校园数字广播系统工程设计论文

校园数字广播系统工程设计论文内容摘要：

组成 ， 包括混合滤波器组（子带滤波器和 MDCT）、心理声学模型、量化编码（比特和比特因子分配和哈夫曼编码）。 ① 混合滤波器组这部分包括子带滤波器组和 MDCT（ Modified Discrete Cosine Transform， 改进型离散余弦变换）两部分。 子带滤波器组编码完成样本信号从时域到频域的映射，并将规定的音频信号通过带通滤波器组分解成 32 个子带输出。 ② 心理声学模型。 心理声学模型的原理是利用人耳听觉系统对高频信号的不敏感性，移除大量人耳不能分辨的信号，以达到压缩音频信号的目的。 ③ 量化编码。 量化编码的比特分配和量化是使用一个三层迭代循环模型来实现的。 这三层包括：内层循环、外层循环以及帧循环。 解码 MP3 解码原理： MP3 解码得整个过程是先将 MP3 数据帧进行解包 ，解出边带信息和帧头信息；然后再使用霍夫曼解码解出比特分配信息；接着在逆变换中利用频谱系数，在综合滤波器当中把 32 位子带合并成一个宽带信号。 18 个频谱值执行 32 位IMDCT（逆改进型离散余弦变换），然后再将生成的 576 个频谱值转换成长度为 32的 18 个连续的频谱。 经过 18 次的运算，这些频谱将会被多相位综合滤波器转换到时域，完成波形的重构，最后生成立体声 PCM 音频码流。 MP3 解码流程如图 所示。 PCM 信号进行 MP3 压缩时，以 1152 个 PCM 采样值为单位，封装成长度固定的MP3 数据帧，其中帧是 MP3 文件最小 的组成单位。 在解码的时候，利用数据帧里面的信息就可以将 1152 个 PCM 采样值恢复出来了。 这 1152 个采样值共被分成两个粒度组，一个粒度组包含了 576 个采样值。 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 7 开 始寻 找 同 步 字解 帧 头 信 息获 取 比 例 因 子霍 夫 曼 解 码反 量 化立 体 声 处 理输 出 P C M 样 本子 带 综 合多 相 频 率 倒 置反 离 散余 弦 变 换抗 锯 齿 处 理重 排 序结 束 图 MP3 解码流程图 三、音频信号传输 传统的广播信号传输方式主要为微波、光纤、调频无线、 ISDN（即窄带综合业务数字网）、数字电话传输器、普通电话或 GSM 移动电话等，微波、光纤及无线调频传输方式能提供高质量的音频传输，但对于远距离、直播地点不确定时，往往难以达到快速布点及有效保障。 用普通电话或 GSM 移动电话，声音质量太差，做短时间的信息播报尚可，作为大时段长时间的直播就不太合适。 用数字电话传输器传输音频信号是一种相对较好的方式，但也存在设备价格昂贵，实际应用中两台机器连接数率在 24kbps 以上时容易出现掉线。 所以为保障安全连接，一般都选用 至 之间的连接速率，故此声音频响只能达到 5~12kHz，从而影响到了节目的传输质量 [3]。 在互联网上要实现高质量实时数据连接，主要应用到传输层协议。 根据 OSI 网络标准定义，网络由物理层、数据链路层、网 络层、传输层、会话层、表示层和应用层7 层组成。 而在实际应用中，网络结构可简化为链路层、网络层、传输层和应用层用户接口，其结构如图 所示。 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 8 浏 浏 浏 浏 浏 浏 浏传 输 层网 络 层浏 浏 浏传 输 层网 络 层浏 浏 浏TCP/ UDP浏 浏I P 浏 浏浏 浏 浏 浏 浏 图 网络 TCP/IP 层结构 在 TCP/IP 层结构模型中，传输层的功能是使源端主机和目标端主机上的对等实体可以进行会话。 在传输层定义了两种服务质量不同的协议。 即： TCP（ transmission control protocol）传输控制协议和 UDP（ user datagram protocol）用户数据 报协议 [4]。 TCP 协议是一种面向连接的协议。 能够提供可靠的、全双工的网络通信服务，具有确认、数据流控制、多路复用和数据同步等功能，适合无差错高质量数据的传输。 TCP 协议不适合传输实时音频数据和突发性的大量数据 [5]。 UDP 协议是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。 