广播发射台音频选择系统设计与实现方案

杨 凯

（国家新闻出版广电总局 五九四台，陕西 咸阳712000）

0 前言

为了满足广播发射台不间断、高品质安全传输发射工作，目前我国多数基层发射台站节目源均采用多路径接收来保证节目源可靠性。如分别使用C波段、Ku波段卫星锅接收不同卫星上传的两路相同节目，有条件的台站还会使用光缆再从地面接收一路或多路相同的节目，从而实现当一路节目源中断时另外一路或多路节目源仍可用。

然而通过增加节目源冗余度虽然确保了节目的可达性。但对于3路节目源实时状态监控，互为备份的优先级设置，及当主路节目中断后如何自动快速无缝切换等问题的解决，则还需要设计一套完备的音频自动选择系统，才可对多路节目源进行有效的自动控制和监测。

1 音频选择系统需求

在实际应用中考虑到使用成本和广播发射台播音工作的实际需要，采用3路节目源加1路应急节目传送可以完全满足实际需要，因此本文所讨论的音频选择系统在设计上最多可接入4路节目源。设计的系统需实现以下功能：

（1）音频选择系统每个通道支持3路的数字音频信号和1路应急节目源的输入，实现输出四选一切换功能。选择输出节目需有两组相同的数字音频信号，以满足为每部发射机传送节目和对切换系统监测需要。

（2）音频选择系统设备使用双电源热备份以保证设备稳定。

（3）音频选择系统具有断电直通功能。每个通道都支持直通功能，当设备断电或某个通道的接口板不存在时，每个通道的第一路输入（即“A”输入）都将直通到第一路输出（即扩展盒对应通道的“A”输出）。保证任何状态下，都可以有一路信号安全通过。

（4）音频选择系统每个数据接口模块应有三种切换方式：自动切换、手动切换和遥控切换模式，可实现前面板强制手动和PC机遥控操作，对输入信号的错误或设备故障设备面板和PC机控制界面有报警指示信息和声音提示。

（5）系统开机时自动切换方式缺省为A路输出，系统运行后根据信号报警的状态自动选择输出的通道。当主通道信号正常时，不管其它通道信号是否正常，设备都选择主通道切换输出。当主路信号出现错误，设备按照顺序切换的条件进行切换；如果主路信号又恢复正常，则由其它通道跳转切换到主通路输出。

（6）具有通讯接口，实时传送设备工作状态，远程监测各类节目信息。当主用信号出现线路故障或进行检修时，可自动或手动切换至备用播音。

（7）输入节目和输出节目有无在线监测。PC机四选一控制软件可以实现远程实时监测、设备控制、日志查询和数据维护、安全性及功能管理等功能，并可进行监听和故障记录。

2 音频选择系统设计方案

图1 系统组成及信号处理流程框图

为实现四路节目源的自动切换，降低发射台因节目源中断导致的停播事故，需定制研发一套音频四选一设备及远程控制软件组成音频选择自动切换系统。该系统使用设备应具有广播级专业的音频设备要求，可同时接收多路专业数字音频信号（AES/EBU）切换。

整个广播发射台音频选择系统按照实现功能不同，在设计上分成三大部分：分别由信号分析选择分系统、音频分配分系统及上位机监控系统组成。系统组成关系如图1所示。

2.1 信号分析选择分系统

2.1.1 四选一选择板设计

信号分析选择分系统主要由四选一选择板构成，四选一选择板是实现节目选择的最小功能单元。其基本原理如图2所示，用于实现对3路节目源和1路应急（录音）节目自动选择。其中对三路外接节目源音频有无判别、告警，自动切换备用节目源及各路节目源优先级设定等功能，均由四选一板卡控制器判别，控制电子开关完成切换。每块选择板输出对应为一部发射机传送节目。

图2 系统的单个通道的基本原理

四选一选择板是整个音频选择系统的核心模块。对应四选一板卡三路音频输入板卡需要使用三片CS8420音频解码芯片，完成对信号解码、速率转换。解码后的三路信号送入板卡CPLD中，通过 CPLD实现音频数据提取，信号分选，读取控制开关信息，控制指示灯的工作，信号处理等功能。最后在板卡上还需使用一片ADSP-BF531芯片完成对解码的音频数据及提取的各通道控制信号进行判别，实现自动切换及各项控制。四选一选择板设计方案如图3所示。

图3 四选一选择板设计方案

2.1.2 四选一选择板软件设计

四选一选择板主要控制逻辑控制是由烧写在DSP引导芯片中的控制程序实现，软件中对三路节目输入分别用A路、B路和C路表示。该程序每50ms循环记录一个通道的音频信号，并且记录保存，采集数据后，需要去掉信号干扰，保证无信号位受到干扰不报警。完成人工输入的和应急输入控制，如果切回自动模式，则初始化到A路，打开各中断。3路输入音频信号各经过3片CS8420芯片解析后，输入到CPLD，BF531通过同步串口采集CPLD输出的音频信号，SPORT端口分时接收CPLD送来的3路解析后信号质量数据，并在定时器设置的时间内存储采集到的最大电平值，即音频信号的最大电平。由最大电平和门限电平比较后的结果和各开关的设定状态决定选择相应的通道作为输出，同时记录当前状态，并将其输入到CPLD。从CPLD读取外部控制开关状态。触发定时器1，检测存储的最大电平是否达到外部开关设定的门限电平，如果没有达到，当前通道点亮报警灯，并通过UART向控制板发送报警信号。同时触发定时器2,设置报警时间。如果在触发定时器2之前，信号达到了要求，则关闭报警灯，恢复报警前状态；如果信号最大电平仍低于门限电平，根据控制开关状态，将输出切换到另一路信号，同时点亮该路信号指示灯。

