基于FPGA技術的中波廣播發射臺自動化播控系統設計研究

摘要：中波廣播發射臺的自動化播控系統在現代廣播通信中扮演著重要角色，借助FPGA技術，使該系統得以實現高效處理、靈活編程及低能耗的優化。系統設計環節工作內容涵蓋硬件構架設計、信號處理部分以及數據傳輸模塊的研制。經過一系列實驗驗證，FPGA技術的應用顯著增強了系統的穩定性和信賴度，為中波廣播發射臺的自動化播控提供了高效的實現方案[1]。

關鍵詞：FPGA技術；中波廣播；自動化播控系統；系統設計

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.013

中圖分類號：TN 934.81" " " " " " " " "文獻標志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-00-04

Design and Research of Automatic Broadcast Control System for Medium Wave Broadcasting Transmission Station Based on FPGA Technology

ZANG Xiangxiang

（Hefei Broadcasting and Television Station， Hefei 230002， China）

Abstract： The automated broadcast control system of medium wave broadcasting transmitter plays an important role in modern broadcasting communication. By utilizing FPGA technology， the system can achieve efficient processing， flexible programming， and low-energy optimization. The system design phase covers hardware architecture design， signal processing， and the development of data transmission modules. After a series of experimental verifications， the application of FPGA technology significantly enhances the stability and reliability of the system， providing an efficient research solution for the automated broadcast control of medium wave broadcasting transmitters.

Keywords： FPGA technology; medium wave broadcasting; automated broadcasting control system; system design

1" "中波廣播發射臺概述

1.1 中波廣播的基本原理

中波傳播借助中波段頻率（300 kHz～3 MHz）實現信號的遠距離無線傳播，該波段特性決定了其具有較廣的覆蓋范圍。廣播電臺采用調幅方式，把音頻信息疊加到中波頻段上，隨后通過發射天線將已調制的無線電波發送至空間[2]。在接收端，無線電設備通過自身的天線捕捉到這些無線電波，并通過解調過程恢復原始的音頻信號，進而轉換成可聽的聲音。利用中波的良好衍射性能和穩定的傳輸特性，使中波廣播可實現大區域的無線電覆蓋。

1.2 中波廣播發射臺的組成與功能

中波電臺的核心部分涵蓋信號調制單元、功率增強器、發射器、操控單元以及供電系統。其中調制單元的任務是將音頻信息轉換成中波頻段信號，生成調幅波。功率增強器負責提升已調制信號的強度，以便信號能夠遠距離傳播并覆蓋更廣區域。發射器則承擔著把增強后的射頻信號發送到空間中，達到廣播的目的。操控單元內置自動播控模塊與控制模塊，負責整個廣播流程的監控與調度，保證信號傳輸的穩定。供電系統為電臺所有設備提供不間斷的電源支持，確保各部分能夠正常工作[3]。這些組成部分共同協作，使中波廣播信號可以高質量地傳播，為廣大聽眾帶來穩定的收聽體驗。

2" "FPGA技術在中波廣播發射臺自動化播控系統中的作用

2.1 FPGA技術的定義

FPGA（Field Programmable Gate Array）作為一種具備極高適應性和設置自由的集成電路，其內部主要由眾多邏輯單元陣列、內部連成以及I/O組件構成。這些特性使FPGA能夠通過設定程序來執行各種復雜的數字邏輯操作。與固定功能的ASIC（專用集成電路）相比，FPGA即便在開發完成后也能重新編程，展現了其在多樣化應用場景中的強大適應能力。FPGA技術融合了硬件的處理效能與軟件的調整靈活性，被廣泛運用于信號調理、數據傳輸、自動化控制等多個行業，FPGA技術能在物理電路層面完成并行任務處理和即時響應，顯著提高了系統的整體性能和工作效率。

2.2 FPGA在中波廣播發射臺自動化播控系統中的作用

在中波廣播發射臺的自動化播控系統中，FPGA技術發揮了其獨特且卓越的作用。該技術以其強大的并行處理能力，可以同步處理多項任務，從而大幅度提高了系統的反應速度和操作效率。FPGA可編程的特性可以根據需要進行靈活調整和升級配置，確保系統迅速滿足各類應用場景的需求。FPGA的低能耗特性有助于減少能耗，提高系統的經濟效益。其高集成度特性簡化了設計流程，縮小了硬件的體積和降低了復雜度，進一步增強了系統的可靠性與穩定性。鑒于這些優點，FPGA無疑是中波廣播發射臺自動化播控系統中的最佳選擇。

