IP廣播系統(tǒng)，IP網(wǎng)絡廣播，IP公共廣播系統(tǒng)方案設計和技術分析

摘要：本文以音頻處理技術和IP網(wǎng)絡技術為基礎，設計了一個數(shù)字IP網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)方案，然后結合該系統(tǒng)方案對阿壩師范高等專科學校的校園廣播進行了設計。該方案主要包括模擬音源、語音編碼設備、主控服務器、音頻終端、網(wǎng)絡主機和揚聲器模塊幾個部分。首先通過編碼設備將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過音頻服務器處理后，以IP數(shù)據(jù)報的形式傳送到各個音頻終端，音頻終端將接收到的數(shù)據(jù)進行解碼還原成原始模擬語音信號，再經(jīng)過功放放大后推動揚聲器發(fā)聲。該系統(tǒng)*基于在現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡平臺進行建設，無需單獨布線，大大簡化了廣播系統(tǒng)結構，操作更加簡單，功能更完善，是公共廣播系統(tǒng)必然的發(fā)展方向。

IP網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)緒論

廣播的和意義

廣播系統(tǒng)作為一種zui直接有效的信息傳輸工具，它被廣泛的應用于諸如休閑娛樂、危險報警、應急指揮、信息發(fā)布等領域,起著重要作用。因此對于廣播系統(tǒng)就要有嚴格的要求，如具有穩(wěn)定可靠，功能強大，音質(zhì)清晰，操作方便，自動播放，分點、分區(qū)控制，智能化程度高等一系列特點。

然而傳統(tǒng)的廣播系統(tǒng)，普遍采用音頻或調(diào)頻方式，受到電壓、功率、阻抗等因數(shù)影響，傳輸距離短，頻率低，易受干擾，系統(tǒng)擴展性差，以致音質(zhì)不佳維護管理復雜，互動性能差等問題,已不能很好地滿足生活的需要。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，IP網(wǎng)絡技術和音頻處理技術的結合已經(jīng)能很好地解決傳統(tǒng)模擬廣播系統(tǒng)存在的音質(zhì)不佳、易受干擾、維護管理復雜，缺乏互動性等問題。本文正是基于IP網(wǎng)絡技術和音頻處理技術來設計和實現(xiàn)一個網(wǎng)絡音頻廣播系統(tǒng)。

公共廣播系統(tǒng)的發(fā)展

公共廣播系統(tǒng)在改革開放以前就已經(jīng)廣泛存在于我國的農(nóng)村、*、機關、學校以及工廠企業(yè)當中，用于轉(zhuǎn)播*及各級政府的新聞、發(fā)布通知等。公社廣播站管理的廣播系統(tǒng)就是當時農(nóng)村公共廣播的一個典型例子，每家每戶都安裝有一個作為廣播終端的“話匣子”；在*、城鎮(zhèn)中，各單位都有廣播室，到處都掛有揚聲號角（俗稱“高音喇叭”）^[1]。當時中國大陸，幾乎每個單位都有廣播系統(tǒng)，對于教育、動員群眾，發(fā)布政令起著十分重要的作用。然而，由于技術水平的限制，當時遍布中國大陸的廣播系統(tǒng)基本上都屬于“功放+高音喇叭型”，是zui簡單的廣播系統(tǒng)。

在改革開放以后，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和技術的進步，公共廣播有了很大改變。由于信息渠道逐漸增多，以前簡單的、統(tǒng)一的公共廣播網(wǎng)，逐漸向個性化、多樣化和功能化發(fā)展。與以前簡單的廣播系統(tǒng)相比較，改革開放以后的廣播系統(tǒng)在結構上有了很大的進步，通過增加分區(qū)、定時控制、警報等環(huán)節(jié)，使廣播系統(tǒng)的功能大大加強 ^[2]。在質(zhì)量指標方面廣播系統(tǒng)也有了規(guī)范，以前的廣播只要求能聽見“話匣子”說什么就可以了，沒有其他的標準規(guī)范，現(xiàn)在在系統(tǒng)的信噪比、功率、失真等各個方面都有了標準。

隨著計算機技術的普及，公共廣播系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)逐漸開始使用計算機進行管理，使得公共廣播系統(tǒng)進入了智能化管理階段，初期主要是采用單片機來進行管理。直到上個世紀末，把整的個公共廣播系統(tǒng)全部納于計算機管理之下的設備基本上還未出現(xiàn)。直到2000年，全部使用計算機管理的產(chǎn)品才開始陸續(xù)在市場上出現(xiàn)。大部分智能化公共廣播系統(tǒng)都是使用一臺通用的 PC 機來進行管理，并由通用的鍵盤進行操控^[3]。一些更加專業(yè)的產(chǎn)品，像迪士普的 MAG 智能化系列，則是由一臺的主機虛擬了系統(tǒng)中除功放以外的所有環(huán)節(jié)，直接在主機屏幕上操控。與常規(guī)廣播系統(tǒng)相比，智能化廣播系統(tǒng)的組成大為簡單，功能上更加靈活完善。

在傳統(tǒng)的公共廣播系統(tǒng)中，信息是靠模擬功率信號傳輸?shù)模刂圃O備集中于機房。然而模擬功率信號傳輸線路不僅需要較大的線路截面，而且在多路傳輸、多點控制及各個終端之間的互動方面存在很大的不便，又很容易受到干擾，不便于遠距離傳輸。隨著音頻處理技術和網(wǎng)絡技術發(fā)展，傳統(tǒng)公共廣播模擬信號傳輸方式已經(jīng)能由計算機網(wǎng)絡傳輸取代，通過計算機網(wǎng)絡傳輸廣播音頻數(shù)據(jù)不僅解決了模擬信號傳輸所存在的問題，還大大簡化了廣播系統(tǒng)布局，只需將數(shù)字音頻終端接入計算機網(wǎng)絡即可構成功能強大的數(shù)字化廣播系統(tǒng)，每個接入點無需單獨布線，*基于現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡^[4]。正是由于這種系統(tǒng)布局簡單、功能強大的特點使得網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)在我國迅速發(fā)展起來，而且，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，網(wǎng)絡廣播也將獲得更大的發(fā)展空間。

IP網(wǎng)絡廣播的主要內(nèi)容

本文主要是基于IP網(wǎng)絡技術和音頻處理技術，完成了一個數(shù)字IP網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)方案的設計，并將該方案應用于阿壩師范高等專科學校的校園廣播系統(tǒng)的設計中。

本文首先對公共廣播系統(tǒng)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀、公共廣播系統(tǒng)的類型及組成結構作了介紹。并對對系統(tǒng)設計方案涉及的相關技術及概念作了詳細的研究。

其次本文對IP網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)進行了設計。設計方案方案主要包括模擬音源、語音編碼設備、主控服務器、音頻終端、網(wǎng)絡主機和揚聲器模塊幾個部分。系統(tǒng)的工作流程，首先通過編碼設備將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過音頻服務器處理后，以IP數(shù)據(jù)報的形式傳送到各個音頻終端，音頻終端將接收到的數(shù)據(jù)進行解碼還原成原始模擬語音信號，再經(jīng)過功放放大后推動揚聲器發(fā)聲。網(wǎng)絡主機可以通過登錄系統(tǒng)服務器來查看終端狀態(tài)、進行節(jié)目管理等。

zui后，在系統(tǒng)方案設計完成后，將該方案應用到阿壩師范高等專科學校的校園廣播系統(tǒng)的設計中，校園廣播系統(tǒng)的設計主要側(cè)重于對系統(tǒng)的分區(qū)、設備的配置及選用工作。

IP網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)方案相關概念

公共廣播系統(tǒng)

公共廣播系統(tǒng)（Public Address System簡稱PA），是指廣泛用在現(xiàn)在各種場館、大廈、小區(qū)、酒店、公園、學校等場合，為公眾發(fā)布實時信息的廣播系統(tǒng)。通常用于廣播背景音樂，發(fā)布信息，廣播尋人，以及消防廣播等。

