调频广播网络化音频监测器研制及应用

许卫行 展再铭 江苏广播电视发射传输台

1.背景

江苏广播电视发射传输台目前发射11套调频广播，为了保证安全播出，需要工作人员利用多台收音机同时进行实时监听，耗时费力。后来利用多个收音头连接到音频彩条监视器，通过大屏显示，来判别无线调频广播信号有无，这种方法采用的设备也较多，系统也较为复杂。针对这种情况，我们研制了调频广播网络化音频监测器，实现了调频空收信号的以太网传输，融入了我台调频广播自动化运维管理系统，提高了调频广播安全播出的保障力度。

2. 设计原则

（1）可靠性

电源安全稳定，双路电源，一路电源中断不影响设备工作；器件安全可靠，基于FPGA全硬件系统架构，无软件系统跑飞、死机现象。

（2）可管理功能

预置网络接口和串行接口，方便进行参数配置、监测状态输出等，利用网络接口集中到用户的统一网络监测平台。

（3）扩展性能

通过交换机连接调频广播网络化音频监测设备、SDI嵌入音频、模拟音频、数字音频等以太网组播设备，实现任意广播信号源的网络传输，理论上千兆交换机可以实现超过3000路音频的网络传输，便于信号统一监测。

（4）接口标准化

具有一致的通讯协议，方便终端进行统一监测。（5）功能升级可以通过串口专用电缆进行功能升级。

3. 技术特点

（1）射频信号经解调处理后的数字基带信号通过以太网组播输出。音频内容符合MICROSOFT的VISUAL STUDIO开发工具的DIRECTSOUND多媒体格式，方便客户端应用程序的开发。

（2）FPGA实现音频的采样率转换和比特压缩，显著降低了网络流量，防止网络交换机阻塞。

（3）通过交换机堆叠，实现整个组播网络监测任意多路音频。计算机可以通过终端软件播放任一路音频。

（4）音量峰值提取后转换成dBm，在串口和组播包中输出，方便用户二次开发，显示音量彩条。

（5）通过堆叠组播设备, 实现音频信源的统一监听监视，如模拟音频、数字音频、SDI嵌入音频的组播设备，其中，监视可以通过客户端软件的彩条来显示，监听可以通过点击彩条在功放上输出监听。

4. 方案设计

4.1 总体设计

本方案通过飞利浦公司的TEA5767接收FM广播信号，经过高性能A/D芯片转换成I2S格式的数字音频送到FPGA芯片，FPGA芯片进行I2S格式音频数据流解码、音量提取、音频压缩，最后实现音频的以太网组播输出。实现的功能框图如图1所示。

TEA5767是飞利浦公司生产的一款收音机芯片，手机、MP3、MP4里的收音功能基本上是基于该芯片实现的。TEA5767内置了主频高达75MHZ的数字信号处理器，实现384kbps/48kHz的MD级高品质MP3音乐文件回放，加上拥有一般MP3播放器难以企及的高保真回放线路（信噪比高达95dB，THD总谐波失真率〈0.05%、功耗低、普及广，该芯片具有很高的性价比。

图1 功能框图

FPGA通过TEA5767的I2C通信接口控制需要的FM解调频率。TEA5767输出的模拟音频，经过单端至平衡的转换，通过XLR接口输出，方便系统使用。音频A/D芯片将TEA5767输出的模拟立体声音频模数转换成数字音频输出，其格式为I2S。I2S (Inter—IC Sound)总线是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准，该总线用于音频设备之间的数据传输，广泛应用于各种多媒体系统。它采用了沿独立的导线传输时钟与数据信号的设计，将数据和时钟信号分离，避免了因时差诱发的失真。

