CN103546222B - 一种紧急广播信令的发送及接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧急广播信令的发送及接收方法，发送方法为：需要发送紧急广播信令时，在正常的广播节目音频信号中插播紧急广播信令，播放时长为经过信令时长，然后播放正常的广播节目音频信号。接收方法为：收音机模块按照中波、短波或者调频解调方式解调出包含紧急广播信令的混合音频信号，传送给接收装置；接收装置从紧急广播信令中解调出相应的紧急广播指令，根据紧急广播指令控制功放及扬声器模块和收音机模块。本发明在模拟音频基带信号中插入紧急广播信令，可以广泛适用于中波、短波、调频广播等；具有较强的抗噪声能力和很低的接收误码率，极大地提高了运算效率。

Description

一种紧急广播信令的发送及接收方法

技术领域

本发明涉及广播通讯技术领域，特别是涉及一种紧急广播信令的发送及接收方法。

背景技术

“紧急广播”，是指在面临突发公共事件时，利用广播电视系统向公众通告紧急事件的信息。基于广播电视系统向社会公众传播紧急信息是进行快速广泛预警、及时通报灾情、协助防灾救灾的有效手段。目前，我国已建成了世界上覆盖人口最多，中央与地方相结合，有线、无线、卫星、互联网等多种手段并用，传统媒体和新兴媒体共同发展，覆盖全国、遍布城乡、通达千家万户的广播电视网。在我国现有的广播电视系统中，只有移动多媒体广播（CMMB，China Mobile Multimedia Broadcasting）系统实现了播发紧急广播消息的功能。目前我国广播电视行业正在开展紧急广播系统的研究，拟通过各种类型的广播电视传输覆盖系统实现紧急广播消息的发送。

要想构造省级乃至全国的紧急广播网，紧急广播信令的内容一般包含紧急广播标识域、紧急广播消息ID、发送流程类型、事件类型、事件级别、编码字符集、发送时间和持续时间等诸多内容以及数字签名的内容，这些内容一般有1千多比特的数据量。

双音多频（DTMF，Dual Tone Multi Frequency）信号由高频群和低频群组成，高低频群各包含4个频率；一个高频信号和一个低频信号叠加组成一个组合信号，代表一个数字；DTMF信号有16个编码。根据DTMF标准，每个组合信号的持续时间至少65ms以上，一秒钟最多能发送15个符号，相当于60比特的信息。采用DTMF作为紧急广播信令的调制方式，传输速率是远远不能达到要求的。

也有采用调频（FM）广播的附加信道（RDS，Radio Data System）或者SCA（Subsidiary Communications Authorization）来进行紧急广播信令的传输，这两种方法的不足之处是要占用附加信道，增加发射设备；而且只能通过调频广播方式，不适用于中波和短波广播。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种紧急广播信令的发送及接收方法，用以解决现有技术存在的的问题。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种紧急广播信令的发送方法，包括：

需要发送紧急广播信令时，在正常的广播节目音频信号中插播紧急广播信令，播放时长为经过信令时长，然后播放正常的广播节目音频信号。

进一步，所述紧急广播信令包括第一导频、第二导频、MSK调制信号和1/5幅度的第二导频。

进一步，所述第一导频频率为f1，幅度A伏，时长m1周；所述第二导频频率为f_c，幅度A伏，时长m1周；所述MSK调制信号的中心频率为f_c，频偏为±f2，幅度为A伏；所述1/5幅度第二导频频率为f_c，幅度为1/5A，时长为m2周。

进一步，所述MSK调制信号的数据由数据编码获得，数据编码包含以下步骤：

二进制指令信息先进行前向纠错FEC编码；

编码后的数据再进行交织运算；

交织后的数据封装成帧；其中，每帧包括PN序列的帧头、交织后的数据和帧尾三部分。

进一步，信令时长为0.7秒；f1=2.66667KHz，f_c=2KHz，f2=1KHz，A=1个归一化单位值，m1=32，m2=8；FEC编码为卷积编码、LDPC编码、BCH编码或RS编码。

