粵東鴻圖嶂電視調頻轉播臺數字化以及自動化建設

李偉鋒

（粵東鴻圖嶂電視調頻轉播臺，廣東 梅州 514000）

0 引 言

隨著電子通信技術的不斷發展，調頻電視轉播臺的自動控制與監控技術不斷進步。為順應時代的發展，建設智慧發射臺站、加強臺站管理以及減輕臺站值班人員負荷，已成為當前發射臺工作的重點。臺站自動化系統建設針對每套節目每個節點實現了智能化監控，對發射機的輸出功率、工作電流電壓及同軸開關狀態等實現了數字化監控，對不同接口類型的發射機實現了遠程控制和主備機自動倒換功能。

1 發射機數據監控

1.1 硬采集發射機功率監控原理

在發射機功率監控系統中，為了準確地獲取發射機的發射功率，在發射機饋管監控口增加功率檢波器實現對功率的采樣。功率檢波器采集到的信號如圖1所示。

圖1 調頻信號波形

射頻信號是一個對稱的正弦波信號，其功率與電壓的幅值相關。然而，幅值無法直接采樣，需要將高頻正弦波信號進行轉換（俗稱檢波），將已調制的高頻振蕩信號通過高靈敏度的檢波二極管轉換為可以直接測量的直流信號，原理如圖2所示。

圖2 二極管檢波原理圖

Ui為發射機饋管輸出的射頻信號，經過檢波二極管VD1后，其波形下半部分被削除，正半部分的半波信號被保留，如圖3所示。

圖3 二極管檢波后的波形

通過高頻濾波電容C1將檢波二極管輸出信號中的高頻載波信號去掉。濾掉載波信號后的電壓波形如圖4所示。

圖4 濾掉載波信號后的電壓波形

檢波二極管的電流回路由精密電阻R1和R2構成。發射機的輸出功率越大，檢波后的電壓越高。該電壓經R1和R2分壓后，經由高精度的模數轉換器轉換為數字量VAD，再通過式（1）計算得出檢波器輸出電壓Vo［1］：

式中，Vref為參考電壓。由于前端經過了R1和R2分壓，故需要還原實際電壓值，于是有：

由式（2）獲得U總電壓，再通過式（3）計算出絕對功率值P，以此獲取發射機的輸出功率值。

式中，dBw為U總的射頻電平單位，P為轉換后的功率，1 W為基準功率。

1.2 發射機電壓電流采集

1.2.1 三相電壓采集

發射機工作過程中，機器的工作電壓和電流是非常重要的運行指標，需要在監控系統中對其進行監控。對于輸入到發射機的三相電壓，需進行市電采樣，采樣原理如圖5所示。

每相電壓通過3個300 kΩ的串聯電阻后接入運算放大器。A、B、C三相分別與零線組成一組（共3組）差分信號后送入運算放大器LM358，得到一個幅值小于基準電壓且大于0 V的正弦波信號。該電壓信號經過高精度模數轉換器后送入單片機進行計算，進而獲得正確的電壓值。

圖5 市電采樣電路

1.2.2 三相電流采集

發射機在工作過程中功率非常大，輸入的電流也非常大，通常在幾安到幾十安左右，無法用儀表直接進行測量。因此，通過對每相電流加裝電流互感器的方式采集線上電流。互感器的作用是將交流電路中的大電流按照比例降為可用儀表直接測量的小數值電流，工作原理如圖6所示［2］。

圖6中，I1為輸入發射機的A、B、C三相中的其中一相。經過互感器后，互感器的次級線圈會產生一個感應的低壓交變電流I2。整流過程如圖7所示。

圖6 電流互感器基本原理

圖7 互感器電壓整流

通過在次級端串接一個二極管VD1和一個負載電阻R，可以獲得一個正半周期的電壓信號。該電壓信號經過模數轉換器后接入單片機，根據不同的匝數比N，通過式（4）計算出初級端I1的電流值，從而獲得線上的電流數據：

1.3 協議類發射機數據采集接口原理與保護

1.3.1 協議接口發射機通信原理

本系統采用ST公司型號為STM32F103VET6的微控器作為核心控制器，配合開源的UCOS-Ⅱ嵌入式系統作為軟件平臺的核心。它通過網口通信的方式與上位機和發射機相連，可根據發射機的不同類型選擇對應的采集接口，從而實現協議與硬采集發射機的數據采集與控制。發射機采集器原理如圖8所示。

1.3.2 接口協議轉換原理

對于有協議接口的發射機，在發射機與網口2中間增加一級串口服務器，可將網絡信號轉換為RS485、RS422或RS232信號，以兼容不同的發射機接口協議。采用艾科嘉（EXAR）公司的高級多協議收發器SP330E作為轉換電路，信號轉換原理如圖9所示。

SP330E通過芯片設置引腳13和引腳14進行信號轉換模式選擇。對這兩個引腳進行拉高或拉低，可實現協議接口類型的切換。引腳設置與協議模式的對應關系如表1所示。

圖8 發射機采集器原理框圖

串口服務器與發射機的連接采用DB9標準接口。DB9有9針引腳，滿足3種協議的引腳引出。本設計中DB9引腳與協議模式的接口定義關系如表2所示，其中“—”代表未使用。