3" "基于FPGA技術的中波廣播發射臺自動化播控系統設計思路

3.1 系統架構設計

系統架構設計的核心在于實現高效、穩定的信號處理和傳輸。首先對FPGA的核心部分進行設計，作為整個系統的“大腦”，負責完成全部的邏輯控制與信號處理。輸入信號經過高精度模數轉換器轉化為數字信號后，再送入到FPGA中進行實時處理。通過 FPGA內的多個并行處理器，結合流水線技術能夠加速調制、解調和濾波等關鍵運算，從而顯著提高處理效率。在對信號進行處理之后，利用高速DAC將數字信號轉換為模擬信號，再由功率放大器進行放大信號強度，保證信號長距離傳輸的穩定性與清晰度。在FPGA中設計了一種自檢測與診斷模塊，用于對系統的運行狀況進行實時監測，并在需要的時候及時發出報警信號。在此基礎上，利用高帶寬數據總線，實現FPGA與調制器、放大器、天線等其他硬件模塊之間的高速通信與同步。

3.2 FPGA邏輯設計

FPGA邏輯設計是系統功能實現的基礎，采用VHDL或Verilog等硬件描述語言對各功能模塊進行設計和調控。在此設計中音頻信號通過混頻器和濾波器的處理，被轉化為中頻段信號，隨后被送入數字信號處理模塊進行更深層次的處理。該模塊采用流水線結構，通過并行處理加速信號運算，進而提高信號處理效率。為了實現系統的整體控制，可運用狀態控制系統管理各模塊的工作，確保定時播放、信號轉換及故障處理等關鍵功能的順利進行，從而保障系統的持續穩定運作。各功能模塊間通過數據總線進行數據傳輸，以此確保數據傳輸的高效性與穩定性。同時通過合理配置FPGA中的邏輯單元和存儲單元大幅增強了系統的并發處理能力，顯著提高了響應速度。

3.3 軟件設計

在基于FPGA的自動播控系統中，軟件設計主要包括信號處理和控制邏輯的實現。信號處理部分通過硬件描述語言（HDL）編寫，其主要功能是對信號進行調制、解調和處理。控制邏輯部分采用狀態機設計來確保系統能夠自動執行定期播放、信號切換和故障檢測等任務。同時軟件還通過微處理器（如MicroBlaze或Nios II）的開發，編寫相應的驅動和中間件以實現FPGA與外圍設備的高效通信。軟件界面的設計則使用了Qt等跨平臺框架，使系統能夠進行實時監控與控制，從而確保系統的穩定性和安全性。

4" "基于FPGA技術的中波廣播發射臺自動化播控系統設計實踐

4.1 系統原型開發

系統原型開發是將設計理念轉化為實際應用的關鍵步驟，主要包括需求調研、硬件設計、軟件設計、系統集成和測試驗證五個核心階段。在需求調研階段，明確系統的功能需求和性能標準，為后續的設計環節奠定了基礎。硬件設計階段，選擇適合的FPGA芯片，并使用硬件描述語言完成電路板設計與資源配置，以保障硬件部分能夠滿足系統需求。在軟件設計階段，重點進行信號處理算法、控制邏輯和用戶界面的編程，以保障系統可以高效完成調制、解調、濾波等任務。系統集成階段，將硬件與軟件結合，完成軟硬件接口的搭建，并通過調試和調整來確保各模塊間的協同運作。最后在測試驗證階段，系統的功能與性能都經過了全面的測試，以驗證各模塊的準確性及系統的整體穩定性與可靠性。開發流程如圖1所示。

在整個開發流程中每個環節緊密相連，需求調研為硬件和軟件設計指明了思路，硬件和軟件的設計則依靠系統集成實現無縫融合，系統集成保證了各個部分之間的協作一致，通過測試審核確保了系統的性能和功能均達到標準，從而成功構建了基于FPGA技術的中波廣播發射臺自動化播控系統，可使其高效且穩定地工作。