公共廣播系統(tǒng)的組成

公共廣播系統(tǒng)基本可以分為四個部分：節(jié)目源設備、信號放大處理設備、傳輸線路和揚聲

器系統(tǒng)。

（1）節(jié)目源設備

節(jié)目源設備是一種向廣播音響系統(tǒng)提供節(jié)目源的設備，包括傳聲器、調(diào)頻調(diào)幅收音機、無線電廣播、激光唱機和錄音卡座等設備，此外還有傳聲器、電子樂器等。

（2）信號放大處理設備

作用是對輸入的信號進行調(diào)節(jié)、放大、均衡、混響、壓縮、分頻、降噪、濾波等處理，以獲得理想的信號輸出。通常由均衡器、前置放大器、功率放大器和各種控制器材及音響加工設備等等周邊設備組成。

（3）傳輸線路

傳輸線路是傳輸廣播音響信號的通道，可以根據(jù)系統(tǒng)和信號的傳輸方式進行選擇，一般分為模擬音頻線路、數(shù)字雙絞線線路、流媒體（IP）數(shù)據(jù)網(wǎng)絡線路和數(shù)控光纖線路四種。

（4）揚聲器系統(tǒng)

作為信號的輸出設備，由一個或幾個揚聲器和相應的附件如障板、喇叭、分頻網(wǎng)絡等組成的，作為驅(qū)動電路和周圍空氣間耦合的設備。目的是為了獲得所需頻率特性、聲場分布以及特殊聲音效果等。

公共廣播系統(tǒng)的分類

（1）公共廣播系統(tǒng)按照信號傳輸、處理方式大體分可分為：傳統(tǒng)公共廣播系統(tǒng)、數(shù)字可尋址廣播系統(tǒng)和媒流體（IP）智能數(shù)字廣播。

① 傳統(tǒng)公共廣播系統(tǒng)是通過音頻線把模擬功率信號傳輸?shù)浇K端揚聲器上，系統(tǒng)易受環(huán)境干擾，傳輸距離很短，音質(zhì)不佳，多路廣播時容易產(chǎn)生串音，設備線路固定，而且使用人工管理的工作方式等一系列問題使它在很多方面受到限制。

② 數(shù)字可尋址廣播系統(tǒng)在傳統(tǒng)廣播的基礎上增加了控制信號，音頻信號、控制信號的傳輸全在數(shù)位域進行，具有更遠的傳輸距離和更好的傳輸效果；實現(xiàn)了分區(qū)控制，通過軟件可實現(xiàn)多個區(qū)域的獨立控制和任意組合，也可以實現(xiàn)點對點的控制。

③ 媒流體（IP）智能數(shù)字廣播將廣播的音頻信號進行數(shù)字編碼，并通過網(wǎng)絡傳輸IP數(shù)據(jù)包，再由終端解碼還原為音頻信號。它是基于互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)的純數(shù)字化網(wǎng)絡音頻廣播系統(tǒng)，無需另行布線，可利用現(xiàn)有的校園網(wǎng)或內(nèi)部局域網(wǎng)。

（2）公共廣播系統(tǒng)根據(jù)使用性質(zhì)、建筑規(guī)模和功能要求可以分以下三種類型。

① 業(yè)務性質(zhì)的廣播系統(tǒng)

學校、辦公樓、醫(yī)院、商業(yè)寫字樓、鐵路客運站、航空港、工廠、銀行及車站等建筑物可以設置業(yè)務性廣播，以便滿足以業(yè)務及行政管理為主的業(yè)務廣播要求。 　　

② 服務性質(zhì)的廣播系統(tǒng)

旅館、賓館、商場娛樂設施以及大型的公共場合應該設置服務性廣播,服務性廣播主要內(nèi)容是背景音樂和客房節(jié)目廣播, 以服務為主要宗旨，為人們提供娛樂性音樂類廣播節(jié)目。

③ 火災事故廣播系統(tǒng)

主要用于發(fā)生火災事故時,方便消防人員通過火災事故廣播指引人們快速撤離危險場所。

IP廣播系統(tǒng)的單播/組播/廣播

（1）單播 (unicast)
單播是在Client和Server之間建立一個一對一的通訊通道，交換機和路由器只對服務器發(fā)出的數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā)而不進行復制。這樣，有多少個客戶對Server點播同一個節(jié)目，那么Server就要做多少次同樣的發(fā)送動作，服務器負荷非常大。優(yōu)點是服務器針對每個客戶不同的請求發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，容易實現(xiàn)個性化服務。由于其能夠針對每個客戶的及時響應，所以現(xiàn)在的網(wǎng)頁瀏覽全部都是采用IP單播協(xié)議，比如現(xiàn)在的網(wǎng)頁瀏覽、網(wǎng)頁里內(nèi)嵌的在線播放、在線網(wǎng)絡游戲就是這種單播方式。單播可以對Client的暫停/繼續(xù)，快進/快退，拖進度條等操作做出響應。不過如果網(wǎng)絡上廣泛應用的IPTV Server做成滿足單播的話，要求點播的Client太多服務器就扛不住了。

（2）廣播 (broadcast)

廣播是將發(fā)出的信號無條件地復制并轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡中的每一個用戶不管是否需要，都可以接收到。這樣做顯然Server是zui輕松的，只發(fā)一份數(shù)據(jù)出去，讓底下的線路自己去復制。但若Internet上不加限制的話，那將會造成很大的寬帶資源浪費，所以IP協(xié)議里就只允許在同網(wǎng)段里廣播，禁止跨網(wǎng)段廣播。由于其不用路徑選擇，所以其網(wǎng)絡成本可以很低廉。我們常見的有線電視網(wǎng)實際就是一個廣播型網(wǎng)絡，電視機實際上是接受到所有頻道的信號，但只將一個頻道的信號還原成畫面。

（3）組播 (multicast，或翻譯成“多播”)

組播是將具有相同請求的Client加入同一個組，Server對每一個組只發(fā)送一份數(shù)據(jù)，然后由交換機和路由器復制并轉(zhuǎn)發(fā)給各個組員。這樣既能一次將數(shù)據(jù)發(fā)送給有需求的Client，又避免將信息強加給不需要它的用戶，減少了寬帶浪費的同時又減輕了服務器的負擔。顯然，組播是廣播和單播綜合體，并且做到了取長補短。

IP網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)體系結構

2.2.1 C/S體系結構

C/S結構，即客戶和服務器(Client/Server)結構。C/S結構的工作原理是用前端計算機上安裝的專門應用程序來操作后臺數(shù)據(jù)庫服務器中的數(shù)據(jù)。我們通常所說的客戶端實質(zhì)上也就是這里所說的前端應用程序，主要任務是向數(shù)據(jù)庫服務提出請求和接收處理數(shù)據(jù)的工作，如我們常用的、等聊天工具；后臺數(shù)據(jù)庫服務器(Server)主要任務是提供完善的安全保護及對數(shù)據(jù)的完整性處理等操作，并允許多個客戶同時訪問同一個數(shù)據(jù)庫，服務器程序被啟動后，就隨時等待響應客戶程序發(fā)來的請求。C/S結構可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務合理分配到Client端和Server端來實現(xiàn)，從而降低了系統(tǒng)的通訊開銷。

如圖2-1所示，用戶通過客戶端進行操作，客戶端程序會對這些操作進行相應處理，當需要對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行存取時，客戶端程序會向數(shù)據(jù)庫服務器發(fā)送請求，服務器會對這些請求語句進行執(zhí)行并返回結果，進而客戶端對來自服務器的返回結果進行處理，再將結果輸出以回應用戶的操作。對用戶而言，整過過程就好像只在自己的電腦上完成一樣，網(wǎng)絡和服務器都被隱藏了起來。