圖9 SP330E協議轉換原理圖

表1 芯片模式選擇原理

表2 DB9引腳與協議模式的接口定義關系表

1.3.3 通信接口保護

由于發射機的電磁工作環境特殊，為了避免電磁干擾對采集器的損毀，針對RS-485和RS-422接口采取了嚴格的防靜電和浪涌措施。以RS-485接口為例，它的保護電路如圖10所示。

圖10 RS-485保護電路

BLSA1、BLSA2及BLSA3為氣體放電管，由陶瓷放電管密閉封裝。它的內部由兩個或多個帶間隙的金屬電極充以惰性氣體氬氣或氖氣構成，導通電壓通常為90 V左右，反應時間為100 ns，能夠完全有效地避免靜電對后級電路造成影響。R1和R2為限流電阻，防止輸入電流過大對設備接口造成沖擊而導致設備損壞。對于瞬間高電壓（＜90 V），采用3個高靈敏的雙向瞬態抑制二極管P0080C作為保護器件，使得后級電路處于一個穩定可靠的電壓環境。

2 發射機自動倒換系統

2.1 倒換系統中的聯鎖與互鎖

2.1.1 系統基本組成

為保障廣播電視節目信號不間斷且安全穩定播出，臺站發射機均采用一主一備的方式進行熱備份。兩部發射機共用一個饋線，采用設備聯鎖互鎖功能實現主備發射之間的切換。主備發射機與天線的連接如圖11所示。主備發射機、天線、假負載及同軸開關等設備連接組成天線倒換系統，確保主備發射機功率輸出端口與天饋線連通環節順利切換。同時，發射機通過監測天線的聯鎖信號，保證在天線切換不到位的情況下無法啟動發射機，以避免由于天線接口連接不穩定導致發射機在大功率開機后燒毀同軸開關接口而損壞發射機［3］。

2.1.2 互鎖信號

為防止發射機主備機同時播出造成信號相互干擾，臺站為每套節目的主備機加入了互鎖功能。主備機中任意一個發射機正常播出時，另一部發射機不能自行啟動。互鎖是信號正常播出的必要條件。若放棄互鎖功能，輕則發射機自行關機，重則發射機或者天線同軸開關損壞，甚至可能發生在不知情的情況下把發射機的功率引到備機播出而值班人員無法察覺導致重大播出事故的情況。

2.1.3 互鎖功能的實現

機房主備發射機的天線倒換均采用同軸開關配合控制的方式實現。該系統主要由電機旋轉機構、行程開關、邏輯控制器、轉換開關主體機以及控制接口等結構件組成。其中，控制接口中的兩組信號通過行程開關的信號實現聯鎖和互鎖信號的輸出，原理如圖12所示。

圖11 主備發射機與天線連接示意圖

圖12 主備發射機聯鎖功能原理

K1和K2均為行程開關，其中K1的常開觸點3、4與K2的常開觸點5、6分別連接到主備發射機的信號聯鎖接口。同軸開關轉動時，安裝在旋轉電機的壓板會壓向行程開關。假如電機向右順時針旋轉，壓板接觸到行程開關K2，常開觸點閉合。該觸點與發射機的聯鎖信號相連，以實現發射機的聯鎖信號輸出。發射機檢測到聯鎖信號閉合后才能正常開啟，否則無法正常開機，以實現聯鎖功能。

2.2 發射機數據采集及倒換控制原理

2.2.1 發射機數據采集

發射機數據采集器既是功率監控系統的一部分，也是倒換系統的重要組成部分。在所有通信控制鏈路正常的情況下，發射機的主備倒換系統主要依靠發射機數據采集器提供給系統的數據來判斷是否需要對發射機進行主備倒換［4］。

2.2.2 發射機倒換系統的倒換流程

為保障發射機信號正常播出，防止發生停播事故，同時避免在倒換過程中損壞發射機，倒換系統對發射機的倒換條件要求嚴格。硬件方面，首先主備發射機的通信接口需連接正常，能正常獲取發射機數據，且發射機處于遠程狀態。其次，同軸開關控制器接口連接正常，能準確獲取發射機聯鎖信號和天線的位置信息。最后，備份發射機處于熱備份狀態。軟件方面，首先系統時間必須與實時時間同步。其次，已經設置了工作時間，且當前正處于播出時間段。再次，天線自動倒換系統處于打開狀態。最后，按照額定功率的百分比，已設置倒換功率下限。

滿足倒換條件時，若發射機功率異常，發射機會進入倒換預備狀態。倒換預備一般有10～20 s的時間限制。若在預備期內功率恢復為正常值，則自動取消預備狀態，轉入正常工作模式；若發射機的異常狀態時間超過了預備時間，則系統立即進入倒換狀態［5］。以發射機主機倒換備機為例，假如此時主發射機的狀態發生異常，則倒換流程如圖13所示。

3 結 語

針對發射臺的發射監控和自動倒換等環節進行的數字化和自動化建設，極大地提升了臺站對整個播出系統的管理效率。以往諸多重復性工作被現有的自動化系統替代，減輕了人員操作帶來的播出風險和值班人員的操作難度，提升了整個臺站的管理能力，為今后發展為智慧廣電發射臺管理平臺的管理末梢提供了數字化和自動化的技術基礎。

圖13 發射機倒換流程