中波發射臺集成化音頻前端的設計

阿不力孜·牙生

摘 要：集成化音頻前端，主要是把主備音頻信號切換、分配、監聽、監看、監測、音頻處理、發射機調幅度的自動調整、“三滿”播出狀態實時跟蹤監控及異態報警、自臺播出質量的無線監測功能為一體的嵌入式智能化監控系統。該系統極大地簡化了設備間的連線，有效降低了設備故障率和運行維護成本，在根本上提高了音頻前端的智能化、自動化程度。有效提高了播出質量，有效防止了各類播出事故。

關鍵詞：集成化音頻前端；信號的按權限智能切換；高速音頻采集；多串口服務器；遠程監控

保證信號源安全，是各中波發射臺安全播出環節中最重要環節之一。中波發射臺發射機的信號源部分也叫音頻前端，其設備眾多、連線復雜凌亂、設備功能單一、智能化及集成化程度低是其主要弊端。為了克服以上弊端，進一步提高安全播出質量，我中心研發了《中波發射臺集成化音頻前端》設備；該設備已通過了國家廣電總局相關部門的質量監測認證，并在新疆37個中波發射臺推廣應用一年來，在“三滿”播出工作中，起到了不可替代重要作用的同時，在有效提高了播出質量，有效防止各類播出事故，減輕一線值班人員的勞動強度等方面也發揮了很好的作用。

眾所周知，大部分中波發射臺的信號主要由主、備衛星信號，微波信號及光纜信號等四路信號組成。臺站根據各路信號質量，把它們分為主路信號、第一備路信號、第二備路信號、第三備路信號等若干等級，需要時按其等級權限切換使用。

我中心研發的集成化音頻前端，主要是把主備音頻信號切換、分配、監聽、監看、監測、音頻處理、發射機調幅度的自動調整、“三滿”播出狀態實時跟蹤監控及異態報警、自臺播出質量的無線監測功能為一體的嵌入式智能化監控系統。系統除了音頻接收機之外的所有前端設備的功能集成到一部4U和一部2U的標準機箱之內，極大地簡化了設備間的連線，節省了設備安放空間，有效降低了設備故障率和運行維護成本，根本上提高了音頻前端的智能化、自動化程度。

集成化音頻前端的主要功能：（1）音頻信號的分配、幅度監測、顯示及監聽。（2）一路主及多路音頻信號的按權限智能切換。（3）音頻信號緩慢提升及快速壓縮及自動增益補償。（4）根據發射機的調幅度變化情況自動調整發射機輸入音頻幅度，保持發射機合格的調幅度。（5）發射機功率及播出時間的實時跟蹤監控。（6）根據運行圖，有線、無線并行方式實時監控發射機“三滿”播出狀態，出現異態及時聲光及手機短信報警。（7）緊急情況時，一鍵式直通各路音頻信號，保證信號的正常傳輸。（8）中波發射機的播出質量信息打包傳輸，供給遠程監控。

集成化音頻前端的主要組成：（1）音頻信號的分配、監測、監看及監聽模塊。（2）多路音頻信號的按權限智能切換模塊。（3）音頻信號預理模塊。（4）調幅度閉環式自動控制模塊。（5）調幅度、功率及播出時間的實時監控模塊。（6）中波廣播開路信號的無線監控及信息處理模塊。（7）各路信號應急直通模塊。

以下是（虛線框以外）集成化音頻前端方框圖，見圖1。

系統工作原理：

原理一：一路主、三路備份信號的按權限智能切換模塊。

一路主及三路備備份信號的按權限智能切換、信號幅度顯示、信號異態報警模塊原理方框圖，見圖2。系統由STC12C5A60S2型高速單片機為核心的高速音頻采集、四路音頻信號切換、四路音頻幅度顯示及音頻信號異態聲光報警系統組成，一路主及三路備路信號經過隔離、干擾信號濾波后分別送入單片機的P1.0～P1.3A/D轉換口，單片機將送入的每一路音頻以40KHZ的頻率進行A/D轉換，并根據采集到的數據判斷每一路信號的狀態的同時把每一路信號的幅度信息通過P0.1～P0.7及P2.0，P2.7口以彩條的方式顯示在LED屏幕上。如果任何一路的采集值連續25秒（可預設）低于最低信號有效值（-21Db）則視為該路信號丟失或無效信號，通過P1.4到P1.7引腳輸出信號切換及音頻信號異態報警信號，各路音頻狀態與音頻切換控制引腳P1.4到P1.7輸出值之間的關系如下：（1）系統復位

