（信息与通信工程专业论文）广播信号监测系统的研究与应用.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 本课题研究了广播信号监测系统，用来获取和管理监测数据。广播监测是伴随着广播 传输和覆盖的发展而发展的，广播节目传输到哪里，监测就应该跟踪到哪里。一个庞大的 现代化广播传输覆盖网，需要一个高质量、高效率的广播监测网。广播监测是广播电视事 业的重要组成部分，是维护广播电视空中电波秩序、保护用户权益、改善广播电视覆盖效 果的必要手段。因此，对广播信号监测系统的研究具有重要的现实意义。 本文分析了广播监测的背景和发展状况，设计了系统的基本结构，主要工作是利用 v i s u a lc + + 和m i c r o s o f t ：s q ls e r v e r 完成了后台监控中心软件的设计，包括数据库的设计与 应用和串口通信这几个部分。监控中心通过所设计的监测和管理软件，实现了由鼠标和键 盘进行的人机对话和操作控制。此外，针对监测系统的监听功能要求，还研究了一种比较 高效的语音压缩编码算法，即基于静音检测( 山) 的多带激励( m b e ) 声码器。通过对 几种常用的语音静音检测算法进行仿真和比较，选择性能最好的检测算法并应用到了多带 激励语音编解码器中，通过仿真证明这种算法能达到系统所要求的语音压缩效果。 关键词：监测系统，数据管理，音频信号，压缩编码 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nd e v e l o p m e n ta n di m p l e m e n to fa u t o m a t i co b s e r v a t i o ns y s t e mo f b r o a d c a s t i n g t h es y s t e m s a i mi st om o n i t o ra n dm a n a g ed a t aa c q u i r e d b r o a d c a s t i n g m o n i t o r i n gd e v e l o p sw i t hb r o a d c a s t i n gt r a n s m i t t i n ga n do v e r l a y i n g w h e r eb r o a d c a s t i n g p r o g r a m st r a n s m i t ，w h e r et h em o n i t o r i n gc o m e s al a r g em o d e mb r o a d c a s t i n gt r a n s m i t t i n gn e t n e e d sab r o a d c a s t i n gm o n i t o r i n gn e t b r o a d c a s t i n gm o n i t o r i n gi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h er a d i o a n dt e l e v i s i o nc a u s e ，a n di st h ei n d i s p e n s a b l em e a n st om a i n t a i nt h eo r d e ro fr a d i oa n dt e l e v i s i o n a i rw a v e s ，t op r o t e c tu s e rr i g h t sa n di n t e r e s t sa n dt oi m p r o v et h ee f f e c t i v e n e s so fr a d i oa n d t e l e v i s i o nc o v e r a g e t h e r e f o r e ，t h es t u d yf o rr a d i oa n dt e l e v i s i o ns i g n a lm o n i t o r i n gh a si m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s t ，t h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n to ft h em o n i t o r i n gs y s t e mo fb r o a d c a s t i n ga r e a n o l y s e d s e c o n d ，t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sd i s c u s s e d t h e n ，i n t r o d u c i n gt h em o n i t o r i n g d e v i c e ，u s i n gs o f t w a r es u c ha sv i s u a lc + + a n dm i c r o s o f ts q ls e r v e r , w ed e s i g n