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数字时代的紧急警报系统

2009-04-14 查尔斯·罗德斯 依马狮广电资讯网


数字时代的紧急警报系统

    前奏:二战开始前,很明显迫切需要某种牵涉广播的紧急警报系统。RCA公司为此开发了一种专用的无线电真空管0A4-G——一种根本不需备用电源、极长寿命的带冷阴极充气闸流管。这种电子管可以检测一个未调制的射频载波(它可以加在电力线上),以便触发一个继电器,它然后给一台收音机供电,旁路其电源开关。这是载波电流传输的一个例子,已在大学校园得到广泛应用,为住宿于校园附近的学生提供广播服务。载波电流技术的特殊应用可用于向公众发出空袭警报等等紧急警报。
    RCA电子管手册是这样描述OA4-G:由于可以用很少的(RF)能量开始放电,通过一个在射频产生且在同一电力线上传输的电脉冲获得对线路操作的电气设备的远程控制是可行的。此电子管示于图1。
    据我所知,并没有制造带此电子管的民用收音机给居民发空袭警报。不过,我相信此电子管曾被用于不间断地监测500千赫国际海事遇险频率的航海用无线电台。这种接收机可能为有多级RF放大的“调谐射频”型。最后的RF放大器输出可加于0A4-G电子继电器的启动阳极,此继电器触发一个警报,因而操作人员可以决定驶向遇险船只提供救援。我对此用途的一个证据是我收藏有一个带USN标志的西凡尼亚(Sylvania)牌0A4-G(见图1)。这可能是无线电广播自动提供紧急警报的首种应用。
    然而,阿姆斯特朗在1917年发明了超外差式无线电接收拓扑结构,通过拾取飞机引擎的点火系统发出的噪声探测迫近的敌机。该方案并没有奏效,但其发明得到了推广,现在依然是所有收音机和电视机的基础。紧急警报系统的确不陌生。

快速进入CONELRAD
    二战期间航空技术得到飞速发展,敌国轰炸机可以飞越大西洋轰炸美国。此忧虑导致40年代末出现了CONELRAD(电磁波辐射管制)系统。民用收音机在调谐度盘上两处带有一个民防系统标志或三角标记,一处在640kHz,而另一处在1240kHz。图2是一款遵循CONELRAD的收音机。
    如果认为一次空袭即将出现,空袭汽笛将发警报,此地全部广播电台将完全关闭他们的AM广播发射机,而经挑选的广播电台会重新调节到640kHz或1240kHz且回到播出状态。公众会打开其收音机并重新调谐到CONELRAD频率接收指示。这不是一种紧急警报系统,因为公众要已被汽笛声提醒,但它会通知公众如何防范危险。

数字时代的紧急警报系统

    CONELRAD背后的概念是防止敌方轰炸机通过二战时已在珍珠港成功应用的无线电测向仪,用无线电广播信号寻找轰炸目标。敌方轰炸机并不知道无线电测向仪找到哪台发射机。正在播音的广播发射机循序打开,用“发射机跳频”进一步迷惑敌机。
    CONELRAD系统最终被紧急警报系统(EAS)替换,后者适用于所有广播信号——AM、FM及模拟电视和数字电视信号。目前的EAS目的是提供这样一种手段,即在敌国武装力量磨刀霍霍或真用战机或洲际导弹侵袭时,总统可以从此系统从白宫向民众发表全民演讲。由于经常试用此系统,它易于消除公众的恐惧,使他们知道有一个紧急警报系统的存在并知道有需要时如何做,但此试用对广播机构和公众都是烦扰的。
    更重要的是,不在看电视或听收音机的人可能得不到任何警告,此外,这种由总统发出的警告可能是全国性的。虽然难以想象每一个人口中心区都可能同时受到攻击,但这种警告可能不必要地令大众恐慌。
    冷战结束近20年了,敌国轰炸机或导弹攻击威胁现在不复存在。但广播机构依然必须进行这些试验,但威胁的性质出现了根本转变,从洲际战转变到似乎越来越频繁和严重的自然灾害。目前,只有纽约和华盛顿特区受到过恐怖分子的袭击。而问题是我们当前面临的危险实际上都是本地的,因此一个全国性的告警计划是不符合本世纪的现实的。
    自然灾害到处都有。海啸、海底地震危害西海岸、阿拉斯加和夏威夷,飓风频繁造访东部,中西部有龙卷风的威胁,有河的地方就有洪涝灾害,近来森林火灾在西部越来越频繁、严重。
    近来,太阳耀斑不仅可能扰乱通信,而且可能破坏公共电力设施。目前为止1979年在三哩岛发生的核电站事故是美国唯一次核事故,但我们的运气能保持多久?所以,需要一种EAS,它能够警告受威胁的民众,而不令全国恐慌。我们目前的EAS无法做到这一点,但一个精心设计的数字EAS可叠加在我们的数字电视频道上。

