本發(fā)明屬于地鐵列車廣播系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種基于壓縮感知的地鐵數(shù)字音視頻廣播方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在地鐵、輕軌、火車等現(xiàn)代軌道交通工具上，需要安裝能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)指揮、背景音樂(lè)、業(yè)務(wù)廣播及應(yīng)急報(bào)警的專業(yè)廣播系統(tǒng)，尤其是是能傳輸音頻信息和視頻信息等的現(xiàn)代廣播系統(tǒng)。

由于車廂環(huán)境相對(duì)封閉且不能安裝過(guò)多線纜，同時(shí)列車長(zhǎng)期處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，要實(shí)現(xiàn)司機(jī)室對(duì)講、司機(jī)對(duì)客室廣播、司機(jī)與乘客的對(duì)話、司機(jī)與不在車廂內(nèi)的控制中心、數(shù)字化報(bào)站/關(guān)門報(bào)警等通信功能具有一定的難度。同時(shí)車廂內(nèi)有動(dòng)態(tài)變化的噪聲，系統(tǒng)的各種通信方式都需要獨(dú)立進(jìn)行音量控制，采用統(tǒng)一的數(shù)字化音量配置文件，以到達(dá)理想的播音效果。傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)中存在的音質(zhì)不佳、容易受干擾、維護(hù)管理復(fù)雜、互動(dòng)性能差等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于壓縮感知的地鐵數(shù)字音視頻廣播方法及系統(tǒng)，其目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中地鐵車廂內(nèi)通信信號(hào)噪聲大、易受干擾且互動(dòng)性能較差的問(wèn)題。

一種基于壓縮感知的地鐵數(shù)字音視頻廣播方法，包括以下步驟：

步驟1：將司機(jī)語(yǔ)音控制單元、列車顯示與廣播控制單元、乘客廣播通信單元均連接至rs485總線、列車級(jí)廣播音頻總線以及列車級(jí)廣播視頻總線上；

步驟2：將從司機(jī)語(yǔ)音控制單元、列車顯示與廣播控制單元或乘客廣播通信單元采集的待廣播信號(hào)x利用壓縮感知技術(shù)進(jìn)行壓縮，然后對(duì)壓縮后信號(hào)進(jìn)行屬性類別標(biāo)記；

步驟3：依據(jù)預(yù)先構(gòu)建可動(dòng)態(tài)調(diào)整的rs485總線調(diào)度幀屬性優(yōu)先級(jí)信息表，對(duì)經(jīng)屬性類別標(biāo)記后的壓縮信號(hào)進(jìn)行屬性優(yōu)先級(jí)判斷，對(duì)當(dāng)前幀信號(hào)進(jìn)行傳輸；

步驟4：求解原始廣播信號(hào)的最優(yōu)稀疏表示s^*，利用從播放端完成對(duì)經(jīng)屬性類別標(biāo)記后的壓縮信號(hào)的恢復(fù)，得到廣播信號(hào)

s.t.y＝φψs

其中，s＝{s1,s2,…,sk}是原始信號(hào)的k維稀疏表示向量，si是該向量的每一個(gè)分量，是向量s的l2范數(shù)，φ為m×n的測(cè)量矩陣，ψ表示n×k的基矩陣。

所述可動(dòng)態(tài)調(diào)整的rs485總線調(diào)度幀屬性優(yōu)先級(jí)信息表中的動(dòng)態(tài)調(diào)整是指依據(jù)依據(jù)當(dāng)前幀信號(hào)的數(shù)據(jù)量大小判斷是否需要搶占執(zhí)行，從而對(duì)當(dāng)前幀信號(hào)的傳輸順序進(jìn)行調(diào)整；

進(jìn)一步地，對(duì)當(dāng)前幀信號(hào)按照以下過(guò)程進(jìn)行傳輸：

若當(dāng)前幀信號(hào)屬于重要幀，則出發(fā)中斷信號(hào)，按照重要幀的優(yōu)先級(jí)依次傳輸重要幀信號(hào)；

否則，依據(jù)當(dāng)前幀信號(hào)的數(shù)據(jù)量大小判斷是否需要搶占執(zhí)行，若需要，則采用搶占機(jī)制進(jìn)行信道搶占，傳輸當(dāng)前幀信號(hào)否則，利用npedf進(jìn)行當(dāng)前幀信號(hào)傳輸。

進(jìn)一步地，對(duì)待廣播信號(hào)進(jìn)行壓縮處理前，先采用高斯徑向基函數(shù)對(duì)待廣播信號(hào)x進(jìn)行歸一化處理，再和正交基相乘得到壓縮信號(hào)y。