e dm o n i t o r i n g s y s t e mt h a ti n c l u d e sa p p l i c a t i o no fd a t a b a s e ，s e r i a l - p o r tc o m m u n i c a t i o na n ds oo n w i t ht h e s o f t w a r e ，t h em o n i t o r i n gc e n t e rc a nr e a l i z em a i l - m a c h i n ec o n v e r s a t i o na n do p e r a t i o nb ym o u s e a n dk e y b o a r d a tl a s t ，as o r to fe f f i c i e n tc o d i n ga n dc o m p r e s sa l g o r i t h mo fa u d i os i g n a li ss t u d i e d ， t h a ti sm u l t i b a n de x c i t a t i o n ( m b e ) c o d e cb a s e do na l g o r i t h m so fv o i c ea c t i v a t i o nd e t e c t i o n ( v a d ) i nt h em e a n t i m e , s e v e r a lc l a s s i c a la l g o r i t h m so fv a d h a db e e nr e s e a r c h e da n ds i m u l a t e d i nt h ep a p e r b ys i m u l a t i o n , t h eb e s tv a da l g o r i t h mw a sc h o o s e da n da p p l i e dt ot h em b e c o d e c a n dt h em b ec o d e cb a s e do nv a d a l g o r i t h mw a ss i m u l a t e d f r o mt h es i m u l a t i o n ， w ec o m et oac o n c l u s i o nt h a tt h i sc o d i n gt e c h n i q u ec a na c h i e v et h ea i mo fa u d i oc o m p r e s si no u r s y s t e r n k e yw o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e m ，d a t am a n a g e m e n t ，a u d i of r e q u e n c ys i g n a l ，s p e e c h c o m p r e s s i o n 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：霾迄 日期：啤：笙丛 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：翼2 复 导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 广播电视监测是伴随着广播电视传输和覆盖的发展而发展的，广播电视节目传输到哪 里，监测就应该跟踪到哪里。一个庞大的现代化广播电视传输覆盖网，需要一个高质量、 高效率的广播电视监测网，以便能够准确、及时地反映广播电视播出质量和传输效果，检 查覆盖情况，了解各类播出系统是否按照标准的技术参数播出，监测空中电波秩序和网络 频道秩序，为改善播出质量、扩大有效覆盖提供依据，建立广播电视技术质量自我监督机 制。广播电视监测是广播电视事业的重要组成部分，是广播电视事业建设的基础性工作， 是行使广播电视政府管理职能的组成部分，是各级广播电视行政主管部门和电台技术质量 评判的依据，是维护广播电视空中电波秩序、保护用户权益、改善广播电视覆盖效果不可 或缺的手段。因此，对广播电视信号监测的研究具有重要的现实意义。 目前，国外一些国家采用远程自动监测，与发射台及总控机房联网，无需人工值班。 美国、日本等发达国家的远程监测技术都是基于本国先进的光纤、卫星等通讯网络实时调 用监测点的数据，并通过总控计算机系统分析监测点数据对发射机进行远程调整或切换备 份播出系统。这些系统一般都能通过网络回传监测点的图像和声音，了解各监测点所在覆 盖区的播出效果【l 】。而在我国，还有很多广播电视发射台、微波站的发送设备主要由人工 定时巡机、人工控制、人工抄表，值班人员的劳动强度大，经常会出现少抄、漏抄数据的 现象，资料数据的保存也不科学，查询很不方便，在设备控制过程中，难免有人为操作失 误。所以在广播系统中采用计算机技术以实现自动化已是一种必然趋势，而建立广播监测 台计算机监控系统更是目前广电系统所关注的热门话题之一。 1 2 广播监测概述 广播电视监测是通过客观测量和主观评价，如实反映广播电视节目播出质量和效果的 过程【2 1 。