摘   要： 基于數(shù)字音頻技術、計算機網(wǎng)絡技術和多媒體技術設計實現(xiàn)了廣播電臺自動化播出系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)架構和各模塊功能。
關鍵詞： 數(shù)字音頻技術  多媒體技術  自動化播出系統(tǒng)  音頻節(jié)目數(shù)據(jù)庫

　　本研究在吸收國內外系統(tǒng)先進性的基礎上，結合我國廣播電臺業(yè)務流程及特點，開發(fā)了播出站數(shù)據(jù)庫多指向及網(wǎng)絡狀態(tài)智能判斷等多項技術，設計完成了用于廣播電臺的自動化播出系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實現(xiàn)節(jié)目錄制、編輯、播出和音頻節(jié)目管理、系統(tǒng)管理的數(shù)字化及自動化，在實際應用中取得了比較好的效果。
1  自動化播出系統(tǒng)的關鍵技術
　　廣播電臺自動化播出系統(tǒng)是電臺的數(shù)字化、自動化綜合業(yè)務系統(tǒng)。它以音頻節(jié)目的制作、播出和媒體管理為主線，基于信息技術和人性化、科學化管理理念實現(xiàn)廣播電臺節(jié)目制作、播出和媒體管理的自動化、數(shù)字化。其關鍵實現(xiàn)技術包括數(shù)字音頻編碼技術、計算機網(wǎng)絡技術、多媒體技術和DSP處理技術等。
1.1 多媒體通信技術
　　隨著科技進步和社會的發(fā)展，裝載和傳輸信息的媒體越來越多，人們希望使用多種表示媒體，通過多種傳輸媒體進行各項工作，并實現(xiàn)多種表示媒體的新的通信模式。
　　根據(jù)國際電聯(lián)（ITU-T）的定義，媒體指的是以下5種：感覺媒體（Perception medium）、表示媒體（Representation medium)、顯示媒體(Presentation medium)、存儲媒體(Storage medium)、傳輸媒體（Transmission medium）。
　　利用多種媒體進行通信的系統(tǒng)稱為多媒體通信系統(tǒng)。它具有3個基本特征：(1)集成性：指的是多媒體通信系統(tǒng)能夠處理、存儲多種表示媒體，并能顯示多種顯示媒體。所以，該通信系統(tǒng)有多種編/解碼器和顯示方式、能與多種傳輸媒體進行接口并進行通信。(2)交互性：指的是終端與系統(tǒng)的交互通信能力。多媒體通信終端的用戶對通信的全過程有完備的交互控制能力。這是區(qū)別多媒體通信系統(tǒng)與非多媒體通信系統(tǒng)的一個重要準則。(3)同步性：指的是在多媒體通信終端上顯現(xiàn)的圖像、聲音和文字是以同步的方式工作。
1.2 數(shù)字音頻壓縮編碼技術
1.2.1 數(shù)字音頻壓縮編碼的必要性
　　數(shù)碼錄音機（DAT）或CD具有清晰、優(yōu)美的音質，這是任何模擬音頻技術無法比擬的。有時用戶希望能方便地記錄/重放或接收具有CD音質的數(shù)字音頻信號。然而，將模擬音頻信號進行A/D轉換后，獲得的數(shù)字音頻信號要占有極寬的且恒定的頻帶寬度，例如DAT磁帶，當取樣頻率為48kHz，量化級數(shù)為16位時，立體聲的數(shù)據(jù)傳輸率為：48kHz×16b×2＝1.536Mbps，即帶寬恒定為1.536Mbps。傳輸或存儲如此巨大的信息量相當困難。
　　根據(jù)香農（Shannon）定理：如果所使用信號的平均信息量比傳輸信道的容量小，則必然存在正確地傳輸信號的編碼方法。此定理表明，為了有效地使用傳輸信道和高效率地傳輸/記錄信號，就必須知道信號的信息量和記錄/傳輸信道的容量，確定出最佳的編碼方法。由上面的計算可以知道，數(shù)字音頻信號的信息量為采樣頻率與量化比特數(shù)的乘積，且是恒定值。研究表明，數(shù)字音頻信號本身具有很大的冗余度，可以進行壓縮編碼。不同的傳輸速率對主觀聽覺的影響如表1 所示。