針對(duì)原始廣播音頻的頻帶寬帶特性，該歸一化處理使得該專利所用的壓縮感知較通常的壓縮感知技術(shù)，獲得更高的壓縮比。

進(jìn)一步地，所述廣播信號(hào)從播放裝置輸出時(shí)，依據(jù)室內(nèi)噪聲傳感器采集的噪聲級(jí)別調(diào)節(jié)播放裝置的輸出功率。

一種基于壓縮感知的地鐵數(shù)字音視頻廣播系統(tǒng)，包括：

列車顯示與廣播控制單元，用于處理司機(jī)的控制指令與音頻、視頻信號(hào)，包括揚(yáng)聲器、顯示模塊以及對(duì)講器；

乘客廣播通信單元，用于與列車顯示與廣播控制單元通信，對(duì)音頻信號(hào)廣播以及顯示視頻信號(hào)的顯示，包括揚(yáng)聲器、對(duì)講器、噪聲傳感器以及顯示模塊；

司機(jī)語(yǔ)音控制單元，用于處理司機(jī)的控制信號(hào)并傳送給列車顯示與廣播控制單元，包括揚(yáng)聲器以及噪聲傳感器；

乘客緊急通訊單元，用于當(dāng)客室出現(xiàn)緊急情況或突發(fā)事件時(shí)，乘客可按下設(shè)置在客室內(nèi)的應(yīng)急對(duì)講裝置的緊急按鈕，并通過(guò)按鈕旁的內(nèi)藏式對(duì)講裝置實(shí)現(xiàn)與司機(jī)的對(duì)話。

所述揚(yáng)聲器連接在廣播音頻總線上，所述對(duì)講器連接在廣播視頻總線上，所述顯示模塊連接在rs485總線上；

所述列車顯示與廣播控制單元、乘客廣播通信單元以及司機(jī)語(yǔ)音控制單元均連接在rs485總線、列車級(jí)廣播音頻總線以及列車級(jí)視頻總線上；

所述列車顯示與廣播控制單元、乘客廣播通信單元以及司機(jī)語(yǔ)音控制單元采用權(quán)利要求上述的基于壓縮感知的地鐵數(shù)字音視頻廣播方法，對(duì)待廣播信號(hào)進(jìn)行傳輸。

進(jìn)一步地，列車顯示與廣播控制單元、乘客廣播通信單元以、司機(jī)語(yǔ)音控制單元以及乘客緊急通訊單元中使用的音頻處理器包括音頻處理芯片、變壓器模塊、功放模塊、診斷電路以及開(kāi)關(guān)電路；

所述音頻處理芯片通過(guò)i2c總線與列車顯示與廣播控制單元中的中央控制器相連，且兩者之間還設(shè)置有診斷電路；

外部音源通過(guò)變壓器模塊接入音頻處理芯片的聲音輸入通道，音頻處理芯片的聲音輸出通道與功放模塊相連輸出到司機(jī)室功放板或客室功放板，功放模塊的輸出通道由開(kāi)關(guān)電路控制。

音頻處理器上電后可通過(guò)診斷電路連通中央控制報(bào)告上電情況，該音頻處理器的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、頻響寬、信噪比高、失真度小、效率高。

進(jìn)一步地，列車顯示與廣播控制單元、乘客廣播通信單元、司機(jī)語(yǔ)音控制單元以及乘客緊急通訊單元中采用的控制器均為lpc1766armcortex-m芯片。

有益效果

本發(fā)明提供了一種基于壓縮感知的地鐵數(shù)字音視頻廣播方法及系統(tǒng)，該方法基于rs485總線的壓縮感知實(shí)時(shí)性保障算法，采用armcortex-m數(shù)字廣播技術(shù)，具有司機(jī)室對(duì)講、司機(jī)對(duì)乘客室廣播、司機(jī)與乘客對(duì)話、司機(jī)與地上的控制中心通信、數(shù)字化報(bào)站/關(guān)門報(bào)警等功能。整個(gè)系統(tǒng)采用全數(shù)字處理技術(shù)，采用數(shù)字信號(hào)傳輸具有信號(hào)穩(wěn)定，抗干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字傳輸。數(shù)字信號(hào)在多次處理和傳輸中進(jìn)入雜波后，其雜波幅度不超過(guò)某額定電平，可以通過(guò)數(shù)字再生；即使引入的雜波幅度超過(guò)了額定值，造成了誤碼，也可以引入信道的糾錯(cuò)編碼技術(shù)，在接受端糾正過(guò)來(lái)。所以數(shù)字傳輸不會(huì)降低信噪比，避免了系統(tǒng)非線形失真的影響，大大提高了音頻的質(zhì)量。