广播电视监测技术属于数字信号处理研究领域，其目标是在多年来人工监测和管 理成果的基础上，结合国内外类似系统的研究与实施，实现满足需求的计算机监测系统， 用以科学准确地获取监测数据，并科学严密地管理监测数据，实时全面地掌握相关区域内 信号的综合分布特性，是应用计算机技术对广播电视信号加强技术维护和管理的重要举 措。监测的具体内容包括监听节目播出质量、监测发射机运行状况以及测量信号的场强、 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一荦绪论 调制度等一系列参数。 广播监测与测量是不同的概念，具体表现在：测量更侧重于反映信号特定指标的静态 状况，要求量的精准，反映的是一时一地的信号质量；监测则更关注信号临界状态的表现， 考察的是某一具体指标的变化情况，反映的是一段时间一定范围内的信号变化情况。这种 区别使得现实中的监测和测量手段有很大差异：广播测量工作的主要技术流程有明确的技 术标准体系，信号的测量也有成熟的技术，各种测量设备配套齐全，大都是由厂家生产的， 有相应的国际和行业规范；广播监测实际上是一个相对宽泛的概念，是根据定量的测量， 并结合一个时期内动态的考察，作出的定性描述，无确切定量的界定，它主要关心的是自 己台的覆盖范围、收听效果，以及广电管理部门、无线电管理委员会通过监测本辖区的广 播信号，了解哪些是本辖区的台，是否有非法敌台等等。 广播是通过无线电波或导线传送声音、图像的具有多种功能的现代化传播工具。从传 播对象看，广播可分为两类：仅仅传送声音的，称为声音广播，简称广播；同时传送声音、 图像的，称为电视广播，简称电视。本文只研究声音广播的监测和控制。 目前，广播监测业务已经从单一监测声音广播，发展成为对无线、有线、卫星广播节 目信号的全面监测；从单一监测中短波，发展到监测涵盖米波、分米波、厘米波的广播频 段。广播监测技术已经摆脱了简单的手工操作，形成无线广播监测系统、有线广播监测系 统和卫星广播监测系统，向自动化、网络化和智能化方向发展。 1 3 语音信号数字编码在监控系统中的作用 对广播信号的采集、传输与存储等处理都离不开对音频信号的数字化处理技术。语音 信号处理是目前发展最为迅速的信息科学研究领域之一，也是难度很大的课题。它一直是 数字信号处理技术发展的重要推动力量。 从通信角度来说，编码就是对信号进行处理，使之变换成适合于信道传输的形式。因 此，在数字通信中，语音编码往往和语音信号数字化密切相关。编码一般分为信源编码和 信道编码两种。本文主要讨论语音信号的信源编码。信源编码主要是为了提高信号传输和 存储的效率，即压缩数字语音信号的比特率( 每秒钟传输语音信号的比特数，通常也称为 数码率) ，使得同样的信道容量能传输更多路的语音信号，或者说存储数字语音信号只需 要较小的容量。因此这一类编码又称为语音信号的压缩编码。我们说的语音编码即为压缩 编码【3 1 。 语音的压缩编码，按编码后传输的数据速率，可分为高速率( 3 2 k b s 以上) 、中高速率 2 堕室塑皇奎兰堡主婴窒竺兰篁笙奎 一 至二量堕鲨 ( 1 6 - - - 3 2 k b s ) 、中低速率( 4 8 - - - 1 6 k b s ) 、低速率( 1 2 - - - 4 8 k b s ) 和极低速率( 1 2 k b s ) 五大类 4 1 。一般说来，编码速率越低，则算法复杂度越高，编码时延越大，重建语音质量 越差，所以语音编码总是要对编码速率、计算量、语音质量和编码时延等几个方面综合考 虑。现在的语音编码研究主要集中在如何在较低的速率上获得较高质量的语音，这也正是 本文考虑选择语音编码方案的出发点。 1 4 论文研究的主要内容及安排 本文首先介绍了广播监测技术的背景和发展状况，接着设计了系统的基本结构，然后 利用v i s u a lc + + 和m i c r o s o f ts q ls e r v e 设计了后台监测软件，主要包括数据库的设计与应 用、a t 命令集对m o d e m 的控制以及串口通信这几个部分。最后针对系统的要求，研究了 一种比较高效的语音压缩编码算法，即多带激励语音编码方法，对几种常用的语音静音检 测算法进行了仿真和比较，选择出性能最好的检测算法并应用到了多带激励语音编解码器 中，通过仿真证明这种算法能达到系统所要求的语音压缩效果。在整个系统的研究中，重 点放在后台中心监控管理软件的开发设计和音频信号编码算法的研究上。 论文一共分为五章，组织结构如下： 第一章分析了广播监测系统的课题背景、国内外发展状况以及系统概况。 第二章论述了系统的结构设计和实现原理，包括监测记录仪的原理和监控中心的实现 原理，并提出了系统所要实现的基本目标和基本功能。 第三章给出了监测记录仪软件的设计方案，并详细论述了监测控制中心软件的开发过 程，即监测平台综合处理模块以及通信模块的开发，包括负责存储管理监测数据的数据库 部分的设计以及前端监测记录仪与后台监控中心之间的串口通信部分的开发。 第四章针对系统的具体功能要求，研究了一种比较高效的语音压缩编码算法，即基于 静音检测的多带激励语音编码方法。 第五章对整个研究工作进行了总结，并提出了一些改进措施。