廣播發(fā)射臺音頻選擇系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方案

楊 凱

（國家新聞出版廣電總局 五九四臺，陜西 咸陽712000）

0 前言

為了滿足廣播發(fā)射臺不間斷、高品質(zhì)安全傳輸發(fā)射工作，目前我國多數(shù)基層發(fā)射臺站節(jié)目源均采用多路徑接收來保證節(jié)目源可靠性。如分別使用C波段、Ku波段衛(wèi)星鍋接收不同衛(wèi)星上傳的兩路相同節(jié)目，有條件的臺站還會使用光纜再從地面接收一路或多路相同的節(jié)目，從而實現(xiàn)當一路節(jié)目源中斷時另外一路或多路節(jié)目源仍可用。

然而通過增加節(jié)目源冗余度雖然確保了節(jié)目的可達性。但對于3路節(jié)目源實時狀態(tài)監(jiān)控，互為備份的優(yōu)先級設置，及當主路節(jié)目中斷后如何自動快速無縫切換等問題的解決，則還需要設計一套完備的音頻自動選擇系統(tǒng)，才可對多路節(jié)目源進行有效的自動控制和監(jiān)測。

1 音頻選擇系統(tǒng)需求

在實際應用中考慮到使用成本和廣播發(fā)射臺播音工作的實際需要，采用3路節(jié)目源加1路應急節(jié)目傳送可以完全滿足實際需要，因此本文所討論的音頻選擇系統(tǒng)在設計上最多可接入4路節(jié)目源。設計的系統(tǒng)需實現(xiàn)以下功能：

（1）音頻選擇系統(tǒng)每個通道支持3路的數(shù)字音頻信號和1路應急節(jié)目源的輸入，實現(xiàn)輸出四選一切換功能。選擇輸出節(jié)目需有兩組相同的數(shù)字音頻信號，以滿足為每部發(fā)射機傳送節(jié)目和對切換系統(tǒng)監(jiān)測需要。

（2）音頻選擇系統(tǒng)設備使用雙電源熱備份以保證設備穩(wěn)定。

（3）音頻選擇系統(tǒng)具有斷電直通功能。每個通道都支持直通功能，當設備斷電或某個通道的接口板不存在時，每個通道的第一路輸入（即“A”輸入）都將直通到第一路輸出（即擴展盒對應通道的“A”輸出）。保證任何狀態(tài)下，都可以有一路信號安全通過。

（4）音頻選擇系統(tǒng)每個數(shù)據(jù)接口模塊應有三種切換方式：自動切換、手動切換和遙控切換模式，可實現(xiàn)前面板強制手動和PC機遙控操作，對輸入信號的錯誤或設備故障設備面板和PC機控制界面有報警指示信息和聲音提示。

（5）系統(tǒng)開機時自動切換方式缺省為A路輸出，系統(tǒng)運行后根據(jù)信號報警的狀態(tài)自動選擇輸出的通道。當主通道信號正常時，不管其它通道信號是否正常，設備都選擇主通道切換輸出。當主路信號出現(xiàn)錯誤，設備按照順序切換的條件進行切換；如果主路信號又恢復正常，則由其它通道跳轉(zhuǎn)切換到主通路輸出。

（6）具有通訊接口，實時傳送設備工作狀態(tài)，遠程監(jiān)測各類節(jié)目信息。當主用信號出現(xiàn)線路故障或進行檢修時，可自動或手動切換至備用播音。

（7）輸入節(jié)目和輸出節(jié)目有無在線監(jiān)測。PC機四選一控制軟件可以實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測、設備控制、日志查詢和數(shù)據(jù)維護、安全性及功能管理等功能，并可進行監(jiān)聽和故障記錄。

2 音頻選擇系統(tǒng)設計方案

圖1 系統(tǒng)組成及信號處理流程框圖

為實現(xiàn)四路節(jié)目源的自動切換，降低發(fā)射臺因節(jié)目源中斷導致的停播事故，需定制研發(fā)一套音頻四選一設備及遠程控制軟件組成音頻選擇自動切換系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用設備應具有廣播級專業(yè)的音頻設備要求，可同時接收多路專業(yè)數(shù)字音頻信號（AES/EBU）切換。

整個廣播發(fā)射臺音頻選擇系統(tǒng)按照實現(xiàn)功能不同，在設計上分成三大部分：分別由信號分析選擇分系統(tǒng)、音頻分配分系統(tǒng)及上位機監(jiān)控系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成關系如圖1所示。

2.1 信號分析選擇分系統(tǒng)

