粤东鸿图嶂电视调频转播台数字化以及自动化建设

李伟锋

（粤东鸿图嶂电视调频转播台，广东 梅州 514000）

0 引 言

随着电子通信技术的不断发展，调频电视转播台的自动控制与监控技术不断进步。为顺应时代的发展，建设智慧发射台站、加强台站管理以及减轻台站值班人员负荷，已成为当前发射台工作的重点。台站自动化系统建设针对每套节目每个节点实现了智能化监控，对发射机的输出功率、工作电流电压及同轴开关状态等实现了数字化监控，对不同接口类型的发射机实现了远程控制和主备机自动倒换功能。

1 发射机数据监控

1.1 硬采集发射机功率监控原理

在发射机功率监控系统中，为了准确地获取发射机的发射功率，在发射机馈管监控口增加功率检波器实现对功率的采样。功率检波器采集到的信号如图1所示。

图1 调频信号波形

射频信号是一个对称的正弦波信号，其功率与电压的幅值相关。然而，幅值无法直接采样，需要将高频正弦波信号进行转换（俗称检波），将已调制的高频振荡信号通过高灵敏度的检波二极管转换为可以直接测量的直流信号，原理如图2所示。

图2 二极管检波原理图

Ui为发射机馈管输出的射频信号，经过检波二极管VD1后，其波形下半部分被削除，正半部分的半波信号被保留，如图3所示。

图3 二极管检波后的波形

通过高频滤波电容C1将检波二极管输出信号中的高频载波信号去掉。滤掉载波信号后的电压波形如图4所示。

图4 滤掉载波信号后的电压波形

检波二极管的电流回路由精密电阻R1和R2构成。发射机的输出功率越大，检波后的电压越高。该电压经R1和R2分压后，经由高精度的模数转换器转换为数字量VAD，再通过式（1）计算得出检波器输出电压Vo［1］：

式中，Vref为参考电压。由于前端经过了R1和R2分压，故需要还原实际电压值，于是有：

由式（2）获得U总电压，再通过式（3）计算出绝对功率值P，以此获取发射机的输出功率值。

式中，dBw为U总的射频电平单位，P为转换后的功率，1 W为基准功率。

1.2 发射机电压电流采集

1.2.1 三相电压采集

发射机工作过程中，机器的工作电压和电流是非常重要的运行指标，需要在监控系统中对其进行监控。对于输入到发射机的三相电压，需进行市电采样，采样原理如图5所示。

每相电压通过3个300 kΩ的串联电阻后接入运算放大器。A、B、C三相分别与零线组成一组（共3组）差分信号后送入运算放大器LM358，得到一个幅值小于基准电压且大于0 V的正弦波信号。该电压信号经过高精度模数转换器后送入单片机进行计算，进而获得正确的电压值。

图5 市电采样电路

1.2.2 三相电流采集

发射机在工作过程中功率非常大，输入的电流也非常大，通常在几安到几十安左右，无法用仪表直接进行测量。因此，通过对每相电流加装电流互感器的方式采集线上电流。互感器的作用是将交流电路中的大电流按照比例降为可用仪表直接测量的小数值电流，工作原理如图6所示［2］。

图6中，I1为输入发射机的A、B、C三相中的其中一相。经过互感器后，互感器的次级线圈会产生一个感应的低压交变电流I2。整流过程如图7所示。

图6 电流互感器基本原理

图7 互感器电压整流

通过在次级端串接一个二极管VD1和一个负载电阻R，可以获得一个正半周期的电压信号。该电压信号经过模数转换器后接入单片机，根据不同的匝数比N，通过式（4）计算出初级端I1的电流值，从而获得线上的电流数据：

1.3 协议类发射机数据采集接口原理与保护

1.3.1 协议接口发射机通信原理

本系统采用ST公司型号为STM32F103VET6的微控器作为核心控制器，配合开源的UCOS-Ⅱ嵌入式系统作为软件平台的核心。它通过网口通信的方式与上位机和发射机相连，可根据发射机的不同类型选择对应的采集接口，从而实现协议与硬采集发射机的数据采集与控制。发射机采集器原理如图8所示。

1.3.2 接口协议转换原理

对于有协议接口的发射机，在发射机与网口2中间增加一级串口服务器，可将网络信号转换为RS485、RS422或RS232信号，以兼容不同的发射机接口协议。采用艾科嘉（EXAR）公司的高级多协议收发器SP330E作为转换电路，信号转换原理如图9所示。

SP330E通过芯片设置引脚13和引脚14进行信号转换模式选择。对这两个引脚进行拉高或拉低，可实现协议接口类型的切换。引脚设置与协议模式的对应关系如表1所示。

图8 发射机采集器原理框图

串口服务器与发射机的连接采用DB9标准接口。DB9有9针引脚，满足3种协议的引脚引出。本设计中DB9引脚与协议模式的接口定义关系如表2所示，其中“—”代表未使用。