FPGA通过I2S解码模块I2S-DET接收到音频数据，并将数据输出到音频数据总线，供后级模块如数据压缩、音量提取使用。

一块电路板集成8路FM接收模块,FPGA同时处理8路信号，并按照组播的方式发出音频内容和音量指示。

4.2 系统设计

4.2.1 FPGA顶层模块（ALTERA QUARTUS II）设计如图2所示。

（1）I2S解码模块

解码模块负责将A/D送过来的音频数据解析，送到数据总线。I2S有三个数据线，即：串行时钟SCLK，即对应数字音频的每一位数据，其频率=2×采样频率×采样位数；帧时钟LRCK (也称WS)，用于表示左右声道的数据，LRCK为“1”表示正在传输的是右声道的数据，为“0”则表示正在传输的是左声道的数据；串行数据SDATA，就是用二进制补码表示的音频数据。共8路解码模块，这些模块并行运行。

（2）音频音量检测单元模块

音频数据经过2的补码编码，音频数据输出处理单元负责进行转换。该单元将接收到的音频采样数据（电平）转换成dB值，并输出到FPGA内部数据总线。

（3）音频压缩和数据输出模块

图2 顶层模块设计

图3 抽样量化

数据总线上的音频数据，CPU采集数据后，控制指示电路指示，同时驱动以太网组播模块，将采集到的数据输出。为了减小网络负担，本设备中加入了音频数据采样率转换模块和比特压缩模块。采样率转换模块提供参数选择，将进入的AES/EBU数据从48k或32k抽样转换为16k。比特压缩模块将24bit压缩至8bit，客户端的声音播放没有明显的劣化，显著提高了效率。图3描述了从48k抽样24bit量化到16k抽样8bit量化的过程。

（4）以太网组播输出模块

所有音频内容、音量等通过以太网组播输出，所有组播内的计算机可以通过终端软件播放每一路音频数据。音频内容包符合Microsoft的visual studio开发工具的DirectSound多媒体格式，方便客户端应用程序的开发。

（5）TEA5767 I2C配置模块

I2C（Inter－ Integrated Circuit） 总 线 是 由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。

4.2.2 FPGA与TEA5767之间的连接如图4所示。

参数保存模块，系统需要保存好的频率参数供TEA5767使用，本系统用的是24C08型的FLASH IC保存参数，24C08也是通过I2C总线进行通信。可以通过串口修改频率参数：串口接收到频率参数，将这些参数保存到24C08中。参数修改或设备上电启动时，这些频率参数被上述I2C配置模块配置到各个TEA5767中，系统开始工作。

5. 实际应用，构建音频网络化监测系统

5.1 调频广播网络化监测器应用

调频广播网络化监测器应用如图5所示。多个调频广播网络化音频监测设备，通过交换机和监测客户端连接，方便监听，监测。由于采用组播技术，任意多个客户端，也不会增加网络流量，显著提高工作效率。

图4 FPGA与TEA5767之间的连接

5.2 音频系统的综合网络化监测

模拟音频、数字音频、调频广播接收音频、SDI嵌入音频的组播设备可以通过交换机连接起来，统一对音频进行监测，系统连接如图6所示。

5.3 客户端程序

客户端程序通过Microsoft的visual studio开发工具开发，音频播放采用DirectSound多媒体工具包进行播放，十分方便。客户端程序的形式可以是多种多样的，如音量柱形条、流程图、LED跳动等，形象直观。图7显示的是某音量柱形条监测终端。

6. 结束语

相比于目前市场上实现相同功能的产品，该设备更注重可用性、实用性，特别是音频信号的有效压缩，使组播数据量小，千兆交换机不再出现堵塞，不出现丢包。

图5 多台网络化音频监测器连接示意图

图6 多台不同组播设备连接示意图

该设备基于FPGA硬件实现，电路板面积小，器件少，成本低，该设备在江苏广播电视发射传输台中心机房、杭州电视发射台使用近3年，性能稳定，安全可靠、操作简单易行。

该设备自主成功研发，提高了我台对广播电视信号的智能化监测水平，也提高了广播电视技术人员的科技创新能力，有效提升了广播电视技术维护队伍的业务水平。

图7 音频柱形条终端示意图