調頻廣播發射機的自動監測與控制研究

阿布都熱孜克·熱孜克

【摘要】調頻廣播技術是促進廣播事業發展的關鍵，穩定的播出需要廣播電視播出單位高度重視發射機以及播出系統的監測與控制，通過監測系統可以分析和處理發射機電流、電壓、入射功率、反射功率，信號源等相關信息，實現全部節目信號播出狀態得到監控?；诖?，本文從調頻廣播發射機與自動監測系統相關概念入手，討論調頻廣播發射機播出系統的優勢，闡述如何提升調頻廣播發射機的自動監測與控制效果，之后提出調頻廣播發射系統軟件開發與測試，最后就發射臺站N+1控制系統的技術方案加以論述，希望對相關研究帶來幫助。

【關鍵詞】調頻廣播發射機;自動監測與控制;N+1控制系統

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.08.04

調頻廣播借助發射機調節頻率的方式進行聲音信號的傳播，是一種常見的聲波傳輸技術，其具有信號抗干擾能力強、傳輸性穩定，容易覆蓋等特點，可以為廣播行業整體發展打下堅實基礎。網絡時代下可以為不同用戶群體帶來幫助，與此同時廣電單位也需要豐富調頻廣播內容，增強發射信號穩定性，進而確保音頻傳播效果，最終推動我國廣電事業良好發展。

1. 調頻廣播發射機與自動監測系統

1.1 調頻廣播發射機概述

調頻廣播發射機主要由射頻功率放大器、激勵器、自動控制系統、電源系統、制冷系統組成，是一種把信號轉化成語言的特殊設備，也就是把音頻信號以及高頻載波轉化為調頻波，可以放大全部音頻信號，實現全方位阻抗配對，最終達到音頻信號向天線傳輸的效果。我國廣電系統調頻廣播信號頻率集中在88-108MHz之間，全部的調頻廣播電臺都由信號傳輸設備、調頻廣播發射機、信號源或音頻播放設備、天饋線系統組成，為了擴大覆蓋范圍需要應用調頻功率更大的發射機。調頻發射機是把需要傳輸的音頻或者視頻信號調制成輸出信號，其中高頻載波信號頻率會隨著音頻或者視頻信號的調制發生改變。發射機將調制好的信號放大，然后阻抗匹配相關設備，之后由天線發射。整體來講，調頻廣播發射機就是無線電發射機，可以調制信號，是調頻廣播電臺播出節目的保障。

1.2 自動監測系統

調頻廣播發射自動化系統可在不同層次上滿足自動化控制需求，首先在系統層面需要操作人員通過用戶終端操作的計算機系統進行系統初始化配置，相較于以往非自動化操作系統需要值班員或操作人員到現場調制發射機以及輸出功率，總體效率得到了顯著提升。與此同時，自動化系統通過自動化采集系統實現能夠采集溫度、電壓、功率等參數，然后在計算機中呈現，工作人員可以遠程監控系統，由此降低系統運行風險。當前的廣播發射系統較多應用N+1系統設計方案，也就是單個發射機出現故障后系統能夠自動切換備用發射機。此外，自動化監測和控制可以在分系統層面中實現，比如制冷系統當中的溫控關鍵位置設置了監測點，通過控制系統可以對溫度測點數值分析，然后和設定的溫度值對比，分析制冷器功率，由此達到溫度控制目標。再如功率放大器能夠對自身輸出功率進行監測和調節，避免阻抗不匹配的問題導致的發射機以及相關設備燒毀。

2. 調頻廣播發射機播出系統的優勢

整體來看，利用調頻廣播發射機播出系統的檢測與控制系統，系統的優勢體現在如下方面：其一是增強發射信號抗干擾能力。調頻廣播發射及播出系統播出節目信號過程中會受多種因素影響而出現信號波動，通過實時監控調頻廣播發射機可以做出預警并清除信號干擾情況，再如播出系統傳輸信號期間還會由于電磁波影響發出噪音，借助自動監測系統同樣可以解決這一問題;其二，增強發射性和穩定性。自動監測和控制調頻廣播發射機播出系統可增強電臺信號發射穩定性，由于調頻廣播發射機發出節目信號覆蓋范圍廣，在自動監測控制系統幫助下收聽終端可以接收更加穩定的信號，并且同一區域內不會出現信號互相爭搶情況。

3. 如何提升調頻廣播發射機的自動監測與控制效果

通過應用自動監測和控制調頻廣播發射機播出系統可以達到提升電臺信號質量的目標，整體來講調頻廣播發射機播出監測與控制系統核心為計算機控制系統，并配備其它元器件，比如多路廣播信號監測分析與等等，由此達到自動化監測和控制系統的目標，有效降低技術人員工作強度，為此需要做好以下工作。

3.1 掌握調頻廣播發射機播出系統工作原理

計算機是該系統的核心，主要作用在于分析和處理廣播發射機各個環節的電流、電壓、音頻功率、運行參數，發射功率與反射功率等信息的采集，傳輸和數據分析，需要對電臺節目音頻信號和發射機運行情況實時監控，使其自動開關機以及自動切換到備機。在計算機終端發出控制指令后執行控制系統開始控制信號輸出和控制調頻廣播發射機開關，并且數據采集設備開始收集電流、電壓、功率等信息，然后通過轉換器把模擬信號轉化成數字信號，幫助計算機識別和分析，之后通過計算機自動識別和信號分析判定發射機運行狀態，由此進行故障數據記錄和故障報警，而執行控制系統可以滿足發射機開機和關機，倒換備機等操作。