　　設取樣頻率為48kHz，量化級數(shù)為16b，對數(shù)字音頻信號進行6:1壓縮，則1小時立體聲節(jié)目所需存儲空間為：48k×（16÷8）×2×3600÷6≈0.11GB。即1小時立體聲節(jié)目需要大約0.11GB的存儲空間，這時傳輸碼率為256Kbps。這樣，采用音頻壓縮技術不僅大大節(jié)省了存儲空間和傳輸帶寬，而且節(jié)目的主觀音質達到CD質量。
　　數(shù)字音頻格式是指一個用來表示聲音強弱的數(shù)據(jù)序列，由模擬聲音經(jīng)抽樣、量化和編碼后得到。目前常用的專業(yè)音頻壓縮編碼格式有：用于MD的ATRAC、用于DCC的PASC以及符合ISO/MPEG標準的MUSICAM、ASPEC、APT-X和Dobly-AC等。其中，由于MPEG-1 Layer 2(MUSICAM)聲音壓縮格式易于編輯、剪切，所以在國內外廣播電臺廣泛應用。
1.2.2 MPEG-1 Layer2壓縮編碼算法
　　MPEG-1 Layer2編碼是由Eureka-l47計劃研究開發(fā)的，該編碼以其高質量和高效率廣泛應用于數(shù)字音頻節(jié)目的存儲、制作和數(shù)字化廣播中。為了方便電臺間的節(jié)目交流，在本系統(tǒng)中采用MUSICAM編碼格式，音頻文件后綴通常為S48(stereo、48kHz)。
　　MUSICAM編碼是子帶壓縮技術中的典型代表。子帶編碼理論最早由Crochiere等于1976年提出，又稱為感知型（Perceptual）壓縮編碼。由于人耳對不同的頻段范圍的聲音敏感程度不一樣，在20Hz～20kHz范圍內，人耳對中頻段信號較敏感，對二端的低頻和高頻段信號較不敏感。因此，MUSICAM就是利用人耳的聽覺特性，采用分頻段量化的算法，把音頻信號分割成32個子頻段，在編碼時根據(jù)各子帶的不同量化階數(shù)，采用了動態(tài)比特分配技術。采用正交鏡像濾波器(Quadrature Mirror Filter，QMF)或多相濾波器(Polyphase Filter Bank）進行頻段分割。在利用人耳的掩蔽效應時，只對掩蔽門限以上的音頻信號進行編碼傳輸，避免了對大多數(shù)人耳感覺不到的、在掩蔽門限以下的音頻信號進行編碼，使傳輸速率大大減少。這樣在整個傳輸速率固定的情況下聲音質量大幅提高。在本系統(tǒng)中，采用MPEG-1 Layer2進行6:1壓縮，數(shù)字傳輸率為256Kbps。MUSICAM編碼原理框圖如圖1所示。

1.3 PCX專業(yè)音頻卡
1.3.1 數(shù)字信號處理器
　　數(shù)字信號處理器(DSP)可以對音頻信號進行實時線性處理或壓縮處理，是音頻處理卡的核心部件。它將輸入的模擬信號做A/D轉換后進行處理，再按預先定義的方式輸出，其主要部分是數(shù)字濾波器(Digital Filter)。數(shù)字濾波器把數(shù)字位流按預定方式進行變換。任何一種音頻處理功能都可以在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中用數(shù)字濾波器實現(xiàn)，如利用數(shù)字濾波器可以任意改變聲音的幅度、頻率和時間范圍等特性。

　　DSP以其設計所允許的速度運行，而數(shù)字音頻信號則要求以音頻采樣速度來處理，二者之間的協(xié)調由中斷來完成。中斷是引起程序改變執(zhí)行順序的硬件信號，由處理器時鐘產(chǎn)生。處理器在執(zhí)行2條指令之間檢測是否有中斷信號。當檢測到有中斷信號時，處理器掛起正常執(zhí)行的程序，轉而執(zhí)行子例程（Subroutine）。執(zhí)行完子例程后，繼續(xù)運行原來的程序。在數(shù)字信號處理程序中，正常執(zhí)行的程序是一個空轉程序，即它不處理任何信息。有關音頻采樣的計算在子例程中進行。主采樣時鐘用于在采樣輸入后向數(shù)字信號處理器發(fā)出中斷。子例程在空轉間隙以采樣速度執(zhí)行基本時序。實際上這種情況僅在子例程的執(zhí)行時間少于采樣間隔時才成立，否則系統(tǒng)將崩潰。要解決這個問題需要編寫更加精巧的子例程，或者使用處理能力更強的芯片。
1.3.2 PCX專業(yè)音頻卡