服務器經(jīng)常使用高性能的PC機、小型機或工作站，并且使用大型數(shù)據(jù)庫，如SQL Server、Oracle。在客戶端應當安裝專門的客戶端軟件。目前大部分應用軟件系統(tǒng)幾乎都是采用Client/Server形式的兩層結構。傳統(tǒng)的C/S體系結構雖然采用的是開放模式，但這只是系統(tǒng)開發(fā)一級的開放性，在特定的應用中無論是Client端還是Server端都需要特定的軟件支持。由于沒能提供用戶真正期望的開放環(huán)境，C/S結構的軟件需要針對不同的操作系統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)不同版本的軟件。另外，采用c/s架構，要選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)庫平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的真正“統(tǒng)一”，使分布于兩地的數(shù)據(jù)同步*交由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)去管理，但邏輯上兩地的操作者要直接訪問同一個數(shù)據(jù)庫才能有效實現(xiàn)，這時就出現(xiàn)了一個問題，如果需要建立“實時”的數(shù)據(jù)同步，就必須在兩地間建立實時的通訊連接，保持兩地的數(shù)據(jù)庫服務器在線運行，網(wǎng)絡管理工作人員既要對服務器維護管理，又要對客戶端維護和管理，這需要高昂的投資和復雜的，維護成本高，維護任務量也大。

B/S體系結構

B/S（Browser/Server）結構，即瀏覽器服務器結構,B/S結構示意圖如圖2-2所示。它是隨著Internet技術的興起，對C/S結構的一種變化或者改進的結構。在這種體系結構下，用戶的工作界面通過瀏覽器來實現(xiàn)，只需要安裝有瀏覽器，像WINDOWS系統(tǒng)自帶的Internet Explorer，服務器使用SQL Server、Oracle等數(shù)據(jù)庫^[5]。瀏覽器通過網(wǎng)頁瀏覽器與數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互。比較簡單的部分事務在B/S結構前端就可以實現(xiàn)，但是主要事務是在服務器端來實現(xiàn)的，形成所謂3層結構。這樣大大簡化了客戶端電腦的載荷，減輕了系統(tǒng)升級和維護的工作量及成本，在總體上降低了系統(tǒng)的成本。

所謂的3層結構(3-tier )，是在3層結構系統(tǒng)中，將系統(tǒng)整體劃分為應用層(商用邏輯)、客戶層(用戶界面)、數(shù)據(jù)層(數(shù)據(jù)庫)3層。在客戶端只有用戶界面，其余都安裝在服務器上。客戶端用來接收用戶的操作及表示來自應用層的處理結果。由于將應用軟件與客戶端進行分離，以及安裝在服務器上的原因，在商用邏輯發(fā)生變化的情況下，只須要改變服務器端的應用軟件即可，不會牽連到整個系統(tǒng)。

使用B/S體系架構的網(wǎng)絡平臺不僅可以在內(nèi)部網(wǎng)絡中使用，而且外部也可以使用，如果想要在外部使用，只需要能夠上網(wǎng)就行了，對集團式的、大型的公司使用比較適合，尤其是在不同的地點有公司、店面或者需要使用到這個平臺的用戶。而如果C/S結構需要遠端連接，公司就需要在各Site部署IPSec VPN來實現(xiàn)。

目前，軟件系統(tǒng)的改進和升級越來越頻繁，B/S架構的產(chǎn)品明顯體現(xiàn)著更為方便的特性。對一個稍微大一點的單位來說，系統(tǒng)管理人員如果需要在幾百甚至上千部電腦之間來回奔跑，效率和工作量是可想而知的，但B/S架構的軟件只需要管理服務器就行了，所有的客戶端只是運行瀏覽器，基本不需要做任何的維護。無論用戶的規(guī)模有多大，有多少分支機構都不會增加任何維護升級的工作量，所有的操作只需要針對服務器進行。所以客戶機越來越“瘦”，而服務器越來越“胖”，這也是將來信息化發(fā)展的主流方向。今后，軟件升級和維護會越來越容易，而使用起來會越來越簡單。

2.3 音頻信號處理技術

2.3.1 數(shù)字音頻信號的采集

通過麥克風捕獲到的信號是模擬信號，它是時間的連續(xù)函數(shù)。這個模擬信號的振幅就是音量，它的頻率就是音調(diào)。正常情況下人耳可以感受到的聲波范圍是從20Hz 的低頻聲音到20kHz的高頻聲。我們可以通過兩步把種模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機和網(wǎng)絡能夠識別的數(shù)字信號。*步是對模擬信號進行采樣，是將模擬信號變?yōu)闀r間的周期固定的離散函數(shù)。根據(jù)奈奎斯特（Harry Nyquist）定理可知，為了以后能夠恢復模擬信號的原來的面貌，采樣的頻率應該大于或等于模擬信號zui高頻率的兩倍；第二步是對采樣后得到的離散信號進行編碼，就是使用二進制編碼來表示各個離散信號的幅度，也就是所謂的脈沖編碼調(diào)制（pulse code modulation，PCM）。在硬件主要是使用由模數(shù)轉(zhuǎn)換器和采樣保持器構成的音頻輸入設備來實現(xiàn)的^[6]。

2.3.2 音頻數(shù)據(jù)壓縮

由于采集來的音頻數(shù)據(jù)有著相當巨大的數(shù)據(jù)量，如果事先不經(jīng)過壓縮，那么保存它們就需要大量的存貯空間，傳輸起來也比較困難，所以我們先得對其進行壓縮。

音頻壓縮是指在引入損失很小且不損失有用信息量的條件下，對PCM編碼（即原始數(shù)字音頻信號流）使用適當?shù)臄?shù)字信號處理，降低其碼率，也稱為壓縮編碼。它必須具有與它相應的逆變換，稱為解碼或解壓縮。

音頻壓縮技術分為有損（lossy）無和無損（lossless）壓縮壓縮兩大類，而根據(jù)壓縮方案的不同，又可將其劃分為變換壓縮、時域壓縮、子帶壓縮，以及各種技術相融合的混合壓縮等。根據(jù)壓縮技術的不同，其算法的音頻質(zhì)量、復雜程度（包括空間復雜度和時間復雜度）、算法效率（也就是壓縮比例），以及編解碼延時等均有很大的差異。且因各種壓縮技術應用場合的不同，其算法也有所不同。

數(shù)字音頻壓縮技術的應用范圍廣闊，市場前景良好，一些大公司和的研究機構都不遺余力地開發(fā)自己的技術及產(chǎn)品。因此，對音頻壓縮技術進行標準化管理就顯得非常重要了。在這一方面取得成功的主要是MPEG-1音頻（ISO/IEC11172-3）。MPEG-1對音頻壓縮共規(guī)定了三種模式，即層Ⅰ（ASPEC）、層Ⅱ（MP2，又稱MUSICAM），層Ⅲ（即MP3）。因為在制訂標準的時候?qū)Χ喾N壓縮技術進行了認真的考察，并且充分考慮了算法的可實現(xiàn)性（復雜度）和實際應用條件，因此三種模式應用都很廣泛。VCD當中采用的音頻壓縮技術就是MPEG-1層Ⅰ；MUSICAM因其具有復雜程度的適當和聲音質(zhì)量的特點，被廣泛應用在DAB、數(shù)字演播室、DVB等數(shù)字節(jié)目的交換、制作、存儲、傳送之中；MP3是在綜合了ASPEC和MUSICAM的優(yōu)點的基礎上提出的混合壓縮技術，MP3在當時的技術條件下，其復雜度相對較高，編碼在時性方面存在問題，但MP3因其高水準的聲音質(zhì)量和低碼率的特點，使得它深受軟解壓與網(wǎng)絡廣播的喜用。

