10 kW調頻發射機8+1自動切換控制系統設計與實現

席 霞

（寧夏廣播電視臺，寧夏 銀川 750004）

1 發射機配置備機要科學合理

近年來，我國的調頻廣播事業得到了飛速的發展，播出的節目也日益增多，發射臺承擔的發射任務和管理難度日益增加。為了實現廣播節目不停播的目的，大多數發射臺站會采用1+1（主機+備機）的工作模式，并且主、備機之間可以進行自動切換，但這樣的配置資金投入相對較大。如何科學合理地為各發射機配置備機，是解決安全播出問題的關鍵。

寧夏廣播電視臺傳輸發射中心發射部作為省級一類發射臺站，主要承擔著8套廣播節目的無線發射任務，但承擔8套廣播節目無線發射任務的調頻發射機均為單機播出，安全播出存在隱患。若采用1+1（主機+備機）的工作模式，不但增加了發射機的數量，占用了有限的機房空間，同時也增大了投資經費。考慮到多方面的原因，傳輸發射中心發射部決定利用現有資源對原單機工作模式進行升級改造。2014年傳輸發射中心通過公開招標的方式又購置了1臺10 kW寬帶調頻發射機作為公共備機，將原有的8臺10 kW調頻發射機與新購置的公共備機，共同組建了10 kW調頻發射機8+1自動切換控制系統。

本文就以四川凱騰四方廣播電視設備有限公司生產的KFT系列10 kW調頻發射機和8+1系統控制器為例，詳細闡述10 kW調頻發射機8+1自動切換控制系統的構成及各部分主要功能、該系統的技術特點，重點對該系統的核心部分8+1系統控制器進行分析。

2 10kW調頻發射機8+1自動切換控制系統

2.1 系統設計思路

10 kW調頻發射機8+1自動切換控制系統的設計方案：用1臺寬帶調頻發射機為8臺調頻發射機做備份。當8臺發射機中的某1臺發射機出現故障時，能及時有效地將此故障發射機所有信息傳送到公共備機的8+1系統控制器上，并由8+1系統控制器在很短時間內發出指令關掉故障發射機，啟動備用發射機，代替故障發射機播出節目。這種工作模式，在確保廣播節目安全播出的同時，節省了機房占地空間，降低了成本，提高了工作效率。自2015年該系統安裝調試運行開始至今，設備運行正常，有效確保了發射部的安全播出。

2.2 系統構成及各部分主要功能

圖1 寧夏廣播電視臺傳輸發射中心發射部調頻發射機8+1自動切換控制系統框圖

整個系統主要包括：

（1）8臺10 kW調頻發射機（主機）：發射部目前使用的調頻發射機均為四川凱騰四方廣播電視設備有限公司生產的KFT系列10 kW調頻發射機。頻率范圍：87 MHz-108 MHz。每臺發射機均為雙激勵配置，可實現主、備激勵器之間人工或自動切換。

（2）1臺10 kW公共備機（備機）：發射部目前使用的公共備機為四川凱騰四方廣播電視設備有限公司生產的KFT系列10 kW調頻發射機，但與其他8臺主機不同，公共備機為寬帶發射機，可以通過接收8+1系統控制器的指令變頻到任意一個頻點工作，從而代替故障發射機進行工作。工作頻率范圍為87 MHz-108 MHz。該系統的核心部分8+1系統控制器、八切一音頻切換器均放置在公共備機的機柜內。

（3）1臺假負載：假負載的主要作用是吸收、耗散發射機輸出的射頻能量，并且假負載是一種不輻射能量的裝置，主要作為發射天線的替代。當發射機不接入天饋系統時，可以接入假負載對發射機進行檢修、調試、測指標等工作。一般假負載可工作于調頻全頻段。正常情況下，公共備機的輸出是接在假負載上的。當主機出現故障，系統控制器會發出指令關閉主機，并將主機的輸出切換至假負載上；當主機故障排除時，將主機輸出接在假負載上進行試驗，確認正常后將主機接入原系統。