　　專業(yè)音頻處理卡常用的DSP芯片有TMS320C31、APT-X100及Motorola-5600系列。法國Digigram公司生產(chǎn)的PCX專業(yè)音頻處理卡系列在國內廣播電臺已廣泛使用，它采用Motorola-5600系列DSP芯片。PCX卡的各項音頻性能指標優(yōu)于我國的甲級廣播標準，具有AES/EBU數(shù)字音頻和模擬音頻的輸入/輸出接口及MIDI接口，最大輸入/輸出電平為22dBv；采樣頻率為8k、11.025k、16k、22.05k、24k、32k、44.1k、48kHz；可以進行4:1～24:1的碼率壓縮處理，并支持MPEG標準，也可進行線性錄音、放音；可在Windows98、WindowsXP和Windows2000提供的環(huán)境中工作。
2  構建自動化播出系統(tǒng)
　　PCX專業(yè)音頻卡作為自動化播出系統(tǒng)的核心硬件平臺，采用MPEG-1 Layer2進行6:1壓縮編碼格式，采樣頻率為48kHz，完成輸入/輸出并編輯大量的高質量音頻節(jié)目信號。設計軟件功能時要充分利用PCX卡的DSP處理能力，發(fā)揮PCX卡強大的非線性編輯功能。整個自動化播出系統(tǒng)構建要認真考慮廣播電臺節(jié)目從制作到播出的各個環(huán)節(jié)可能發(fā)生的各種情況，能夠靈活地應對突發(fā)新聞事件，并著眼于廣播業(yè)務未來發(fā)展的方向。
2.1 自動化播出系統(tǒng)基本架構和模塊功能
2.1.1 模塊架構
　　在本系統(tǒng)中，主要包含以下幾個程序模塊：系統(tǒng)管理模塊、節(jié)目錄制模塊、節(jié)目單編排/節(jié)目審聽模塊、節(jié)目播出模塊、節(jié)目自動預載模塊、系統(tǒng)校時模塊。自動化播出系統(tǒng)程序各功能模塊關系如圖2所示。

2.1.2 各功能模塊描述
　　(1)系統(tǒng)管理模塊：主要完成自動播出系統(tǒng)中的系列臺設置、節(jié)目設置、欄目設置、模板設置和人員設置等相關功能。
　　(2)節(jié)目錄制模塊：支持即錄即畫聲音波形和非線性編輯等功能。節(jié)目制作完成后可存儲在本地的臨時節(jié)目庫中，再根據(jù)節(jié)目的類型，發(fā)送到節(jié)目服務器上音頻節(jié)目庫或播出節(jié)目庫中。
　　(3)節(jié)目單編排/節(jié)目審聽模塊：從公共音頻節(jié)目庫、系列臺音頻節(jié)目庫或播出節(jié)目庫中選取所需的節(jié)目按播出時間進行節(jié)目單的編排/還可以對節(jié)目庫中所有的節(jié)目進行查詢、審聽。
　　(4)節(jié)目自動預載模塊：通過SQL數(shù)據(jù)庫的事務復制功能把即將播出的節(jié)目從節(jié)目服務器實時自動預載到各播出工作站的本地硬盤，可預先自定義預載幾天的節(jié)目。節(jié)目自動預載功能可以減少在節(jié)目播出時對網(wǎng)絡帶寬的壓力，可保證在網(wǎng)絡或節(jié)目服務器出現(xiàn)突發(fā)故障的情況下，播出工作站也能夠正常播出，從而保障了播出安全。
　　(5)節(jié)目播出模塊：適于直播、錄播、插播、定點播等各種情況。既可按照播出節(jié)目單自動播出，也可由主持人手動播出。主持人可通過直播版塊，直接訪問節(jié)目庫調用所需節(jié)目，利用快捷鍵隨機播出。當實際節(jié)目的時長短于系統(tǒng)設定的節(jié)目的時長時，系統(tǒng)將自動補樂播出而不會出現(xiàn)空播。
　　(6)系統(tǒng)校時模塊：自動播出系統(tǒng)的時間校準模塊通過定時與廣播電臺的母鐘比對，使整個系統(tǒng)網(wǎng)絡時鐘與母鐘同步，從而保證了播出工作站節(jié)目的準時播出。
2.1.3 音頻節(jié)目數(shù)據(jù)庫
　　音頻節(jié)目庫包括各系列臺的播出節(jié)目單以及全臺共用的節(jié)目素材、各系列臺內部共用的節(jié)目素材和屬于各系列臺欄目的專有節(jié)目。為了快速查詢所需的節(jié)目，本系統(tǒng)對節(jié)目進行了科學的分類，節(jié)目類別由2級構成，即節(jié)目大類別和節(jié)目小類別。在節(jié)目大類別之下可根據(jù)需要設定若干個節(jié)目小類別。
