摘 要：文章論述了一種基于多路音頻編解碼和數據加密技術，利用4G無線通信傳輸的新型數字廣播系統設計。該設計構建了一套廣播收發終端和數字廣播播發平臺，可支持收發終端單獨進行電話、短信、話筒、U盤、MP3文件等多路模擬和數字音頻的廣播，也可以利用數字廣播管理平臺下發音頻，通過4G通信網絡，實現收發終端的音頻數據的接收、解碼和播放。該系統同時可支持上下級行政區域聯動、分區廣播和定時廣播。
關鍵詞：音頻編解碼;數據加密;音頻收發控制;4G網絡通信
0 引 言
自新冠肺炎疫情發生以來，應急廣播對公共突發事件的宣導和預警作用日益被各級政府認可。目前國內的應急廣播系統主要還是以FM調頻、數字地面電視DTMB、有線同軸DVB-C等單向無線廣播以及網絡寬帶等有線雙向廣播為主，存在安全性差、設備集成度低、功能單一、建設成本高、管理運維難等缺陷。本公司十幾年來專注于我國電信運營商和廣播電視行業的整體數字化改造，以無線射頻及嵌入式終端的核心技術為基礎，為客戶提供從平臺到終端的音視頻節目傳輸整體解決方案。作者作為公司廣播電視研發中心負責人，從現有的廣播系統制約因素入手，設計開發了一套基于多路音頻編解碼和數據加密技術、利用4G無線通信傳輸的新型雙向數字廣播系統，實現了廣播系統的無線化、互聯網化、數字化。
1 整體設計
本設計是基于4G網絡的新型數字廣播系統，研究電話、短信、話筒、U盤、MP3文件等多路音頻模擬采集、音頻MPEG轉碼和數據動態加密、多路網絡傳輸融合組網技術以及應急廣播系統平臺軟件，實現語音的覆蓋、回傳及設備組網和聯動。數字廣播系統的系統架構包括以下四個部分：數字廣播收發終端;音頻處理和數據加密;4G網絡傳輸;數字廣播管理平臺軟件、安全認證、流媒體服務和數據庫。為提升后續系統運維的效率，本設計研究了系統運維軟件，可支持參數修改、日志回傳、升級等設備的遠程管理。本設計遵循標準系統設計規范和系統運維設計規范，具體的系統框圖如圖1所示。
2 硬件架構
如圖2所示，本設計采用SI8000作為主控芯片，基于ARM架構的Linux系統運行軟件。本方案具備多個通道的音頻信號輸入：RCA1和RCA2，USB和MP3、4G模組、短信接入和電話語音接入、話筒等，并將這些模擬音頻信號送入音頻ADC。采樣芯片通過I2S接口將ADC轉換后的數據傳送至主CPU并編碼成AAC或MP3音頻格式。4G模塊具備USB接口、MIC語音接入接口，CPU通過MINI PCI-E接口對4G模塊進行控制及數據雙向傳輸。MIC接口則連接到文本轉語音芯片的語音輸出接口，以實現電話呼入時的操作語音提示。本設計內置100 W功放芯片，可連接音箱、功放機等設備。
3 軟件架構
數字廣播收發終端基于嵌入式Linux系統開發，除了芯片驅動、內核系統、文件系統，還包含音頻編解碼、媒體數據收發、音頻數據加解密模塊等主要軟件模塊。數字廣播管理和運維平臺基于Linux CENTOS7.5系統開發，采用主流的J2EE平臺設計。
3.1 音頻編解碼模塊
該模塊主要功能是將模擬采樣產生的PCM數據或U口接入的數字音頻文件通過模塊進行編碼、轉碼產生不同比特率的AAC和MP3格式的音頻文件。它包含了用于各種音頻封裝格式的生成和解析nllibaformat庫和用于各種類型聲音編解碼的nllibavcodec庫。通過指令nlmpeg-i origine-vn-ar 44100-ac 2-ab 192-f mp3 final.mp3，可將任意格式的音視頻文件編碼成新的MP3文件，其中44 100對應的是重采樣率(單位：Hz);192對應的是比特率(單位：Kbps)，可設置成32-320等多種不同值。
3.2 流媒體數據收發模塊
該模塊主要功能是基于RTSP協議將音頻流推送給支持RTSP的流媒體服務器，實現音頻數據以RTSP協議封裝、解析和收發，支持廣播應用。模塊提供restful api以及web hook接口，支持媒體流列表獲取，拉流和推流流媒體信息詳情查看;支持推流和拉流的上下行流量和連接客戶端數量等統計;支持流媒體的實時監聽功能。
3.3 音頻數據加解密模塊
采用SM2國密算法和對稱算法的密鑰，對音頻流進行加密，加密的密鑰和音頻流通過流媒體格式發送到收發終端，收發終端使用根證書對加密的公鑰進行解密，用公鑰對加密的DES密鑰進行解密，獲取密鑰后采用DES解密算法對音頻流進行解密，播放音頻。收發終端存放1個根證書和10個SM2數字證書，證書定期從控制流中獲取更新。收發終端只有在解密校驗音頻信息錯誤后，才會使用最新的公鑰和數字證書。
3.4 數字廣播管理和運維平臺軟件