2.3.2.1 MP3概述

MP3是一種音頻壓縮技術，其全稱是動態(tài)影像專家壓縮標準音頻層面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III），簡稱為MP3。MP3是被設計用來大幅度地減少音頻數(shù)據(jù)量，是在綜合了ASPEC和MUSICA的優(yōu)點的基礎上提出的混合壓縮技術。由于人耳只對20Hz~20kHz頻率范圍內(nèi)的聲音信號敏感，MP3因此利用這種特性，將時域波形信號轉(zhuǎn)換成頻域信號，并且將頻域信號劃分成多個頻段，對各個頻段使用不同的壓縮比，在對信號保證不失真的條件下，對低頻信號使用小的壓縮比，對高頻使用大的壓縮比（也可能忽略信號）。如此一來就相當于拋棄人耳基本上聽不到的高頻聲音，而只保留人耳能聽到的低頻部分，從而將信號以1∶10甚至1∶12的壓縮比進行壓縮。壓縮成容量較小的文件，而對于大多數(shù)用戶來講重放的音質(zhì)與zui初的不進行壓縮的音頻相比沒有明顯的下降。

雖然MP3對原始信號進行了高壓縮處理，但由于其除去的大都是人耳基本聽不到的高頻成分，所以MP3壓縮在音質(zhì)上聽起來幾乎沒有影響。MP3以它高品質(zhì)的音質(zhì)以及開放、免費等特點，不管是在網(wǎng)絡上還是現(xiàn)實生活中，都占據(jù)了其堅實的地位，各種與MP3相關的軟件產(chǎn)品層出不窮，很多的硬件產(chǎn)品也都支持MP3，我們能夠買到的VCD/DVD播放機，便攜的MP3播放器，手機等等，它已經(jīng)成為目前zui為普及的音頻壓縮格式。

2.3.2.2 MP3編碼

MP3編碼主要由3大功能模塊組成，包括混合濾波器組（子帶濾波器和MDCT）、心理聲學模型、量化編碼（比特和比特因子分配和哈夫曼編碼）。

    （1）混合濾波器組這部分包括子帶濾波器組和MDCT（Modified Discrete Cosine Transform,改進型離散余弦變換）兩部分。子帶濾波器組編碼完成樣本信號從時域到頻域的映射，并將規(guī)定的音頻信號通過帶通濾波器組分解成32個子帶輸出。子帶濾波器組輸出的32個子帶寬度是相等的，而從心理聲學模型得出來的臨界帶寬卻并不是等帶寬的，因此為了使得臨界頻帶與進行編碼的各個比例因子帶相匹配，就需要對各個子帶信號做MDCT變換。MDCT濾波器組將子帶濾波器組的輸出細分為18條頻線，32個組共產(chǎn)生576條頻線。然后再利用心理聲學模型中計算出來的子帶信號的信掩比，來決定576條譜線的比特數(shù)的分配。

（2）心理聲學模型。心理聲學模型的原理是利用人耳聽覺系統(tǒng)對高頻信號的不敏感性，移除大量人耳不能分辨的信號，以達到壓縮音頻信號的目的。在使用心理聲學模型之前要先對信號進行傅立葉變換，使信號有很好的頻域解析度，以便于計算。MPEG－I使用了兩種心理聲學模型，*種在編碼比特率高時提供適當精度，計算比較簡單；第二種一般在較低比特率編碼時使用，模型比較復雜。MP3編碼中一般使用第二種心理聲學模。計算出各個子帶的掩蔽域值是心理聲學模型的目的，并以此控制量化的過程。通常用FFT求出信號的頻譜特性來實現(xiàn)心理聲學模型過程的*步，根據(jù)頻譜特性找出各頻率點上的非音調(diào)成分(也稱噪音成分)和音調(diào)成分（有些稱為音樂成分）；然后根據(jù)掩蔽域曲線確定各個非音調(diào)成分和音調(diào)成分在其它頻率點的掩蔽域值；zui后將求出各頻率點的總體掩蔽域折算到編碼子帶中。原始信號與zui終的壓縮數(shù)據(jù)被解碼后的結果是否可以不加區(qū)分取決于對于子帶濾波器組輸出的譜值量化后產(chǎn)生的噪聲是否能夠被控制于掩蔽域值以下。響度和頻率決定了一個給定信號的掩蔽能力，因此心理聲學模型的zui后輸出是信掩比SMR(signal一to一mask radio)，即信號強度和掩蔽閾值的比率。

（3）量化編碼。量化編碼的比特分配和量化是使用一個三層迭代循環(huán)模型來實現(xiàn)的。這三層包括：內(nèi)層循環(huán)、外層循環(huán)以及幀循環(huán)。內(nèi)層迭代模型對輸入矢量進行量化，通過遞增量化步長來使得量化輸出能夠在一定的比特位數(shù)限制之內(nèi)被編碼；外層迭代模型首先使用內(nèi)層迭代模型，然后再調(diào)用外層迭代模型；幀循環(huán)復位全部的迭代變量，并計算能夠提供給每節(jié)數(shù)據(jù)的zui大比特數(shù)。哈夫曼編碼對量化的zui大值有限制，如果它的zui大值超過了限制，那么內(nèi)層迭代循環(huán)就需要遞增量化步長，重新進行量化，所以就需要事先判斷所有的量化的zui大值是否超過限制。然后計算哈夫曼編碼的位數(shù)，由幀循環(huán)計算出的每節(jié)編碼所能夠提供的zui大比特數(shù)要大于其所占的比特數(shù)，否則也要增加量化步長重新再進行量化。只有當量化滿足要求以后，才將zui終的比例銀子數(shù)值進行存儲，然后跳出外層循環(huán)，并在幀循環(huán)當中計算出存儲每節(jié)數(shù)據(jù)所用的比特位數(shù)。  

2.3.2.3 MP3解碼

MP3解碼原理：MP3解碼得整個過程是先將MP3數(shù)據(jù)幀進行解包，解出邊帶信息和幀頭信息；然后再使用霍夫曼解碼解出比特分配信息；接著在逆變換中利用頻譜系數(shù)，在綜合濾波器當中把32位子帶合并成一個寬帶信號。18個頻譜值執(zhí)行32位IMDCT（逆改進型離散余弦變換），然后再將生成的576個頻譜值轉(zhuǎn)換成長度為32的18個連續(xù)的頻譜。經(jīng)過18次的運算，這些頻譜將會被多相位綜合濾波器轉(zhuǎn)換到時域，完成波形的重構，zui后生成立體聲PCM音頻碼流。MP3解碼流程如圖2-2所示。

PCM信號進行MP3壓縮時，以1152個PCM采樣值為單位，封裝成長度固定的MP3數(shù)據(jù)幀，其中幀是MP3文件zui小的組成單位。在解碼的時候，利用數(shù)據(jù)幀里面的信息就可以將1152個PCM采樣值恢復出來了。這1152個采樣值共被分成兩個粒度組，一個粒度組包含了576個采樣值。

（1）幀頭信息的讀取以及數(shù)據(jù)流的同步。MP3音頻解碼過程中的*步就是使解碼器與輸入數(shù)據(jù)流同步，MP3數(shù)據(jù)流的同步是以幀為單位，每一幀的幀頭都包含同步信息。這個同步信息是由連續(xù)的12比特的‘1’組成。在啟動解碼器后，可以通過搜索數(shù)據(jù)流中的12比特長的同步字來完成。在同步后面接著的數(shù)據(jù)就是幀頭信息，包括填充位、采樣率、比特率等信息。

（2）主數(shù)據(jù)的讀取在MP3編碼過程中使用了比特池技術，所以當前幀的主數(shù)據(jù)不一定全部都在當前幀中，在解碼過程中，必須結合主數(shù)據(jù)開始指針的值來確定主數(shù)據(jù)的開始位置。主數(shù)據(jù)包含的數(shù)據(jù)有縮放因子、哈夫曼數(shù)據(jù)及附加數(shù)據(jù)。這些字段在主數(shù)據(jù)中有固定的格式。