虽然 UDP 提供的是无连接的、不可靠的数据传送方式，它能够提供高传输效率的数据报服务，能实现数据的实时性传输，在数据的实时传输中应用广泛 [6]。 实时传输协议 RTP（ RealTime Transport Protocol）是针对 Inter 上多媒体数据流的一个传输协议，被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步。 RTP 和 RTCP 配合使用，能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，故特别适合传送网上的实时数据 [7]。 RTSP（ Real Time Streaming Protocol），实时流传输协议，是 TCP/IP 协议体系中的一个应用层协议。 该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过 IP 网络传送多媒体数据。 RTSP 使用 TCP 或 UDP 完成数据传输 [8]。 HTTP 与 RTSP 相比， HTTP 传送HTML，而 RTSP 传送的是多媒体数据。 RTSP 可以是双向的。 RTSP 协议以客户服务器方式工作，它是一个应用层的多媒体播放控制协议，用来使用户在播放从因特网下载的实时数据时能够进行控制。 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 9 第 二 章 校园数字广播 系统构架 第一节 IP 网络广播系统 结构 作为一个 IP 网络广播系统，首先，它应该具有一个或多个能提供音频信号的设备，用于读取音频文件或实时采集声音信号，如 CD 机、收录音机、卡座、传声器等音源设备；其次，要将上述设备输出的模拟信号转换成数字信号，应在音源设备 后面应该连接一套语音编码设备，如声卡、专用多路采播卡等；再次，由于广播的应用非常广泛，传输的数据量非常大，单纯用扩大存储器容量、增加通信干线的传输速率的办法是不现实的，我们可以利用数据压缩技术来解决这个问题，通过数据压缩，可以把信息数据量压下来，以压缩形式存储、传输，既节约了存储空间，又提高了通信干线的传输效率。 对于来自语音编码设备的音频数据的压缩、存储以及对来语音文件库中的音频流进行处理并经网络发送给广播终端等工作，可由音频服务器来完成，由WEB 服务器对网络主机的访问提供服务；最后，应该有用来对服务器进行 访问，进行查询、设置、修改、管理节目等工作的一些网络主机，以及一些用来接收网络传来的音频数据并完成将音频数据还原成语音信号的功能的模块。 综上所述，整个 IP 网络广播系统模型主要由模拟音源、语音编码设备、主控服务器、网络主机和广播终端这几个部分组成，如图 所示 ， 其中，语音编码设备和主控服务器具体实现可以由一台高性能的 PC 服务器来完成。 （ 1） 主控服务器。 按功能可分为音频服务器、 WEB 服务器和数据库，主要任务是对音频数据进行处理、存储以及发送，并接收、处理客户端发来的请求等。 （ 2） 网络主机。 为任意可通 过网络访问服务器的主机，用户可以运行网络广播系统客户端软件，通过系统服务器的登录与权限验证，就可以随时随地通过 IP 局域网或 Inter 网络对广播系统进行控制。 用户可以通过网络主机的声卡进行实时采播，也可以进行本地文件播放，并可以远程编排定时播放任务，上传至服务器后等待服务器自动播放。 （ 3） 广播终端。 系统服务器上的播放任务将音频数据文件以 IP 数据报文方式发送到广播终端，在广播终端上进行解码还原为音频流，再对后级功放或音箱进行驱动。 每一台网络广播终端设备拥有独立的 IP 地址，能够实现单点广播。 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 10 音 源 设 备主控服务器广 播 终 端远 程 控 制 设 备网 络 主 机网 络 主 机 图 IP 网络广播系统结构图 第二节 主控服务器 结构 如图 所示，主控服务器系统包括音频服务器、 WEB 服务器和数据库三个部分。 在系统构架上采用客户 /服务器（ Client/Server）结构来处理音频服务器和广播终端之间的数据传输，采用浏览器 /服务器（ Brower/Server）结构来处理服务器和网络主机之间的互动 [9]。 