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章广播监测系统的结构设计 第二章广播监测系统的结构设计 广播信号监测系统是为了适应广播事业的高速发展，以及满足广大人民群众对广播播 出质量的高要求而研制的。它的主要任务是监测各广播台的信号活动、信号分布、信号参 数、信号质量以及播出时间等。具体地说，就是对各发射台的功率、调制度、播出时间等 工作指标进行开放式的实时监测。 课题的主要任务是在无人值守广播监测业务中应用计算机技术来监测各频率发射的场 强、功率及开关机状态量( 开关机时间) 等。根据课题的具体要求并结合实际来设计广播 监测系统，以计算机为中心，与电话网相连接，监控管理各网点。 2 1 广播信号的基本特征 从电磁学来说，接通交流电的导线周围有变化的磁场存在：变化的磁场在它的周围又 引起变化的电场，变化的电场又在它周围更远的地方引起变化的磁场。这样，磁场和电场 不断互相交替产生，将电磁场向周围空间传播开来。这种向周围空间传播的电磁场，就是 电磁波。也就是说电磁场是以电磁波的形式传播的。无线电波就是电磁波的一种。 无线电波在空间传播的速度约是3 1 0 8 米秒。电波在一个振荡周期t 内传播的距离叫 做波长。波长、频率和电波传播速度的关系可用公式九= c f 表示。式中，卜波长，c 一传 播速度，卜频率。 一般来说，频率从几十千赫至几十万兆赫的电磁波都称为无线电波。频率相差很大的 无线电波，传播规律不同，应用也不同。所以通常把无线电波分为表2 。1 所示几个波段。 波段名称波长范围频率范围 频段名称用途 超长波 1 0 4 - - - 1 0 s m3 0 3 姐z甚低频v l f海上远距离通信 长波 1 0 3 - - , 1 0 4 m3 0 0 3 0 k h z低频l f电报通信 中波2 1 0 2 15 0 0 3 0 0 k h z中频m f无线电广播 1 0 3 m 中短波 5 0 2 1 0 2 m6 0 0 0 中高频电报通信、业余者通信 1 5 0 0 k h zm h f 短波 10 - - 5 0 m3 0 6 m h z高频h f 无线电广播、电报、业余 者通信 米波 1 1 0 m3 0 0 3 0 m h z 甚高频无线电广播、电视、导航 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章广播监测系统的结构设计 v h f 和业余者通信 分米波1 1 0 d m3 0 0 0 3 0 0 m h z特高频电视、雷达、无线电导航 u h f 厘米波 1 1 0 c m3 0 3 g h z超高频s h f无线电接力通信、雷达、 卫星通信 毫米波1 1 0 m m30 0 - - - 3 0 g h z极高频e h f电视、雷达、无线电导航 亚毫米波l m m 以下3 0 0 g h z 以上超极高频无线电接力通信 表2 1 无线电波的波段 通常把分米波和米波合称为超短波，波长小于3 0 c m 的分米波和厘米波合称为微波。 波长不同的无线电波在空间传播的特性不同。长波、中波遇到障碍物后绕射能力较强，它 沿地球表面传播。由于电离层对长波和中波有较强的吸收作用，特别是白天，所以它们不 能靠电离层反射来传播。短波虽然绕射能力较弱，但能依靠电离层的折射和反射传播。超 短波、微波遇到障碍物后绕射能力更弱，又不能被电离层反射，只能沿直线传播，传播距 离接近于目视距离，这些波段目前主要用于中继通信、调频广播和电视，以及雷达、导航 和卫星通信。 把音频信号装载到高频载波中去的过程叫调制。调制有调幅、调频和调相三种方式， 对于无线电广播来说，一般的载波都是正弦波，即： u 。( f ) = u o s i n ( w # + o ) ( 2 1 ) 式中：u 。一高频载波振幅，w 0 一高频载波角频率，。一高频载波的初相位，u 。( f ) 一 高频载波的瞬时值。如果分别使振幅、频率和相位三种量按某一个信号的规律变化，即调 幅( 变u o ) 、调频( 变w o ) 和调相( 变。) 。 调制的实质，就是使高频正弦波信号的三要素中的某一要素按音频信号的变化规律变 化。所以调制方式的不同其实就是高频载波变化规律的不同。这样就产生了三种调制方式： 调幅，是指高频载波的幅度随音频信号大小的变化而变化，而载波的频率不变；调频，是 用音频信号去调制高频载波的频率，即高频载波的频率随音频信号大小的变化而有规律地 变化，载波的幅度( 振幅) 则保持不变；调相，是让高频信号的初相角随音频信号的大小 作正比例的变化。目前，无线电广播大多采用调幅和调频的调制方式。 2 2 广播监测系统的构成和实现原理 广播监测系统主要由前端监测设备和后台监控中心两部分构成，两者之间可通过移动 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章广播监测系统的结构设计 通信网或公用电话网进行通信【l 】，如图2 1 所示。而前端监测设备主要是分布在各监测点 的监测记录仪，所以系统的实现原理可以分为两部分：监测记录仪和监控中心的实现原理。 图2 - l 系统结构图 ( 1 ) 监测记录仪的原理 监测记录仪具有多通道，能接收设定频率多路通道的广播信号。 通过监测记录仪的收音接收模块，将每一路调幅广播信号进行混频、中频放大后得到 一中频信号，并将该中频信号分为两路：一路送至中放检波模块，其输出的语音信号再送 至均值电路和峰值电路；另一路送至收音机的中放检波模块输出语音信号。