摘   要： 基于數字音頻技術、計算機網絡技術和多媒體技術設計實現了廣播電臺自動化播出系統，詳細介紹了系統架構和各模塊功能。
關鍵詞： 數字音頻技術  多媒體技術  自動化播出系統  音頻節目數據庫

　　本研究在吸收國內外系統先進性的基礎上，結合我國廣播電臺業務流程及特點，開發了播出站數據庫多指向及網絡狀態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。本系統可實現節目錄制、編輯、播出和音頻節目管理、系統管理的數字化及自動化，在實際應用中取得了比較好的效果。
1  自動化播出系統的關鍵技術
　　廣播電臺自動化播出系統是電臺的數字化、自動化綜合業務系統。它以音頻節目的制作、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廣播電臺節目制作、播出和媒體管理的自動化、數字化。其關鍵實現技術包括數字音頻編碼技術、計算機網絡技術、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，并實現多種表示媒體的新的通信模式。
　　根據國際電聯（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稱為多媒體通信系統。它具有3個基本特征：(1)集成性：指的是多媒體通信系統能夠處理、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。這是區別多媒體通信系統與非多媒體通信系統的一個重要準則。(3)同步性：指的是在多媒體通信終端上顯現的圖像、聲音和文字是以同步的方式工作。
1.2 數字音頻壓縮編碼技術
1.2.1 數字音頻壓縮編碼的必要性
　　數碼錄音機（DAT）或CD具有清晰、優美的音質，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，量化級數為16位時，立體聲的數據傳輸率為：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，數字音頻信號的信息量為采樣頻率與量化比特數的乘積，且是恒定值。研究表明，數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，量化級數為16b，對數字音頻信號進行6:1壓縮，則1小時立體聲節目所需存儲空間為：48k×（16÷8）×2×3600÷6≈0.11GB。即1小時立體聲節目需要大約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省了存儲空間和傳輸帶寬，而且節目的主觀音質達到CD質量。
　　數字音頻格式是指一個用來表示聲音強弱的數據序列，由模擬聲音經抽樣、量化和編碼后得到。目前常用的專業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計劃研究開發的，該編碼以其高質量和高效率廣泛應用于數字音頻節目的存儲、制作和數字化廣播中。為了方便電臺間的節目交流，在本系統中采用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，在編碼時根據各子帶的不同量化階數，采用了動態比特分配技術。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。在本系統中，采用MPEG-1 Layer2進行6:1壓縮，數字傳輸率為256Kbps。MUSICAM編碼原理框圖如圖1所示。

1.3 PCX專業音頻卡
1.3.1 數字信號處理器
　　數字信號處理器(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，其主要部分是數字濾波器(Digital Filter)。數字濾波器把數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字信號處理系統中用數字濾波器實現，如利用數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，而數字音頻信號則要求以音頻采樣速度來處理，二者之間的協調由中斷來完成。中斷是引起程序改變執行順序的硬件信號，由處理器時鐘產生。處理器在執行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，處理器掛起正常執行的程序，轉而執行子例程（Subroutine）。執行完子例程后，繼續運行原來的程序。在數字信號處理程序中，正常執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字信號處理器發出中斷。子例程在空轉間隙以采樣速度執行基本時序。實際上這種情況僅在子例程的執行時間少于采樣間隔時才成立，否則系統將崩潰。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專業音頻卡
　　專業音頻處理卡常用的DSP芯片有TMS320C31、APT-X100及Motorola-5600系列。法國Digigram公司生產的PCX專業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于我國的甲級廣播標準，具有AES/EBU數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提供的環境中工作。
2  構建自動化播出系統