数字EAS定址性
    数字电视系统传输打包数据。每个数据包有一个识别包内容的包头,更具体地说,确定该内容与其它数据的联系方式以组成一个图像或声音或其它数据。例如,位于某一邮政编码(五位数)范围内的全部接收机可对一个针对那些位于该邮政编码范围内的接收机设计的包头做出响应。为了更加肯定某一接收机确在被定址,相同的邮政编码可能被连续转发3次。只有连续3次收到此邮政编码,接收机才与包含于此数据包内的紧急讯息有关系。这种做法应令假警报近乎不可能。

数字时代的紧急警报系统

    让我们看看实际的工作情形。我居住在华盛顿州温哥华市。表1示出我所在城市/州的邮政编码以及每个邮政编码服务的人口。
    这5个邮政编码指示此中等城市37843个通信地址。头2位数字是州代码,而后3位代表具体社区。由于只有50个州,存在许多未用的邮政编码。这些代码可用于指示某州的地区。例如,如果自然灾害为海啸,那么在华盛顿州(还有俄勒冈州)上的所有邮政编码都应得到警告立即撤离或到高地躲避。如果警告是飓风,在其预测路线的邮政编码应首先得到警告。对于洪灾也是如此。以我的情况,我住处靠近哥伦比亚河,因此只有沿着该河边的邮政编码会被发送。哥伦比亚河是俄勒冈(其邮政编码为97XXX)和华盛顿两州的边界,因此只有沿着此河的97XXX和98XXX邮政编码应被播送。
    由谁决定哪些邮政编码被警告,何时,由哪个政府机关负责发出这样的警报?我认为这是政府职能,不是广播机构的职责。每家广播机构的基于邮政编码的包头一接到此政府机关的通知,都将播送这些警报。我们没有必要关心政府内部协调的细节,但这些警报和它们的包头必须防止被黑客或意图破坏此数字EAS可信性的恐怖分子攻击。
    当一个警报传到我的邮政编码时出现什么情况?首先,我的电视机将存储收到的邮政编码,核实警报包头在3个连续周期内都是一致,而绝不是一个不可能连续3次重复的错误。如果收到的邮政编码是我的,电视机立即有两种可能的行动:
    如果电视机不在显示图像,全家可能都睡着了,必须马上叫醒他们。将激活音视频警报器。由于电视机可能被静音,必须去除静音状态并发出一个响度足以叫醒家中任何人的恰当的警报声(电视机的音量调整键此时无效)。
    如果收到警报时电视机正在显示图像,有些家庭成员可能不在看屏幕,他们也必须被声音和视觉警报召集。

成本问题
    此可寻址的EAS可以软件实现,因而此功能对将来的电视机成本影响微乎其微。因此所有电视机制造商没有理由在细节制定后不提供此EAS功能。原有的数字电视机和在销售渠道的电视机不可能下载新软件,美国政府补贴的2000万台数字电视机顶盒也是如此。我的主张是数字电视机顶盒是如此便宜,应该毫不迟疑地更换。也许可下载软件的数字电视机顶盒可以像第一代机顶盒那样得到补贴。
    接下来,我谈谈带EAS的手机和便携式(电池供电)数字电视机。

用新ATSC信号改善数字EAS
    上述的主题是一种数字21世纪的数字紧急警报系统,解决自然灾害而非洲际导弹攻击或恐怖袭击而导致的大破坏。
    所有数字电视系统都以数据包的形式发送数据,而每个包都有一个定义包内容的包头,很像信封上的邮寄地址。一个紧急警报的包头可能特别针对紧急情况路线中每个邮递区号范围内全部居民和企业。正是数字电视系统这种可寻址功能才使得它们能够警告受威胁地区的人们,而对未受威胁地区人们不发警报。
    控制应警报的邮政编码范围不是广播机构的任务,而是当地政府机构。在数字电视频道上发送警报是广播机构的职责。

