摘 要：基于数字音频技术、计算机网络技术和多媒体技术设计实现了广播电台自动化播出系统，详细介绍了系统架构和各模块功能。
关键词：数字音频技术 多媒体技术 自动化播出系统 音频节目数据库

　　本研究在吸收国内外系统先进性的基础上，结合我国广播电台业务流程及特点，开发了播出站数据库多指向及网络状态智能判断等多项技术，设计完成了用于广播电台的自动化播出系统。本系统可实现节目录制、编辑、播出和音频节目管理、系统管理的数字化及自动化，在实际应用中取得了比较好的效果。
1 自动化播出系统的关键技术
　　广播电台自动化播出系统是电台的数字化、自动化综合业务系统。它以音频节目的制作、播出和媒体管理为主线，基于信息技术和人性化、科学化管理理念实现广播电台节目制作、播出和媒体管理的自动化、数字化。其关键实现技术包括数字音频编码技术、计算机网络技术、多媒体技术和DSP处理技术等。
1.1 多媒体通信技术
　　随着科技进步和社会的发展，装载和传输信息的媒体越来越多，人们希望使用多种表示媒体，通过多种传输媒体进行各项工作，并实现多种表示媒体的新的通信模式。
　　根据国际电联（ITU-T）的定义，媒体指的是以下5种：感觉媒体（Perception medium）、表示媒体（Representation medium)、显示媒体(Presentation medium)、存储媒体(Storage medium)、传输媒体（Transmission medium）。
　　利用多种媒体进行通信的系统称为多媒体通信系统。它具有3个基本特征：(1)集成性：指的是多媒体通信系统能够处理、存储多种表示媒体，并能显示多种显示媒体。所以，该通信系统有多种编/解码器和显示方式、能与多种传输媒体进行接口并进行通信。(2)交互性：指的是终端与系统的交互通信能力。多媒体通信终端的用户对通信的全过程有完备的交互控制能力。这是区别多媒体通信系统与非多媒体通信系统的一个重要准则。(3)同步性：指的是在多媒体通信终端上显现的图像、声音和文字是以同步的方式工作。
1.2 数字音频压缩编码技术
1.2.1 数字音频压缩编码的必要性
　　数码录音机（DAT）或CD具有清晰、优美的音质，这是任何模拟音频技术无法比拟的。有时用户希望能方便地记录/重放或接收具有CD音质的数字音频信号。然而，将模拟音频信号进行A/D转换后，获得的数字音频信号要占有极宽的且恒定的频带宽度，例如DAT磁带，当取样频率为48kHz，量化级数为16位时，立体声的数据传输率为：48kHz×16b×2＝1.536Mbps，即带宽恒定为1.536Mbps。传输或存储如此巨大的信息量相当困难。
　　根据香农（Shannon）定理：如果所使用信号的平均信息量比传输信道的容量小，则必然存在正确地传输信号的编码方法。此定理表明，为了有效地使用传输信道和高效率地传输/记录信号，就必须知道信号的信息量和记录/传输信道的容量，确定出最佳的编码方法。由上面的计算可以知道，数字音频信号的信息量为采样频率与量化比特数的乘积，且是恒定值。研究表明，数字音频信号本身具有很大的冗余度，可以进行压缩编码。不同的传输速率对主观听觉的影响如表1 所示。

　　设取样频率为48kHz，量化级数为16b，对数字音频信号进行6:1压缩，则1小时立体声节目所需存储空间为：48k×（16÷8）×2×3600÷6≈0.11GB。即1小时立体声节目需要大约0.11GB的存储空间，这时传输码率为256Kbps。这样，采用音频压缩技术不仅大大节省了存储空间和传输带宽，而且节目的主观音质达到CD质量。
　　数字音频格式是指一个用来表示声音强弱的数据序列，由模拟声音经抽样、量化和编码后得到。目前常用的专业音频压缩编码格式有：用于MD的ATRAC、用于DCC的PASC以及符合ISO/MPEG标准的MUSICAM、ASPEC、APT-X和Dobly-AC等。其中，由于MPEG-1 Layer 2(MUSICAM)声音压缩格式易于编辑、剪切，所以在国内外广播电台广泛应用。
1.2.2 MPEG-1 Layer2压缩编码算法
　　MPEG-1 Layer2编码是由Eureka-l47计划研究开发的，该编码以其高质量和高效率广泛应用于数字音频节目的存储、制作和数字化广播中。为了方便电台间的节目交流，在本系统中采用MUSICAM编码格式，音频文件后缀通常为S48(stereo、48kHz)。
　　MUSICAM编码是子带压缩技术中的典型代表。子带编码理论最早由Crochiere等于1976年提出，又称为感知型（Perceptual）压缩编码。由于人耳对不同的频段范围的声音敏感程度不一样，在20Hz～20kHz范围内，人耳对中频段信号较敏感，对二端的低频和高频段信号较不敏感。因此，MUSICAM就是利用人耳的听觉特性，采用分频段量化的算法，把音频信号分割成32个子频段，在编码时根据各子带的不同量化阶数，采用了动态比特分配技术。采用正交镜像滤波器(Quadrature Mirror Filter，QMF)或多相滤波器(Polyphase Filter Bank）进行频段分割。在利用人耳的掩蔽效应时，只对掩蔽门限以上的音频信号进行编码传输，避免了对大多数人耳感觉不到的、在掩蔽门限以下的音频信号进行编码，使传输速率大大减少。这样在整个传输速率固定的情况下声音质量大幅提高。在本系统中，采用MPEG-1 Layer2进行6:1压缩，数字传输率为256Kbps。MUSICAM编码原理框图如图1所示。