将提取出来的 峰值和均值信号经过a d 采样之后，送至d s p 来处理，d s p 通过端点检测和参数计算来判 断当前的工作状态，将重要的参数通过网络传输到监控中心，达到实时监控的目的。 ( 2 ) 监控中心原理 监控中心是各地监测记录仪的中心，每一个监测记录仪都可以与监控中心进行通信， 将监测到的数据上传，上传的数据存储到监控中心数据库中。监控中心设备包括一台普通 p c 机及由它控制的调制解调器( m o d e m ) 。监控中心一方面接收监测记录仪的呼叫，通 过网络接收故障信息，实时显示该监测点任意电台的场强、调制度和语音信息，将接收的 信息入库；另一方面可以主动呼叫监测记录仪上传数据。 2 3 广播监测系统的设计要求 广播监测系统产生的背景，决定了它既是一个监测设备，又是一个管理工具，所以对 其有特定的要求。这一节主要讨论监测系统设计的基本实现目标和功能。 2 3 1 监测系统的基本目标 监测系统的基本目标如下： ( 1 ) 监控中心可以显示各监测点的状况，监测各频率发射的场强、调制度、开关机 的状态量( 开关机的时间) 。在不正常时，记录不正常值，并扬声器提示值班人员。 ( 2 ) 监测记录仪监测场强等信号参数。对场强等参数设定阈值，在工作时循环监测 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章广播监测系统的结构设计 各频率的参数，并与设定阈值进行比较，如果在正常范围内，将不会有任何动作，否则将 启动越限报警，将其值传送到监控中心。 ( 3 ) 监测记录仪监测广播信号的开关机时间。监控中心可设定某监测点广播的正常 开关机时间，在正常工作时间内，如果中断时间超过一定值后，监测记录仪将该不正常情 况发送到监控中心，中心计算机记录存储并报警。 ( 4 ) 能将广播收音的音频信号传送到监控中心，实现实时传送和播放。 2 3 2 监测系统的功能 监测系统所要实现的功能如下： 监测功能：测量指定发射频率广播电台的场强、调制度等指标。 监听功能：将解调后的音频信号做压缩处理并支持远程监听和录音回放【5 】。 数据存储功能：监控中心通过通信媒介，将监测的报警信号等记录存储到数据库。 用户管理功能：监控中心实现对不同用户的权限管理，使满足权限要求的用户能 对存入的数据进行添加、修改、删除等操作。 统计查询功能：具有对各目标广播电台监测数据的统计分析功能，具备统计各目 标广播电台的播出时间、停播时间、异态状况等的统计查询功能。 系统日志功能：系统可以自动生成操作日志，并管理日志。 通信功能：监测记录仪与监控中心之间能够有效实现通信：一是监控中心能够主 动呼叫监测记录仪进行频率等参数的设定，监控中心能够主动呼叫监测记录仪将某一频率 广播信号的场强、调制度等参数上传，监控中心能够主动呼叫监测记录仪进行实时语音的 传输；二是监测记录仪能够主动呼叫监控中心，当监测记录仪监测到停播和劣播时，主动 呼叫监控中心，将相关报警参数上传。 针对系统所要实现的功能，采用模块化的程序设计思想来开发软件。具体的方案会在 下一章中阐述。 2 4 小结 本章主要讨论了广播信号的特点，设计了整个系统的基本结构，说明了整个系统的实 现原理，并介绍了系统所要实现的基本目标和功能。本文设计的广播监测系统以监控计算 机为中心，通过电话网络与终端相连接，监控管理远距离的监控网点。在终端，中心计算 机通过编制的监测和管理软件，由鼠标和键盘实现人机对话和控制操作。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章监测系统的软件设计 第三章监测系统软件的设计 正如上一章中所述，广播监测系统主要是由前端监测设备和后台监控中心两个部分构 成的，所以在介绍监控中心软件之前，首先研究一下监测记录仪软件。 3 1 监测记录仪软件的设计 监测记录仪是由多路通道组成的，每一路通道功能是一样的，每一个收音模块收听一 个电台。多路采集通道由一个c p u 控制。监测记录仪的构成如下： ( 1 ) c p u 部分：是监测记录仪的核心部分，它不仅完成对数据采集、人机接口和对 远程通信的逻辑控制，同时它还肩负着数据处理的重任。 ( 2 ) 数据采集部分：这个模块建立了模拟的信号和数字信号之间的桥梁。通过这个 模块，可以有效的将广播的模拟信号转换成数字信号，有利于对参数进行分析和存储( 这 些参数也是通信传输的信息来源) 。 ( 3 ) 收音部分：主要负责将设定频率电台的广播信号接收回来。通过这个模块将接 收到的广播信号进行混频、中频放大后得到中频信号。将中频信号分为两路，一路送至均 值电路和峰值电路，再将这些提取的信号送至d s p 处理；另一路用来检波，得到语音信号， 然后可以通过采集模块进行信号的采集。 ( 4 ) 人机接口部分：由键盘和显示器两个部分组成，能有效地进行人机之间的通信。 ( 5 ) 远程通信部分：当接收到监控中心的通信命令字，需要进行信号参数回传的时 候，或者当监测记录仪监测到停播或劣播的时候，将通过远程通信模块与远程通信设备进 行信息的传送。 可以将软件的设计分成如下几个部分： 系统初始化和喂狗 数据采集与信号处理 人机接口的处理 远程通信 在系统程序运行之前，需要将程序进行初始化。