基于4G通信网络的数字广播系统的研究和设计

　　摘 要：文章论述了一种基于多路音频编解码和数据加密技术，利用4G无线通信传输的新型数字广播系统设计。该设计构建了一套广播收发终端和数字广播播发平台，可支持收发终端单独进行电话、短信、话筒、U盘、MP3文件等多路模拟和数字音频的广播，也可以利用数字广播管理平台下发音频，通过4G通信网络，实现收发终端的音频数据的接收、解码和播放。该系统同时可支持上下级行政区域联动、分区广播和定时广播。

　　关键词：音频编解码;数据加密;音频收发控制;4G网络通信

　　0 引 言

　　自新冠肺炎疫情发生以来，应急广播对公共突发事件的宣导和预警作用日益被各级政府认可。目前国内的应急广播系统主要还是以FM调频、数字地面电视DTMB、有线同轴DVB-C等单向无线广播以及网络宽带等有线双向广播为主，存在安全性差、设备集成度低、功能单一、建设成本高、管理运维难等缺陷。本公司十幾年来专注于我国电信运营商和广播电视行业的整体数字化改造，以无线射频及嵌入式终端的核心技术为基础，为客户提供从平台到终端的音视频节目传输整体解决方案。作者作为公司广播电视研发中心负责人，从现有的广播系统制约因素入手，设计开发了一套基于多路音频编解码和数据加密技术、利用4G无线通信传输的新型双向数字广播系统，实现了广播系统的无线化、互联网化、数字化。

　　1 整体设计

　　本设计是基于4G网络的新型数字广播系统，研究电话、短信、话筒、U盘、MP3文件等多路音频模拟采集、音频MPEG转码和数据动态加密、多路网络传输融合组网技术以及应急广播系统平台软件，实现语音的覆盖、回传及设备组网和联动。数字广播系统的系统架构包括以下四个部分：数字广播收发终端;音频处理和数据加密;4G网络传输;数字广播管理平台软件、安全认证、流媒体服务和数据库。为提升后续系统运维的效率，本设计研究了系统运维软件，可支持参数修改、日志回传、升级等设备的远程管理。本设计遵循标准系统设计规范和系统运维设计规范，具体的系统框图如图1所示。

　　2 硬件架构

　　如图2所示，本设计采用SI8000作为主控芯片，基于ARM架构的Linux系统运行软件。本方案具备多个通道的音频信号输入：RCA1和RCA2，USB和MP3、4G模组、短信接入和电话语音接入、话筒等，并将这些模拟音频信号送入音频ADC。采样芯片通过I2S接口将ADC转换后的数据传送至主CPU并编码成AAC或MP3音频格式。4G模块具备USB接口、MIC语音接入接口，CPU通过MINI PCI-E接口对4G模块进行控制及数据双向传输。MIC接口则连接到文本转语音芯片的语音输出接口，以实现电话呼入时的操作语音提示。本设计内置100 W功放芯片，可连接音箱、功放机等设备。

　　3 软件架构

　　数字广播收发终端基于嵌入式Linux系统开发，除了芯片驱动、内核系统、文件系统，还包含音频编解码、媒体数据收发、音频数据加解密模块等主要软件模块。数字广播管理和运维平台基于Linux CENTOS7.5系统开发，采用主流的J2EE平台设计。

　　3.1 音频编解码模块

　　该模块主要功能是将模拟采样产生的PCM数据或U口接入的数字音频文件通过模块进行编码、转码产生不同比特率的AAC和MP3格式的音频文件。它包含了用于各种音频封装格式的生成和解析nllibaformat库和用于各种类型声音编解码的nllibavcodec库。通过指令nlmpeg-i origine-vn-ar 44100-ac 2-ab 192-f mp3 final.mp3，可将任意格式的音视频文件编码成新的MP3文件，其中44 100对应的是重采样率(单位：Hz);192对应的是比特率(单位：Kbps)，可设置成32-320等多种不同值。

　　3.2 流媒体数据收发模块

　　该模块主要功能是基于RTSP协议将音频流推送给支持RTSP的流媒体服务器，实现音频数据以RTSP协议封装、解析和收发，支持广播应用。模块提供restful api以及web hook接口，支持媒体流列表获取，拉流和推流流媒体信息详情查看;支持推流和拉流的上下行流量和连接客户端数量等统计;支持流媒体的实时监听功能。

　　3.3 音频数据加解密模块

　　采用SM2国密算法和对称算法的密钥，对音频流进行加密，加密的密钥和音频流通过流媒体格式发送到收发终端，收发终端使用根证书对加密的公钥进行解密，用公钥对加密的DES密钥进行解密，获取密钥后采用DES解密算法对音频流进行解密，播放音频。收发终端存放1个根证书和10个SM2数字证书，证书定期从控制流中获取更新。收发终端只有在解密校验音频信息错误后，才会使用最新的公钥和数字证书。

　　3.4 数字广播管理和运维平台软件

　　基于Linux CENTOS7.5系统开发，采用先进的计算机程序设计平台J2EE平台进行设计开发，整个网站系统结构完全可以进行自定义配置和管理设备信息，具有良好的灵活性和可扩展性。系统应用服务器采用Tomcat;数据库为Mysql 5.6，功能模块包括安全认证、流媒体服务、媒体制作播发、设备管理、系统运维，整个管理系统易操作易维护。

