万洋
摘 要 随着数字化、网络化制播技术的发展，我国广播电台正在经历大规模的数字化和网络化改造。在数字化、网络化制播环境下，电台节目的质量如何进行监测与评价成为亟待解决的问题。在此情况下国家新闻出版广电总局制订了《电台节目制播质量监测技术规范》对数字化、网络化、文件化后的节目质量监测相关技术进行了规范和定义。有了规范之后，各电台需要开展相应的系统建设，那么如何依据规范进行具体的节目质量评价呢？本文中研究和设计了一种具体的实施方案，并建设了一个实验平台进行试验。本文的研究会给其他电台搭建类似的节目质量评价系统的建设提供借鉴和样板，具有很好的示范意义。
关键词 数字化；音频信号；监测
中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）183-0065-05
1 研究的内容和意义
随着电台数字化、网络化进程的推进，在整个电台的播控和传输环节中，AES数字化信号传输成为主流配置。在AES传输链路中，因为大量的音频分配器、音频处理器、音频延时器等设备的存在，AES信号的状态常常会发生很多变化，例如载波电压峰峰值（Vpp）的衰减、传输阻抗失配导致的数字信号抖动，AES状态位变化等。这些变化常常会导致系统间各设备AES连接失配，轻则导致音频指标变差，重则导致系统不稳定甚至停播。因此对AES/EBU、MADI信号的基带及载波信号进行监测就成了广播电台迫切要做的事情。
本文对音频域的信号质量评价做了一定的研究，在研究平台中采用的数字信号质量监测仪是具有网络接口的在线AES信号质量监测仪。它可以像示波器一样插入到系统的各个节点中，实时监测各节点的AES载波及基带信号质量，分析眼图、抖动、状态、音频电平、相位以及音频频谱分析等参数。配合上层管理软件可以实现实时、定时系统巡检，自动扫描各关键节点，并准确定位故障点、判断故障类型。系统检测完成后还可以自动生成技检报告，实现系统的自动检测、自动报告。从而节约大量的人力物力，提高电台技检的自动化水平，大幅提升工作效率。
2 《电台节目制播质量监测技术规范》简介
《电台节目制播质量监测技术规范》中规定了主要规定的内容包括：
1）音频信号质量的监测，如电平过低、反相、声道缺失等。
2）数字基带传输音频信号的监测，如AES信号的载波电压、失锁、有效位等，并对多通道数字信号MADI信号中的有效标志、峰值电压等进行了规定。
3）基于计算机网络环境的音频文件质量监测如：文件格式、文件帧结构、比特率合法性、文件传输完整性等。
4）网络传输音频信号的网络和音频信号的质量监测如：延时、丢包率、失真等。
3 监测系统平台设计
本实验平台将《电台节目制播质量监测技术规范》中所规定的音频质量指标和参数作为主要测量对象，主要包含如下测量参数：
1）音频信号幅度、相位进行测量和评价。
2）音频总谐波失真加噪声指标测量。
3）数字音频载波信号测量，如眼图、抖动等信息。
4）网络化传输后音频延时测量。
5）对音频文件进行播出后，对音频幅度、相位及总谐波失真加噪声测量。
6）对三层交换机的网络延时等参数进行测量。
3.1 总体设计及说明
在整个实验平台中，调音台是进行信号播放的中心，本文调音台的测试音源使用的是测试样本信号发生器（PowerEditor）产生的测试样本信号，以及专业音频测试仪（AudioPrecsion）产生的测试样本信号。
矩阵输出直接送入分析对比站，进行音频文件比对，评价音频编解码、光纤传输后的音频质量监测和评价。
另外，矩阵输出信号分别送入网络传输设备，网络音频信号通过三层网络交换机之后在接收端进行输出。输出之后的音频信号与矩阵的直接输出信号会进入音频质量信号监测和评价设备进行比对和监测。第一种设备是在线数字基带信号质量监测设备，第二种设备是离线专业音频测试仪AP2722，第三种设备是比对工作站。
3.2 数字基带监测系统
AES基带信号监测有多种方法，例如通过测量固有抖动（instrinct jitter）、上升沿时间、下降沿时间、载波电压等参数就可以表述AES基带信号的质量。然而测量AES基带信号最直接的方法还是测量它的眼图，通过眼图可以直觀、清楚地看到AES信号的畸变、抖动以及衰减情况。