1.3 PCX专业音频卡
1.3.1 数字信号处理器
　　数字信号处理器(DSP)可以对音频信号进行实时线性处理或压缩处理，是音频处理卡的核心部件。它将输入的模拟信号做A/D转换后进行处理，再按预先定义的方式输出，其主要部分是数字滤波器(Digital Filter)。数字滤波器把数字位流按预定方式进行变换。任何一种音频处理功能都可以在数字信号处理系统中用数字滤波器实现，如利用数字滤波器可以任意改变声音的幅度、频率和时间范围等特性。

　　DSP以其设计所允许的速度运行，而数字音频信号则要求以音频采样速度来处理，二者之间的协调由中断来完成。中断是引起程序改变执行顺序的硬件信号，由处理器时钟产生。处理器在执行2条指令之间检测是否有中断信号。当检测到有中断信号时，处理器挂起正常执行的程序，转而执行子例程（Subroutine）。执行完子例程后，继续运行原来的程序。在数字信号处理程序中，正常执行的程序是一个空转程序，即它不处理任何信息。有关音频采样的计算在子例程中进行。主采样时钟用于在采样输入后向数字信号处理器发出中断。子例程在空转间隙以采样速度执行基本时序。实际上这种情况仅在子例程的执行时间少于采样间隔时才成立，否则系统将崩溃。要解决这个问题需要编写更加精巧的子例程，或者使用处理能力更强的芯片。
1.3.2 PCX专业音频卡
　　专业音频处理卡常用的DSP芯片有TMS320C31、APT-X100及Motorola-5600系列。法国Digigram公司生产的PCX专业音频处理卡系列在国内广播电台已广泛使用，它采用Motorola-5600系列DSP芯片。PCX卡的各项音频性能指标优于我国的甲级广播标准，具有AES/EBU数字音频和模拟音频的输入/输出接口及MIDI接口，最大输入/输出电平为22dBv；采样频率为8k、11.025k、16k、22.05k、24k、32k、44.1k、48kHz；可以进行4:1～24:1的码率压缩处理，并支持MPEG标准，也可进行线性录音、放音；可在Windows98、WindowsXP和Windows2000提供的环境中工作。
2 构建自动化播出系统
　　PCX专业音频卡作为自动化播出系统的核心硬件平台，采用MPEG-1 Layer2进行6:1压缩编码格式，采样频率为48kHz，完成输入/输出并编辑大量的高质量音频节目信号。设计软件功能时要充分利用PCX卡的DSP处理能力，发挥PCX卡强大的非线性编辑功能。整个自动化播出系统构建要认真考虑广播电台节目从制作到播出的各个环节可能发生的各种情况，能够灵活地应对突发新闻事件，并着眼于广播业务未来发展的方向。
2.1 自动化播出系统基本架构和模块功能
2.1.1 模块架构
　　在本系统中，主要包含以下几个程序模块：系统管理模块、节目录制模块、节目单编排/节目审听模块、节目播出模块、节目自动预载模块、系统校时模块。自动化播出系统程序各功能模块关系如图2所示。

