摘   要： 基于數(shù)字音頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了廣播電臺(tái)自動(dòng)化播出系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)架構(gòu)和各模塊功能。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字音頻技術(shù)  多媒體技術(shù)  自動(dòng)化播出系統(tǒng)  音頻節(jié)目數(shù)據(jù)庫(kù)

　　本研究在吸收國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)先進(jìn)性的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)廣播電臺(tái)業(yè)務(wù)流程及特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了播出站數(shù)據(jù)庫(kù)多指向及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)智能判斷等多項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)完成了用于廣播電臺(tái)的自動(dòng)化播出系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實(shí)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(dòng)化，在實(shí)際應(yīng)用中取得了比較好的效果。
1  自動(dòng)化播出系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
　　廣播電臺(tái)自動(dòng)化播出系統(tǒng)是電臺(tái)的數(shù)字化、自動(dòng)化綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)。它以音頻節(jié)目的制作、播出和媒體管理為主線(xiàn)，基于信息技術(shù)和人性化、科學(xué)化管理理念實(shí)現(xiàn)廣播電臺(tái)節(jié)目制作、播出和媒體管理的自動(dòng)化、數(shù)字化。其關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括數(shù)字音頻編碼技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和DSP處理技術(shù)等。
1.1 多媒體通信技術(shù)
　　隨著科技進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，裝載和傳輸信息的媒體越來(lái)越多，人們希望使用多種表示媒體，通過(guò)多種傳輸媒體進(jìn)行各項(xiàng)工作，并實(shí)現(xiàn)多種表示媒體的新的通信模式。
　　根據(jù)國(guó)際電聯(lián)（ITU-T）的定義，媒體指的是以下5種：感覺(jué)媒體（Perception medium）、表示媒體（Representation medium)、顯示媒體(Presentation medium)、存儲(chǔ)媒體(Storage medium)、傳輸媒體（Transmission medium）。
　　利用多種媒體進(jìn)行通信的系統(tǒng)稱(chēng)為多媒體通信系統(tǒng)。它具有3個(gè)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(chǔ)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(jìn)行接口并進(jìn)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(hù)對(duì)通信的全過(guò)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(gè)重要準(zhǔn)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(shù)
1.2.1 數(shù)字音頻壓縮編碼的必要性
　　數(shù)碼錄音機(jī)（DAT）或CD具有清晰、優(yōu)美的音質(zhì)，這是任何模擬音頻技術(shù)無(wú)法比擬的。有時(shí)用戶(hù)希望能方便地記錄/重放或接收具有CD音質(zhì)的數(shù)字音頻信號(hào)。然而，將模擬音頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，獲得的數(shù)字音頻信號(hào)要占有極寬的且恒定的頻帶寬度，例如DAT磁帶，當(dāng)取樣頻率為48kHz，量化級(jí)數(shù)為16位時(shí)，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(chǔ)如此巨大的信息量相當(dāng)困難。
　　根據(jù)香農(nóng)（Shannon）定理：如果所使用信號(hào)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(hào)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(hào)，就必須知道信號(hào)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(jì)算可以知道，數(shù)字音頻信號(hào)的信息量為采樣頻率與量化比特?cái)?shù)的乘積，且是恒定值。研究表明，數(shù)字音頻信號(hào)本身具有很大的冗余度，可以進(jìn)行壓縮編碼。不同的傳輸速率對(duì)主觀聽(tīng)覺(jué)的影響如表1 所示。