　　4 基于4G网络的收发控制

　　4G通道收发控制单元是本设计的核心功能。4G模组通过USB-Serial连接主板，设备上电后Linux系统会依照配置的驱动根据VID/PID，将模组作为RNDIS设备挂载，相关端口会出现在/sys/bus/usb-serial/drivers/option1/目录下以ttyUSBx的形式挂载。并且系统会将该模组认为usb0网卡。设备应用程序检测到/sys/bus/usb-serial/drivers/option1/出现ttyUSBx设备后，通过lsusb命令检测其PID/VID，并确定其大致型号。根据型号选择并打开对应AT口的ttyUSB，进行后续AT指令的查询与设置。通过socket()与ioctl()函数打开模组网卡usb0，并使用busybox的udhcpc工具来从模组里自动获取ip。以上初始化流程结束后设备便正常注册上4G网络。

　　收发终端启动并注册到4G网络后，周期性发送设备心跳到管理平台，同时内置的广播流媒体数据收发模块对广播信息进行监控。当有语音电话接入，设备的AD采样芯片按已设置的采用率进行AD转换，生成PCM数据;当有短信接入，设备的TTS芯片将文字转成语音PCM数据;当有平台音频数据接入，流媒体数据收发模块进行RTSP协议解析后，生成音频流数据;以上接入数据可单独接入，也可以同时接入。接入的数据实时传送到音频编码器模块进行编码，生成AAC或MP3文件，经过数据加密(电话或者短信)和解密(平台下发音频)，产生混合数字信息，控制单元根据收發终端已设置好的优先级产生通过输出指令，可同步输出到音频平衡/非平衡、功放两种模拟输出通道，同时生成携带不同收发终端区域信息的RTSP流媒体数据，发送到流媒体收发模块进行数据分发和广播。通过以上流程，可实现基于4G网络的多通道接入和多设备的分组、分区广播，详细流程如图3所示。

　　5 系统调试和成果展示

　　5.1 数字广播系统功能调试和性能测试

　　本设计经过以上的软硬件模块开发后，进行了基于4G网络环境的收发终端和平台广播开停播、电话和短信广播、分组定时广播等功能调试，输出音质清晰、流畅。同时针对4G网络不同信号强度的通信环境，在不同音频比特率的MP3音频格式条件下，测试收发终端的4G信号接收门限，确保音频接收和解码输出的清晰流畅。以下是本系统的主要的功能和性能测试数据，如表1所示。

　　5.2 收发终端实物展示

　　收发终端的内部模块如图4所示，采用工业级开关电源，支持次级短路保护，具备防护外壳，保证设备的稳定与可靠性。电源及输出端有防雷器件，4G模块和功放采用模块化设计，故障时易于更换，核心电路板三防漆处理，设备具有接地端子。

　　收发终端的外部硬件接口如图5所示，包含4G天线SMA接口、USB、RCA模拟音频输出、SIM卡槽、外置喇叭接线柱、工作状态指示灯、音量旋钮等接口，设备倒挂安装，使用抱箍等配件固定。

　　收发终端采用全铝合金柱形机箱，接线全在机箱底部，箱体金属部分喷粉防腐设计，机箱颜色有灰色和白色可选。如图6所示是收发终端的正面图。

　　5.3 管理平台页面展示

　　数字广播系统平台采用B/S架构，可以通过浏览器远程安全登录管理和信息的展示。如图7所示，管理平台采用倒L形菜单结构，包含设备管理、节目制作、广播管理、运维管理等子模块，设备管理页面展示设备状态、更新时间、当前节目信号强度以及设备功放的电压电流值。

　　5.4 相关技术的成功案例

　　目前该系统借助于电信、广电网络等运营商云服务平台，已在包括福建在内的全国二十多个县市的农村、景区、学校等地批量商用，日常播放平安三率、党建知识、文明创城等各类“平战结合”的宣传，应急接入新冠疫情、森林防火、洪灾备灾等突发事件的播报。如图8所示是数字广播系统主页，可显示系统设备在线数量和实时播放任务数量。

　　6 结 论

　　本设计分析了基于4G网络传输的数字广播市场需求和整体方案，描述了收发终端的硬件原理设计，详细介绍了基于Linux系统的嵌入式收发终端的软件模块和平台管理运维软件，并对以上设计系统进行功能验证和不同4G信号网络环境下性能测试。该系统组网简单、部署快、管理便捷、广播形式多样，可广泛应用于美丽乡村、城市建设、交通、学校、景区等场所。

　　参考文献：

　　[1] 国家新闻出版广电总局广播科学研究院.应急广播系统总体技术规范：GD/J 079-2018 [S].北京：国家广播电视总局科技司，2018.

　　[2] 国家新闻出版广电总局广播科学研究院.应急广播系统资源分类及编码规范：GD/J 080-2018 [S].北京：国家广播电视总局科技司，2018.

　　[3] 国家新闻出版广电总局广播科学研究院.应急广播消息格式规范：GD/J 082-2018 [S].北京：国家广播电视总局科技司，2018.

　　[4] 全国信息安全标准化技术委员会.信息安全技术 网络安全等级保护安全设计技术要求：GB/T 25070-2019 [S].北京：中国质检出版社，2019.

　　[5] 窦中兆，王公仆，冯穗力.TD-LTE系统原理与无线网络优化 [M].北京：清华大学出版社，2019.

　　[6] 全国信息技术标准化技术委员会.信息技术 运动图像及其伴音信息的通用编码 第1部分：系统：GB/T 17975.1-2010 [S].北京：中国标准出版社，2011.

　　作者：吴好

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文章名称： 基于4G通信网络的数字广播系统的研究和设计

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