另一方面，本发明还提供一种紧急广播信令的接收方法，包括：

收音机模块按照中波、短波或者调频解调方式解调出包含紧急广播信令的混合音频信号，传送给接收装置；

接收装置从紧急广播信令中解调出相应的紧急广播指令，根据紧急广播指令控制功放及扬声器模块和收音机模块。

进一步，接收装置从紧急广播信令中解调出相应的指令信息，具体包括：

对混合音频信号进行模数转换后，通过第一带通滤波器进行滤波；

导频识别模块进行导频识别；

在导频识别模块完成导频识别之后，信号处理模块进行信号处理，获得紧急广播指令信息。

进一步，导频识别具体包括：

导频识别模块采取m抽1的方式进行采样；

第二带通滤波器进行滤波，其中，第二带通滤波器的中心频率取在第一导频和第二导频的中间位置；

进行第一导频的识别，判断是否找到连续20周的第一导频，如果是，则判定为第一导频识别成功，如果否，则继续进行第一导频的识别；

识别到第一导频之后立即进行第二导频的识别，判断在T1时间内是否找到连续20周的第二导频，如果是，则判定为第二导频识别成功，如果否则进行第一导频的识别；其中，T1为12周第一导频时间加32周第二导频时间；

第一、二导频都识别成功之后，则导频识别完成。

进一步，信号处理模块进行信号处理，包括：

进行MSK解调；

进行PN序列的搜寻，判断在T2时间内是否搜寻到PN序列，如果否，则进行导频识别；如果是，则进行位同步校正，T2为12周第二导频时间加上64比特信息位的时间；

位同步校正后，采集帧内数据，获得的数据进行去交织运算和FEC解码运算，还原出由发送端最初发送的二进制指令信息；再由二进制指令信息产生相关指令动作。

进一步，MSK解调具体包括：

经过第一带通滤波器滤波后的数据流分别与cos(w_cn)和-sin(w_cn)相乘；

再分别经过第一低通滤波器、第二低通滤波器滤波之后，进行1比特差分解调运算，解调出相应的数据；所述第一低通滤波器和第二低通滤波器的参数相同。

本发明有益效果如下：

本发明方案是在模拟音频基带信号中插入紧急广播信令，可以广泛适用于中波、短波、调频广播，或者其他将音频信号数字化传输再还原成模拟音频信号的任何传输方式；同时由于采用了交织、去交织技术和FEC（前向纠错）编解码技术，本发明技术方案具有较强的抗噪声能力和很低的接收误码率，满足紧急广播高可靠接收信令的要求；采用双导频技术，使得接收装置能采用快速的算法从音频信号中识别出紧急广播信令并进行处理，极大地提高了运算效率。

附图说明

图1是本发明实施例中一种紧急广播信令的发送方法的发送原理图；

图2是本发明实施例中紧急广播信令的结构示意图；

图3是本发明实施例中MSK调制信号的数据编码流程图；

图4是本发明实施例中一种紧急广播信令的接收方法的接收原理图；

图5是本发明实施例中接收装置解调紧急广播信令的流程图；

图6是图5中导频识别的流程图；

图7是图5中信号处理的流程图；

图8是图7中MSK解调的流程图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

为了尽可能的兼容各种播放方式，只有从最基本的音频基带信号考虑，在其中尽可能短时间的插入紧急广播信令，才能广泛应用于各种广播电视网。为使紧急广播信令的载入不影响原有广播信号的传输流程，需将紧急广播信令调制到广播电台可支持发送的音频范围内，使紧急广播信令作为输入音频信号的一部分发送到各种广播调制设备中在空中传输。各类传输设备所支持的输入音频范围为，中波：[60Hz,4.5kHz]，短波：[60Hz,5kHz]，调频：[30Hz,15kHz]，电视发射机：[30Hz，15kHz]，有线数字电视：[31.5Hz，20kHz]。因此紧急广播信令可选的带宽范围为[60Hz,4.5kHz]。可发送的音频范围有限，在有限的频谱资源范围内发送信息，应尽量选取频谱效率高的调制解调方式。