　　設(shè)取樣頻率為48kHz，量化級(jí)數(shù)為16b，對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行6:1壓縮，則1小時(shí)立體聲節(jié)目所需存儲(chǔ)空間為：48k×（16÷8）×2×3600÷6≈0.11GB。即1小時(shí)立體聲節(jié)目需要大約0.11GB的存儲(chǔ)空間，這時(shí)傳輸碼率為256Kbps。這樣，采用音頻壓縮技術(shù)不僅大大節(jié)省了存儲(chǔ)空間和傳輸帶寬，而且節(jié)目的主觀音質(zhì)達(dá)到CD質(zhì)量。
　　數(shù)字音頻格式是指一個(gè)用來(lái)表示聲音強(qiáng)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(zhuān)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(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)外廣播電臺(tái)廣泛應(yīng)用。
1.2.2 MPEG-1 Layer2壓縮編碼算法
　　MPEG-1 Layer2編碼是由Eureka-l47計(jì)劃研究開(kāi)發(fā)的，該編碼以其高質(zhì)量和高效率廣泛應(yīng)用于數(shù)字音頻節(jié)目的存儲(chǔ)、制作和數(shù)字化廣播中。為了方便電臺(tái)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(shù)中的典型代表。子帶編碼理論最早由Crochiere等于1976年提出，又稱(chēng)為感知型（Perceptual）壓縮編碼。由于人耳對(duì)不同的頻段范圍的聲音敏感程度不一樣，在20Hz～20kHz范圍內(nèi)，人耳對(duì)中頻段信號(hào)較敏感，對(duì)二端的低頻和高頻段信號(hào)較不敏感。因此，MUSICAM就是利用人耳的聽(tīng)覺(jué)特性，采用分頻段量化的算法，把音頻信號(hào)分割成32個(gè)子頻段，在編碼時(shí)根據(jù)各子帶的不同量化階數(shù)，采用了動(dòng)態(tài)比特分配技術(shù)。采用正交鏡像濾波器(Quadrature Mirror Filter，QMF)或多相濾波器(Polyphase Filter Bank）進(jìn)行頻段分割。在利用人耳的掩蔽效應(yīng)時(shí)，只對(duì)掩蔽門(mén)限以上的音頻信號(hào)進(jìn)行編碼傳輸，避免了對(duì)大多數(shù)人耳感覺(jué)不到的、在掩蔽門(mén)限以下的音頻信號(hào)進(jìn)行編碼，使傳輸速率大大減少。這樣在整個(gè)傳輸速率固定的情況下聲音質(zhì)量大幅提高。在本系統(tǒng)中，采用MPEG-1 Layer2進(jìn)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(zhuān)業(yè)音頻卡
1.3.1 數(shù)字信號(hào)處理器
　　數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)可以對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)線(xiàn)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(hào)做A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行處理，再按預(yù)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(yù)定方式進(jìn)行變換。任何一種音頻處理功能都可以在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中用數(shù)字濾波器實(shí)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(shí)間范圍等特性。

　　DSP以其設(shè)計(jì)所允許的速度運(yùn)行，而數(shù)字音頻信號(hào)則要求以音頻采樣速度來(lái)處理，二者之間的協(xié)調(diào)由中斷來(lái)完成。中斷是引起程序改變執(zhí)行順序的硬件信號(hào)，由處理器時(shí)鐘產(chǎn)生。處理器在執(zhí)行2條指令之間檢測(cè)是否有中斷信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到有中斷信號(hào)時(shí)，處理器掛起正常執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行子例程（Subroutine）。執(zhí)行完子例程后，繼續(xù)運(yùn)行原來(lái)的程序。在數(shù)字信號(hào)處理程序中，正常執(zhí)行的程序是一個(gè)空轉(zhuǎn)程序，即它不處理任何信息。有關(guān)音頻采樣的計(jì)算在子例程中進(jìn)行。主采樣時(shí)鐘用于在采樣輸入后向數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)出中斷。子例程在空轉(zhuǎn)間隙以采樣速度執(zhí)行基本時(shí)序。實(shí)際上這種情況僅在子例程的執(zhí)行時(shí)間少于采樣間隔時(shí)才成立，否則系統(tǒng)將崩潰。要解決這個(gè)問(wèn)題需要編寫(xiě)更加精巧的子例程，或者使用處理能力更強(qiáng)的芯片。
1.3.2 PCX專(zhuān)業(yè)音頻卡
　　專(zhuān)業(yè)音頻處理卡常用的DSP芯片有TMS320C31、APT-X100及Motorola-5600系列。法國(guó)Digigram公司生產(chǎn)的PCX專(zhuān)業(yè)音頻處理卡系列在國(guó)內(nèi)廣播電臺(tái)已廣泛使用，它采用Motorola-5600系列DSP芯片。PCX卡的各項(xiàng)音頻性能指標(biāo)優(yōu)于我國(guó)的甲級(jí)廣播標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行4:1～24:1的碼率壓縮處理，并支持MPEG標(biāo)準(zhǔn)，也可進(jìn)行線(xiàn)性錄音、放音；可在Windows98、WindowsXP和Windows2000提供的環(huán)境中工作。
