摘要：當前國內針對播出信號的監控主要還在技術參數方面，對于最終接收的信號是否正確還沒有好的解決辦法。本文將基于國際臺電臺的技術架構對播出、切換、傳輸和開路監測所組成的大閉環系統，探討一種音頻信號的同源判定方法，在開路接收信號與播出節目源之間進行同源判定，探討存在時延的情況下兩者之間如何在時間上對齊，進而通過相關系數來分析同源與否，運用這種方法，系統可實時發現接收到的節目是否與播出節目源同源，預防節目被插播、篡改等情況的發生。本文第一部分為引言，簡單介紹此方法實現的基礎和國際臺需求，第二部分介紹音頻信號同源判定的實現機制，第三部分介紹音頻信號同源判定的實現方案。
關鍵詞：音頻信號比對相關系數 時延同步
1.引言
中國國際廣播電臺（以下簡稱國際臺）經過多年在海外進行廣播落地傳播，已建成100多個調頻、中波整頻率電臺，除部分節目由頻率覆蓋地域進行制作外，大部分節目都是由臺內進行制作，并通過衛星等鏈路進行節目實時傳輸，這當中會有多個節點進行轉發、接收，最終在頻率落地地域進行發射覆蓋。即便在落地地域自行制作，受環境限制也無法像在國內能夠進行全流程實時監控。由于傳輸鏈路涉及多個環節且距離遙遠，實際上每一種傳輸鏈路都有可能由于主觀或者客觀的原因被插播或篡改。光纖可能被接錯或者獲知傳輸格式后被更換內容，在靠近的地點使用大功率非法信號波束照射接收天線，可能壓制衛星接收的信號源。因此開路接收的節目是否完整或是否有異常篡改也是安全播出中的一大隱患。
筆者多年在國際臺進行安全播出工作，基于臺外節目的監聽監測功能設計，已經實現了海外播出節目的開路收聽和參數實時監測，并能將節目信號實時傳回臺內，但節目內容是否一致仍在探索，本文將就整個節目播出環節的大閉環體系中，開路回傳音頻信號與源信號之間的同源判定功能實現的方法進行探討。
2.音頻信號同源判定實現機制介紹
一般來講，對電臺節目傳播流程的監控可以形成一個大閉環架構，包括節目源播出、節目構成切換、節目流傳輸發射、開路信號監測回傳四個大部分。節目源播出和節目構成切換這兩個環節一般都在電臺內部，安全防范控制比較容易做到，而節目流傳輸發射這一環節往往由于物理環境等因素限制不太容易進行管控，尤其像國際臺除了部分節目在國內播出以外，絕大部分節目都經過多重傳輸環節在海外發射覆蓋，而臺內人員無法實時對信號傳輸過程進行有效監控，這就給安全管控帶來嚴重隱患。
2.1 同源判定機制的選擇
國際臺通過一系列開發和建設，已初步開始搭建海外落地頻率節目的開路信號監聽監測體系，目前僅對節目是否正常播出、調制度和相對場強等節目的技術參數進行判別，尚未對節目內容是否正確進行判斷，但由于在設計之初已經考慮到這一隱患，因此也設計了開路信號的實時回傳功能，這樣就為音頻信號同源判定創造了條件。
首先，如果通過人工方式去對開路回傳信號進行實時監聽監測，這無論對單頻率或者多頻率都是不切實際的。
其次，如果要實時對節目源的內容進行分析，判斷內容是否正確，在現有的技術條件下實施難度和投資規模極高，且無法保證其判斷結果的正確率，也是不切實際的選擇。
考慮到節目源播出的可管控性，也就是說確認節目播出的內容無誤的情況下，我們考慮以節目源為基準，將開路接收回傳的信號與之進行同源判定，判斷回傳信號是否與基準節目源一致。
2.2 同源判定所需要考慮的關鍵點
首先，信號在播出以后，每經過一個環節或者設備，均會產生一定的時延，鏈路距離越長以及經過的設備環節越多，最終收測回傳的信號與基準節目源的時延就越大，且時延并不是一個常數。這就需要在功能設計時考慮如何在一定時間范圍內將信號在時間軸上對齊。
其次，信號經過多個環節和設備后，由于噪聲疊加或者數字信號傳輸丟包，時域波形會發生變化，光憑簡單的波形比較無法真正進行同源判定，必須經由頻域分析再結合時域分析才能準確的判定。
最后，受處理能力和投資規模的限制，必須對算法進行優化，在保證同源判定準確性的條件下盡可能減少計算量，保證能夠通過簡單的設備實時進行判斷，這樣對于功能的實現才有意義。
2.3 信號同源判定機制總結