同时在运行过程当中，要防止程序跑 飞，必须不断地对看门狗芯片进行喂狗。 监测记录仪的软件流程图如图3 1 所示： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章监测系统的软件设计 3 1 1 数据的采集与处理 图3 1 监测记录仪软件的流程图 数据采集模块完成的是从模拟信号到数字信号的转换和存储。由于要完成多路收音信 号的采集，故采集模块还要处理通道之间的切换。数据采集模块e h - - 部分组成：模拟开关、 单端转差分电路和a d 转换。从数据采集模块进入监测记录仪的信号，需要经过d s p 处 理，从而得到场强、调制度、实时语音信号和停播劣播判断。这就涉及一些参数的含义和 算法，具体介绍如下： ( 1 ) 场强的测量 场强是指单位长度的天线在空中某点处感应电信号的大小，其单位是微伏米( 1 a v m ) 。 场强与接收天线增益( g 。) 、接收天线有效长度( ，。= x j n ) 、接受馈线损耗、混频、中放及 均值模块对均值电压的放大倍数以及均值检测电路输出的均值大小( v ) 有关。由于在本 设计中，天线、接受馈线和放大倍数以固定，因此，可以得出场强的计算公式： e = 2 0 1 9 v + c ( 3 1 ) e 为场强( d b l t t v m ) ；v 为均值检测电路输出的均值( p v ) ；c 为换算校正值。 ( 2 ) 调制度的测量 已调幅信号可以表示为： s _ m ( t ) = ( a + f ( t ) ) c o s w 。t ( 3 - 2 ) 其中a 为高频载波的振幅，f i t ) 为调制信号。 调幅度m 定义为调制信号幅度与载波幅度的比值。它的计算公式： 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三苹监测系统的软件设计 m = ( ，一一，。i 1 1 ) ( ，一+ ，曲) ( 3 - 3 ) 其中，j 一为上调幅度，i 曲为下调幅度，m 是数值范围在0 - - - 1 之间的数。当r a i n = 0 时m = l ， 为完全调幅；当r a i n = ，时m = l ，为无调幅；而当包络的最小振幅为负值的时候，m l ， 为过调幅【2 1 。 监测调幅度的意义在于：要保证相同的接收效果，调幅度越大，需要的载波功率越小。 反之亦然。 综上所述，调幅度对于中短波电台信号有着举足轻重的作用，它也是需要监测的重要 参数。调幅度的测量，选用了有声平均调幅度的测量方法，所谓有声平均调幅度，即去除 无声间隔，只有在有声时计算平均调幅度。平均调幅度的算法如下： x：2f_2(一t)(3-4) 彳： 去除无声间隔既可用硬件完成，也可用软件完成，为了降低系统复杂的程度及硬件的 费用，采用软件编程的方法去除无声间隔。具体实现为：通过语音编解码芯片采集语音数 据( 采样频率为8 k h z ) ，并将每1 2 8 点组成一帧，由d s p 调用语音端点检测程序判断每帧 数据是否为有声语音数据，若为无声数据则抛弃，最终保留2 0 帧有声语音数据用于计算， 通过调用( 3 4 ) 式可以计算出有声平均调幅度。 3 1 2 实时语音 为了有效的监测到省广播电台调幅台在监测地的实际播放效果以及播放电台的播放 内容，要求有实际语音的回放功能。在监控中心上，点击特定监测点的监测电台，可以将 实地的语音信号播出来。 在语音信号处理系统中，由于语音信号能量主要集中在0 - - 3 4 0 0 h z 频带内，根据采样 定理，采用8 k h z 的采样率，就基本上可以将信号还原。通过语音编解码芯片采集语音数 据，采集时间长度为2 0 秒，采集好后将数据打包发送给监控中心。 3 1 3 远程通信 监控中心与监测记录仪之间的通信链路如图3 2 所示： 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章监测系统的软件设计 - - q 电台l l 监测记录仪卜_- q 电台2 图3 - 2 通信链路 由图3 2 可知，监测记录仪与监控中心之间选择的数据传输通道是模拟电话线路。但 是监控中心和监测记录仪处理的都是数字信号，不能直接进入通道。本文通过m o d e m 来 实现信号的转换( 通过m o d e m 将监控中心出来的数字信号转换成模拟信号，同样通过 m o d m e 将电话线路的模拟信号转换成数字信号给监测记录仪处理) 。监测记录仪通过 r s 2 3 2 c 接口与m o d e m 相连。m o d e m 采用标准的a t 命令集，它对m o d e m 的控制会 在后续章节中具体介绍。 m o d e m 的正确初始化对于整个通信来说非常重要。对m o d e m 的初始化放在系统的 初始化里。m o d e m 通过拨号命令发起呼叫，使m o d e m 立即进入摘机状态，并拨出随后 的号码( 拨号串) 以建立连接。m o d e m 有两种应答方式：手工应答和自动应答。本设计 中采用自动应答方式。当设置好参数后，监测记录仪只需要发送数据就可以进行远程通信 了。 监测记录仪的通信流程如图3 3 所示： 图3 - 3 监测记录仪的通信流程图 每个监测记录仪时刻监测是否有监控中心的通信连接，如果有，就接收命令并且发送 堕蔓堕皇苎兰堡主里茎兰兰堡竺兰 塑三苎些塑墨堑塑墼堡堡盐 数据帧。