡。

　　收發(fā)終端啟動并注冊到4G網(wǎng)絡后，周期性發(fā)送設備心跳到管理平臺，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。當有語音電話接入，設備的AD采樣芯片按已設置的采用率進行AD轉(zhuǎn)換，生成PCM數(shù)據(jù);當有短信接入，設備的TTS芯片將文字轉(zhuǎn)成語音PCM數(shù)據(jù);當有平臺音頻數(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)絡的多通道接入和多設備的分組、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)級開關電源，支持次級短路保護，具備防護外殼，保證設備的穩(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計，故障時易于更換，核心電路板三防漆處理，設備具有接地端子。

　　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，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形菜單結構，包含設備管理、節(jié)目制作、廣播管理、運維管理等子模塊，設備管理頁面展示設備狀態(tài)、更新時間、當前節(jié)目信號強度以及設備功放的電壓電流值。

　　5.4 相關技術的成功案例

　　目前該系統(tǒng)借助于電信、廣電網(wǎng)絡等運營商云服務平臺，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)結合”的宣傳，應急接入新冠疫情、森林防火、洪災備災等突發(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)設備在線數(shù)量和實時播放任務數(shù)量。

　　6 結 論

　　本設計分析了基于4G網(wǎng)絡傳輸?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，并對以上設計系統(tǒng)進行功能驗證和不同4G信號網(wǎng)絡環(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，可廣泛應用于美麗鄉(xiāng)村、城市建設、交通、學校、景區(qū)等場所。

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　　作者：吳好

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