本系统中采用了在线AES数字信号质量监测仪（本节内简称“监测仪”）进行数字信号质量的监测和评价，它能够实时测量AES信号的眼图、抖动、载波电压，AES通道状态数据、音频幅度和相位以及音频频谱等参数，同时可以通过网络实现在PC机、笔记本电脑或平板电脑上实时观测监测结果。与专业音频测试仪相比，监测仪虽然测量指标相对较少，但体现出了较好的实时性和网络化监测的优势。在本实验平台中，我们将使用监测仪和AP2722一起完成专业音频信号的基带信号质量、音频幅度和相位以及总谐波失真加噪声以及频谱分析等参数的测量和评价。
4 监测和评价方法
4.1 数字音频基带信号质量测量原理
4.1.1 眼图成像原理
采用现代数字信号测量技术，实际设计中采用一次触发，可捕获一组连续的比特位的信号，然后根据信号频率对捕获到的信号按比特位切割，切割一次，叠加一次，最终将捕获到的一组数据的每个比特位都叠加到眼图上。具体步骤如下：
1）首先根据音频信号的采样率FS及信号频率、显示要求、屏幕分辨率粗略计算出眼图的相关显示参数：例如fs为100M，即采样间距Ts为10ns；当信号频率为6.144M时，根据显示要求1.25UI（101.7ns取100ns），屏幕横轴显示分辨率500点，相邻像素点间的时间宽度Tp为0.2ns。
2）根据参数将采样点放在合适的位置，放置时需要按照采样周期进行初始位置偏移。
4.1.2 抖动测量原理
根据成像后的眼图，将图像向横轴投影进行点数累计叠加，找到上升沿和下降沿的交叉点，然后在投影轴上计算宽度，算出jitter值。
4.1.3 上升沿和下降沿的测量原理
根据样本采样值，找到10%～90%峰峰值电压之间的点，计算该区域时间宽度，得到上升沿和下降沿时间。
4.1.4 Vpp测量
根据ADC高速采样值，找出最大值或平均值，直接得出Vpp值。
4.2 AES状态信息测量显示
4.2.1 AES时钟锁定状态检测
采用专业AES接收芯片进行时钟锁定检测，AES/EBU解码端是否可以从串行信号中恢复出采样时钟，处理器读取寄存器状态，并检测失锁报警输出引脚状态，判断时钟是否锁定。
监测方法是直接读取AES信号的通道状态数据，这个数据是AES解码芯片写入的。
数字音频信号通道状态数据的0字节的比特5为“0”则表明取样源频率锁定，为“1”则表明取样源频率未锁定。
4.2.2 双相编码状态检测
AES采用双相标记码来传输数据，提高传输准确度、降低直流分量、恢复时钟。如果AES 解码芯片无法正确对双相标记码解码，将在通道状态数据中写Biphase状态位。
读取AES状态数据中的Biphase位，如果为错误状态，则需检查是否是AES信号，并进一步检查AES基带信号质量，如抖动、上升下降时间等，可依靠眼图检测来判断。奇偶校验。
4.2.3 奇偶校验位检测
AES/EBU及MADI标准作为串行数据传输技术，对传输数据都有奇偶校验值，接收电路再次计算校验值并与串行信号中携带的原始校验值比较，即可知道奇偶校验是否正确。检测方法是通过读取AES基带解码芯片里的对应PARITY位来判断。
4.2.4 循环冗余校验（CRC）检测
AES/EBU及MADI的串行数据中包含循环校验码，用于校验传输过程中是否出现误码。当CRC校验失败，即表明该段数据有误码。检测方法是直接读取AES/EBU解码芯片中对应寄存器内容判断。
4.2.5 有效标志（Validity）检测
AES规范中标准音频采样码可以转换为模拟音频信号的标记。当AES编码端认为信号不是合适的音频信号时就将该有效标记设置为flase，解码端根据该有效位就可以不用音频输入进行信号输出，避免了输出噪声。检测方法是直接读取AES/ EBU解码芯片中的对应寄存器内容。
对于AES/EBU而言就是输出信号的电平峰峰值。当峰峰值超过允许范围，将导致无法解码。按AES3-2003标准，应该在200mVpp到7Vpp之间。
4.3 音频域信号测量
4.3.1 音频电平测量原理