对于不同的命令帧，发送不同的数据。每个监测记录仪同时需要监测是否有报警 如果有，该监测记录仪就需要呼叫监控中心，将必要的报警信息传输给监控中心。 3 2 监控中心软件的设计与实现 3 2 1 监控中心软件的设计要求 监控中心相当于整个系统的终端，负责监测各频率广播台发射的场强、功率、开关机 的状态量( 开关机时间) 。一个完善的计算机监控系统，应该具有良好的人机交互界面， 以便于工作人员对计算机进行操作。在设计监控软件时，交互界面的设计有以下特点： ( 1 ) 界面采甩多级目录方式显示，清晰、简明； ( 2 ) 各种操作都有明确的提示信息，以方便用户操作； ( 3 ) 各监铡网点的状况简单明了； ( 4 ) 程序与外部数据的接口采用数据库的形式。 系统的整体窗口如图3 - 4 所示。 圈3 4 监控主窗口 监控中心平台的开发是利用v c 抖6 0 来完成的。决定采用v c + + 60 的原因： ( i ) v c 是目前功能最为强大的程序开发平台之一，在w i n d o w s 下编程比较方便。 ( 2 ) v c 使用c + + 语言，即c 语言的升级版，继承了c 的许多优点，处理速度快， i 2 童室坚皇奎兰堡主堕壅竺兰垡堡壅蔓三里些型至竺堕鏊堡堡生 可移植性好。 根据系统的总体设计要求，监测平台软件的设计要求如下： 数据分析与处理功能：监控中心通过通信媒介，将监测记录仪监测到的参数和报警 等记录有效的存储，为数据汇总、统计查询、检索及备份提供数据；同时能将接收到的解 调后的广播信号作压缩存储，并支持录音回放。 数据管理功能：监控中心可以对不同用户进行权限管理，实现对监测记录仪的初始 化配置。 通信功能：监测记录仪与监控中心、t a 日匕l c , 够有效地实现通信：一是监控中心能够主动呼 叫监测记录仪上传某一频率信号的场强、调制度等参数；二是当监测记录仪监测到停播或 者劣播时呼叫监控中心，中心能接收其上传的相关报警参数。 针对软件需要实现的功能，采用模块化的程序设计思想，将整个系统平台按照功能分 为两个部分：数据库管理模块和通信模块。这两部分是有机结合在一起的，不是完全分离 的。数据管理模块主要是设计一个良好的数据库结构，利用数据库引擎提供的各种功能， 方便管理人员对数据库中的数据进行各种查询统计。通信模块主要是完成数据通信链路的 建立、数据的传输、对各种通信状态的判断等，并且最终将采集来的数据存储在数据库中。 3 2 2 数据库技术概述 数据库技术是信息社会的重要技术之一，是计算机科学技术中发展最快的领域之一。 数据库技术是一门综合性技术，涉及到操作系统、数据结构、程序设计等知识。数据库系 统是由计算机软硬件资源组成的系统，它有组织地、动态地存储大量关联数据，方便多用 户访问。它可以实现数据共享、交叉访问，与应用程序高度独立。通俗地讲，数据库系统 可以把一些表格、卡片等数据有组织地集合起来，输入到计算机，然后通过计算机处理， 再按一定的要求输出结果。 一个完整的数据库系统是由以下几个部分组成的： 数据( d a t a ) 数据是数据库中存储的基本对象。数据不仅仅指数字，广义上讲，很多信息传递方式 都可以理解为数据的形式，如文字、图形、图像、声音，这些都是数据。因此，对数据的 定义是：数据是描述事物的符号记录。这些符号记录可以经过数字化后存入计算机。 数据库( d a t a b a s e ，d b ) 数据库可以理解成是存入数据的仓库，它的定义是长期存储在计算机内的、有组织、 堕室堂皇奎兰堡圭翌窒生堂垡堡奎 笙三雯些型墨篓塑鏊堡堡生 可以共享的数据集合。 数据库管理系统( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，d b m s ) 数据库管理系统是位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件。它是数据库系统的 核心组成部分，对数据库进行统一的管理和维护。 使用数据库的应用程序系统 d b m s 为用户和数据库提供了一个接口，使得用户可以通过d b m s 来操作数据库。然 而，由于d b m s 的操作有它自身的复杂性，并且d b m s 也不是针对某一项具体应用，这 使得普通用户不能在短时间内掌握d b m s 。因此，数据库应用程序就在用户与d b m s 中间 提供了一个交互界面。 图3 5 是一个完整的数据库系统所拥有的层次结构： 图3 5 数据库系统的层次结构 目前，数据库领域中最常用的数据模型分为四种，分别是：层次模型数据库、网状模 型数据库、关系模型数据库和面向对象模型数据库。其中层次模型数据库和网状模型数据 库统称为非关系模型数据库。关系模型数据库是目前应用最广泛的数据模型。面向对象的 数据库技术是最新发展起来的。本文中数据模型的设计采用的是关系模型。 s q l 即结构化查询语言( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ) ，是最早由i b m 的圣约瑟研究 实验室为其关系数据库管理系统( s y s t e n mr ) 开发的一种查询语言，它的前身是s q u a r e 语言。s q l 是目前几乎所有关系数据库系统必备的高级程序语言，具有结构简洁、功能强 大、简单易学的特点，自从1 9 8 1 年推出以来，得到了广泛应用。