數字DAM中波廣播發射機數據采集系統設計

榆林廣播轉播臺 張斐 申連雄

為實現對數字DAM中波廣播發射機在運行過程中產生數據的采集，并基于更高精度的數據結果實現對發射機運行狀態的判斷，開展對其數據采集系統的設計研究。通過濾波電路與多路模擬開關設計、A/D數模轉換器選型、ARM微處理芯片選型等硬件設計和發射機運行中實時數據獲取、數據處理、系統采集驅動程序等軟件設計，提出一種全新的數據采集系統。通過實例應用的方式證明，新的數據采集系統在實際應用中可以實現對發射機運行中產生數據的高精度采集，將其數據采集誤差降低到1.00%以下。

目前數字化廣播發射機的數據采集的設備或系統相對落后，很難實現對數字化的數字DAM中波廣播發射機在運行過程中產生的數據進行采集，無法實現對數據的及時、準確記錄，很難實現對數字DAM中波廣播發射機運行狀態的實時監控和判斷[1]。在當前現有采集方式中，為了確保對發射機在運行中實際情況的實時感知，保證所獲取或采集的運行數據具有真實性、時效性，需要安排專人采取一對一的形式對發射機運行情況進行觀察并將相關數據進行記錄。而在這樣長期高頻、高溫和高噪聲的情況下，會進一步影響人工數據采集的精度和準確度。

1 系統硬件設計

針對數字DAM中波廣播發射機在運行過程中產生的數據進行采集，需要確保采集系統與發射機接口電路的相互連接，并針對發生機在運行時的入射功率、反射功率、駐波比等數據進行采集，并根據得到的數據實現對發射機運行狀態的實時監測[2]。為了滿足上述應用需要，本文設計硬件結構如圖1所示的數據采集系統。

圖1 數據采集系統硬件結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the hardware structure of the data acquisition system

由于數字DAM中波廣播發射機所運行的環境是相對復雜的電磁環境，高速數據采集更容易受到電磁波的干擾，進而造成獲取到的數據出現失真問題。考慮到這一干擾因素的存在，引入USB串行總線的方式，完成對系統中各個硬件的相互連接[3]。下面將主要針對濾波電路與多路模擬開關、A/D數模轉換器和ARM微處理芯片進行詳細的選型設計說明。

1.1 濾波電路與多路模擬開關設計

在數字DAM中波廣播發射機運行的過程中，需要獲取到的參數數據除了上述論述內容以外，還包括電壓量、電流量、電阻量等，這些數據無法直接與A/D數模轉換器進行連接，因此為了節約這一問題，引入如圖2所示的數據信號處理及濾波電路[4]。

圖2 數據信號處理及濾波電路Fig.2 Data signal processing and filtering circuit

在圖2所示的電路當中，應用LC濾波器，利用該裝置實現對數據傳輸中噪聲的抑制。在對多路模擬開關進行選擇時，選用ADG16060作為芯片的模擬開關，以此將多路輸入轉變為復用輸出[5]。同時，設定ADG16060在實際應用中的復用電路與多用電路比值為17:1；電路數為1；運行中的電源電壓為12V；電荷注入量為8pC。在將ADG16060應用到本文采集系統當中后，利用該裝置中自帶的控制鎖存器能夠實現與ARM微處理芯片之間的連接。同時，在系統運行過程中，ADG16060可以實現更快速地開關，通過時間可小于160ns，而閉合時間可小于150ns。

1.2 A/D數模轉換器選型

在完成對濾波電路與多路模擬開關的選型設計后，基于本文數據采集系統的應用需要，對A/D數模轉換器進行選型。選用AD1640型號A/D數模轉換器，該型號A/D數模轉換器封裝/箱體為TSSOP-16格式；分辨率為12bit；結構為SAR；模擬端單元的有效輸出電壓在1.7V～5.25V范圍內；SINAD-信噪和失真率為73dB；ADC輸入端數量為8Input。在此基礎上，使用該型號的轉換器，利用此裝置中自帶的采樣保持裝置，將其與信號轉換端進行直接通信連接。同時，將AD1640型號A/D數模轉換器應用到本文系統當中時刻將其直接與CPU總線進行連接，通過AD1640型號A/D數模轉換器輸出數據分成高8位和低4位，完成兩次并行傳輸。在轉換的過程中，AD1640型號A/D數模轉換器的轉換時間為10μs，具備極高的轉換速度，因此能夠為本文采集系統提供更高效率的采集條件。