在计算周期内，对左右声道采样点寻找最大值，获得音频电平的峰峰值。
4.3.2 相位测量原理
通过大量的统计发现相关系数与相位之间存在着某种虽然不精确、但却具有相应的、表征其特性的近似关系。因此，本系统采用相关系数计算方法来计算左右声道之间的相位关系。
反相检测原理如下，左声道pcm值以x表示，右声道值以y表示，在n次采样中的每次左右声道信号pcm值分别表示为x（n），y（n），则这n次采样的相关系数计算公式为：
对左右声道的序列进行相关系数计算，并根据系数阈值和持续时间阈值来判断是否反相，如果为MPEG压缩文件则先将MPEG1 L2或L3文件解码为16位PCM原始数据。
4.4 音频网络延时测量方法
在音頻网络化传输延时测量系统中使用专门的音频对比分析工作站系统和波形发生器软件。
波形发生器软件可生成多轨可调节参数的正弦，三角，矩形等相关的测试波形，可调节的波形参数包括采样率，电平，频率等。
音频对比工作站可以通过音频波形分析等独有的监测技术，配合专业音频信号发生器一起完成高精度的网络音频延时测量，测量精度1ms。
分析对比工作站使用专业声卡进行音频信号采集，为了有效克服声卡启动、关闭以及通道带来的固有延时和误差，我们采用了双通道时间差法，通过独特的测试序列，完成音频网络延时测试。具体步骤如表1。
4.5 音频质量测试方法
THD+N：总谐波失真加噪声，用以表征波形畸变程度和噪声大小情况。测量原理是将去除了基波分量之后的信号均方根能量与全部信号的均方根能量之比。本系统中的测量方法是直接采用音频测试仪AP2722。测试路径是首先使用AP2722产生标准测试信号经过调音台网络音频信号输出后，进入AP2722分析仪，测量音频幅度、相位以及THD+N参数。
4.6 文件质量监测方法
对经过编码、存储、光纤传输、解码之后的音频文件进行文件完整性检查、文件格式检查。对文件里的音频幅度、相位进行计算和检查，观测结果是否发生变化。软件可以自动根据用户设置的参数对文件进行分析，对不合格的文件进行剔除并给出告警提示。
完整性检查方法是逐帧检测：
MPEG1 Layer2文件按每768字节逐個分析每一帧帧头信息，MPEG1 Layer3文件逐个分析每一帧帧头信息，帧长度根据帧头计算。检测到有不完整的帧就进行数据告警。同时进行文件冗余校验检查，判断文件的完整性。
比特率检测：
根据每帧帧头信息进行分析，要求MP2时比特率不小于256kbps，MP3时比特率不小于128Kbps。
文件合法性检测：
比较文件扩展名，文件头信息，并进行逐帧检查。只允许三者一致且为mp2或mp3的文件通过，任何篡改或者其他文件不允许通过。
采样精度检测：
检测采样频率和量化精度，要求采样率大于等于44.1Khz，小于等于192Khz。量化精度大于等于16bit，小于等于32bit。
5 结论
1）通过音频测试样本产生器Powereditor和分析对比软，对经过录制、编码、转码、多倍速传输、解码、播放等制播环节之后的音频节目质量进行了测试和评价。
2）通过AP2722专业音频信号产生器和数字信号质量监测仪对数字化、网络化之后的数字音频信号进行了眼图、抖动、基带信号电平、AES通道状态数据、音频电平、相位、频谱等关系音频节目质量的参数进行了测量和评价。
3）通过AP2722音频信号产生器和音频分析
传播创新研究对比工作站，对三层网络交换机的延时，经过网络传输协议传输后的音频传输延时参数进行了测量和评价。
通过本文的音频节目制播质量监测和评价平台的设计和实际测试，我们验证了音频节目质量监测的方法、技术，建立了一套较为全面和完整的音频节目播出质量监测和评价平台和技术。该平台和方法较好地契合了225-GYT 275-2013《电台节目制播质量监测技术规范》。可以为我国各级广播电台建立自己的节目质量监测和评价平台提供借鉴和样板，具有很好的示范意义。
参考文献
[1]国家新闻出版广电总局. GY/T275-2013 电台节目制播质量监测技术规范[S]，2013.
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