（啟動）時只要主路信號正常，單片機P1.4腳輸出高電平，保持輸出主路信號。（2）主路信號丟失時只要第一備路信號正常，單片機P1.5腳輸出高電平，切換輸出第一備路信號。一旦主路信號恢復正常，立即無條件切回主路輸出。（3）如果主路和第一備路信號都丟失，單片機P1.6腳輸出高電平，切換輸出第二備路信號。一旦主路和第一備路信號恢復正常，按優先權限級，立即無條件切回輸出主路或第一備路信號。（4）如果主路和第一、第二備路信號都丟失，單片機P1.7腳輸出高電平，切換輸出第三備路信號。一旦主路和第一或第二備路信號恢復正常，按優先權限級，立即無條件切回輸出主路或第一、第二備路信號。（5）四路音頻信號都丟失，系統啟動聲光報警，并切回主路輸出狀態，等待信號恢復。一旦某一路信號恢復，系統立即切到信號恢復的那一路，恢復信號輸出。（6）任何一路信號丟失，系統都會發出聲音報警，并記錄信號丟失或恢復時間。

原理二：音頻信號預處理模塊。

該模塊對一路主及三路備份信號的按權限智能切換模塊輸出的音頻信號進行處理，即：對過低信號進行緩慢提升，而對過高信號進行快速壓縮，防止信號的大起大落對發射機造成的過調制或劣播。把音頻信號峰值保持在+10dB左右。此模塊系統中起具有AGC功能的音頻處理器的作用。

原理三：高保真雙通道電子音量控制模塊。

高保真雙通道電子音量控制模塊，見圖3。主要由一塊高保真雙通道音量控制芯片PGA2310和STC12C2052單片機組成，其主要作用是在減少和增加音量控制信號作用下，給發射機提供滿足發射機合格調幅度的音頻信號，始終保持發射機的合格調幅度。因為給它輸入的是Vpp=10dB的音頻信號，在音量控制信號的控制下給發射機提供Vpp為-4dB至+10dB的音頻信號。此信號滿足國內使用的大部分中波發射機調制要求。

原理四：調幅度、功率及播出時間的實時監控及音量控制信號產生模塊。

調幅度、功率及播出時間的實時監控及音量控制信號產生模塊是該系統的核心，調幅度的精確計算是問題的關鍵所在，該系統采用了與載波頻率無關的數字式檢波器，在中波全頻段之內，很好地線性解調出來音頻和載波直流值；因為調幅度是音頻幅度和載波幅度的比值，我們只要把載波的直流值當做A/D轉換器參考電壓，而把音頻送入A/D轉換器模擬量輸入端時，A/D轉換的結果就是此時的調幅度值。所以單片機對A/D轉換器輸出的調幅度值進行相應的計算處理，很容易計算出所需要的調幅度的瞬時值、峰值及平均值，并根據得出的調幅度值，很容易判斷出發射機的調幅度狀態；當發射機調幅度出現異態時，向電子音量控制器的加、減音量控制端發出相應的增加或減少音量的方波信號，閉環式調整發射機的輸入音頻幅度來達到自動調整調幅度目的。除此之外，發生異態時發出聲光報警，并根據查詢命令，通過RS-232口向上位機傳輸相應的調幅度及功率測試數據。原理方框圖，見圖4。

原理五：中波廣播信號無線監控及信息處理模塊。

該模塊的核心是一塊中波廣播信號播出參數無線實時采集模塊和一臺嵌入式多串口服務器組成；中波廣播信號播出參數無線實時采集模塊，對預設的中波頻率的場強、信噪比、調幅度等參數進行實時采集，并采集的數據通過RS-232傳回給嵌入式多串口服務器，嵌入式多串口服務器根據采集到的相關數據，對發射機的滿時間、滿功率，滿調幅度播出情況進行判斷和統計顯示，并把相關數據打包傳輸給遠程監控服務器的同時，對“三滿”播出異態進行聲光及短信報警。

除此之外，該系統還具備各路信號的直通模塊，設備出現故障時任一路信號一鍵直，通過無源阻抗變換直通到發射機，維持發射機的正常播出，不會因該系統設備故障造成停播。