中波发射台集成化音频前端的设计

阿不力孜·牙生

摘 要：集成化音频前端，主要是把主备音频信号切换、分配、监听、监看、监测、音频处理、发射机调幅度的自动调整、“三满”播出状态实时跟踪监控及异态报警、自台播出质量的无线监测功能为一体的嵌入式智能化监控系统。该系统极大地简化了设备间的连线，有效降低了设备故障率和运行维护成本，在根本上提高了音频前端的智能化、自动化程度。有效提高了播出质量，有效防止了各类播出事故。

关键词：集成化音频前端；信号的按权限智能切换；高速音频采集；多串口服务器；远程监控

保证信号源安全，是各中波发射台安全播出环节中最重要环节之一。中波发射台发射机的信号源部分也叫音频前端，其设备众多、连线复杂凌乱、设备功能单一、智能化及集成化程度低是其主要弊端。为了克服以上弊端，进一步提高安全播出质量，我中心研发了《中波发射台集成化音频前端》设备；该设备已通过了国家广电总局相关部门的质量监测认证，并在新疆37个中波发射台推广应用一年来，在“三满”播出工作中，起到了不可替代重要作用的同时，在有效提高了播出质量，有效防止各类播出事故，减轻一线值班人员的劳动强度等方面也发挥了很好的作用。

众所周知，大部分中波发射台的信号主要由主、备卫星信号，微波信号及光缆信号等四路信号组成。台站根据各路信号质量，把它们分为主路信号、第一备路信号、第二备路信号、第三备路信号等若干等级，需要时按其等级权限切换使用。

我中心研发的集成化音频前端，主要是把主备音频信号切换、分配、监听、监看、监测、音频处理、发射机调幅度的自动调整、“三满”播出状态实时跟踪监控及异态报警、自台播出质量的无线监测功能为一体的嵌入式智能化监控系统。系统除了音频接收机之外的所有前端设备的功能集成到一部4U和一部2U的标准机箱之内，极大地简化了设备间的连线，节省了设备安放空间，有效降低了设备故障率和运行维护成本，根本上提高了音频前端的智能化、自动化程度。

集成化音频前端的主要功能：（1）音频信号的分配、幅度监测、显示及监听。（2）一路主及多路音频信号的按权限智能切换。（3）音频信号缓慢提升及快速压缩及自动增益补偿。（4）根据发射机的调幅度变化情况自动调整发射机输入音频幅度，保持发射机合格的调幅度。（5）发射机功率及播出时间的实时跟踪监控。（6）根据运行图，有线、无线并行方式实时监控发射机“三满”播出状态，出现异态及时声光及手机短信报警。（7）紧急情况时，一键式直通各路音频信号，保证信号的正常传输。（8）中波发射机的播出质量信息打包传输，供给远程监控。

集成化音频前端的主要组成：（1）音频信号的分配、监测、监看及监听模块。（2）多路音频信号的按权限智能切换模块。（3）音频信号预理模块。（4）调幅度闭环式自动控制模块。（5）调幅度、功率及播出时间的实时监控模块。（6）中波广播开路信号的无线监控及信息处理模块。（7）各路信号应急直通模块。

以下是（虚线框以外）集成化音频前端方框图，见图1。

系统工作原理：

原理一：一路主、三路备份信号的按权限智能切换模块。

一路主及三路备备份信号的按权限智能切换、信号幅度显示、信号异态报警模块原理方框图，见图2。系统由STC12C5A60S2型高速单片机为核心的高速音频采集、四路音频信号切换、四路音频幅度显示及音频信号异态声光报警系统組成，一路主及三路备路信号经过隔离、干扰信号滤波后分别送入单片机的P1.0～P1.3A/D转换口，单片机将送入的每一路音频以40KHZ的频率进行A/D转换，并根据采集到的数据判断每一路信号的状态的同时把每一路信号的幅度信息通过P0.1～P0.7及P2.0，P2.7口以彩条的方式显示在LED屏幕上。如果任何一路的采集值连续25秒（可预设）低于最低信号有效值（-21Db）则视为该路信号丢失或无效信号，通过P1.4到P1.7引脚输出信号切换及音频信号异态报警信号，各路音频状态与音频切换控制引脚P1.4到P1.7输出值之间的关系如下：（1）系统复位