因为是利用现有的广播系统插入紧急广播信令，为了不影响正常的播音，信令时长不宜太长，最好不大于0.7秒，每个信令大约包含1200比特左右的有效信息。

由于广播覆盖范围大，接收环境复杂，接收效果好坏不一，在语音可懂的条件下，接收机必须可靠地解析出紧急广播信令。另外，为了能大面积推广，接收机在可靠接收的前提下，成本越低越好，所以解调运算量也需考虑。

如图1所示，本发明实施例涉及一种紧急广播信令的发送方法，包括：

需要发送紧急广播信令时，在正常的广播节目音频信号中插播紧急广播信令，播放时长为经过信令时长，然后播放正常的广播节目音频信号。

具体的，正常情况下，二选一切换设备选通正常的广播节目音频信号1，输出给调制和发射设备，以中波、短波或者调频广播的方式发射出去。用户在异地就可以用普通收音机（接收设备）接收到节目。当需要发送紧急广播信令时，通过二选一切换设备切换到紧急广播信令2，输出给调制及发射设备，经过T0时长之后再切换回正常的广播节目音频信号1。T0为信令时长，为0.7秒，当然，本实施例中的0.7秒，并非是绝对数据，是指在误差范围内，或者在可以接受范围内的数据。至于误差范围或可接受范围，则可以根据试验确定。图1中，发送装置主要由DSP处理器和DA（数模转换）芯片构成。

紧急广播信令包括第一导频、第二导频、MSK调制信号、和1/5幅度的第二导频，结构如图2所示。

第一导频：频率f1，幅度A伏，时长m1周。第二导频：频率f_c，幅度A伏，时长m1周，MSK调制信号的中心频率为f_c，频偏为±f2，幅度为A伏。1/5幅度第二导频频率为f_c，幅度为1/5A，时长为m2周。各个部分之间拼接保持波形和相位连续。本示例中，f1=2.66667KHz，f_c=2KHz，f2=1KHz，A=1个归一化单位值，m1=32，m2=8。

图3是MSK调制信号的数据编码流程图。在进行所述MSK信号调制之前，先进行数据编码，用编码之后的数据再进行MSK信号调制。数据编码包含以下步骤：二进制指令信息先进行FEC（前向纠错）编码。FEC编码可以是卷积编码、LDPC编码、BCH编码、RS编码等之一，本实例用的是卷积编码；码率在1/2到3/4之间。编码之后的数据再进行交织运算，交织之后的数据封装成帧，由三部分数据构成一帧：64比特PN序列作为帧头，加上交织之后的数据，再加上r比特的0或1作为帧尾（r一般取1或2）。

MSK是FSK（频移键控）信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式，也可以看成一种特殊的CPFSK（连续相位频移键控）信号，“最小”是指这种调制方式能以最小调制指数（0.5）获得正交信号；MSK有时称为快速频移键控（FFSK），“快速”是指在给定相同的频带内，MSK比2PSK数据传输速率更高，且在带外的频谱分量比2PSK衰落更快。MSK调制方式具有抗干扰能力强、包络恒定、相位连续、频带利用率高、带外辐射小等优点，比较适合在窄带信道中传输，已被广泛应用于现代通信中。本发明采用MSK作为调制解调方式来传输紧急广播信令。

MSK虽然有较强的抗干扰能力，经过实际实验，依然不能满足需求，因此在本发明中引入了FEC编码技术和交织技术。经过仿真和实际开环发射、接收实验，在信噪比为10db左右时，接收误帧率小于10^-4，误比特率小于10^-6。达到了在语音可懂的条件下，接收机可靠地解析出紧急广播信令的要求。

如图4所示，本发明实施例还涉及一种紧急广播信令的接收方法，包括：

收音机模块按照中波、短波或者调频解调方式解调出包含紧急广播信令的混合音频信号，传送给接收装置。

接收装置从紧急广播信令中解调出相应的指令信息，根据该指令信息控制功放及扬声器模块和收音机模块。

本步骤中，接收装置先进行AD变换（模数变换），转换为数字信号，然后让DSP进行数字信号处理。接收装置包括AD转换模块和接收DSP处理器。

图5是接收装置解调的总体数据流程。对混合音频信号进行模数转换后，通过带通滤波器1进行滤波，初步滤除一部分带外噪声，然后进行导频识别。滤波后的数据也同时是信号处理模块的输入，信号处理模块的启动由导频识别模块成功完成导频识别之后触发；即：只有在导频识别模块成功完成导频识别之后，信号处理模块才进行信号处理。信号处理模块完成处理，获得紧急广播指令信息后，根据紧急广播信令驱动相应的指令动作。