（3）反量化和哈夫曼解碼在MP3編碼的過程當中，按照心理聲學模型的輸出，對離散余弦變

換的輸出樣本的量化和分配是以粒度為單位進行的，然后再對量化的結果進行哈夫曼編碼。編碼和量化主要是經(jīng)過循環(huán)迭代來完成的，循環(huán)模塊使用三層來描述，其中zui高層為幀循環(huán)，它調(diào)用外層迭代循環(huán)，而外層迭代循環(huán)又調(diào)用內(nèi)層迭代循環(huán)。但是在解碼得過程中，哈夫曼解碼以及反量化過程是分開來實現(xiàn)的。由于都是用不同的哈夫曼表來對每個粒度組的頻率線進行編碼的，所以在解碼的過程中，需要使用不一樣的解碼方法。反量化頻譜過程就是基于所得到的哈夫曼解碼數(shù)據(jù)，根據(jù)幀邊信息和逆量化全縮放公式，對于不同的窗類型使用不同的公式來恢復576個頻率線的真實值。

（4）反混疊和重排序。反量化過程當中得到的頻譜值是按照不同順序排列的。在編碼的MDCT過程當中，是先按子帶然后按頻率來對于長窗產(chǎn)生的頻譜值進行排列；對于短窗，是照子帶、窗、頻率的順序來對所產(chǎn)生的頻譜值進行排列的。為了增加哈夫曼編碼效率，短窗中的數(shù)據(jù)按照子帶、頻率、窗的順序被重新進行排列。解碼時，重排序及時將短窗中的頻譜值重新進行排列。同樣，在編碼的MDCT過程中，為了得到更好的頻域特性，對長窗對應每個子帶進行了去混疊處理，為了得到正確的音頻信號，在解碼時必須對長窗對應的子帶進行混疊重建。

（5）逆向離散余弦變換。逆向離散余弦變換主要是使用逆向離散余弦變換的公式，對反量化得出的信號進行變換。逆向離散余弦變換的計算十分復雜，為了提率，可以對計算做一些優(yōu)化。

（6）頻率反轉(zhuǎn)和子帶合成頻率反轉(zhuǎn)是對逆向離散余弦變換的輸出值中的奇數(shù)號子帶（0到31號子帶中的1，3，5，...，31）中的奇數(shù)號樣本值（每個子帶中的 0到17號樣本值的1，3，5，...，17號樣本值）進行反相處理，用來補償編碼時為提高離散余弦變換效率而進行的頻率反轉(zhuǎn)。子帶合成濾波器將32個帶寬相等的子帶中的頻域信號反變換成時域信號。子帶合成是逆向離散余弦變換后的一個通道中32個子帶的樣值，經(jīng)過一系列的計算還原出32個PCM數(shù)字音頻信號的過程。子帶合成過程先將32個子帶樣值進行逆向離散余弦變換，生成64個中間值，將這64個中間值轉(zhuǎn)入到一個長為1024點的類似*先出FIFO的緩存，再在這1024個值中抽取一半，構成一個512個值的矢量，再進行加窗運算，zui后將加窗結果進行疊加生成32個時域輸出。

音頻信號傳輸

由于傳輸技術、設備或現(xiàn)場條件的限制，對于遠距離廣播音頻傳輸，聲音質(zhì)量往往難以保證。如何快速而低廉地構建高質(zhì)量遠距離的音頻傳輸平臺，滿足廣播的需要，是我們亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的廣播信號傳輸方式主要為微波、光纖、調(diào)頻無線、ISDN（即窄帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)）、傳輸器、普通或GSM等，但這些傳輸方式都存在不同程度的缺點。

微波、光纖及無線調(diào)頻傳輸方式能提供高質(zhì)量的音頻傳輸，但對于遠距離、直播地點不確定時，往往難以達到快速布點及有效保障。ISDN在我國除北京、上海、廣州等少數(shù)大城市有一些應用外，目前已經(jīng)逐漸淡出市場。而且對于跨省市的電信局之間，ISDN還存在調(diào)試困難、線路不穩(wěn)定的情況。用普通或GSM，聲音質(zhì)量太差，做短時間的信息播報尚可，作為大時段長時間的直播就不太合適。用傳輸器傳輸音頻信號是一種相對較好的方式，但也存在設備價格昂貴，實際應用中兩臺機器連接數(shù)率在24 kbps以上時容易出現(xiàn)掉線。所以為保障安全連接，一般都選用9.6 kbps至 21.6 kbps之間的連接速率，故此聲音頻響只能達到5～12 kHz，從而影響到了節(jié)目的傳輸質(zhì)量^[7]。

2.3.3.1 TCP/UDP

在互聯(lián)網(wǎng)上要實現(xiàn)高質(zhì)量實時數(shù)據(jù)連接，主要應用到傳輸層協(xié)議。根據(jù)OSI網(wǎng)絡標準定義，網(wǎng)絡由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層7層組成。而在實際應用中，網(wǎng)絡結構可簡化為鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層用戶接口，其結構如圖2-4所示。

在TCP/IP層結構模型中，傳輸層的功能是使源端主機和目標端主機上的對等實體可以進行會話。在傳輸層定義了兩種服務質(zhì)量不同的協(xié)議。即：TCP（transmission control protocol）傳輸控制協(xié)議和UDP（user datagram protocol）用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議^[8]。

TCP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議。能夠提供可靠的、全雙工的網(wǎng)絡通信服務，具有確認、數(shù)據(jù)流控制、多路復用和數(shù)據(jù)同步等功能，適合無差錯高質(zhì)量數(shù)據(jù)的傳輸。由于TCP協(xié)議對數(shù)據(jù)完整性和正確性的苛刻要求，不得不在協(xié)議自身中加入大量控制內(nèi)容。這些控制內(nèi)容可以用于檢驗數(shù)據(jù)包的時序，完整性，正確性等。由于這些數(shù)據(jù)的加入，導致發(fā)送端和接收端的計算量加大，并且，由于這些控制數(shù)據(jù)的加入，使得傳輸數(shù)據(jù)的體積也加大了很多，加重了對網(wǎng)絡的負載。這些問題zui后都指向一個致命的問題：數(shù)據(jù)的延遲性被增大了。因此TCP協(xié)議不適合傳輸實時音頻數(shù)據(jù)和突發(fā)性的大量數(shù)據(jù)^[9]。

UDP協(xié)議是一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務。UDP 并不提供對IP 協(xié)議的可靠機制、流控制以及錯誤恢復功能等。雖然UDP提供的是無連接的、不可靠的數(shù)據(jù)傳送方式，但是相對于TCP協(xié)議，UDP協(xié)議減少了確認、同步等操作，節(jié)省了很大的網(wǎng)絡開銷，它能夠提供高傳輸效率的數(shù)據(jù)報服務，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性傳輸，在數(shù)據(jù)的實時傳輸中應用廣泛^[10]。

盡管UDP協(xié)議延時較小，但在不可靠網(wǎng)絡條件下，這仍然是影響傳輸?shù)闹匾蛩亍Ｔ谶@種情況下，通常在客戶端設定一個緩沖區(qū)來減少網(wǎng)絡的延時。接收到的數(shù)據(jù)包先壓入緩沖區(qū)，當緩沖區(qū)中達到預定數(shù)量的包后，開始解碼播放。這樣可以減少延時變化的影響，這種緩沖區(qū)的大小應該是隨著網(wǎng)絡的變化而變化。選定緩沖區(qū)的大小至關重要，因為如果緩沖區(qū)過小，一些zui終能到達甚至馬上就到到達的數(shù)據(jù)包可能會被認為丟包而遺棄，增大的丟包的可能性。相反，如果緩沖區(qū)設定過大，將有更大延時，而延時的過大將有可能超過人耳能夠覺察的門限值。