（4）8只同軸開關（也稱天線倒換閘）：在廣播無線發射系統中，天線倒換閘的作用非常重要，是影響廣播節目安全播出的一個重要節點。同時，想要實現8+1自動切換控制的工作模式，自動倒機是最基本的功能，天饋倒換閘就為主、備發射機提供連鎖等必要的狀態信息，它需要具備遙控功能，可以接受控制系統的指令，提供天線位置、是否切換到位等狀態信息。發射部所使用的天線倒換閘為北京貝爾德公司生產的10 kW調頻天線倒換閘。

（5）1臺六工器和1臺三工器：在一般的發射臺站，通常有多個頻率的發射機同時播出不同的廣播節目，但如果每部發射機都配備一副天線，則投資將會大幅度上升，同時，發射塔上也需要留出更多的天線位置，饋線的投資也要增加很多。為解決這一問題，一般會采用多個不同頻率使用一副天線的辦法，將多個頻率合成后使用一副天線的設備就叫多工器?？紤]到饋線容量的問題，為確保安全播出，發射部將8臺10 kW調頻發射機分成兩組，使用兩副天線進行無線發射。其中，5個頻率通過一臺六工器合成到一副天線上，其余3個頻率通過一臺三工器合成到另一副天線上。

（6）1臺八切一音頻切換器：該設備放置于公共備機內，主要用于切換輸入備機的信號源。通常，八切一音頻切換器的輸入端將8套廣播節目的信號源全部接入，當某一臺主機發生故障時，8+1系統控制器將對八切一音頻切換器發出相對應的指令，將音頻切換器的輸出切換至該頻率的信號源上，并將信號源送至公共備機。

從圖1可以看出：在正常工作狀態下，發射部8臺主機分成兩組：5臺主機經六工器、其余3臺主機經三工器分別輸出至天線，公共備機處于假負載的位置。當其中任意一臺主用發射機出現故障時，通過該機的同軸開關倒換至備機，備機工作輸出至天線，故障主機輸出至假負載，以便技術人員維修主機。

2.3 系統技術特點

該系統的主要特點：能夠實時自動檢測各發射機工作參數；自動關閉故障發射機，并完成倒機；可通過液晶屏或客戶端進行手動、自動、遙控三種工作模式的切換；故障檢測響應時間≤10秒；主備倒機完成時間≤3分。

3 8+1系統控制器

四川凱騰四方廣播電視設備有限公司開發生產的8+1系統控制器整個系統的控制樞紐，主要負責故障發射機的檢測，執行主備倒機步驟，故障發射機修復后，可恢復到原狀態等。

在正常情況下，8+1系統控制器會實時收集8臺10 kW發射機的輸出功率，以此來判斷這8臺發射機是否工作正常。若判斷某一臺發射機故障，需要進行倒機操作，8+1系統控制器就會發出相應的控制指令，執行倒機步驟。同時，8+1系統控制器還可以將發射機的工作狀態傳送給客戶端電腦，方便值班人員在控制室對機房設備的運行狀態進行實時監控。下面將詳細介紹8+1系統控制器的主要組成、各部分的功能以及自動倒機的具體步驟。

3.1 8+1系統控制器的組成及各部分的功能

8+1系統控制器主要由總CPU、分CPU、液晶屏、碼流切換器及指示燈與聲光報警等部分組成（見圖2）。

圖2 8+1系統控制器組成及信號流程

（1）總CPU：作為8+1系統控制器的核心部件，主要用于接收客戶端電腦發送的查詢指令、設置倒機門限值的指令及控制發射機開關機的指令，并將這些指令轉發至分CPU，同時，接收分CPU的數據回復并轉發至客戶端電腦；接收客戶端電腦設置倒機優先級的指令、設置該系統的工作模式（自動、手動或遙控）指令及倒機命令；總CPU還可以接收分CPU的故障指示，控制液晶屏的顯示等。

在執行倒機操作時，總CPU會向故障主機的同軸開關下發改變同軸開關位置的指令，使故障主機的輸出接在假負載上，方便技術人員的維修，而公共備機的輸出則接在天饋系統上。同時，總CPU分別向公共備機上的激勵器、濾波器下發修改頻率、改變濾波器位置的指令，以實現由公共備機代替故障主機播出的目的。

（2）分CPU：每臺發射機都對應一個分CPU，主要功能是與各臺發射機進行實時通信，獲取各發射機當前狀態及各項參數（發射功率、電流、電壓等），通過各項參數值來判斷發射機是否工作正常，并將故障指示傳送給總CPU。同時，分CPU還負責接收總CPU的查詢、設置與控制指令。

