自适应多信源三路调频发射机的设计与实现

□ 唐 丽

一、引言

随着乡镇广播电视发射台站数量与播出节目的增多，广电业务多样化需求也在不断增长，原先农网的信源射频传输方式使得信源传输网络不堪重负，信源传输网络全面IP 化是必然的趋势。为适应信源传输网络的IP 化发展，根据广西自身信源系统建设的特点和需求，满足新型广播台站建设的需求，本文提出一种自适应多信源三路调频发射机的设计方案。

该发射机支持ASI、DTMB 射频、IP 三种不同模式信源输入，可对接大部分主流信源前端设备。采用ARM+FPGA 架构为核心，可自行选择信源，可对多个码流和广播节目进行监控管理、筛选过滤。支持主流音频解码格式，可同时进行三路音频解码。支持应急广播功能，可以对通过码流传输的应急广播数据进行分析处理并进行相应操作。采用模块化设计，易于安装拆卸，维护方便，适用于农村乡镇台站的维护方式。

二、总体设计框架

自适应多信源三路调频发射机主要由一个调制模块和三个调频功放模块组成。TS 节目流通过ASI、DTMB、IP 网络三种渠道进入信源调制模块，经过解调、解复用、过滤、解码、调频调制后形成所需的三个频率的调频信号，经过调制的信号分别输入三个功放模块进行射频放大后通过天馈系统进行播出。发射机的整体架构如图1 所示。

图1 自适应多信源三路调频发射机原理框图

该发射机拥有三路独立的解码、调制与功放通道，可同时进行三套不同频率的调频广播播发业务。三种输入方式相互独立，互不干扰，可同时适应三种不同的信源传输方案。ASI 输入可兼容市面大多数数字信源前端产品，可直接与复用器、卫星接收机、视音频编转码器等设备对接。DTMB 输入可对接HFC 网络，相比使用FM 的 HFC 网络，DTMB 传输的效率更高，质量更好，抗干扰能力更强。在没有条件部署有线网络的地方，DTMB 输入还可以作为灾备通道进行差转播发。IP 输入兼容广西广播电视信源传输网，用网线接入节点交换机便可接收网内的TSIP 组播，获取大量广播电视节目。

发射机各模块具备网络通信功能，由内部交换机聚合后通过RJ45 网口与外部进行通信，实现外部远程监控。信源调制模块采用双网口结构，对信源和网管业务进行了隔离。信源网和网管使用不同的逻辑网络，确保了信源传输网络的安全可靠。

三、信源调制模块

（一）信源调制模块原理框图

信源调制模块用于处理信号的解调、解复用、过滤、分析、解码、调制等环节，并具有RDS 应急广播转发功能。调制模块可将不同格式的信源进行选择分析与解码，将解出的三个音频信号调制到特定频率上，形成三套调频射频信号。信源调制模块原理框图如图2 所示。

图2 调制模块原理框图

信源调制模块使用塞灵思Xilinx Zynq-7000 系列的SOC 芯片XC7Z010，该芯片除了FPGA 单元还有ARM Cortex-A9 组成的处理核心部分。模块的对外通信与节目流的管理和功能逻辑均由ARM 单元负责运算控制。通过ARM 核心可以对选定调频通道的音源节目进行逻辑控制，进而可以对某一调频通道的音源以流编号加节目号为标志进行码流之间的节目备份，在当前播出流出现异常时，该调频通道自动切换到另一个流的同一个节目号进行解码，达到自适应切换信源的目的。当码流中拥有应急广播信息时，FPGA 过滤出约定的PID内的数据交给ARM 主控单元，主控单元会将应急指令进行分析，根据指令进行切换指定通道节目源，或将数据进行RDS 编码调制等应急业务操作。

（二）信源处理流程

三种不同输入方式进入模块后，都统一转换为标准的TS 流。DTMB 射频信号经过调谐解调还原为并行TS流送入FPGA 单元，IP 封装的TS 数据以UDP 组播方式通过千兆网络芯片进入FPGA 处理单元，经过解包处理还原为TS 流，通过ASI 输入的串行TS 流经过串并转换后进入FPGA 单元。FPGA 通过对三种方式输入的所有TS 包进行处理分析，搜索出流内所有的节目信息，将每一个包的 PID 号、PAT 表、PMT 表等信息进行存储，过滤掉所有非音频业务的TS 包，形成完整的节目表传送给ARM 单元处理。使用者通过网管对调频播出路节目进行配置，FPGA 单元通过比较判别算法提取用户想要输出节目的TS 包送至指定的端口输出，未被选择的TS 包将被抛弃。指定节目的TS 流经过音频解码芯片VS1053b 进行音频解码还原成原始的立体声音频信号，随后音频信号经过调频调制芯片QN8026 调制成立体声调频广播信号送功放模块。一共可以同时完成三组节目的解码与调制。每一路调频通道的音源节目可以以流编号加节目号为标志与另一路码流的节目做备份，在当前播出流出现异常时，该调频通道自动切换到另一个流的同一个节目号进行解码，达到自适应切换信源的目的。