它提供了用来建立、查 询和维护关系数据库管理系统的命令，使用户可以方便地从数据库中获取数据、建立数据 库和数据库对象、添加数据、修改和删除数据，并可以执行其它复杂的功能。 s q ls e r v e r 是m i c r o s o f t 公司推出的关系型数据库管理系统，它是一个后台数据库管 理系统，建立在成熟而强大的关系模型基础上，可以很好地支持客户机服务器网络模式， 能够满足各种类型的企事业单位对构造网络数据库的需求，并且在易用性、可扩展性、可 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章监测系统的软件设计 靠性以及数据仓库等方面确立了世界领先的地位。为了有效利用s q ls e r v e r 的强大功能， v i s u a lc + + 提供了多种数据库开发技术和编程规范，主要包括o d b ca p i ，m f co d b c ，d a o ， o l ed b 和a d o 。 o d b ca p i o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 是为数据库应用程序访问关系型数据库时提供的 一个统一接口，对于不同的数据库，o d b c 提供了一套统一的a p i ，使应用程序可以访问任 何一种提供了o d b c 驱动程序的数据库。而且o d b c 已经成为一种标准，所以目前所有的关 系型数据库都提供了o d b c 驱动程序，这使o d b c 的应用非常广泛，但o d b c 只能用于关系 型数据库，使得利用o d b c 很难访问对象数据库及其他非关系型数据库。o d b c 是一种底层 的访问技术，因此，o d b ca p i 可以使客户应用程序能够从底层设置和控制数据库，完成一 些高层数据库开发技术无法完成的功能。但由于o d b c 只能用于访问关系数据库，使得利 用o d b c 很难访问对象数据库及其他非关系数据库。 m f co d b c 由于直接使用o d b ca p i 编写应用程序要编制大量代码，开发者往往需要花费很多精 力在非核心代码的维护上，而v i s u a lc + + 中提供了m f co d b c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o n c l a s s e so d b c ) 类，封装了o d b ca p i ，使得利用m f c 来创建o d b c 的应用程序非常简便。 d a o d a o ( d a t aa c c e s so b j e c t ) 提供了一种通过程序代码创建和操纵数据库的机制。多个 d a o 构成一个体系结构，在这个结构中，各个d a o 对象协同工作。m f cd a o 是m i c r o s o f t 提供的用于访问m i c r o s o f tj e t 数据库文件( 木m d b ) 的强有力的数据开发工具，它通过d a o 的封装，向程序员提供了d a o 丰富的操作数据库手段。 o l ed b o l ed b ( o b j e c tl i n ka n de m b e d d i n gd a t a b a s e ) 是v is u a lc + + 开发数据库应用中提供 的新技术，它基于c o m 接口。因此，o l ed b 对所有的文件系统包括关系型数据库和非关系 型数据库都提供了统一的接口。这些特性使得o l ed b 技术比传统的数据库访问技术更加 优越。与o d b c 技术相似，o l ed b 属于数据库访问技术中的底层接口。o l ed b 的两个基本 结构是o l ed b 提供程序和o l ed b 用户程序。直接使用o l ed b 来设计数据库应用程序需 要大量代码，通常使用a d o 数据访问接口。 a d o a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t ) 技术是建立在o l ed b 底层技术之上的高级编程接口，它 是一个o l ed b 用户程序，所以不仅能访问关系数据库，也能访问非关系数据库，更是现 1s 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章监测系统的软件设计 在最快速的数据库访问中间层。它继承了o l ed b 技术的优点，并且对o l ed b 的接口作了 封装，定义了a d o 对象，简化了o l ed b ，提供了对自动化的支持，使得脚本语言也能够使 用a d o 访问数据库，功能远超d a o 和r d o ( r e m o t ed a t ao b j e c t ) 。 在实际开发应用中，o d b c 或a d o 使用最多，相关的技术和产品也最为成熟。 m f co d b c 类对较复杂的o d b ca p i 进行了封装，提供了简化的调用接口，从而大大方 便了数据库应用程序的开发。程序员不必了解o d b ca p i 和s q l 的具体细节，利用o d b c 类 即可完成数据库的大部分操作。由于m f co