　　PCX專業音頻卡作為自動化播出系統的核心硬件平臺，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目信號。設計軟件功能時要充分利用PCX卡的DSP處理能力，發揮PCX卡強大的非線性編輯功能。整個自動化播出系統構建要認真考慮廣播電臺節目從制作到播出的各個環節可能發生的各種情況，能夠靈活地應對突發新聞事件，并著眼于廣播業務未來發展的方向。
2.1 自動化播出系統基本架構和模塊功能
2.1.1 模塊架構
　　在本系統中，主要包含以下幾個程序模塊：系統管理模塊、節目錄制模塊、節目單編排/節目審聽模塊、節目播出模塊、節目自動預載模塊、系統校時模塊。自動化播出系統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)系統管理模塊：主要完成自動播出系統中的系列臺設置、節目設置、欄目設置、模板設置和人員設置等相關功能。
　　(2)節目錄制模塊：支持即錄即畫聲音波形和非線性編輯等功能。節目制作完成后可存儲在本地的臨時節目庫中，再根據節目的類型，發送到節目服務器上音頻節目庫或播出節目庫中。
　　(3)節目單編排/節目審聽模塊：從公共音頻節目庫、系列臺音頻節目庫或播出節目庫中選取所需的節目按播出時間進行節目單的編排/還可以對節目庫中所有的節目進行查詢、審聽。
　　(4)節目自動預載模塊：通過SQL數據庫的事務復制功能把即將播出的節目從節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目。節目自動預載功能可以減少在節目播出時對網絡帶寬的壓力，可保證在網絡或節目服務器出現突發故障的情況下，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，直接訪問節目庫調用所需節目，利用快捷鍵隨機播出。當實際節目的時長短于系統設定的節目的時長時，系統將自動補樂播出而不會出現空播。
　　(6)系統校時模塊：自動播出系統的時間校準模塊通過定時與廣播電臺的母鐘比對，使整個系統網絡時鐘與母鐘同步，從而保證了播出工作站節目的準時播出。
2.1.3 音頻節目數據庫
　　音頻節目庫包括各系列臺的播出節目單以及全臺共用的節目素材、各系列臺內部共用的節目素材和屬于各系列臺欄目的專有節目。為了快速查詢所需的節目，本系統對節目進行了科學的分類，節目類別由2級構成，即節目大類別和節目小類別。在節目大類別之下可根據需要設定若干個節目小類別。
　　(1)全臺公共音頻節目庫：全臺所有的系統用戶可以訪問全臺公共音頻節目庫，可以根據節目內容、來源和用途等實際情況分類設置多個公共節目庫。
　　(2)本系列臺播出/音頻節目庫：本系列臺播出節目庫保存幾天內待播的節目。這些節目無需長期保存，播出后即可刪除。本系列臺音頻節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目進行播出或作為素材來制作節目。
　　為了科學、經濟地使用存儲空間，系統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目。各欄目庫中的節目只有該欄目組成員才能訪問。這樣的數據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，提高了各部門節目內容更新的頻率和硬盤空間的利用率，同時又保證了節目內容的安全。
2.2 自動化播出系統事故處理與預防
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視主機的工作情況，一旦發現主機停播，備機將自動升為主機繼續播出。原主機故障排除后，作為備機繼續雙機熱備份。
2.2.2 播出站數據庫多指向技術及網絡狀態智能判斷技術
　　在本系統中采用了播出工作站數據庫多指向技術。在播出工作站本地硬盤建立本地節目庫。利用MS_SQL的數據復制技術，將節目服務器數據同步到各個播出工作站，即播出工作站本地數據與節目服務器數據庫數據實時相同。正常情況下，播出工作站根據節目是否已預載，自動到本地數據庫與服務器數據庫中檢索音頻資料。播出站利用網絡狀態智能判斷技術實時監視和判斷當前網絡狀態。當網絡或服務器出現故障時，播出工作站能夠及時斷開與服務器數據源的連接，指向本地數據庫。播出站成為一個單機版播出系統，從而最大限度地保證了安全播出。此時播出站的本地數據庫是由那些已下載到本地的節目組成的小型數據庫。
2.2.3 待播出節目鎖定技術
　　播出節目錄制完成后，需要由節目審核人員對播出節目的內容進行審核。審核通過后，對該待播出節目進行鎖定，以保證節目安全。對于節目審核人員來說，可以通過節目編排站來對節目進行加鎖和解鎖。已鎖定的播出節目如果不進行解鎖，錄制站就不能覆蓋該節目，這樣可以防止誤操作或惡意修改待播出節目的內容，保障播出節目內容的安全。節目播出后會自動解鎖。節目的鎖定和解鎖在管理站均能進行日志查詢。
3  結束語
　　計算機多媒體網絡技術與數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。隨著節目制作、播出理念的不斷更新，自動化播出系統將根據不同的專業頻道、不同的節目形態而細化系統功能模塊，為不同專業頻道量身定制，使系統功能更加專業、完善。此外，媒體資產管理系統作為支撐電臺內各專業頻率的音頻資料平臺也將成為自動化播出系統的下一個發展目標。總之，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。
參考文獻
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