采用基于壓縮感知技術(shù)的實(shí)時(shí)性保障算法，使用壓縮感知壓縮原始音視頻數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)量，對(duì)媒體數(shù)據(jù)幀建立幀信息表，并采用動(dòng)態(tài)和靜態(tài)相結(jié)合的rs485總線調(diào)度算法，可以充分考慮到某些實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)、指令等可以優(yōu)先傳輸，又可以充分利用信道，大大提高系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性能。

附圖說(shuō)明

圖1地鐵廣播系統(tǒng)框圖；

圖2是本發(fā)明的列車顯示與廣播控制單元硬件結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明的乘客廣播通信單元硬件結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明的音頻處理器硬件結(jié)構(gòu)圖；

圖5是本發(fā)明的控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；

圖6是本發(fā)明的調(diào)度算法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，一種基于壓縮感知的地鐵數(shù)字音視頻廣播系統(tǒng)，由列車顯示與廣播控制單元，乘客廣播通信單元，司機(jī)語(yǔ)音控制單元，乘客緊急通訊單元，以及客室噪聲傳感器，列車揚(yáng)聲器，麥克風(fēng)，無(wú)線電設(shè)備，led顯示屏組成。

列車顯示與廣播控制單元，用于處理司機(jī)的控制指令與音頻、視頻信號(hào)，包括揚(yáng)聲器、顯示模塊以及對(duì)講器；

乘客廣播通信單元，用于與列車顯示與廣播控制單元通信，對(duì)音頻信號(hào)廣播以及顯示視頻信號(hào)的顯示，包括揚(yáng)聲器、對(duì)講器、噪聲傳感器以及顯示模塊；

司機(jī)語(yǔ)音控制單元，用于處理司機(jī)的控制信號(hào)并傳送給列車顯示與廣播控制單元，包括揚(yáng)聲器以及噪聲傳感器；

乘客緊急通訊單元，用于當(dāng)客室出現(xiàn)緊急情況或突發(fā)事件時(shí)，乘客可按下設(shè)置在客室內(nèi)的應(yīng)急對(duì)講裝置的緊急按鈕，并通過(guò)按鈕旁的內(nèi)藏式對(duì)講裝置實(shí)現(xiàn)與司機(jī)的對(duì)話。

所述揚(yáng)聲器連接在廣播音頻總線上，所述對(duì)講器連接在廣播視頻總線上，所述顯示模塊連接在rs485總線上；

所述列車顯示與廣播控制單元、乘客廣播通信單元以及司機(jī)語(yǔ)音控制單元均連接在rs485總線、列車級(jí)廣播音頻總線以及列車級(jí)視頻總線上；

其中列車顯示與廣播控制單元主用用來(lái)處理司機(jī)的控制指令與音頻、視頻信號(hào)；乘客廣播通信單元主要與列車顯示與廣播控制單元通信，完成對(duì)音頻信號(hào)的廣播以及視頻信號(hào)的顯示；司機(jī)語(yǔ)音控制單元主要負(fù)責(zé)處理司機(jī)的控制信號(hào)并傳送給列車顯示于廣播控制單元。本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)按照其功能分為列車級(jí)音頻廣播總線、列車級(jí)視頻廣播總線和列車級(jí)rs485控制總線。

如圖2所示，列車顯示與廣播控制單元硬件結(jié)構(gòu)的控制模塊以armcortex-m為核心，還包括電源模塊以及與其他各模塊的接口電路；該模塊處理器型號(hào)為lpc1766。用戶通過(guò)usb接口對(duì)本地鐵廣播系統(tǒng)進(jìn)行配置；rs232接口與地鐵的atc(列車制動(dòng)控制單元)通信，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)站廣播；i2c接口與音頻控制器通信，實(shí)現(xiàn)tea6320通道選擇和增益控制。

如圖3所示，乘客廣播通信單元硬件結(jié)構(gòu)的控制模塊以armcortex-m為核心，還包括電源模塊以及與其他各模塊的接口電路；該模塊處理器型號(hào)為lpc1766。sd卡控制器同來(lái)存儲(chǔ)報(bào)站音頻文件；解壓后的音頻文件，進(jìn)入數(shù)字前級(jí)放大、切換系統(tǒng)設(shè)備后進(jìn)行信號(hào)采樣，采樣頻率為44khz，采樣后進(jìn)行量化編碼，降噪后的數(shù)字信號(hào)與輸出比較器信號(hào)相比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)幅度的控制。并將此數(shù)字信號(hào)通過(guò)音頻總線傳送到音頻處理器。