2.1.1 四選一選擇板設計

信號分析選擇分系統(tǒng)主要由四選一選擇板構(gòu)成，四選一選擇板是實現(xiàn)節(jié)目選擇的最小功能單元。其基本原理如圖2所示，用于實現(xiàn)對3路節(jié)目源和1路應急（錄音）節(jié)目自動選擇。其中對三路外接節(jié)目源音頻有無判別、告警，自動切換備用節(jié)目源及各路節(jié)目源優(yōu)先級設定等功能，均由四選一板卡控制器判別，控制電子開關完成切換。每塊選擇板輸出對應為一部發(fā)射機傳送節(jié)目。

圖2 系統(tǒng)的單個通道的基本原理

四選一選擇板是整個音頻選擇系統(tǒng)的核心模塊。對應四選一板卡三路音頻輸入板卡需要使用三片CS8420音頻解碼芯片，完成對信號解碼、速率轉(zhuǎn)換。解碼后的三路信號送入板卡CPLD中，通過 CPLD實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)提取，信號分選，讀取控制開關信息，控制指示燈的工作，信號處理等功能。最后在板卡上還需使用一片ADSP-BF531芯片完成對解碼的音頻數(shù)據(jù)及提取的各通道控制信號進行判別，實現(xiàn)自動切換及各項控制。四選一選擇板設計方案如圖3所示。

圖3 四選一選擇板設計方案

2.1.2 四選一選擇板軟件設計

四選一選擇板主要控制邏輯控制是由燒寫在DSP引導芯片中的控制程序?qū)崿F(xiàn)，軟件中對三路節(jié)目輸入分別用A路、B路和C路表示。該程序每50ms循環(huán)記錄一個通道的音頻信號，并且記錄保存，采集數(shù)據(jù)后，需要去掉信號干擾，保證無信號位受到干擾不報警。完成人工輸入的和應急輸入控制，如果切回自動模式，則初始化到A路，打開各中斷。3路輸入音頻信號各經(jīng)過3片CS8420芯片解析后，輸入到CPLD，BF531通過同步串口采集CPLD輸出的音頻信號，SPORT端口分時接收CPLD送來的3路解析后信號質(zhì)量數(shù)據(jù)，并在定時器設置的時間內(nèi)存儲采集到的最大電平值，即音頻信號的最大電平。由最大電平和門限電平比較后的結(jié)果和各開關的設定狀態(tài)決定選擇相應的通道作為輸出，同時記錄當前狀態(tài)，并將其輸入到CPLD。從CPLD讀取外部控制開關狀態(tài)。觸發(fā)定時器1，檢測存儲的最大電平是否達到外部開關設定的門限電平，如果沒有達到，當前通道點亮報警燈，并通過UART向控制板發(fā)送報警信號。同時觸發(fā)定時器2,設置報警時間。如果在觸發(fā)定時器2之前，信號達到了要求，則關閉報警燈，恢復報警前狀態(tài)；如果信號最大電平仍低于門限電平，根據(jù)控制開關狀態(tài)，將輸出切換到另一路信號，同時點亮該路信號指示燈。

通過優(yōu)先級設定，四選一切換滿足：無論任何時候，都工作在A通道，如果A通道接收失鎖或電平達不到要求，跳轉(zhuǎn)到B通道，如果B通道仍達不到設定門限要求，將跳轉(zhuǎn)到C通道，如果C通道信號電平依舊不能滿足要求，將輸出應急信號。BF531通過UART與控制板通信，及時應答控制板的查詢，上報當前狀態(tài)。

2.1.3 信號分析選擇分系統(tǒng)集成控制

在實際使用中考慮到四選一板卡統(tǒng)一供電，輸入輸出線纜布局，集中控制和提高系統(tǒng)安全性、集成度等因素，設計上將每10塊選擇板集成在一臺四選一機箱中，選擇板卡與機箱通過可插拔式插槽母板連接。母板上配置有繼電器，其作用是當板卡移走時，用繼電器常閉節(jié)點連接主路信號輸出，具有斷電直通功能。

在使用中將3×10路輸入和1×10路輸出均通過機箱母板卡儂頭與10塊選擇板連接。在機箱上加配兩塊電源模塊和一塊控制模塊。實現(xiàn)同時對10部發(fā)射機多路節(jié)目源自動選擇。四選一機箱集成控制如圖4所示。

圖4 四選一板卡集成設計方案

四選一機箱雙供電模塊設計用于加強系統(tǒng)供電安全，每塊電源卡路可為10塊選擇板和1塊控制板提供1路直流＋5V，電源轉(zhuǎn)換主要通過電源芯片TPS70302實現(xiàn)。