图6是图5中导频识别的处理流程示意图。导频识别模块采取m抽1的方式（m是1到10之间的某个整数）进行采样，以降低数据量。因为AD采样相对于模拟音频带宽来说已经是过采样，所以这里的抽取无需做积分梳状（CIC）滤波和半带滤波，也不会产生频率混叠。带通滤波器2的中心频率取在两个导频的中间位置，两个导频落在通带之内，窄带通滤波的目的是提高抗噪声的能力。带通滤波器2之后进行第一导频的识别，如果能找到连续20周的第一导频，则判定为第一导频识别成功，否则一直搜寻。识别到第一导频之后立即进行第二导频的识别，如果在规定时间T1内能找到连续20周的第二导频，则判定为第二导频识别成功，否则返回第一导频的识别。第一、二导频都识别成功之后，转到信号处理模块。其中，T1为12周第一导频时间加32周第二导频时间。

在信号处理之前采用双导频识别的目的是降低实时数据处理的运算量。导频技术的运用是为了提高搜索紧急广播信令的运算效率以及信令与广播节目音频信号之间过渡的保护作用。如果只采用单导频技术，经过实验，在适当长度的导频情况下（因为总体信令不超过0.7秒的限制，导频要在能识别的情况下，尽可能的短），会有大量的广播节目音频信号满足识别条件而被误判为导频，进而启动MSK的解调和PN序列的判决，因做大量的无用功而不能很好的提高运算效率。如果采用适当长度的双导频，能满足识别条件的广播节目音频信号就会大大减少，通过减少误判，从而提高运算效率。设计上的考虑是让导频识别适当放宽要求，宁可误判也不漏判，而PN序列的判决相对严格些，使其不误判，这样就能高效无误的判决、解析出每个紧急广播信令。

图7是图5中信号处理模块的处理流程图，先进行MSK解调（MSK解调的进一步解释由图8给出），然后进行PN序列的搜寻，如果在规定时间T2内不能搜寻到PN序列，则返回导频识别模块，从第一导频开始再次识别；反之，进行位同步校正，校正的目的是进一步提高抗噪声能力。位同步校正之后，采集帧内数据，获得的数据进行去交织运算，与编码相应的FEC解码运算，还原出由发端最初发送的二进制指令信息；再由二进制指令信息产生相关指令动作。其中，T2为12周第二导频时间加上64比特信息位的时间。

图8是图7中MSK解调的流程图。经过带通滤波器1之后的数据流分别与cos(w_cn)和-sin(w_cn)相乘，再经过低通滤波器1和低通滤波器2滤波之后，进行1比特差分解调运算，解调出相应的数据，供后续处理。低通滤波器1和低通滤波器2的参数一样。w_c=2πf_c/f_s，f_c为前述的第二导频频率,f_s为数字信号采样频率，n为序号。

本发明方案是在模拟音频基带信号中插入紧急广播信令，可以广泛适用于中波、短波、调频广播，或者其他将音频信号数字化传输再还原成模拟音频信号的任何传输方式；同时由于采用了交织、去交织技术和FEC（前向纠错）编解码技术，本发明技术方案具有较强的抗噪声能力和很低的接收误码率，满足紧急广播高可靠接收信令的要求；采用双导频技术，使得接收装置能采用快速的算法从音频信号中识别出紧急广播信令并进行处理，极大地提高了运算效率。

本发明的一个具体应用实例为：

例如，A省东部地区有台风，需要紧急广播预警；省中心站则将利用频率为B的信道广播A省紧急广播的信息（还包含有其它信息，不再一一详述）转换为紧急广播信令，插播在其他的正常播放的广播节目音频信号中，插播时长为一个紧急广播信令的时长，约0.7秒。假设正常播放的广播节目音频信号在频率为C的信道上进行广播。紧急广播信令插播之后，也可以在紧急广播信令插播之前，可以利用频率为B的信道进行紧急广播。