（启动）时只要主路信号正常，单片机P1.4脚输出高电平，保持输出主路信号。（2）主路信号丢失时只要第一备路信号正常，单片机P1.5脚输出高电平，切换输出第一备路信号。一旦主路信号恢复正常，立即无条件切回主路输出。（3）如果主路和第一备路信号都丢失，单片机P1.6脚输出高电平，切换输出第二备路信号。一旦主路和第一备路信号恢复正常，按优先权限级，立即无条件切回输出主路或第一备路信号。（4）如果主路和第一、第二备路信号都丢失，单片机P1.7脚输出高电平，切换输出第三备路信号。一旦主路和第一或第二备路信号恢复正常，按优先权限级，立即无条件切回输出主路或第一、第二备路信号。（5）四路音频信号都丢失，系统启动声光报警，并切回主路输出状态，等待信号恢复。一旦某一路信号恢复，系统立即切到信号恢复的那一路，恢复信号输出。（6）任何一路信号丢失，系统都会发出声音报警，并记录信号丢失或恢复时间。

原理二：音频信号预处理模块。

该模块对一路主及三路备份信号的按权限智能切换模块输出的音频信号进行处理，即：对过低信号进行缓慢提升，而对过高信号进行快速压缩，防止信号的大起大落对发射机造成的过调制或劣播。把音频信号峰值保持在+10dB左右。此模块系统中起具有AGC功能的音频处理器的作用。

原理三：高保真双通道电子音量控制模块。

高保真双通道电子音量控制模块，见图3。主要由一块高保真双通道音量控制芯片PGA2310和STC12C2052单片机组成，其主要作用是在减少和增加音量控制信号作用下，给发射机提供满足发射机合格调幅度的音频信号，始终保持发射机的合格调幅度。因为给它输入的是Vpp=10dB的音频信号，在音量控制信号的控制下给发射机提供Vpp为-4dB至+10dB的音频信号。此信号满足国内使用的大部分中波发射机调制要求。

原理四：调幅度、功率及播出时间的实时监控及音量控制信号产生模块。

调幅度、功率及播出时间的实时监控及音量控制信号产生模块是该系统的核心，调幅度的精确计算是问题的关键所在，该系统采用了与载波频率无关的数字式检波器，在中波全频段之内，很好地线性解调出来音频和载波直流值；因为调幅度是音频幅度和载波幅度的比值，我们只要把载波的直流值当做A/D转换器参考电压，而把音频送入A/D转换器模拟量输入端时，A/D转换的结果就是此时的调幅度值。所以单片机对A/D转换器输出的调幅度值进行相应的计算处理，很容易计算出所需要的调幅度的瞬时值、峰值及平均值，并根据得出的调幅度值，很容易判断出发射机的调幅度状态；当发射机调幅度出现异态时，向电子音量控制器的加、减音量控制端发出相应的增加或减少音量的方波信号，闭环式调整发射机的输入音频幅度来达到自动调整调幅度目的。除此之外，发生异态时发出声光报警，并根据查询命令，通过RS-232口向上位机传输相应的调幅度及功率测试数据。原理方框图，见图4。

原理五：中波广播信号无线监控及信息处理模块。

该模块的核心是一块中波广播信号播出参数无线实时采集模块和一台嵌入式多串口服务器组成；中波广播信号播出参数无线实时采集模块，对预设的中波频率的场强、信噪比、调幅度等参数进行实时采集，并采集的数据通过RS-232传回给嵌入式多串口服务器，嵌入式多串口服务器根据采集到的相关数据，对发射机的满时间、满功率，满调幅度播出情况进行判断和统计显示，并把相关数据打包传输给远程监控服务器的同时，对“三满”播出异态进行声光及短信报警。

除此之外，该系统还具备各路信号的直通模块，设备出现故障时任一路信号一键直，通过无源阻抗变换直通到发射机，维持发射机的正常播出，不会因该系统设备故障造成停播。