通过优先级设定，四选一切换满足：无论任何时候，都工作在A通道，如果A通道接收失锁或电平达不到要求，跳转到B通道，如果B通道仍达不到设定门限要求，将跳转到C通道，如果C通道信号电平依旧不能满足要求，将输出应急信号。BF531通过UART与控制板通信，及时应答控制板的查询，上报当前状态。

2.1.3 信号分析选择分系统集成控制

在实际使用中考虑到四选一板卡统一供电，输入输出线缆布局，集中控制和提高系统安全性、集成度等因素，设计上将每10块选择板集成在一台四选一机箱中，选择板卡与机箱通过可插拔式插槽母板连接。母板上配置有继电器，其作用是当板卡移走时，用继电器常闭节点连接主路信号输出，具有断电直通功能。

在使用中将3×10路输入和1×10路输出均通过机箱母板卡侬头与10块选择板连接。在机箱上加配两块电源模块和一块控制模块。实现同时对10部发射机多路节目源自动选择。四选一机箱集成控制如图4所示。

图4 四选一板卡集成设计方案

四选一机箱双供电模块设计用于加强系统供电安全，每块电源卡路可为10块选择板和1块控制板提供1路直流＋5V，电源转换主要通过电源芯片TPS70302实现。

四选一机箱控制模块设计上用于完成机箱中10块选择卡与上位机的交互通信。通过对上位机接收和发送控制信息来完成系统的遥控功能。该板卡集成了应急信号的输入、控制模块和面板操作。每个控制板上都装有一个蜂鸣器，当设备有故障或输入信号符合设定的报警条件时，蜂鸣器就会打开提示当前设备出现故障。

2.2 音频分配分系统

图5 音频分配分系统组成原理

对应于四选一机箱10路选择输出设计，音频分配分系统将10路音分集成在一块板卡上，并在板卡上加入电源模块，集成为一台音分扩展机箱。板卡上集成10路音频分配器，将各自的输入分配成两路，一路输出送往发射机用于播音，另一路回传至上位机用于监听。音频分配分系统如图5所示。

2.3 上位机监控系统

上位机通过运行在PC上的音频四选一监控软件和四选一机箱控制模块建立连接，主要完成PC机与四选一选择板的交互，通过对PC机接受和发送控制信息来完成系统的遥控功能，完成与信号选择板信息交换，同步显示应急信号的输入指示和系统报警。程序主界面如图6所示。

图6 音频四选一监控软件主界面。

2.3.1 上位机与硬件设备通讯的数据帧结构

上位机与四选一控制板通信协议为自定义，通信协议中上位机的协议帧为6个字节，具体如表1所示。

表1 上位机协议帧

命令类型具体定义为：

01—切换到A路、02—切换到B路、03—切换到C路、04—切换到紧急、05—切换到自动、0A—上报子板状态。

子板编号0—10对应各个子板。

2.3.2 音频四选一设备监控软件设计

监控程序由网络连接、状态查询和通道切换三个模块组成。网络连接模块用于实现上位机与四选一控制模块的网络连接，保证受控设备的连通性。查询模块程序通过定时器查询远程四选一机箱每块选择板四个通道及控制板状态信息。程序中根据收到的检测信号的不同值，来同步显示监控软件主界面上各子板的通道指示灯状态。通道切换子程序通过发送自定义的命令字（见表1），实现远程操作四选一设备选择切换节目源。

2.3.3 音频四选一设备监控软件实现功能

上位机监控软件实现的主要功能有以下几点：

①监控软件能够按照甲、乙、丙三个发射机房分别连接各自机房四选一设备。

②监控软件能够实时显示四选一设备中每块子板（对应各个发射机）的3路输入信号（2路卫星信号、1路光缆信号）的状态。

③监控软件能够实时显示每块子板的当前状态（Emergency、Auto、Manual），以及当前所选择的通路（CHA、CHB、CHC）。

④当任意一条音频通路中断时，监控软件能够及时显示告警。

⑤值班人员能够通过监控软件远程对四选一设备进行操作。具体操作包括改变四选一设备中每块子板的状态（Emergency、Auto、Manual）以及任意切换节目通路（CHA、CHB、CHC）。

3 结束语

本文是结合广播发射台多路节目源切换选择工作实际需求设计的一套音频节目自动选择与远程监控解决方案。系统在设计上满足了发射台一路节目中断后能够快速自动将备用节目源倒换到系统输出，并在上位机同步显示告警信息及当前使用节目通道。该系统投入使用后将对保障发射台安全传输发射工作起到重要作用。该系统的设计方案对类似的音频及视频节目自动切换选择及监控的设计也具有一定的指导意义。

［1］孙志强.卫星广播技术[Z].北京：无线电台管理局，2000.

［2］刘艳萍.DSP技术原理及应用教程[M].北京：北京航空航天大学出版社,2005.