自適應多信源三路調頻發射機的設計與實現

□ 唐 麗

一、引言

隨著鄉鎮廣播電視發射臺站數量與播出節目的增多，廣電業務多樣化需求也在不斷增長，原先農網的信源射頻傳輸方式使得信源傳輸網絡不堪重負，信源傳輸網絡全面IP 化是必然的趨勢。為適應信源傳輸網絡的IP 化發展，根據廣西自身信源系統建設的特點和需求，滿足新型廣播臺站建設的需求，本文提出一種自適應多信源三路調頻發射機的設計方案。

該發射機支持ASI、DTMB 射頻、IP 三種不同模式信源輸入，可對接大部分主流信源前端設備。采用ARM+FPGA 架構為核心，可自行選擇信源，可對多個碼流和廣播節目進行監控管理、篩選過濾。支持主流音頻解碼格式，可同時進行三路音頻解碼。支持應急廣播功能，可以對通過碼流傳輸的應急廣播數據進行分析處理并進行相應操作。采用模塊化設計，易于安裝拆卸，維護方便，適用于農村鄉鎮臺站的維護方式。

二、總體設計框架

自適應多信源三路調頻發射機主要由一個調制模塊和三個調頻功放模塊組成。TS 節目流通過ASI、DTMB、IP 網絡三種渠道進入信源調制模塊，經過解調、解復用、過濾、解碼、調頻調制后形成所需的三個頻率的調頻信號，經過調制的信號分別輸入三個功放模塊進行射頻放大后通過天饋系統進行播出。發射機的整體架構如圖1 所示。

圖1 自適應多信源三路調頻發射機原理框圖

該發射機擁有三路獨立的解碼、調制與功放通道，可同時進行三套不同頻率的調頻廣播播發業務。三種輸入方式相互獨立，互不干擾，可同時適應三種不同的信源傳輸方案。ASI 輸入可兼容市面大多數數字信源前端產品，可直接與復用器、衛星接收機、視音頻編轉碼器等設備對接。DTMB 輸入可對接HFC 網絡，相比使用FM 的 HFC 網絡，DTMB 傳輸的效率更高，質量更好，抗干擾能力更強。在沒有條件部署有線網絡的地方，DTMB 輸入還可以作為災備通道進行差轉播發。IP 輸入兼容廣西廣播電視信源傳輸網，用網線接入節點交換機便可接收網內的TSIP 組播，獲取大量廣播電視節目。

發射機各模塊具備網絡通信功能，由內部交換機聚合后通過RJ45 網口與外部進行通信，實現外部遠程監控。信源調制模塊采用雙網口結構，對信源和網管業務進行了隔離。信源網和網管使用不同的邏輯網絡，確保了信源傳輸網絡的安全可靠。

三、信源調制模塊

（一）信源調制模塊原理框圖

信源調制模塊用于處理信號的解調、解復用、過濾、分析、解碼、調制等環節，并具有RDS 應急廣播轉發功能。調制模塊可將不同格式的信源進行選擇分析與解碼，將解出的三個音頻信號調制到特定頻率上，形成三套調頻射頻信號。信源調制模塊原理框圖如圖2 所示。

圖2 調制模塊原理框圖

信源調制模塊使用塞靈思Xilinx Zynq-7000 系列的SOC 芯片XC7Z010，該芯片除了FPGA 單元還有ARM Cortex-A9 組成的處理核心部分。模塊的對外通信與節目流的管理和功能邏輯均由ARM 單元負責運算控制。通過ARM 核心可以對選定調頻通道的音源節目進行邏輯控制，進而可以對某一調頻通道的音源以流編號加節目號為標志進行碼流之間的節目備份，在當前播出流出現異常時，該調頻通道自動切換到另一個流的同一個節目號進行解碼，達到自適應切換信源的目的。當碼流中擁有應急廣播信息時，FPGA 過濾出約定的PID內的數據交給ARM 主控單元，主控單元會將應急指令進行分析，根據指令進行切換指定通道節目源，或將數據進行RDS 編碼調制等應急業務操作。

（二）信源處理流程

三種不同輸入方式進入模塊后，都統一轉換為標準的TS 流。DTMB 射頻信號經過調諧解調還原為并行TS流送入FPGA 單元，IP 封裝的TS 數據以UDP 組播方式通過千兆網絡芯片進入FPGA 處理單元，經過解包處理還原為TS 流，通過ASI 輸入的串行TS 流經過串并轉換后進入FPGA 單元。FPGA 通過對三種方式輸入的所有TS 包進行處理分析，搜索出流內所有的節目信息，將每一個包的 PID 號、PAT 表、PMT 表等信息進行存儲，過濾掉所有非音頻業務的TS 包，形成完整的節目表傳送給ARM 單元處理。使用者通過網管對調頻播出路節目進行配置，FPGA 單元通過比較判別算法提取用戶想要輸出節目的TS 包送至指定的端口輸出，未被選擇的TS 包將被拋棄。指定節目的TS 流經過音頻解碼芯片VS1053b 進行音頻解碼還原成原始的立體聲音頻信號，隨后音頻信號經過調頻調制芯片QN8026 調制成立體聲調頻廣播信號送功放模塊。一共可以同時完成三組節目的解碼與調制。每一路調頻通道的音源節目可以以流編號加節目號為標志與另一路碼流的節目做備份，在當前播出流出現異常時，該調頻通道自動切換到另一個流的同一個節目號進行解碼，達到自適應切換信源的目的。