4.2 系統調試與測試

系統調試與測試是確保基于FPGA技術的中波廣播發射臺自動化播控系統正常運行的重要環節。調試與測試主要包括以下幾個步驟：對硬件部分進行調試，確保FPGA芯片與各個外設的連接正常。利用示波器及邏輯分析儀對信號的傳遞進行監測，以保證信號的完整性與穩定性。在軟件調試階段，利用FPGA開發工具（Xilinx Vivado或Altera Quartus）對各個功能模塊進行仿真與綜合，驗證各個功能模塊的正確性與性能。在調試中，著重對從音頻編碼器、智能切換器、應急廣播播控系統到天饋系統的整個傳輸流程進行驗證，確保信號路徑的通暢，保證各個功能模塊的反應速率和運算容量都能滿足預期要求。為了保證自動播控功能的精確執行，需要對其進行狀態機設計，并對其進行邏輯判定。使用調試工具對各模塊進行逐步驗證，發現并解決潛在問題。在測試階段，對系統進行充分的功能及性能試驗，對音頻編碼、信號處理、自動化播控等功能模塊的正確性進行驗證。采用試驗信號源與接收裝置來模擬真實工作環境的測試方法，對系統工作狀況及輸出結果進行分析。在測試性能方面，主要針對處理速度、響應時間、功率消耗等方面進行了測試，并進行反復測試，確保系統在實際應用中可高效穩定運行。

4.3 性能優化

性能優化是確保基于FPGA技術的中波廣播發射臺自動化播控系統在實際應用中高效穩定運行的重要環節。

一種基于 FPGA的先進電路板如圖2所示，對該電路板進行性能優化的過程包括以下幾個方面：通過分析系統的關鍵路徑和瓶頸，優化信號處理算法和控制邏輯。在 FPGA中采用流水運算和并行運算的方式，加快運算的速度，減少延遲。同時對 FPGA中的邏輯單元、存儲單元與DSP模塊等進行合理的配置，以減少不必要的資源浪費。性能優化的另一項任務是降低系統功耗。通過對電路結構進行優化，降低工作頻率，可以有效地降低系統的功耗。在設計過程中選用低功耗的FPGA芯片，并采用功率管理等方法來提高能量效率，并通過優化的散熱結構，以保證整機在重載條件下的穩定性。通過應用FPGA開發工具對系統進行性能分析與優化，可更好地了解系統的資源利用率與性能瓶頸。通過模擬與試驗不斷地對系統的參數進行優化，使其達到最優的性能。利用示波器、邏輯分析儀等儀器，實時監測并調節信號的傳輸與處理過程。優化后的系統不僅可以有效提高工藝的運行速度，還能減少能源消耗，延長設備壽命。

4.4 可靠性與穩定性測試

對采用FPGA技術的中波廣播發射臺自動化播控系統來說，進行穩定性和可靠性的檢驗是保障其長期高效運作的關鍵環節。此類檢驗涉及內容眾多，目的是針對系統在多種不同環境下的運作穩定性與可信度進行確認。通過進行長時間的系統運行測試，模擬其在實際應用場景中的持續運行情況，以檢測系統是否出現性能衰退或者故障現象。利用邏輯分析儀及示波器對關鍵信號路徑進行監控，以確保信號傳輸的正確性與穩定性。在環境壓力測試中，將系統置于多種溫度、濕度以及電磁干擾的環境中，以評估其在極限條件下的性能表現。對系統的硬件單元執行加速老化測試，以檢驗其在長期使用過程中的耐用性。同時運用FPGA開發工具實時監控系統，分析系統在多種工作狀態下的能耗與散熱管理狀況，從而確認散熱設計的合理性。經過流程測試，驗證系統在持續的高強度負載以及多變的環境下的持續穩定運行能力，同時能夠及時地發現并處理潛在的風險。在整個測試環節中記錄各項數據，并據此編制詳細報告，以利于后續的深入分析與系統優化工作。經過一系列的可靠性與穩定性檢測，證實了采用FPGA技術的中波廣播發射臺自動化播控系統在現實應用場景中的可靠性與穩定性。

5" "結束語

基于FPGA技術的中波廣播發射臺自動化播控系統，在提升處理效率、適應性與可靠性方面展現出獨特的優勢。通過對硬件及軟件架構的深度優化，該系統不僅實現了高性能運行，同時也達到了節能減排的目標。FPGA技術為當代廣播傳輸領域貢獻了一個可信技術方案，并將在眾多領域得到廣泛應用。

參考文獻

[1] 侯有強.基于FPGA技術的中波廣播發射臺自動化播控系統設計與實現[J].電視技術，2023，47（11）：80-83.

[2] 王紅紅.中波轉播臺自動播控系統的設計、應用與維護[J].西部廣播電視，2022，43（20）：235-237.

[3] 楊樹江.中波轉播臺自動播控系統分析[J].電聲技術，2023，47（9）：1-3.

作者簡介：臧湘湘（1983-），女，漢族，安徽明光人，中級工程師，本科，研究方向為無線傳輸。