如圖4所示的音頻處理器作為本發(fā)明所述系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是圖1中的列車顯示與廣播控制單元，乘客廣播通信單元，司機(jī)語(yǔ)音控制單元中作為語(yǔ)音信號(hào)處理的核心處理器，音頻處理器硬件結(jié)構(gòu)的以tea6320音頻處理芯片為核心，由i²c-bus進(jìn)行快速靜音控制,四個(gè)立體聲和一個(gè)單聲道輸入選擇,并提供噪聲降低電路接口，采用了數(shù)字功率放大及開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，保證了輸出音量的高保真、清晰。同時(shí)數(shù)字功率放大器具有體積小、頻響寬、信噪比高、失真度小、效率高等模擬功放不具備的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明除傳送并處理音頻信號(hào)外，還傳輸處理地鐵機(jī)車與各車廂的控制命令，控制網(wǎng)絡(luò)通過(guò)圖1中所示的rs485總線相連接，是圖1所示網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D如圖5所示，主要由列車顯示與廣播控制單元，乘客廣播通信單元，司機(jī)語(yǔ)音控制單元和乘客緊急通訊單元四個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為主從兩類。每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配有唯一網(wǎng)絡(luò)地址(8bit)。主節(jié)點(diǎn)以網(wǎng)絡(luò)地址為標(biāo)識(shí)定時(shí)輪詢從節(jié)點(diǎn)。當(dāng)某一從節(jié)點(diǎn)捕獲到主節(jié)點(diǎn)輪詢數(shù)據(jù)包后，根據(jù)輪詢指令信息發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)包。

網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸基于uart和485介質(zhì)。網(wǎng)絡(luò)地址的uart格式為——起始位1bit+數(shù)據(jù)位8bit+效驗(yàn)位1bit(效驗(yàn)位為“1”表示地址字節(jié))+停止位1bit。其他控制和數(shù)據(jù)字節(jié)的uart格式為——起始位1bit+數(shù)據(jù)位8bit+效驗(yàn)位1bit(效驗(yàn)位為“0”表示控制或數(shù)據(jù)字節(jié))+停止位1bit。

如圖6所示，本發(fā)明采用基于rs485總線的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性保障算法，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)相結(jié)合的rs485總線調(diào)度算法通過(guò)建立一張幀信息表，來(lái)確定當(dāng)前幀是否為重要幀，如果是重要幀，則通過(guò)中斷系統(tǒng)，利用靜態(tài)調(diào)度算法通過(guò)表中的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸；反之，則使用一種動(dòng)態(tài)調(diào)度算法進(jìn)行控制傳輸，通過(guò)判定當(dāng)前數(shù)據(jù)量是否需要搶占執(zhí)行，然后選擇相應(yīng)的調(diào)度算法進(jìn)行傳輸；最后實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)信息等的實(shí)時(shí)傳輸。

步驟1：將司機(jī)語(yǔ)音控制單元、列車顯示與廣播控制單元、乘客廣播通信單元均連接至rs485總線、列車級(jí)廣播音頻總線以及列車級(jí)廣播視頻總線上；

步驟2：將從司機(jī)語(yǔ)音控制單元、列車顯示與廣播控制單元或乘客廣播通信單元采集的待廣播信號(hào)x利用壓縮感知技術(shù)進(jìn)行壓縮，然后對(duì)壓縮后信號(hào)進(jìn)行屬性類別標(biāo)記；

步驟3：依據(jù)預(yù)先構(gòu)建的rs485總線調(diào)度幀屬性優(yōu)先級(jí)信息表，對(duì)經(jīng)屬性類別標(biāo)記后的壓縮信號(hào)進(jìn)行屬性優(yōu)先級(jí)判斷，對(duì)當(dāng)前幀信號(hào)進(jìn)行傳輸；

步驟4：求解原始廣播信號(hào)的最優(yōu)稀疏表示s^*，利用從播放端完成對(duì)經(jīng)屬性類別標(biāo)記后的壓縮信號(hào)的恢復(fù)，得到廣播信號(hào)

在上述保障算法中，當(dāng)rs485總線傳輸一個(gè)幀之前，首先在幀信息表中查找所屬的類別，然后利用固定好的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度傳輸，如果在信道中包含有相同優(yōu)先級(jí)的幀類型，那么使用動(dòng)態(tài)調(diào)度算法進(jìn)行調(diào)度傳輸，再判斷當(dāng)前幀是否需要搶占執(zhí)行，需要搶占執(zhí)行則通過(guò)搶占機(jī)制搶占然后進(jìn)行傳輸，否則利用npedf進(jìn)行傳輸。這樣既可以充分考慮到某些實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)、指令等可以優(yōu)先傳輸，又可以充分利用信道，大大提高系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性能。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明而言僅僅是說(shuō)明性的，而非限制性的。本專業(yè)技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)可對(duì)其進(jìn)行許多修改，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。