（三）应急广播的实现

该设备在应急广播时段可将当前播出的普通节目切换为应急广播节目，并唤醒公共应急广播接收终端进行声光广播。

包含应急控制指令以TS 包形式封装并复用在广播电视节目的TS 流中在信源传输网中传输，通过三种输入方式进入调制器模块的FPGA 单元，当FPGA 择优对其中一路流的TS 包进行解析时，可根据TS 包的PID号识别出应急控制指令TS 包并提取包内数据传送给ARM 主控单元进行分析和解释，主控通过对应急控制指令的解读，可获得应急广播播出时间，应急节目的节目号，以及应急广播播发的区域等信息。主控单元根据应急节目号通知FPGA 对指定节目进行过滤解复用后发送到指定通道的解码器，同时将寻址信息和其它指令信息转成RDS 的帧格式通过I2C 总线发给指定通道的QN8026 调频调制芯片进行RDS 广播。

应急广播公共终端在收到RDS 信息后会进行寻址信息的计算与比对，如符合将会唤醒扬声器将当前正在广播的节目进行声音广播，完成应急广播的播发。

四、RF功放模块

（一）RF功放模块原理框图

RF 功放模块部采用一体化封闭设计，控制与放大电路集成在一个矩形模块内，安装在整机的大型散热底版，满足散热效果的同时杜绝了粉尘和水汽。放大部分主要由2 级前置放大器、1 级衰减器、2 级功放组成。前置放大器用2 个增益为 19.3dB 的M3H21N 集成放大器。功放管为BLF571 功放管。功率检测采用真有效值RF 功率检测集成电路，输入功率检测使用AD8362，输出和反射功率检测采用AD8361。功放模块额定发射功率30W，最高支持50W 的发射功率。RF 功放及控制模块原理框图如图3 所示。

图3 RF功放模块原理框图

（二）RF功放控制模块

以STM32微控制器（ARM Cortex-M3 系列）为核心的智能控制模块负责整机的控制，将ARM 控制器集成在功放模块中，实现对设备各参数的实时监控，包括控制开关机、稳定输出功率、调节电源电压、检测输入电压、推动级和功放级电流、输入功率、输出/反射功率、功放级工作温度、环境温度等各种数据和工作状态，调节发射机输出功率及发射保护控制，此外还有自动稳定输出功率，过电流、输出和反射硬件保护具有锁存功能，设备不受断电的影响保存设置参数，在断电恢复后，可调用断电前的配置参数，自动恢复工作。通过网络通信接口可将工作状态和参数回传给监控平台进行管理；监控客户端程序将显示接收的各种参数，并实现远程监测控制。

五、软件系统

（一）输入流选择和播出节目设置功能

可配置三种信源输入方式（DTMBASIIP）内的所有节目的播出和切换原则，可对每一路调频输出路进行相应的设置，包括播出的节目选择、音量设置、调频发射的频率、调频加重等，如图4所示。

图4 参数配置界面

（二）实时监控和报警功能

监控内容包括：设备工作状态、参数配置和接口工作状态等。报警内容包括：数据异常、功率异常、故障等，发生异常情况时，给出报警指示。监控和报警可以进行远程控制和查询。软件监控界面如图5所示。

图5 软件监控界面

该设备在输入激励和功放的输出节点都配置了功率检测电路。功率检测选择真有效值检波器件AD8361，功率计算时采用线性补偿校正算法进行检波电压到实际功率的转换，使得功率校准工作快捷、准确。

（三）实时功率控制

在发射机正常工作状态下，实时的对发射功率进行控制，使其稳定在设定值周围可允许的偏差范围内。

（四）管理配置

通过网管客户端，可远程或本地监控信源调制单元与发射单元的各项节目配置和工作参数。

（五）安全防护机制

提供自动保护功能。当发射机的某些部件发生严重故障时（如输出过载、功放过热等），或由于外部原因造成调制器损伤时，监控系统会自动降低发射功率或切断发射单元的射频输出或关机。

（六）远程升级

采用OTA 技术，提供了逻辑控制程序的远程在线升级功能。

（七）设置向导

通过向导的形式引导用户对发射机各模块按需进行初始配置，大大降低了调试软件的操作难度。

六、结语

自适应多信源三路调频发射机采用ARM 和FPGA为核心架构，支持多种信源输入，可适应数字传输网对信源设备改造的要求。可同时进行三路音频调制，具有三组独立的应急广播控制和处理能力。功能集成度高、监控参数详细全面、模块化设计、适应宽电压、运行稳定可靠，适用于乡镇农村调频覆盖及乡村应急广播的建设。