（三）應急廣播的實現

該設備在應急廣播時段可將當前播出的普通節目切換為應急廣播節目，并喚醒公共應急廣播接收終端進行聲光廣播。

包含應急控制指令以TS 包形式封裝并復用在廣播電視節目的TS 流中在信源傳輸網中傳輸，通過三種輸入方式進入調制器模塊的FPGA 單元，當FPGA 擇優對其中一路流的TS 包進行解析時，可根據TS 包的PID號識別出應急控制指令TS 包并提取包內數據傳送給ARM 主控單元進行分析和解釋，主控通過對應急控制指令的解讀，可獲得應急廣播播出時間，應急節目的節目號，以及應急廣播播發的區域等信息。主控單元根據應急節目號通知FPGA 對指定節目進行過濾解復用后發送到指定通道的解碼器，同時將尋址信息和其它指令信息轉成RDS 的幀格式通過I2C 總線發給指定通道的QN8026 調頻調制芯片進行RDS 廣播。

應急廣播公共終端在收到RDS 信息后會進行尋址信息的計算與比對，如符合將會喚醒揚聲器將當前正在廣播的節目進行聲音廣播，完成應急廣播的播發。

四、RF功放模塊

（一）RF功放模塊原理框圖

RF 功放模塊部采用一體化封閉設計，控制與放大電路集成在一個矩形模塊內，安裝在整機的大型散熱底版，滿足散熱效果的同時杜絕了粉塵和水汽。放大部分主要由2 級前置放大器、1 級衰減器、2 級功放組成。前置放大器用2 個增益為 19.3dB 的M3H21N 集成放大器。功放管為BLF571 功放管。功率檢測采用真有效值RF 功率檢測集成電路，輸入功率檢測使用AD8362，輸出和反射功率檢測采用AD8361。功放模塊額定發射功率30W，最高支持50W 的發射功率。RF 功放及控制模塊原理框圖如圖3 所示。

圖3 RF功放模塊原理框圖

（二）RF功放控制模塊

以STM32微控制器（ARM Cortex-M3 系列）為核心的智能控制模塊負責整機的控制，將ARM 控制器集成在功放模塊中，實現對設備各參數的實時監控，包括控制開關機、穩定輸出功率、調節電源電壓、檢測輸入電壓、推動級和功放級電流、輸入功率、輸出/反射功率、功放級工作溫度、環境溫度等各種數據和工作狀態，調節發射機輸出功率及發射保護控制，此外還有自動穩定輸出功率，過電流、輸出和反射硬件保護具有鎖存功能，設備不受斷電的影響保存設置參數，在斷電恢復后，可調用斷電前的配置參數，自動恢復工作。通過網絡通信接口可將工作狀態和參數回傳給監控平臺進行管理；監控客戶端程序將顯示接收的各種參數，并實現遠程監測控制。

五、軟件系統

（一）輸入流選擇和播出節目設置功能

可配置三種信源輸入方式（DTMBASIIP）內的所有節目的播出和切換原則，可對每一路調頻輸出路進行相應的設置，包括播出的節目選擇、音量設置、調頻發射的頻率、調頻加重等，如圖4所示。

圖4 參數配置界面

（二）實時監控和報警功能

監控內容包括：設備工作狀態、參數配置和接口工作狀態等。報警內容包括：數據異常、功率異常、故障等，發生異常情況時，給出報警指示。監控和報警可以進行遠程控制和查詢。軟件監控界面如圖5所示。

圖5 軟件監控界面

該設備在輸入激勵和功放的輸出節點都配置了功率檢測電路。功率檢測選擇真有效值檢波器件AD8361，功率計算時采用線性補償校正算法進行檢波電壓到實際功率的轉換，使得功率校準工作快捷、準確。

（三）實時功率控制

在發射機正常工作狀態下，實時的對發射功率進行控制，使其穩定在設定值周圍可允許的偏差范圍內。

（四）管理配置

通過網管客戶端，可遠程或本地監控信源調制單元與發射單元的各項節目配置和工作參數。

（五）安全防護機制

提供自動保護功能。當發射機的某些部件發生嚴重故障時（如輸出過載、功放過熱等），或由于外部原因造成調制器損傷時，監控系統會自動降低發射功率或切斷發射單元的射頻輸出或關機。

（六）遠程升級

采用OTA 技術，提供了邏輯控制程序的遠程在線升級功能。

（七）設置向導

通過向導的形式引導用戶對發射機各模塊按需進行初始配置，大大降低了調試軟件的操作難度。

六、結語

自適應多信源三路調頻發射機采用ARM 和FPGA為核心架構，支持多種信源輸入，可適應數字傳輸網對信源設備改造的要求。可同時進行三路音頻調制，具有三組獨立的應急廣播控制和處理能力。功能集成度高、監控參數詳細全面、模塊化設計、適應寬電壓、運行穩定可靠，適用于鄉鎮農村調頻覆蓋及鄉村應急廣播的建設。