　　(1)全臺公共音頻節(jié)目庫：全臺所有的系統(tǒng)用戶可以訪問全臺公共音頻節(jié)目庫，可以根據(jù)節(jié)目內容、來源和用途等實際情況分類設置多個公共節(jié)目庫。
　　(2)本系列臺播出/音頻節(jié)目庫：本系列臺播出節(jié)目庫保存幾天內待播的節(jié)目。這些節(jié)目無需長期保存，播出后即可刪除。本系列臺音頻節(jié)目庫是本系列臺內共享的，可長期保留。只有本系列臺的編播人員可調用該庫的節(jié)目進行播出或作為素材來制作節(jié)目。
　　為了科學、經(jīng)濟地使用存儲空間，系統(tǒng)可以為每個欄目設定存儲容量限制，以督促編播人員及時整理和刪除過時的節(jié)目。各欄目庫中的節(jié)目只有該欄目組成員才能訪問。這樣的數(shù)據(jù)結構可以解決不同部門的音頻資料共享和專有音頻資料的矛盾，提高了各部門節(jié)目內容更新的頻率和硬盤空間的利用率，同時又保證了節(jié)目內容的安全。
2.2 自動化播出系統(tǒng)事故處理與預防
2.2.1 主備播出互備技術
　　播出工作站采用雙機互備技術，即2臺播出工作站同時工作，一主一備。正常情況下，由主機播出，備機與主機同步啞音播出，備機通過串口實時監(jiān)視主機的工作情況，一旦發(fā)現(xiàn)主機停播，備機將自動升為主機繼續(xù)播出。原主機故障排除后，作為備機繼續(xù)雙機熱備份。
2.2.2 播出站數(shù)據(jù)庫多指向技術及網(wǎng)絡狀態(tài)智能判斷技術
　　在本系統(tǒng)中采用了播出工作站數(shù)據(jù)庫多指向技術。在播出工作站本地硬盤建立本地節(jié)目庫。利用MS_SQL的數(shù)據(jù)復制技術，將節(jié)目服務器數(shù)據(jù)同步到各個播出工作站，即播出工作站本地數(shù)據(jù)與節(jié)目服務器數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)實時相同。正常情況下，播出工作站根據(jù)節(jié)目是否已預載，自動到本地數(shù)據(jù)庫與服務器數(shù)據(jù)庫中檢索音頻資料。播出站利用網(wǎng)絡狀態(tài)智能判斷技術實時監(jiān)視和判斷當前網(wǎng)絡狀態(tài)。當網(wǎng)絡或服務器出現(xiàn)故障時，播出工作站能夠及時斷開與服務器數(shù)據(jù)源的連接，指向本地數(shù)據(jù)庫。播出站成為一個單機版播出系統(tǒng)，從而最大限度地保證了安全播出。此時播出站的本地數(shù)據(jù)庫是由那些已下載到本地的節(jié)目組成的小型數(shù)據(jù)庫。
2.2.3 待播出節(jié)目鎖定技術
　　播出節(jié)目錄制完成后，需要由節(jié)目審核人員對播出節(jié)目的內容進行審核。審核通過后，對該待播出節(jié)目進行鎖定，以保證節(jié)目安全。對于節(jié)目審核人員來說，可以通過節(jié)目編排站來對節(jié)目進行加鎖和解鎖。已鎖定的播出節(jié)目如果不進行解鎖，錄制站就不能覆蓋該節(jié)目，這樣可以防止誤操作或惡意修改待播出節(jié)目的內容，保障播出節(jié)目內容的安全。節(jié)目播出后會自動解鎖。節(jié)目的鎖定和解鎖在管理站均能進行日志查詢。
3  結束語
　　計算機多媒體網(wǎng)絡技術與數(shù)字音頻技術的結合將廣播技術領入了一個新的時代，但這項技術在廣播領域的使用才剛剛開始，還有許多不足。隨著節(jié)目制作、播出理念的不斷更新，自動化播出系統(tǒng)將根據(jù)不同的專業(yè)頻道、不同的節(jié)目形態(tài)而細化系統(tǒng)功能模塊，為不同專業(yè)頻道量身定制，使系統(tǒng)功能更加專業(yè)、完善。此外，媒體資產(chǎn)管理系統(tǒng)作為支撐電臺內各專業(yè)頻率的音頻資料平臺也將成為自動化播出系統(tǒng)的下一個發(fā)展目標?？傊?，隨著技術與理念的不斷進步，我們將擁有使用方便、易管理、更高速、更大存儲容量、更安全可靠的自動化播出系統(tǒng)。
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