為了使音頻信號同源判定功能可以高效、安全的應用于國際臺播出技術體系中，在硬件資源有限情況下，性能的追求與算法的簡化之間的折中是關鍵，系統必須滿足以下條件：
1）可以檢測出兩個信號之間的時間差并進行自動對齊；
2）對于信號進行相關分析，以便判別待測信號是否與節目源相同；
3）評估不同計算方法的計算容量占用，選擇最優算法；
3.音頻信號同源判定實現方案
播出的節目源信號（以下簡稱基準信號Y(0)）與開路收測的回傳信號（以下簡稱待測信號X(N)）應為同源信號，這也就意味著這兩組信號具有很高的相似度，最直接的同源判斷方法就是利用兩者的相關系數進行判斷，因而同源的判斷可采用相似性分析的算法進行。同時，由于兩者之間必然存在一定的時延，音頻信號的相關系數分析又與這兩者的同步性即兩段信號是否開始于同一個位置有很大關系，這樣要在整個時延范圍內進行查找將產生巨大的計算量，理論上在實際系統中這個時延不會大于2秒，因此可以采用分階段的查找判斷方法：
第一階段：分段查找進行音頻對齊
第一步：在待測信號X(N)中按設定步長n取出某一段待測信號序列x(n)。
第二步：對信號序列x(n)進行快速離散傅里葉變換（國際臺目前均為數字播出信號，因此均按數字信號處理），獲取待測信號的頻域函數Fx(n/2)；
第三步：同時從參考信號Y(0)開始，以固定步進l取出長度為n的一段信號序列y(k,n)（k,表示第k次步進）進行快速傅里葉離散變換獲取Fy(k,n/2)；
第四步：Fx(n/2)與Fy(k,n/2)進行相關系數計算，得出c(k);
第五步：獲取最大c(k)時的k位置，并截取k前后兩倍步長l的待測音頻段y(m)（m = n+4L）。
第二階段：精確比對判斷是否同源
第六步：y(m)與x(n)進行逐點的相關系數計算,根據最大相關系數找出最大相關位置；
第七步：利用最大相關系數與預設閾值進行比較，從而判斷這兩組音頻信號是否同源。
首先準備兩組音頻信號，其一作為參考信號，設為播出的節目源信號，另一組作為開路收測的回傳信號，如下圖1和圖2：
圖1待測信號時域波形圖
圖2參考信號（截取后）時域波形圖
這兩組信號為同源信號，但稍有時延，且經過一系列播出環節后在電平幅度上稍有變化，符合仿真試驗要求。
按分階段查找的步驟要求，先對待測信號進行快速傅里葉離散變換，可以看出待測信號按一定步長多次計算后的頻域分布，如下圖3：
圖3待測信號頻域分布圖
這樣可以得出每一步長的頻譜結果，到此對于從待測信號的處理就結束了，接下來將對參考信號進行處理，如下圖4：
圖4參考信號的頻譜圖
此時，通過對兩組信號進行快速傅里葉離散變換處理，已經得到兩組信號的頻譜圖數據，接下來進行相關性系數的計算，以便能夠得到兩組信號的對齊時間點，如下圖5和圖6：
圖5分步頻譜相關系數結果圖
圖6時域內逐點相關系數結果圖
由實驗結果可見，獲取兩組音頻信號后，先以某一時刻為起始點，對待測信號分段進行快速傅里葉離散變換處理，然后對參考信號取相同長度的段后進行快速傅里葉離散變換處理，并對得出的兩組函數數據進行相關系數計算。如果計算結果達不到設置要求，則繼續以小于取段的時間單位作為步長在參考信號上繼續取段重復上述處理和計算，在時延不大的情況下將很快得到兩者相關系數最匹配的時間點，這一點即為兩者信號的同步時間點。
這樣在音頻信號起始點開始，通過分段頻域計算和相關系數匹配的方式很快可以得到信號同步時間點，接下來即可以此時間點為基準，開始進行時域相關系數匹配的工作，以實時計算兩組信號是否同源。
3.2 算法優化
對信號進行傅里葉變化可以對每一時刻的信號進行頻域分析，但此方法計算量太大，僅是作為實驗驗證使用，如果將其應用到電臺實際監測體系中，每一個監測點都需要配備高級服務器進行處理，這對于實施應用不具可操作性，我們的目標是盡可能在應用時實現高性價比，因此，對算法進行優化以及計算芯片處理能力的提高是實現信號實時同源判定實用化的兩條路，筆者這里只對算法優化提出一些自己的看法。現在數字信號處理方面已有多種優化方法，快速傅里葉變換是其中一個方法，比如頻域抽取的算法和時域抽取的算法，通過頻域抽取的基2算法，可以使計算量縮小約200倍，這就使得音頻信號實時同源判定的實際應用成為可能。