数字时代的紧急警报系统

即时告警
    数字电视信号能做而模拟信号不能做的事是弄醒地方当局认为受到威胁的呼呼入睡的人们。60年前是用汽笛。现在部署的数字电视机和机顶盒不能自动开机及提供视觉和声音警告,但下一代能,而且用于此紧急警报功能是软件管理的,成本增加极其有限。新软件将把地址邮政编码存储于已安装的设备内。设备所有者将使用其遥控器键盘输入他的5位数邮政编码。
    声音警报可在软件中产生并送进第二代数字电视机音量控制后的音频放大器,因而即使电视机放小音量或电视机静音也能听到警报。视觉警报可在软件产生,且送进驱动显示装置的视频放大器。
    第二代数字电视机顶盒可能装配了压电声响告警装置。此装置可被全部第二代机顶盒内的软件激活。同样,前面板上一个视觉告警(也许是高亮度红色LED)会闪烁不停。

差转机
    大量的人们由于居住在数字电视发射站的覆盖区之外,因而接收来自差转机的电视信号。许多情况下这些差转机归广播机构所有,但也有许多是县或社区所有。后者的差转机必须通知那些它们转播其广播信号的广播机构并发射他们的观众的邮政编码。差转机和LPTV(低功率电视)台目前不要求在2009年2月后只发射数字电视信号,但FCC迟早会要求这种转换。在那时,数字EAS会扩展到那些接收来自差转机节目的观众。
    ATSC正在制定一项与现有ATSC电视机兼容的手机数字电视传输标准。手机数字电视信号可被计划用于移动应用的新型数字电视机接收。您的下一辆汽车或游艇也许有一台移动数字电视接收机。
    如果这些新型移动接收机能通过下载附加的软件驱动功能升级,驾车的每一个人都将自动得到告警。这种接收机由能量有限的汽车蓄电池供电。如果汽车发动机在运行,其发动机驱动的交流发电机可对移动数字电视接收机供电,将持续监测一个或更多本地数字电视台。
    正在开发的手机数字电视标准将克服原有ATSC信号标准用于手机电视应用的局限。包括最小功率信噪比比当前ATSC标准的15.2dB大幅降低。因此EAS警报接收应利用手机数字电视技术,附带说一句它是向后兼容的。不过,只有移动数字电视接收机能在远低于当前ATSC信号的15.2db SNR工作。因此依我看来,所有移动数字电视接收机都有数字EAS所需的软件很有必要。指向天线不适合于车辆,因此来自一个距地面2米的全向天线的信号功率固有地很弱,这是正在筹划的新移动标准使接收机远低于15.2dB SNR工作的原因。
    一个显而易见的问题是:一辆车的邮政编码如何确定?它也许是车主的居住地和/或上班地的邮政编码。另一显而易见的问题是汽车无移动数字电视接收机。某些第一代NTIA认可的DTV下变换器设计使用12V直流电,因此我猜想第二代DTV下变换器将可用于12V电池是唯一可用电源的地方。
    数字电视下变换器非常紧凑,因此我认为一旦移动数字电视标准得到FCC批准,制造商争夺这些新产品的市场份额而使价格下降,它们可以并将安装于车辆内。

自动选择频道
    移动数字电视接收机要提供有用的EAS,它们应有自动选择频道功能,因此当驾车远离家乡,接收机在设定的本地频道上找不到信号(因为在它们的覆盖区外),它会扫描所有电视频道,寻找当地可用的数字电视信号。一旦找到本地电视频道,它能够监视其中之一。但它不能被其在家乡邮政编码定址。因此也许有一些未指定的邮政编码远离家乡的接收机可用来监视EAS。如果监视的信号变弱,自动扫描功能将寻找另一个有好信号的频道并监视它。
    此频道自动扫描功能对家用接收机也是必要的。在观众关掉接收机前(实际上转到其EAS监视工作模式),接收机通常将监视收看的是哪个本地数字电视台的信号。不过,如果那电视台停播(也许是维修或停电,或由于设备故障),会出现什么情况?自动频道监视功能会调到其它本地频道,因此能继续监视EAS。
    这些移动数字电视接收机可通过升级提供紧急警报,而所需的软件可在接收机出厂前嵌入机内。也许FCC会强制所有移动数字电视接收机都将内置此紧急警报功能。否则,许多人可能没有升级其接收机,或更坏的情况是他们可能相信其接收机已经是EAS准备就绪的了。我们已经看到了大量关于数字电视转换的错误消息,我预料许多人将获得关于移动数字电视接收机和下变换器的不良信息。

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