總結起來，UDP協(xié)議被廣泛地使用在對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸實時性很高而對數(shù)據(jù)準確性要求不是非常高的場合。而當今網(wǎng)絡傳輸物理介質(zhì)的高速提升(光纖)也降低了數(shù)據(jù)包丟失的幾率。當網(wǎng)絡狀態(tài)很好的時候，UDP協(xié)議的這兩個缺點又可以很大程度上被克服。因此，UDP協(xié)議比較適合作為實時高質(zhì)量音頻數(shù)據(jù)的傳輸。所以，只要找到數(shù)據(jù)傳輸速度、延時及丟包三者的平衡點，就可實現(xiàn)高質(zhì)量音頻數(shù)據(jù)的實時可靠傳輸。

2.3.3.2 RTP/RTCP/RTSP

實時傳輸協(xié)議RTP（Real-Time Transport Protocol）是針對Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個傳輸協(xié)議，被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實現(xiàn)流同步。RTP的典型應用建立在UDP上，但也可以在TCP或ATM等其他協(xié)議之上工作。RTP本身只保證實時數(shù)據(jù)的傳輸，并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務^[11]。

流媒體的傳輸是需要數(shù)據(jù)的適時的到達用以播放和回放，威脅多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€尖銳的問題就是不可預料數(shù)據(jù)到達時間。RTP協(xié)議就是提供了時間標簽,序列號以及其它的結構用于控制適時數(shù)據(jù)的流放。在流的概念中“時間標簽”是zui重要的信息。發(fā)送端依照即時的采樣在數(shù)據(jù)包里隱蔽的設置了時間標簽。在接受端收到數(shù)據(jù)包后,就依照時間標簽按照正確的速率恢復成原始的適時的數(shù)據(jù)。不同的媒體格式調(diào)時屬性是不一樣的。但是RTP本身并不負責同步，RTP只是傳輸層協(xié)議，為了簡化運輸層處理，提高該層的效率。將部分運輸層協(xié)議功能（比如流量控制）上移到應用層完成。同步就是屬于應用層協(xié)議完成。它沒有運輸層協(xié)議的完整功能，不提供任何機制來保證實時地傳輸數(shù)據(jù)，不支持資源預留，也不保證服務質(zhì)量。RTP報文甚至不包括長度和報文邊界的描述。同時RTP協(xié)議的數(shù)據(jù)報文和控制報文的使用相鄰的不同端口，這樣大大提高了協(xié)議的靈活性和處理的簡單性。
RTP協(xié)議和UDP二者共同完成運輸層協(xié)議功能。UDP協(xié)議只是傳輸數(shù)據(jù)包，不管數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r間順序。RTP的協(xié)議數(shù)據(jù)單元是用UDP分組來承載的。在承載RTP數(shù)據(jù)包的時候，有時候一幀數(shù)據(jù)被分割成幾個包具有相同的時間標簽，則可以知道時間標簽并不是必須的。而UDP的多路復用讓RTP協(xié)議利用支持顯式的多點投遞，可以滿足多媒體會話的需求。RTP協(xié)議雖然是傳輸層協(xié)議但是它沒有作為OSI體系結構中單獨的一層來實現(xiàn)。RTP協(xié)議通常根據(jù)一個具體的應用來提供服務，RTP只提供協(xié)議框架，可以根據(jù)應用的具體要求對協(xié)議進行充分的擴展。
實時傳輸控制協(xié)議RTCP(Real-Time Transport Control Protocol)負責管理傳輸質(zhì)量在當前應用進程之間交換控制信息。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包，包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料。因此，服務器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和zui小的開銷使傳輸效率佳化，故特別適合傳送網(wǎng)上的實時數(shù)據(jù)^[11]。

當應用程序開始一個RTP會話時將使用兩個端口：一個給RTP，一個給RTCP。RTP本身并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務。在RTP的會話之間周期的發(fā)放一些RTCP包以用來傳監(jiān)聽服務質(zhì)量和交換會話用戶信息等功能。RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料。因此，服務器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，它們能以有效的反饋和zui小的開銷使傳輸效率佳化，因而特別適合傳送網(wǎng)上的實時數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶間的數(shù)據(jù)傳輸反饋信息，可以制定流量控制的策略，而會話用戶信息的交互，可以制定會話控制的策略。

RTSP（Real Time Streaming Protocol），實時流傳輸協(xié)議，是TCP/IP協(xié)議體系中的一個應用層協(xié)議。該協(xié)議定義了一對多應用程序如何有效地通過IP網(wǎng)絡傳送多媒體數(shù)據(jù)。RTSP在體系結構上位于RTP和RTCP之上，它使用TCP或UDP完成數(shù)據(jù)傳輸^[10]。HTTP與RTSP相比，HTTP傳送HTML，而RTSP傳送的是多媒體數(shù)據(jù)。HTTP請求由客戶機發(fā)出，服務器做出響應；使用RTSP時，客戶機和服務器都可以發(fā)出請求，即RTSP可以是雙向的。RTSP協(xié)議以客戶服務器方式工作，它是一個應用層的多媒體播放控制協(xié)議，用來使用戶在播放從因特網(wǎng)下載的實時數(shù)據(jù)時能夠進行控制，如：暫停、繼續(xù)、快退、快進等。因此RTSP又稱為“因特網(wǎng)錄像機遙控協(xié)議”。

IP網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)總體方案

作為一個IP網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)，首先，它應該具有一個或多個能提供音頻信號的設備，用于讀取音頻文件或?qū)崟r采集聲音信號，如CD機、收錄音機、卡座、傳聲器等音源設備；其次，要將上述設備輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，應在音源設備后面應該連接一套語音編碼設備，如聲卡、多路采播卡等；再次，由于廣播的應用非常廣泛，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常大，單純用擴大存儲器容量、增加通信干線的傳輸速率的辦法是不現(xiàn)實的，我們可以利用數(shù)據(jù)壓縮技術來解決這個問題，通過數(shù)據(jù)壓縮，可以把信息數(shù)據(jù)量壓下來，以壓縮形式存儲、傳輸，既節(jié)約了存儲空間，又提高了通信干線的傳輸效率。對于來自語音編碼設備的音頻數(shù)據(jù)的壓縮、存儲以及對來語音文件庫中的音頻流進行處理并經(jīng)網(wǎng)絡發(fā)送給廣播終端等工作，可由音頻服務器來完成，由WEB服務器對網(wǎng)絡主機的訪問提供服務；zui后，應該有用來對服務器進行訪問，進行查詢、設置、修改、管理節(jié)目等工作的一些網(wǎng)絡主機，以及一些用來接收網(wǎng)絡傳來的音頻數(shù)據(jù)并完成將音頻數(shù)據(jù)還原成語音信號的功能的模塊。

綜上所述，整個IP網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)模型主要由模擬音源、語音編碼設備、主控服務器、網(wǎng)絡主機和廣播終端這幾個部分組成，如圖 3-1所示。其中，語音編碼設備和主控服務器具體實現(xiàn)可以由一臺高性能的PC服務器來完成。

（1）主控服務器。按功能可分為音頻服務器、WEB服務器和數(shù)據(jù)庫，主要任務是對音頻數(shù)據(jù)進行處理、存儲以及發(fā)送，并接收、處理客戶端發(fā)來的請求等。

（2）網(wǎng)絡主機。為任意可通過網(wǎng)絡訪問服務器的主機，用戶可以運行網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)客戶端軟件，通過系統(tǒng)服務器的登錄與權限驗證，就可以隨時隨地通過IP局域網(wǎng)或Internet網(wǎng)絡對廣播系統(tǒng)進行控制。用戶可以通過網(wǎng)絡主機的聲卡進行實時采播，也可以進行本地文件播放，并可以遠程編排定時播放任務，上傳至服務器后等待服務器自動播放。