图9 SP330E协议转换原理图

表1 芯片模式选择原理

表2 DB9引脚与协议模式的接口定义关系表

1.3.3 通信接口保护

由于发射机的电磁工作环境特殊，为了避免电磁干扰对采集器的损毁，针对RS-485和RS-422接口采取了严格的防静电和浪涌措施。以RS-485接口为例，它的保护电路如图10所示。

图10 RS-485保护电路

BLSA1、BLSA2及BLSA3为气体放电管，由陶瓷放电管密闭封装。它的内部由两个或多个带间隙的金属电极充以惰性气体氩气或氖气构成，导通电压通常为90 V左右，反应时间为100 ns，能够完全有效地避免静电对后级电路造成影响。R1和R2为限流电阻，防止输入电流过大对设备接口造成冲击而导致设备损坏。对于瞬间高电压（＜90 V），采用3个高灵敏的双向瞬态抑制二极管P0080C作为保护器件，使得后级电路处于一个稳定可靠的电压环境。

2 发射机自动倒换系统

2.1 倒换系统中的联锁与互锁

2.1.1 系统基本组成

为保障广播电视节目信号不间断且安全稳定播出，台站发射机均采用一主一备的方式进行热备份。两部发射机共用一个馈线，采用设备联锁互锁功能实现主备发射之间的切换。主备发射机与天线的连接如图11所示。主备发射机、天线、假负载及同轴开关等设备连接组成天线倒换系统，确保主备发射机功率输出端口与天馈线连通环节顺利切换。同时，发射机通过监测天线的联锁信号，保证在天线切换不到位的情况下无法启动发射机，以避免由于天线接口连接不稳定导致发射机在大功率开机后烧毁同轴开关接口而损坏发射机［3］。

2.1.2 互锁信号

为防止发射机主备机同时播出造成信号相互干扰，台站为每套节目的主备机加入了互锁功能。主备机中任意一个发射机正常播出时，另一部发射机不能自行启动。互锁是信号正常播出的必要条件。若放弃互锁功能，轻则发射机自行关机，重则发射机或者天线同轴开关损坏，甚至可能发生在不知情的情况下把发射机的功率引到备机播出而值班人员无法察觉导致重大播出事故的情况。

2.1.3 互锁功能的实现

机房主备发射机的天线倒换均采用同轴开关配合控制的方式实现。该系统主要由电机旋转机构、行程开关、逻辑控制器、转换开关主体机以及控制接口等结构件组成。其中，控制接口中的两组信号通过行程开关的信号实现联锁和互锁信号的输出，原理如图12所示。

图11 主备发射机与天线连接示意图

图12 主备发射机联锁功能原理

K1和K2均为行程开关，其中K1的常开触点3、4与K2的常开触点5、6分别连接到主备发射机的信号联锁接口。同轴开关转动时，安装在旋转电机的压板会压向行程开关。假如电机向右顺时针旋转，压板接触到行程开关K2，常开触点闭合。该触点与发射机的联锁信号相连，以实现发射机的联锁信号输出。发射机检测到联锁信号闭合后才能正常开启，否则无法正常开机，以实现联锁功能。

2.2 发射机数据采集及倒换控制原理

2.2.1 发射机数据采集

发射机数据采集器既是功率监控系统的一部分，也是倒换系统的重要组成部分。在所有通信控制链路正常的情况下，发射机的主备倒换系统主要依靠发射机数据采集器提供给系统的数据来判断是否需要对发射机进行主备倒换［4］。

2.2.2 发射机倒换系统的倒换流程

为保障发射机信号正常播出，防止发生停播事故，同时避免在倒换过程中损坏发射机，倒换系统对发射机的倒换条件要求严格。硬件方面，首先主备发射机的通信接口需连接正常，能正常获取发射机数据，且发射机处于远程状态。其次，同轴开关控制器接口连接正常，能准确获取发射机联锁信号和天线的位置信息。最后，备份发射机处于热备份状态。软件方面，首先系统时间必须与实时时间同步。其次，已经设置了工作时间，且当前正处于播出时间段。再次，天线自动倒换系统处于打开状态。最后，按照额定功率的百分比，已设置倒换功率下限。

满足倒换条件时，若发射机功率异常，发射机会进入倒换预备状态。倒换预备一般有10～20 s的时间限制。若在预备期内功率恢复为正常值，则自动取消预备状态，转入正常工作模式；若发射机的异常状态时间超过了预备时间，则系统立即进入倒换状态［5］。以发射机主机倒换备机为例，假如此时主发射机的状态发生异常，则倒换流程如图13所示。

3 结 语

针对发射台的发射监控和自动倒换等环节进行的数字化和自动化建设，极大地提升了台站对整个播出系统的管理效率。以往诸多重复性工作被现有的自动化系统替代，减轻了人员操作带来的播出风险和值班人员的操作难度，提升了整个台站的管理能力，为今后发展为智慧广电发射台管理平台的管理末梢提供了数字化和自动化的技术基础。

图13 发射机倒换流程