四選一機箱控制模塊設計上用于完成機箱中10塊選擇卡與上位機的交互通信。通過對上位機接收和發(fā)送控制信息來完成系統(tǒng)的遙控功能。該板卡集成了應急信號的輸入、控制模塊和面板操作。每個控制板上都裝有一個蜂鳴器，當設備有故障或輸入信號符合設定的報警條件時，蜂鳴器就會打開提示當前設備出現(xiàn)故障。

2.2 音頻分配分系統(tǒng)

圖5 音頻分配分系統(tǒng)組成原理

對應于四選一機箱10路選擇輸出設計，音頻分配分系統(tǒng)將10路音分集成在一塊板卡上，并在板卡上加入電源模塊，集成為一臺音分擴展機箱。板卡上集成10路音頻分配器，將各自的輸入分配成兩路，一路輸出送往發(fā)射機用于播音，另一路回傳至上位機用于監(jiān)聽。音頻分配分系統(tǒng)如圖5所示。

2.3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

上位機通過運行在PC上的音頻四選一監(jiān)控軟件和四選一機箱控制模塊建立連接，主要完成PC機與四選一選擇板的交互，通過對PC機接受和發(fā)送控制信息來完成系統(tǒng)的遙控功能，完成與信號選擇板信息交換，同步顯示應急信號的輸入指示和系統(tǒng)報警。程序主界面如圖6所示。

圖6 音頻四選一監(jiān)控軟件主界面。

2.3.1 上位機與硬件設備通訊的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

上位機與四選一控制板通信協(xié)議為自定義，通信協(xié)議中上位機的協(xié)議幀為6個字節(jié)，具體如表1所示。

表1 上位機協(xié)議幀

命令類型具體定義為：

01—切換到A路、02—切換到B路、03—切換到C路、04—切換到緊急、05—切換到自動、0A—上報子板狀態(tài)。

子板編號0—10對應各個子板。

2.3.2 音頻四選一設備監(jiān)控軟件設計

監(jiān)控程序由網(wǎng)絡連接、狀態(tài)查詢和通道切換三個模塊組成。網(wǎng)絡連接模塊用于實現(xiàn)上位機與四選一控制模塊的網(wǎng)絡連接，保證受控設備的連通性。查詢模塊程序通過定時器查詢遠程四選一機箱每塊選擇板四個通道及控制板狀態(tài)信息。程序中根據(jù)收到的檢測信號的不同值，來同步顯示監(jiān)控軟件主界面上各子板的通道指示燈狀態(tài)。通道切換子程序通過發(fā)送自定義的命令字（見表1），實現(xiàn)遠程操作四選一設備選擇切換節(jié)目源。

2.3.3 音頻四選一設備監(jiān)控軟件實現(xiàn)功能

上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)的主要功能有以下幾點：

①監(jiān)控軟件能夠按照甲、乙、丙三個發(fā)射機房分別連接各自機房四選一設備。

②監(jiān)控軟件能夠?qū)崟r顯示四選一設備中每塊子板（對應各個發(fā)射機）的3路輸入信號（2路衛(wèi)星信號、1路光纜信號）的狀態(tài)。

③監(jiān)控軟件能夠?qū)崟r顯示每塊子板的當前狀態(tài)（Emergency、Auto、Manual），以及當前所選擇的通路（CHA、CHB、CHC）。

④當任意一條音頻通路中斷時，監(jiān)控軟件能夠及時顯示告警。

⑤值班人員能夠通過監(jiān)控軟件遠程對四選一設備進行操作。具體操作包括改變四選一設備中每塊子板的狀態(tài)（Emergency、Auto、Manual）以及任意切換節(jié)目通路（CHA、CHB、CHC）。

3 結(jié)束語

本文是結(jié)合廣播發(fā)射臺多路節(jié)目源切換選擇工作實際需求設計的一套音頻節(jié)目自動選擇與遠程監(jiān)控解決方案。系統(tǒng)在設計上滿足了發(fā)射臺一路節(jié)目中斷后能夠快速自動將備用節(jié)目源倒換到系統(tǒng)輸出，并在上位機同步顯示告警信息及當前使用節(jié)目通道。該系統(tǒng)投入使用后將對保障發(fā)射臺安全傳輸發(fā)射工作起到重要作用。該系統(tǒng)的設計方案對類似的音頻及視頻節(jié)目自動切換選擇及監(jiān)控的設計也具有一定的指導意義。

［1］孫志強.衛(wèi)星廣播技術[Z].北京：無線電臺管理局，2000.

［2］劉艷萍.DSP技術原理及應用教程[M].北京：北京航空航天大學出版社,2005.