2  構(gòu)建自動(dòng)化播出系統(tǒng)
　　PCX專(zhuān)業(yè)音頻卡作為自動(dòng)化播出系統(tǒng)的核心硬件平臺(tái)，采用MPEG-1 Layer2進(jìn)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(zhì)量音頻節(jié)目信號(hào)。設(shè)計(jì)軟件功能時(shí)要充分利用PCX卡的DSP處理能力，發(fā)揮PCX卡強(qiáng)大的非線(xiàn)性編輯功能。整個(gè)自動(dòng)化播出系統(tǒng)構(gòu)建要認(rèn)真考慮廣播電臺(tái)節(jié)目從制作到播出的各個(gè)環(huán)節(jié)可能發(fā)生的各種情況，能夠靈活地應(yīng)對(duì)突發(fā)新聞事件，并著眼于廣播業(yè)務(wù)未來(lái)發(fā)展的方向。
2.1 自動(dòng)化播出系統(tǒng)基本架構(gòu)和模塊功能
2.1.1 模塊架構(gòu)
　　在本系統(tǒng)中，主要包含以下幾個(gè)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(tīng)模塊、節(jié)目播出模塊、節(jié)目自動(dòng)預(yù)載模塊、系統(tǒng)校時(shí)模塊。自動(dòng)化播出系統(tǒng)程序各功能模塊關(guān)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(dòng)播出系統(tǒng)中的系列臺(tái)設(shè)置、節(jié)目設(shè)置、欄目設(shè)置、模板設(shè)置和人員設(shè)置等相關(guān)功能。
　　(2)節(jié)目錄制模塊：支持即錄即畫(huà)聲音波形和非線(xiàn)性編輯等功能。節(jié)目制作完成后可存儲(chǔ)在本地的臨時(shí)節(jié)目庫(kù)中，再根據(jù)節(jié)目的類(lèi)型，發(fā)送到節(jié)目服務(wù)器上音頻節(jié)目庫(kù)或播出節(jié)目庫(kù)中。
　　(3)節(jié)目單編排/節(jié)目審聽(tīng)模塊：從公共音頻節(jié)目庫(kù)、系列臺(tái)音頻節(jié)目庫(kù)或播出節(jié)目庫(kù)中選取所需的節(jié)目按播出時(shí)間進(jìn)行節(jié)目單的編排/還可以對(duì)節(jié)目庫(kù)中所有的節(jié)目進(jìn)行查詢(xún)、審聽(tīng)。
　　(4)節(jié)目自動(dòng)預(yù)載模塊：通過(guò)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的事務(wù)復(fù)制功能把即將播出的節(jié)目從節(jié)目服務(wù)器實(shí)時(shí)自動(dòng)預(yù)載到各播出工作站的本地硬盤(pán)，可預(yù)先自定義預(yù)載幾天的節(jié)目。節(jié)目自動(dòng)預(yù)載功能可以減少在節(jié)目播出時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，可保證在網(wǎng)絡(luò)或節(jié)目服務(wù)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(diǎn)播等各種情況。既可按照播出節(jié)目單自動(dòng)播出，也可由主持人手動(dòng)播出。主持人可通過(guò)直播版塊，直接訪問(wèn)節(jié)目庫(kù)調(diào)用所需節(jié)目，利用快捷鍵隨機(jī)播出。當(dāng)實(shí)際節(jié)目的時(shí)長(zhǎng)短于系統(tǒng)設(shè)定的節(jié)目的時(shí)長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)補(bǔ)樂(lè)播出而不會(huì)出現(xiàn)空播。
　　(6)系統(tǒng)校時(shí)模塊：自動(dòng)播出系統(tǒng)的時(shí)間校準(zhǔn)模塊通過(guò)定時(shí)與廣播電臺(tái)的母鐘比對(duì)，使整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘與母鐘同步，從而保證了播出工作站節(jié)目的準(zhǔn)時(shí)播出。
2.1.3 音頻節(jié)目數(shù)據(jù)庫(kù)
　　音頻節(jié)目庫(kù)包括各系列臺(tái)的播出節(jié)目單以及全臺(tái)共用的節(jié)目素材、各系列臺(tái)內(nèi)部共用的節(jié)目素材和屬于各系列臺(tái)欄目的專(zhuān)有節(jié)目。為了快速查詢(xún)所需的節(jié)目，本系統(tǒng)對(duì)節(jié)目進(jìn)行了科學(xué)的分類(lèi)，節(jié)目類(lèi)別由2級(jí)構(gòu)成，即節(jié)目大類(lèi)別和節(jié)目小類(lèi)別。在節(jié)目大類(lèi)別之下可根據(jù)需要設(shè)定若干個(gè)節(jié)目小類(lèi)別。
　　(1)全臺(tái)公共音頻節(jié)目庫(kù)：全臺(tái)所有的系統(tǒng)用戶(hù)可以訪問(wèn)全臺(tái)公共音頻節(jié)目庫(kù)，可以根據(jù)節(jié)目?jī)?nèi)容、來(lái)源和用途等實(shí)際情況分類(lèi)設(shè)置多個(gè)公共節(jié)目庫(kù)。