浏 览 器W E B 服 务 器（ I I S ）音 频 服 务 器H T T P 请 求H T T P 响 应数 据 库网 络 音 频设 备 图 主控服务器结构组成图 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 11 一 、音频服务器 语音广播内容 通常有背景音乐、音乐电铃、广播寻呼、信息宣传、时事政策广播、警示语等，而不同的播放数据，音频服务器的处理方式也有所不同。 对于背景音乐、音乐电铃、警示语等内容比较固定的情况，通常是事先将压缩的录制好的声音文件或硬盘上的音乐文件存储在服务器上，需要播放时可通过网络下载到客户端。 音频服务器用于对输入的音频数据进行处理后储存到数据库中以及将来自数据库的音频流经处理后发送出去。 对输入数据的处理方式取决于它是否经过压缩：对于已压缩的声音文件，我们首先必须要知道其编码方式，将其进行解码还原成 PCM码，然后再按我们需要的 格式进行压缩，我们这里使用 MP3 格式进行压缩，所以，如果是 MP3 格式的压缩文件可以跳过处理过程直接存入数据库；对于未经压缩的语音数据需经过压缩后存入数据库中。 而对于广播寻呼、信息宣传、时事政策广播等实时音频播放，则不能事先录制好和储存在服务器中，而是在发送方边录制边发送，接收方也要求能连续播放。 二 、 WEB 服务器 WEB 服务器作为 B/S 构架中的 server，其作用是为网络主机的访问提供服务。 当服务器收到网络主机发来的 HTTP 请求后，根据要求向数据库发出 SQL 数据请求，实现常规的登陆、查询、点播等功能。 三 、数据库 数据库主要是用于存放语音文件和各种管理信息等，并能够提供音频点播、管理员身份验证、查询和节目管理等功能。 第三节 广播终端 结构 广播终端的结构如图 所示，系统服务器上的播放任务将音频数据文件以 IP数据报文方式发送到广播终端，广播终端的接收装置从网络中获取网络数据包 ,并拆分数据包 ,后将得到的音频数据经解压缩，还原成原始数字音频数据 ,然后对数字音频数据进行解码得到模拟音频信号，经功放放大后推动扬声器发声。 每一台接收解码设备具有独立的 IP 地址，以实现单点广播。 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 12 局域网接收解码设备 功放 扬声器数据报 模拟音频信号 图 广播终端结构示意图 第四节 广播和点播 工作原理 广播功能是服务器按照预先安排节目列表在数据库中寻找相关音频资源 ， 并通过网络将其输送到指定广播区域进行播放。 系统可设定自动打开或关闭主控设备电源，自动定时播放如背景音乐，报时铃声，转播电台节目等日常节目，编程实现播放全程自动化管理。 平时系统通过读取节目列表有序地进行日常播放，当有事故发生需要播放紧急广播时，将暂停日常节目的播放，直到紧急广播播放完毕。 需要发布实时信息时，可将外接音频（卡座、 CD、收音机、 话筒等）接入音频服务器实时压缩成高音质数据流，并通过网络发送广播数据，安装在不同广播终端的数字广播终端可实时接收并通过音箱进行播放。 广播过程中客户端处于被动接收状态，无法控制音频流 [10]。 与广播功能的被动接收不同，点播是客户端向服务器主动发出请求的过程，如图 所示。 W E B 浏 览 器 W E B 服 务 器终 端 播 放 器 音 频 服 务 器H T T P / T C PM P 3 元 文 件R T S P / U D P 图 点播服务工作流程图 （ 1） 用户通过浏览器点击要看的音频文件的超链，这个超链并没有指向请求的音频文件，而是指向一个包含有实际音频文件统一资源定位符 URL 的元文件。 （ 2） WEB 服务器把装有元文件的 HTTP 响应报文发回给浏览器。 重庆邮电大学本科 毕业设计（论文） 13 （ 3） 浏览器收到 WEB 服务器的响应后，把提取出来的元文件传送给广播终端的音频播放器。 （ 4） 音频播放器使用元文件中的 URL 接入到音频服务器，请求下载音频文件。 音频服务器和播放器之间采用 RTSP 协议实现实时音频数据播放的暂停、继续、快退、快放等功能，并在 UDP 上传送，保证音频数据传输的实时性。 第五节 软件系统 的 功能 软件系统主要由服务器管理系统和客户端管理系统构成。 服务器端的管理系统的管理功能有 ： 用户配置管理 ， 用于设置广播网络各层次用户分配 相对应的操作使用权限、终端配置管理、分组配置管理、资源库节目管理、定时任务设置、用户配置管理、节目实时采播、库节目播放、安全管理等。 客户端管理系统的管理功能有 ： 终端状态查询、定时任务设置节目管理、节目实时采播、节目播放等。 重庆邮电大学。