A省接收终端在频率为C的信道上接收到该信令后，进行模数转换、滤波、导频识别和信号处理后，解调出紧急广播信令，通过地址匹配，A省东部地区的接收终端做出响应，将目前的频率为C的信道切换为频率为B的信道；这时，接收终端就可以接收在频率为B的信道上广播的紧急广播内容了。其余地区的接收终端则不做响应。紧急广播播完之后，省中心站再发出一个关闭紧急广播的信令，相应地区的接收终端接收到关闭指令之后，恢复到紧急广播之前的正常播音状态或静默状态。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (2)

1.一种紧急广播信令的发送方法，其特征在于，包括：

需要发送紧急广播信令时，在正常的广播节目音频信号中插播紧急广播信令，播放时长为经过信令时长，然后播放正常的广播节目音频信号，所述信令时长为0.7秒；

所述紧急广播信令包括第一导频、第二导频、MSK调制信号和1/5幅度的第二导频；

所述第一导频频率为2.66667KHz，幅度A伏，时长32周；所述第二导频频率为2KHz，幅度A伏，时长32周；所述MSK调制信号的中心频率为2KHz，频偏为±1KHz，幅度为A伏；所述1/5幅度第二导频频率为2KHz，幅度为1/5A，时长为8周；所述A＝1个归一化单位值；

所述MSK调制信号的数据由数据编码获得，数据编码包含以下步骤：

二进制指令信息先进行前向纠错FEC编码；

编码后的数据再进行交织运算；

交织后的数据封装成帧；其中，每帧包括PN序列的帧头、交织后的数据和帧尾三部分；

FEC编码为卷积编码、LDPC编码、BCH编码或RS编码之一。

2.一种紧急广播信令的接收方法，其特征在于，包括：

收音机模块按照中波、短波或者调频解调方式解调出包含紧急广播信令的混合音频信号，传送给接收装置；

接收装置从紧急广播信令中解调出相应的紧急广播指令，根据紧急广播指令控制功放及扬声器模块和收音机模块；

接收装置从紧急广播信令中解调出相应的指令信息，具体包括：

对混合音频信号进行模数转换后，通过第一带通滤波器进行滤波；

导频识别模块进行导频识别；

在导频识别模块完成导频识别之后，信号处理模块进行信号处理，获得紧急广播指令信息；

导频识别具体包括：

导频识别模块采取m抽1的方式进行采样；

第二带通滤波器进行滤波，其中，第二带通滤波器的中心频率取在第一导频和第二导频的中间位置；

进行第一导频的识别，判断是否找到连续20周的第一导频，如果是，则判定为第一导频识别成功，如果否，则继续进行第一导频的识别；

识别到第一导频之后立即进行第二导频的识别，判断在T1时间内是否找到连续20周的第二导频，如果是，则判定为第二导频识别成功，如果否则进行第一导频的识别；其中，T1为12周第一导频时间加32周第二导频时间；

第一、二导频都识别成功之后，则导频识别完成；

信号处理模块进行信号处理，包括：

进行MSK解调；

进行PN序列的搜寻，判断在T2时间内是否搜寻到PN序列，如果否，则进行导频识别；如果是，则进行位同步校正，T2为12周第二导频时间加上64比特信息位的时间；

位同步校正后，采集帧内数据，获得的数据进行去交织运算和FEC解码运算，还原出由发送端最初发送的二进制指令信息；再由二进制指令信息产生相关指令动作；

MSK解调具体包括：

经过第一带通滤波器滤波后的数据流分别与cos(w_cn)和-sin(w_cn)相乘；其中，w_c＝2πf_c/f_s，f_c为MSK调制信号的中心频率，f_s为数字信号采样频率，n为序号；

再分别经过第一低通滤波器、第二低通滤波器滤波之后，进行1比特差分解调运算，解调出相应的数据；所述第一低通滤波器和第二低通滤波器的参数相同。