1.3 ARM微處理芯片選型

針對ARM微處理芯片進行選型設計說明，選用ADUC7128B型號微處理芯片，將其應用到本文數據采集系統當中。該型號微處理芯片中集成了高速緩存、寫緩沖器、LCD控制器等。同時，考慮到本文此次研究選用的硬件需要具有較高的處理速度，還需要在上述設計內容的基礎上，設定芯片在集成中的總線寬度在32bit～64bit范圍內（具體數值根據系統運行中的設計需求設定）。設定芯片的輸入端與輸出端有效控制數量為在25～30 I/O范圍內。為避免運行中芯片出現負載問題，可調整芯片的作業環境溫度，使其運行作業環境的溫度在-40℃～+125℃范圍內。ADUC7128B型號微處理芯片采用ARM46840架構類型，其中包含了最高32位的微處理器，并且內部含有Thumb代碼，能夠更方便本文采集系統的開發應用。

2 系統軟件設計

2.1 發射機運行中實時數據獲取

在對數字DAM中波廣播發射機在運行中產生的數據進行獲取時，主要通過USB總線實現，發射機的對外接口電路當中為數據采集系統提供了外部監測和控制的接口，通過這一接口的連接不僅能夠實現對信號的采集，同時還能夠實現對控制器與外部設備之間提供隔離保護。為確保所獲取的實時數據可以滿足系統需要，需要在獲取信號過程中使用PLC模擬技術，對不同時段下的輸入信號進行隔離。例如，針對大功率短波信號進行一次隔離，將信號變送器與信號接收端的信號進行隔離，通過此種方式，降低實時數據在獲取中對外界的干擾。

2.2 數據處理

完成對實時數據的獲取后，考慮到采集的數據可能存在一定的失真性，因此，還需要在此基礎上，對實時獲取的數據進行處理。在處理數據時首先需要考慮的問題是數據在傳輸中存在的干擾問題，且發射機自身便是一個輻射端，當輻射端存在直接發出的信號后，會存在實際應用中數據信號被射頻干擾，因此，對反饋信號中的射頻信息進行處理，處理過程如公式(1)所示：

公式（1）中：NF表示為射頻干擾信號的處理；K表示為發射機自身發出的干擾信號；M'表示為信號傳輸信道的穩定性；S表示為載波信號。

完成上述相關處理后，考慮到發射機運行中的環境較為復雜，且前端在高速運行過程中，可能會由于其采集頻次不當出現采集數據失真等問題。在完成對數據的基礎處理后，引進串行通信技術，對發射機運行數據進行雙向處理，此項技術可以實現計算機網絡與發射機運行的雙向交互，在保證數據同步傳輸的基礎上，對易于拓展的價值性數據進行采集。在保證所獲取的數據信息具有真實性與時效性的基礎上，在發射機的前板表頭上進行數據的綜合調控，對此過程進行描述，如公式（2）所示：

公式（2）中：P表示為前板表頭實時數據的綜合調控處理；ROL表示為數據響應方式；γ表示為數據頻響程度；A表示為數據幅度；ε表示為雙向通信模式。完成上述處理后，還需要根據數據對接收后的表達方式，進行數據格式的綜合轉換，將完成處理后的標準化數據使用轉換器傳輸。在傳輸數據時，再使用中頻發射機在接口進行運行數據的同步獲取，通過此種方式，確保獲取數據與處理處理保持一定的同步性。總之，在數據處理過程中，要結合數據的不同表現方式、數據中攜帶的噪聲量、數據規模等參數，選擇不同的數據處理方式，從而確保處理后的數據可以滿足系統應用需要。

2.3 系統采集驅動程序設計

為實現對系統采集的驅動，設計分層結構式的驅動程序，將整個采集模塊劃分為高級的USB設備驅動程序和級別相對較低的USB函數層。為了能夠進一步提升本文采集系統的通用性，在對其程序進行設計時，盡可能簡化，并在系統當中應用能夠提供程序調用的動態鏈接數據庫。在實際驅動采集模塊進行對數字DAM中波廣播發射機運行數據的采集時，可直接調用該數據庫當中的接口函數，實現對硬件設備的控制，從而獲取數據。在實際運行過程中，系統首先進入到初始化狀態，并完成對采集設備熱插拔和動態參數配置。在系統上位機監測到采集設備的接入后，在數據庫當中查找是否存在對應的驅動程序，并調用相關程序指導設備被正確配置位置。此時，驅動程序開始與硬件設備進行對話，由電源模塊負責喚醒采集設備，由I/O模塊完成I/O請求中的大部分工作，以此實現系統數據采集運行。