2.1.2 各功能模块描述
　　(1)系统管理模块：主要完成自动播出系统中的系列台设置、节目设置、栏目设置、模板设置和人员设置等相关功能。
　　(2)节目录制模块：支持即录即画声音波形和非线性编辑等功能。节目制作完成后可存储在本地的临时节目库中，再根据节目的类型，发送到节目服务器上音频节目库或播出节目库中。
　　(3)节目单编排/节目审听模块：从公共音频节目库、系列台音频节目库或播出节目库中选取所需的节目按播出时间进行节目单的编排/还可以对节目库中所有的节目进行查询、审听。
　　(4)节目自动预载模块：通过SQL数据库的事务复制功能把即将播出的节目从节目服务器实时自动预载到各播出工作站的本地硬盘，可预先自定义预载几天的节目。节目自动预载功能可以减少在节目播出时对网络带宽的压力，可保证在网络或节目服务器出现突发故障的情况下，播出工作站也能够正常播出，从而保障了播出安全。
　　(5)节目播出模块：适于直播、录播、插播、定点播等各种情况。既可按照播出节目单自动播出，也可由主持人手动播出。主持人可通过直播版块，直接访问节目库调用所需节目，利用快捷键随机播出。当实际节目的时长短于系统设定的节目的时长时，系统将自动补乐播出而不会出现空播。
　　(6)系统校时模块：自动播出系统的时间校准模块通过定时与广播电台的母钟比对，使整个系统网络时钟与母钟同步，从而保证了播出工作站节目的准时播出。
2.1.3音频节目数据库
　　音频节目库包括各系列台的播出节目单以及全台共用的节目素材、各系列台内部共用的节目素材和属于各系列台栏目的专有节目。为了快速查询所需的节目，本系统对节目进行了科学的分类，节目类别由2级构成，即节目大类别和节目小类别。在节目大类别之下可根据需要设定若干个节目小类别。
　　(1)全台公共音频节目库：全台所有的系统用户可以访问全台公共音频节目库，可以根据节目内容、来源和用途等实际情况分类设置多个公共节目库。
　　(2)本系列台播出/音频节目库：本系列台播出节目库保存几天内待播的节目。这些节目无需长期保存，播出后即可删除。本系列台音频节目库是本系列台内共享的，可长期保留。只有本系列台的编播人员可调用该库的节目进行播出或作为素材来制作节目。
　　为了科学、经济地使用存储空间，系统可以为每个栏目设定存储容量限制，以督促编播人员及时整理和删除过时的节目。各栏目库中的节目只有该栏目组成员才能访问。这样的数据结构可以解决不同部门的音频资料共享和专有音频资料的矛盾，提高了各部门节目内容更新的频率和硬盘空间的利用率，同时又保证了节目内容的安全。
2.2 自动化播出系统事故处理与预防
2.2.1 主备播出互备技术
　　播出工作站采用双机互备技术，即2台播出工作站同时工作，一主一备。正常情况下，由主机播出，备机与主机同步哑音播出，备机通过串口实时监视主机的工作情况，一旦发现主机停播，备机将自动升为主机继续播出。原主机故障排除后，作为备机继续双机热备份。
2.2.2 播出站数据库多指向技术及网络状态智能判断技术
　　在本系统中采用了播出工作站数据库多指向技术。在播出工作站本地硬盘建立本地节目库。利用MS_SQL的数据复制技术，将节目服务器数据同步到各个播出工作站，即播出工作站本地数据与节目服务器数据库数据实时相同。正常情况下，播出工作站根据节目是否已预载，自动到本地数据库与服务器数据库中检索音频资料。播出站利用网络状态智能判断技术实时监视和判断当前网络状态。当网络或服务器出现故障时，播出工作站能够及时断开与服务器数据源的连接，指向本地数据库。播出站成为一个单机版播出系统，从而最大限度地保证了安全播出。此时播出站的本地数据库是由那些已下载到本地的节目组成的小型数据库。
2.2.3 待播出节目锁定技术
　　播出节目录制完成后，需要由节目审核人员对播出节目的内容进行审核。审核通过后，对该待播出节目进行锁定，以保证节目安全。对于节目审核人员来说，可以通过节目编排站来对节目进行加锁和解锁。已锁定的播出节目如果不进行解锁，录制站就不能覆盖该节目，这样可以防止误操作或恶意修改待播出节目的内容，保障播出节目内容的安全。节目播出后会自动解锁。节目的锁定和解锁在管理站均能进行日志查询。
3 结束语
　　计算机多媒体网络技术与数字音频技术的结合将广播技术领入了一个新的时代，但这项技术在广播领域的使用才刚刚开始，还有许多不足。随着节目制作、播出理念的不断更新，自动化播出系统将根据不同的专业频道、不同的节目形态而细化系统功能模块，为不同专业频道量身定制，使系统功能更加专业、完善。此外，媒体资产管理系统作为支撑电台内各专业频率的音频资料平台也将成为自动化播出系统的下一个发展目标。总之，随着技术与理念的不断进步，我们将拥有使用方便、易管理、更高速、更大存储容量、更安全可靠的自动化播出系统。
参考文献
1 马小虎.多媒体数据压缩标准与实现.北京：清华大学出版社，1996
2 张海藩.软件工程导论.北京：清华大学出版社，2003
3 余崇智.运动图像及其伴音标准与编码—MPEG1.天津：南开大学出版社，1995
4 吴乐南.数据压缩的原理与应用.北京：电子工业出版社，1995
5 中华人民共和国国家标准.GB8567-88计算机软件产品开发文件编制指南.1989
6 中华人民共和国国家标准.GB1526-89信息处理文件编制符号及约定.1989