基于Linux CENTOS7.5系統開發，采用先進的計算機程序設計平臺J2EE平臺進行設計開發，整個網站系統結構完全可以進行自定義配置和管理設備信息，具有良好的靈活性和可擴展性。系統應用服務器采用Tomcat;數據庫為Mysql 5.6，功能模塊包括安全認證、流媒體服務、媒體制作播發、設備管理、系統運維，整個管理系統易操作易維護。
4 基于4G網絡的收發控制
4G通道收發控制單元是本設計的核心功能。4G模組通過USB-Serial連接主板，設備上電后Linux系統會依照配置的驅動根據VID/PID，將模組作為RNDIS設備掛載，相關端口會出現在/sys/bus/usb-serial/drivers/option1/目錄下以ttyUSBx的形式掛載。并且系統會將該模組認為usb0網卡。設備應用程序檢測到/sys/bus/usb-serial/drivers/option1/出現ttyUSBx設備后，通過lsusb命令檢測其PID/VID，并確定其大致型號。根據型號選擇并打開對應AT口的ttyUSB，進行后續AT指令的查詢與設置。通過socket()與ioctl()函數打開模組網卡usb0，并使用busybox的udhcpc工具來從模組里自動獲取ip。以上初始化流程結束后設備便正常注冊上4G網絡。
收發終端啟動并注冊到4G網絡后，周期性發送設備心跳到管理平臺，同時內置的廣播流媒體數據收發模塊對廣播信息進行監控。當有語音電話接入，設備的AD采樣芯片按已設置的采用率進行AD轉換，生成PCM數據;當有短信接入，設備的TTS芯片將文字轉成語音PCM數據;當有平臺音頻數據接入，流媒體數據收發模塊進行RTSP協議解析后，生成音頻流數據;以上接入數據可單獨接入，也可以同時接入。接入的數據實時傳送到音頻編碼器模塊進行編碼，生成AAC或MP3文件，經過數據加密(電話或者短信)和解密(平臺下發音頻)，產生混合數字信息，控制單元根據收發終端已設置好的優先級產生通過輸出指令，可同步輸出到音頻平衡/非平衡、功放兩種模擬輸出通道，同時生成攜帶不同收發終端區域信息的RTSP流媒體數據，發送到流媒體收發模塊進行數據分發和廣播。通過以上流程，可實現基于4G網絡的多通道接入和多設備的分組、分區廣播，詳細流程如圖3所示。
5 系統調試和成果展示
5.1 數字廣播系統功能調試和性能測試
本設計經過以上的軟硬件模塊開發后，進行了基于4G網絡環境的收發終端和平臺廣播開停播、電話和短信廣播、分組定時廣播等功能調試，輸出音質清晰、流暢。同時針對4G網絡不同信號強度的通信環境，在不同音頻比特率的MP3音頻格式條件下，測試收發終端的4G信號接收門限，確保音頻接收和解碼輸出的清晰流暢。以下是本系統的主要的功能和性能測試數據，如表1所示。
5.2 收發終端實物展示
收發終端的內部模塊如圖4所示，采用工業級開關電源，支持次級短路保護，具備防護外殼，保證設備的穩定與可靠性。電源及輸出端有防雷器件，4G模塊和功放采用模塊化設計，故障時易于更換，核心電路板三防漆處理，設備具有接地端子。
收發終端的外部硬件接口如圖5所示，包含4G天線SMA接口、USB、RCA模擬音頻輸出、SIM卡槽、外置喇叭接線柱、工作狀態指示燈、音量旋鈕等接口，設備倒掛安裝，使用抱箍等配件固定。
收發終端采用全鋁合金柱形機箱，接線全在機箱底部，箱體金屬部分噴粉防腐設計，機箱顏色有灰色和白色可選。如圖6所示是收發終端的正面圖。
5.3 管理平臺頁面展示
數字廣播系統平臺采用B/S架構，可以通過瀏覽器遠程安全登錄管理和信息的展示。如圖7所示，管理平臺采用倒L形菜單結構，包含設備管理、節目制作、廣播管理、運維管理等子模塊，設備管理頁面展示設備狀態、更新時間、當前節目信號強度以及設備功放的電壓電流值。
5.4 相關技術的成功案例
目前該系統借助于電信、廣電網絡等運營商云服務平臺，已在包括福建在內的全國二十多個縣市的農村、景區、學校等地批量商用，日常播放平安三率、黨建知識、文明創城等各類“平戰結合”的宣傳，應急接入新冠疫情、森林防火、洪災備災等突發事件的播報。如圖8所示是數字廣播系統主頁，可顯示系統設備在線數量和實時播放任務數量。
6 結 論
本設計分析了基于4G網絡傳輸的數字廣播市場需求和整體方案，描述了收發終端的硬件原理設計，詳細介紹了基于Linux系統的嵌入式收發終端的軟件模塊和平臺管理運維軟件，并對以上設計系統進行功能驗證和不同4G信號網絡環境下性能測試。該系統組網簡單、部署快、管理便捷、廣播形式多樣，可廣泛應用于美麗鄉村、城市建設、交通、學校、景區等場所。
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作者：吳好
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