（3）廣播終端。系統(tǒng)服務器上的播放任務將音頻數(shù)據(jù)文件以IP數(shù)據(jù)報文方式發(fā)送到廣播終端，在廣播終端上進行解碼還原為音頻流，再對后級功放或音箱進行驅(qū)動。每一臺網(wǎng)絡廣播終端設備擁有獨立的IP地址，能夠?qū)崿F(xiàn)單點廣播。

3.2 主控服務器

如圖2.2所示，主控服務器系統(tǒng)包括音頻服務器、WEB服務器和數(shù)據(jù)庫三個部分。在系統(tǒng)構架

上采用客戶/服務器（Client/Server）結構來處理音頻服務器和廣播終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用瀏覽器/服務器（Brower/Server）結構來處理服務器和網(wǎng)絡主機之間的互動^[12]。

3.2.1 音頻服務器

語音廣播內(nèi)容通常有背景音樂、音樂電鈴、廣播尋呼、信息宣傳、時事政策廣播、警示語等，而不同的播放數(shù)據(jù)，音頻服務器的處理方式也有所不同。

對于背景音樂、音樂電鈴、警示語等內(nèi)容比較固定的情況，通常是事先將壓縮的錄制好的聲音文件或硬盤上的音樂文件存儲在服務器上，需要播放時可通過網(wǎng)絡下載到客戶端。音頻服務器用于對輸入的音頻數(shù)據(jù)進行處理后儲存到數(shù)據(jù)庫中以及將來自數(shù)據(jù)庫的音頻流經(jīng)處理后發(fā)送出去。對輸入數(shù)據(jù)的處理方式取決于它是否經(jīng)過壓縮：對于已壓縮的聲音文件，我們首先必須要知道其編碼方式，將其進行解碼還原成PCM碼，然后再按我們需要的格式進行壓縮，我們這里使用MP3格式進行壓縮，所以，如果是MP3格式的壓縮文件可以跳過處理過程直接存入數(shù)據(jù)庫；對于未經(jīng)壓縮的語音數(shù)據(jù)需經(jīng)過壓縮后存入數(shù)據(jù)庫中。

而對于廣播尋呼、信息宣傳、時事政策廣播等實時音頻播放，則不能事先錄制好和儲存在服務器中，而是在發(fā)送方邊錄制邊發(fā)送，接收方也要求能連續(xù)播放。

 WEB服務器

WEB服務器作為B/S構架中的server，其作用是為網(wǎng)絡主機的訪問提供服務。當服務器收到網(wǎng)絡主機發(fā)來的HTTP請求后，根據(jù)要求向數(shù)據(jù)庫發(fā)出SQL數(shù)據(jù)請求，實現(xiàn)常規(guī)的登陸、查詢、點播等功能。

數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫主要是用于存放語音文件和各種管理信息等，并能夠提供音頻點播、管理員身份驗證、查詢和節(jié)目管理等功能。

廣播終端設計

廣播終端的結構如圖3-3所示，系統(tǒng)服務器上的播放任務將音頻數(shù)據(jù)文件以IP數(shù)據(jù)報文方式發(fā)送到廣播終端，廣播終端的接收裝置從網(wǎng)絡中獲取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包 ,并拆分數(shù)據(jù)包 ,后將得到的音頻數(shù)據(jù)經(jīng)解壓縮，還原成原始數(shù)字音頻數(shù)據(jù) ,然后對數(shù)字音頻數(shù)據(jù)進行解碼得到模擬音頻信號，經(jīng)功放放大后推動揚聲器發(fā)聲。每一臺接收解碼設備具有獨立的IP地址，以實現(xiàn)單點廣播。

廣播和點播功能

廣播功能是服務器按照預先安排的節(jié)目列表在數(shù)據(jù)庫中尋找相關音頻資源，并通過網(wǎng)絡將其輸送到廣播區(qū)域進行播放。系統(tǒng)可設定自動打開或關閉主控設備電源，自動定時播放如背景音樂，報時鈴聲，轉(zhuǎn)播電臺節(jié)目等日常節(jié)目，編程實現(xiàn)播放全程自動化管理。平時系統(tǒng)通過讀取節(jié)目列表有序地進行日常播放，當有事故發(fā)生需要播放緊急廣播時，將暫停日常節(jié)目的播放，直到緊急廣播播放完畢。需要發(fā)布實時信息時，可將外接音頻（卡座、CD、收音機、話筒等）接入音頻服務器實時壓縮成高音質(zhì)數(shù)據(jù)流，并通過網(wǎng)絡發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，安裝在不同廣播終端的數(shù)字廣播終端可實時接收并通過音箱進行播放。廣播過程中客戶端處于被動接收狀態(tài)，無法控制音頻流^[13]。

與廣播功能的被動接收不同，點播是客戶端向服務器主動發(fā)出請求的過程，如圖所示。

（1） 用戶通過瀏覽器點擊要看的音頻文件的超鏈，這個超鏈并沒有指向請求的音頻文件，而是指向一個包含有實際音頻文件統(tǒng)一資源定位符URL的元文件。

（2） WEB服務器把裝有元文件的HTTP響應報文發(fā)回給瀏覽器，

（3） 瀏覽器收到WEB服務器的響應后，把提取出來的元文件傳送給廣播終端的音頻播放器。

（4） 音頻播放器使用元文件中的URL接入到音頻服務器，請求下載音頻文件。音頻服務器和播放器之間采用RTSP協(xié)議實現(xiàn)實時音頻數(shù)據(jù)播放的暫停、繼續(xù)、快退、快放等功能，并在UDP上傳送，保證音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

3.5 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要由服務器管理系統(tǒng)和客戶端管理系統(tǒng)構成。服務器端的管理系統(tǒng)的管理功能有:用戶配置管理 ,用于設置廣播網(wǎng)絡各層次用戶分配相對應的操作使用權限、終端配置管理、分組配置管理、資源庫節(jié)目管理、定時任務設置、用戶配置管理、節(jié)目實時采播、庫節(jié)目播放、安全管理等。客戶端管理系統(tǒng)的管理功能有：終端狀態(tài)查詢、定時任務設置節(jié)目管理、節(jié)目實時采播、節(jié)目播放等。

第4章 IP網(wǎng)絡公共廣播系統(tǒng)的應用

程概況

阿壩師范高等專科學校是經(jīng)批準建立的高等院校，也是目前四川省內(nèi)*一所省屬公辦全日制師范高等專科學校。在經(jīng)過2008年汶川后，阿壩師范高等專科學校新校園于2011年9月在國家4A風景區(qū)、長壽之鄉(xiāng)汶川縣水磨鎮(zhèn)完成了重建。

阿壩師范高等專科學校新校園占地約600畝，共有建筑33棟，建筑面積23萬平方米,主要包括：教學樓（3棟）、行政樓、學生宿舍（8棟）、實驗實訓大樓（2棟）、學生食堂、體育館、美術樓、音樂樓、教師周轉(zhuǎn)房（8棟）、校醫(yī)院、圖文信息中心、學術交流中心。

4.2功能需求分析

（1）廣播系統(tǒng)能定時播放學校日常的音樂（如背景音樂、上下課鈴聲、保健操、英語聽力、報鈴聲等），自動開關機，實現(xiàn)無人值守。

（2）能轉(zhuǎn)播廣播電臺節(jié)目、調(diào)頻無線廣播，可以根據(jù)需求進行節(jié)目點播。

（3）校園內(nèi)的背景音樂部分分為固定的幾個分區(qū)，可以同時收聽同一音源，也可分別廣播。

（4）采用網(wǎng)絡化廣播系統(tǒng)，利用現(xiàn)有局域網(wǎng)，減少施工布線。

（5）除主控中心可以控制管理外，任意聯(lián)網(wǎng)的計算機均可以登錄管理系統(tǒng)進行終端狀態(tài)查詢、播放控制、節(jié)目安排等操作。