　　(2)本系列臺(tái)播出/音頻節(jié)目庫(kù)：本系列臺(tái)播出節(jié)目庫(kù)保存幾天內(nèi)待播的節(jié)目。這些節(jié)目無(wú)需長(zhǎng)期保存，播出后即可刪除。本系列臺(tái)音頻節(jié)目庫(kù)是本系列臺(tái)內(nèi)共享的，可長(zhǎng)期保留。只有本系列臺(tái)的編播人員可調(diào)用該庫(kù)的節(jié)目進(jìn)行播出或作為素材來(lái)制作節(jié)目。
　　為了科學(xué)、經(jīng)濟(jì)地使用存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)可以為每個(gè)欄目設(shè)定存儲(chǔ)容量限制，以督促編播人員及時(shí)整理和刪除過(guò)時(shí)的節(jié)目。各欄目庫(kù)中的節(jié)目只有該欄目組成員才能訪問(wèn)。這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以解決不同部門(mén)的音頻資料共享和專(zhuān)有音頻資料的矛盾，提高了各部門(mén)節(jié)目?jī)?nèi)容更新的頻率和硬盤(pán)空間的利用率，同時(shí)又保證了節(jié)目?jī)?nèi)容的安全。
2.2 自動(dòng)化播出系統(tǒng)事故處理與預(yù)防
2.2.1 主備播出互備技術(shù)
　　播出工作站采用雙機(jī)互備技術(shù)，即2臺(tái)播出工作站同時(shí)工作，一主一備。正常情況下，由主機(jī)播出，備機(jī)與主機(jī)同步啞音播出，備機(jī)通過(guò)串口實(shí)時(shí)監(jiān)視主機(jī)的工作情況，一旦發(fā)現(xiàn)主機(jī)停播，備機(jī)將自動(dòng)升為主機(jī)繼續(xù)播出。原主機(jī)故障排除后，作為備機(jī)繼續(xù)雙機(jī)熱備份。
2.2.2 播出站數(shù)據(jù)庫(kù)多指向技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)智能判斷技術(shù)
　　在本系統(tǒng)中采用了播出工作站數(shù)據(jù)庫(kù)多指向技術(shù)。在播出工作站本地硬盤(pán)建立本地節(jié)目庫(kù)。利用MS_SQL的數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)，將節(jié)目服務(wù)器數(shù)據(jù)同步到各個(gè)播出工作站，即播出工作站本地?cái)?shù)據(jù)與節(jié)目服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)相同。正常情況下，播出工作站根據(jù)節(jié)目是否已預(yù)載，自動(dòng)到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索音頻資料。播出站利用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)智能判斷技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)視和判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，播出工作站能夠及時(shí)斷開(kāi)與服務(wù)器數(shù)據(jù)源的連接，指向本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。播出站成為一個(gè)單機(jī)版播出系統(tǒng)，從而最大限度地保證了安全播出。此時(shí)播出站的本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)是由那些已下載到本地的節(jié)目組成的小型數(shù)據(jù)庫(kù)。
2.2.3 待播出節(jié)目鎖定技術(shù)
　　播出節(jié)目錄制完成后，需要由節(jié)目審核人員對(duì)播出節(jié)目的內(nèi)容進(jìn)行審核。審核通過(guò)后，對(duì)該待播出節(jié)目進(jìn)行鎖定，以保證節(jié)目安全。對(duì)于節(jié)目審核人員來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)節(jié)目編排站來(lái)對(duì)節(jié)目進(jìn)行加鎖和解鎖。已鎖定的播出節(jié)目如果不進(jìn)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(nèi)容，保障播出節(jié)目?jī)?nèi)容的安全。節(jié)目播出后會(huì)自動(dòng)解鎖。節(jié)目的鎖定和解鎖在管理站均能進(jìn)行日志查詢(xún)。
3  結(jié)束語(yǔ)
　　計(jì)算機(jī)多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)字音頻技術(shù)的結(jié)合將廣播技術(shù)領(lǐng)入了一個(gè)新的時(shí)代，但這項(xiàng)技術(shù)在廣播領(lǐng)域的使用才剛剛開(kāi)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(dòng)化播出系統(tǒng)將根據(jù)不同的專(zhuān)業(yè)頻道、不同的節(jié)目形態(tài)而細(xì)化系統(tǒng)功能模塊，為不同專(zhuān)業(yè)頻道量身定制，使系統(tǒng)功能更加專(zhuān)業(yè)、完善。此外，媒體資產(chǎn)管理系統(tǒng)作為支撐電臺(tái)內(nèi)各專(zhuān)業(yè)頻率的音頻資料平臺(tái)也將成為自動(dòng)化播出系統(tǒng)的下一個(gè)發(fā)展目標(biāo)?？傊?，隨著技術(shù)與理念的不斷進(jìn)步，我們將擁有使用方便、易管理、更高速、更大存儲(chǔ)容量、更安全可靠的自動(dòng)化播出系統(tǒng)。
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