3 實例應用研究

上述論述中，分別從硬件層面和軟件層面完成對數據采集系統的理論設計。為了進一步驗證這一采集系統的實際應用可行性及應用優勢，選擇以某廣播電視臺作為依托，針對該廣播電視臺現運行中的數字調制中波廣播發射機作為研究對象，利用上述設計的采集系統對該發生機在運行過程中產生的數據進行采集，并通過采集結果對該系統應用性能進行探究。在運行過程中，為確保采集系統運行，將5V電源作為其供電裝置，并利用Delphi開發工具實現對本文數據采集系統的開發。為了驗證該采集系統是否能夠在廣播發生機運行的高頻、高溫和高噪聲環境中實現穩定運行，并確保采集結果的精度，對采集系統輸入的電壓進行調整，并在電壓變化的過程中，觀察得到的數據采集結果誤差。其誤差可通過如公式(3)所示計算得出：

公式（3）中，η表示為本文系統數據采集結果誤差；m表示為采集數據集中的錯誤數據量；m'表示為采集數據集中總數據量。根據上述公式計算得出的結果可完成對采集系統運行中采集精度的評價：若計算得出的η值越大，則說明系統數據采集結果誤差越大，系統采集精度越低；反之，η值越小，則說明系統數據采集結果誤差越小，系統采集精度越高。同時，在實驗過程中，為了確保對輸入電壓記錄的數據正確，選擇將精度為0.01的四位數字萬用表對輸入電壓進行測量。根據上述論述，將相關數據信息記錄，并得到如表1所示的結果。

表1 本文采集系統數據采集結果精度分析Tab.1 Accuracy analysis of the data collection results of the collection system in this paper

從表1中記錄的結果可以看出，本文數據采集系統在實際應用中，隨著輸入電壓數值的不斷下降，采集誤差呈現出逐漸增加的趨勢，但其數值均能夠控制在1.00%以下，充分滿足廣播電視臺對于數字DAM中波廣播發射機運行中數據采集的精度需要，誤差部分不會影響到對數字DAM中波廣播發射機運行狀態的判斷。同時，在實際應用中，應用了100kHz的采樣時鐘頻率對系統進行取樣，得到的轉換結果中系統分辨率能夠達到12位，充分滿足發射機數據采集要求。因此，通過上述得出的結果能夠證明，本文提出的數據采集系統在實際應用中能夠實現對發射機數據的高精度采集。

4 結語

廣播與人們的日常生活息息相關。在這樣的背景下，對于廣播行業中各個裝置、設備的要求也隨著人們的需求不斷提升。為降低或減少在發射機運維管理工作中人力持續投入的降低，實現從人工管理模式向智能化或自動化監控模式的過渡與轉型，為此，本文開展對其數字DAM中波發射機數據采集系統的設計研究。進一步提供發射機運行安全保障，應根據發射機的實際運行情況，采取有效的措施，進行發射機運行全過程的監控，并在發射機出現故障問題時，能夠通過獲取到的數據信息對其進行及時處理。

引用

[1] 李博.基于.NET架構的發射機健康數據管理系統設計與實現[J].廣播電視信息,2022,29(3):75-79.

[2] 曲廣玲.哈廣GZ-G1K-V型PDM1kW中波發射機主要數據和輸出網絡調整[J].數字傳媒研究,2020,37(12):66-68.

[3] 趙麗琴,劉家銘,劉昶,等.融合數據權重的雷達發射機健康狀態評估方法[J].現代雷達,2021,43(1):58-64.

[4] 李燕平,孫惠娟.中波廣播發射機實時數據采集系統的設計與應用[J].西部廣播電視,2019(2):225-226.

[5] 葉文靜,陶子然,黃富傳,等.基于魂芯二號的某數字信號處理系統DAM模塊中的算法實現[J].中國集成電路,2021,30(10):42-45+62.