（6）可以在網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)對任意分區(qū)進行廣播和尋呼。

4.3 系統(tǒng)分析

4.3.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃

由于阿壩師范高等專科學校剛完成災后重建剛工作，校園的教學資源網(wǎng)、視頻網(wǎng)、廣播網(wǎng)、計算機通信網(wǎng)等各種網(wǎng)絡都有待建設，如果每種網(wǎng)絡都自成一體，那么校園各處都會看到許多粗細不一的線纜，嚴重影響校園的美觀，也不符合當?shù)?ldquo;4A”風景區(qū)的建設要求。

為了避免上述問題的出現(xiàn)，阿壩師范高等專科學校的校園廣播系統(tǒng)采用目前*的廣播系統(tǒng)——IP網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)，系統(tǒng)總體規(guī)劃如圖4-1所示。

該系統(tǒng)*是基于學校現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡建設，安裝時無需單獨布線，廣播節(jié)目通過IP網(wǎng)絡傳送到各個音頻終端，是真正意義上的純數(shù)字化網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)。

廣播功放的選用

按照有線廣播及火災事故廣播設計安裝規(guī)范的要求：“有線廣播的功放設備宜選用定電壓輸出。當功放設備容量小或廣播范圍小時，亦可根據(jù)情況選用定阻輸出。”

由于教室揚聲器有時需要單獨進行節(jié)目播放，故需要單獨的功放和音頻終端，但需要的功放設備容量及廣播范圍都很小，而一般音頻終端都內(nèi)置有一定的功率的功放模塊，故可以采用定阻掛壁音箱直接連接到音頻終端，不需要功放驅(qū)動。

而對區(qū)域性廣播，一個功放需驅(qū)動多個揚聲器發(fā)聲，功放設備容量較大，并且廣播線路通常都相當長，須用高壓傳輸才能減小線路損耗。

廣播功放的zui重要指標是額定輸出功率。應選用多大的額定輸出功率，須視廣播揚聲器的總功率而定。對于廣播系統(tǒng)來說，只要廣播揚聲器的總功率小于或等于功放的額定功率，而且電壓參數(shù)相同，即可隨意配接，但考慮到線路損耗、老化等因素，應適當留有功率余量。

按照有線廣播及火災事故廣播設計安裝規(guī)范的要求，功放設備的容量（相當于額定輸出功率）一般應按公式（4-2）計算：

                                    P = K₁·K₂·ΣP₀                              （4-2）

式中 P — 功放設備輸出總電功率（W）；

K₁ — 線路衰耗補償系數(shù)：1.26 ~ 1.58；

K₂ — 老化系數(shù)：1.2 ~ 1.4；

P₀ — 每一分路（相當于分區(qū)）同時廣播時zui大電功率；

      P₀ = K_i·P_i 

P_i — 第i分區(qū)揚聲器額定容量；

K_i — 第i分區(qū)同時需要系數(shù);

      服務性廣播客房節(jié)目，取0.2 ~ 0.4；

      背景音樂系統(tǒng)，取0.5 ~ 0.6；

      業(yè)務性廣播，取0.7 ~ 0.8；

      火災事故廣播，取1.0。

對于背景音樂系統(tǒng)，根據(jù)上述內(nèi)容可知，廣播功放的額定輸出功率應是廣播揚聲器總功率的1.3倍左右。對于緊急廣播，根據(jù)有線廣播及火災事故廣播設計安裝規(guī)范的要求，緊急廣播功放的額定輸出功率應是廣播揚聲器容量zui大的三個分區(qū)中揚聲器容量總和的1.5倍。

4廣播分區(qū)

對于學校來說，通常校園的不同區(qū)域?qū)V播的需求是不盡相同的，為了便于播放及管理，廣播系統(tǒng)需要劃分成若干個相對獨立的廣播分區(qū)，由管理人員（或預編程序）決定各個廣播分區(qū)的廣播內(nèi)容。

阿壩師范高等專科學校的廣播區(qū)域主要有：教學樓（3棟）、行政樓、學生宿舍（8棟）、實驗實訓大樓（2棟）、學生食堂、體育館、美術樓、音樂樓、教師周轉(zhuǎn)房（8棟）、校醫(yī)院、圖文信息中心、學術交流中心。

各個教室經(jīng)常需要進行單獨教學節(jié)目播放，必須分別作為一個廣播點，同時也可以任意地組合（如按年級、按樓層等）進行區(qū)域廣播；行政樓、學生宿舍（8棟）、實驗實訓大樓（2棟）、學生食堂、體育館、美術樓、音樂樓、教師周轉(zhuǎn)房（8棟）、校醫(yī)院、圖文信息中心、學術交流中心以及綠化帶一般沒有特殊要求，可以分別劃分為一個區(qū)域。各個區(qū)域可以共同播放一套節(jié)目，也可以同時播放不同節(jié)目。

廣播系統(tǒng)分區(qū)的實現(xiàn)主要采用軟件來實現(xiàn)。辦公樓、學生宿舍、實驗實訓大樓、學生食堂、操場、教師宿舍、校醫(yī)院、圖書館、學術交流中心和綠化帶分別安置一臺語音終端，用來對廣播信號進行實時接收及解壓，還原后的模擬信號通過功率放大器放大后驅(qū)動音響、音柱等發(fā)聲。每個語音終端具有獨立的IP地址，主控服務器可以通過校園網(wǎng)對各個語音終端進行點對點尋址和分組尋址，達到分區(qū)廣播的目的。各個廣播分區(qū)設備配置如表4-1所示。

表 4-1 各個廣播分區(qū)設備配置表

4.4.4 傳輸線路

在廣播系統(tǒng)工程施工過程中，人們往往將注意力集中在相關的器材配套上面，而忽略了對廣播傳輸電纜的選擇。其實，對于一個廣播系統(tǒng)工程來說，要獲得令人滿意的音響效果，除了應配備高質(zhì)量的廣播器材（功率放大器、揚聲器等）以外，廣播傳輸電纜的好壞在一定程度上也影響著聲音的質(zhì)量。 

IP網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)僅在語音源和音箱喇叭兩側(cè)采用模擬技術，整個系統(tǒng)的傳輸平臺基于現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡建設，安裝時無需單獨布線；系統(tǒng)模擬部分采用有線定壓傳輸方式，銅導線因它具有電阻率較小、價格適中、性價比等特點，是目前廣播系統(tǒng)使用zui廣泛線材。

廣播傳輸線路除了對線材選取有要求外，對其線徑大小也有一定要求。理論上講，線徑愈粗，線路傳輸損耗愈小，但是隨之而來的問題是，工程造價大大增加，施工難度加大了。因此確定線材的同時也要對線材的導體截面積進行選取，一般傳輸線路的導體截面積大小和導體材料，長度，負載，允許衰耗有關。其計算方法如公式^[15]

                       S=nLP/U² (mm²)                                    (4-2)

式中  S——為傳輸線路的導體截面積大小；

L——為傳輸里程；

P——為負載揚聲器功率；

U——為傳輸線電壓；

n的大小同線材的電阻率及允許衰耗有關，常見工程情況下的n的值如表4-2所示。

表4-2不同導體材質(zhì)和允許衰耗值時系數(shù)n的選擇

4.4.5 控制中心設計

廣播系統(tǒng)控制中心主要安裝模擬音源和主控服務器等相關設備。主控服務器主要提供節(jié)目資源庫管理、終端設備管理、用戶管理與*、定時任務管理等；模擬音源包括卡座、DVD、收音機、調(diào)諧器、話筒等，它們輸出地模擬信號通過服務器聲卡，實時壓縮成數(shù)字音頻信號，以數(shù)據(jù)流形式在網(wǎng)絡上傳送。相關設備有數(shù)字調(diào)音器、電源管理器，以及用于監(jiān)聽各個廣播點的監(jiān)聽終端等。

IP廣播系統(tǒng)，IP網(wǎng)絡廣播，IP公共廣播系統(tǒng)拓撲圖