在整套系統中，判斷主用發射機是否工作正常的主要參數是發射機的輸出功率。根據不同功率的發射機設定不一樣的倒機門限值（發射部設定的倒機門限值為3 kW），若此時發射機的輸出功率低于倒機門限值時，分CPU會以此判斷發射機出現了故障，并將故障指示傳送給總CPU，由總CPU下發倒機指令。

（3）碼流切換器：在執行倒機操作時，8+1系統控制器會向碼流切換器發出控制指令，并碼流切換器控制備機的八切一切換器將音頻輸出切換至故障主機的信號源上，并將信號源送至公共備機。

（4）液晶屏：主要功能是向總CPU發送倒機控制命令、設置倒機門限值與倒機優先級的指令等，同時，接收總CPU發送的控制、設置命令是否成功指令、顯示故障、倒機失敗的原因或倒機成功的提示等。

（5）指示燈與聲光報警：主要由總CPU控制，顯示各類報警信息及狀態。

3.2 8+1系統控制器工作流程

3.2.1 初始化8+1系統控制器通電后，首先要進行系統初始化設定。主要是由8+1系統控制器內的總CPU對公共備機上的同軸開關的位置、濾波器的位置進行初始化，保持掉電前的位置；初始化系統的倒機門限值（發射部設定的倒機門限值為3 kW）、倒機優先級等參數。

3.2.2 倒機前

初始化完畢后，8+1系統控制器會向8臺發射機所對應的分CPU以2秒一次的速度發送數據查詢指令，查詢指令包括各發射機當前狀態及各項參數（發射功率、電流、電壓等）。

分CPU通過初始化設定的倒機門限值與當前發射機的輸出功率值進行對比，判斷發射機是否故障。若判斷到發射機有故障，則分CPU通過IO口向總CPU上傳此故障信息。總CPU接收分CPU上傳的故障信息，也進行判斷，若當時有且只有一臺主用發射機發生故障，則開始進行自動倒機程序。

3.2.3 倒機中

（1）由總CPU向分CPU發送主機關機的指令；并在延時25秒后，通過反饋數據判斷主機關機是否成功；若關機失敗，總CPU點亮倒機故障燈，停止倒機操作。

（2）總CPU發送低電平使繼電器動作輸出12V將故障主機接負載，備機接天線；并在3秒后總CPU通過兩路電平檢測轉換是否到位。

（3）切換碼流、濾波器位置。總CPU發送三路電平使3個繼電器分別動作輸出切換信號，使得碼流切換器的輸出為故障機的信源，使公共備機的濾波器改變相應的位置。

（4）設置公共備機激勵器頻率?？侰PU向公共備機的激勵器下發設置頻率命令。當備機的激勵器收到來自總CPU下發的設置命令后，進行校驗并設置工作模式：

一是若校驗或設置錯誤，激勵器將錯誤報發送給總CPU；總CPU等待5秒后將重新發送設置報，如此循環2次，若設置失敗，總CPU將碼流、濾波器切換至缺省位置，并將同軸開關位置還原。總CPU點亮倒機故障燈，將失敗位置上傳至PC機。二是若效驗或設置正確，備機激勵器將發射頻率改為故障機的頻率。

（5）開啟備機。若上述過程均正常運行，總CPU向分CPU發送備機開機指令，并在延時25秒通過備機數據報判斷備機開機是否成功。若開機失敗，總CPU將碼流、濾波器切換至缺省位置，將激勵器設置為缺省工作模式，并將同軸開關位置還原。總CPU點亮倒機故障燈，將失敗位置上傳至客戶端電腦。若開機成功，總CPU將倒機成功消息上傳至客戶端電腦。至此完成整個倒機程序。

3.2.4 倒機后

倒機成功后，若技術人員已維修完畢故障發射機，欲將故障發射機重新使用，則可通過手動或遙控方式將備機倒回主機，具體流程為主機倒備機的逆過程。

4 結束語

目前，寧夏廣播電視臺傳輸發射中心發射部的8+1自動切換控制系統已正常運行多年，該系統穩定可靠，為調頻廣播安全播出提供了有力的技術保障，也為實現“無人值機，有人留守”的管理模式奠定了堅實的技術基礎[2]。