3.2 掌握系統硬件設備和功能

其一是工控計算機系統。該系統主要包括打印機、手機設備、警報裝置以及計算機接口，工控計算機系統是調頻廣播發射機播出系統的核心，可以實時監測發射機狀態。在數據處理后能夠判定故障表現，然后發出警報，并且在無人值守情況下實現自動開關機;其二，數據采集電路。根據調頻廣播發射機類型和狀態量差異進行采樣電路的設計，通過分壓檢波耦合等方法提取調頻廣播發射機電流、電壓等狀態量，然后轉化成0-10V模擬量，再經過電纜轉換電路，滿足計算機系統分析的需要，比如功率采集可以通過調頻廣播發射機功率表得到電壓數值，之后電阻分壓電路獲取信號;其三，64路A/D轉換電路。這一電路可以實現信號轉換，也就是把采集的電路模擬量轉化成數字信號，之后在數據庫中加以比對，進而判斷調頻廣播發射機運行狀態;其四，執行控制系統。這一系統組成部分主要是32位開關機設備，作用在于借助計算機控制和操作調頻廣播發射機切換主備機、定時開關機和遙控轉換。調頻廣播發射機以380交流電為運行電源，因此這一系統需要應用繼電器裝置，由此實現計算機和發射機交流電、直流電的隔離，最終達到控制目標。3E893C9A-8CEF-4A88-91D6-02373353C0DC

3.3 明確系統設計要點

通過分析調頻廣播發射機播出系統的實際需求可以發現，在實際設計過程中需要確保自動監控和控制系統滿足如下功能，也就是由計算機控制系統自動開關機，并且由計算機實時監測發射機運行狀態，具體如下：其一，要想達到計算機自動開關機需要在系統設置過程中配置硬件，在調頻廣播發生機開關機按鈕自動閉合后主繼電器開始通電，并且發射機低壓電源啟動，使得發射機處于開機狀態，該情況下為了實現計算機控制需要通過小型繼電器控制主機電器線圈，常開觸點閉合之后主繼電器線圈利用電磁效應打開發射機，而常閉觸點斷開之后處于關機狀態，在設計程序的過程中還要求明確發射機開機時間以及關機操作時間;其二，計算機實時監測發射機運行狀態。關鍵在于獲取調頻廣播發射機的狀態參數，之后由計算機判斷分析，一旦發現數據異常能夠馬上發出警報。為達到這一目標需要配備相關硬件，比如數據采集電路可以實時獲取電流、電壓等狀態參數，然后轉換成模擬量，再轉化為數字信號，通常來說調頻廣播發射模擬信號取樣在輸入輸出接口板的分壓電阻點進行;其三，也要保留一路手動控制系統，當計算機遠程控制與監測系統出現故障，網路不通訊，前端設備斷電等極端情況出現時，需要甩開計算機遠程控制與監測系統，要有應急恢復播出的能力，因此也要保留手動開關機的功能。

3.4 調頻廣播發射機智能監測控制系統優化措施

其一，增強調解器精度。從智能監測控制系統調節器角度講，主要是利用鎖相環頻率合成技術以及鎖相環鑒頻技術對精度解調，一方面解調器可以通過PC機軟件生成的數據信息發送指令，另一方面調節器和高速處理協調系統控制發射機，所以要結合圖示解調器系統框架提升解調器的采集精度，比如可以進行C80開發軟件和數據編輯功能升級;其二，增強音頻信號源精度。從監測控制系統的音頻信號角度講，關鍵是保證數字波形技術得到發揮，保證電臺傳輸過來的聲音信號源或者衛星接收器接受下來的音頻信號源能夠在DSP直接控制聲音頻率以及振幅基礎上確保音頻信號監測精度，根據反復實驗音頻信號源指標，通常失真度為0.01%;其三，增強音頻測試系統精度。從監測控制系統音頻測試角度講，主要是利用TMS320、C80和高位音頻測試系統進行發射機音頻監測，這一系統組成部分包括程序存儲器和數據存儲器，主要作用在于存儲音頻數據信息，還包括發射機和模擬開關，主要作用在于控制音頻信號，所以可以在完整音頻測試系統搭建前提之上提升信號源輸出精度;其四，做好調頻廣播發射機監控系統測試。在信噪比測試中，根據相關規定調頻發送設備信噪比測試作業主要使用帶通濾波器，帶寬相關參數為3dB、19-31.5Hz，能夠確保噪聲測量帶寬達到標準，其中音頻信號從編碼器傳輸到測試板，在解碼器影響下獲取信號信噪比，并以此作為測試結果。在失真度測試中，根據諧波分析法需要監測發射機失真度，其中需要利用公式計算基波以及諧波電壓值，之后在離散傅立葉變換下分析發射機失真度。

4. 調頻廣播發射系統軟件開發與測試

4.1 廣播發射系統軟件控制接口

廣播發射系統的控制接口主要包括電源控制接口、總線通信接口。在N+1廣播發射系統當中需要對以上接口應用，各組件通過電纜線連接接口電源，控制接口用于適配系統組件所需的供電電源，將220V交流電轉換成直流電壓，確保各組件正常用電。射頻信號控制接口用于各組件傳遞射頻廣播信號，由輸入的各種格式微弱音頻或視頻信號解碼調制，模擬數字信號滿足電壓監測信號、開關信號等指令搭建N+1調頻廣播發射系統硬件部分，之后實現接口物理連接，然后在總線通信接口通信協議下滿足系統自動化控制需要。

4.1.1 通信協議說明

整個系統通信在下實現支持set和get命令，每個命令都能回復消息，其中get信息主要包括狀態請求、測量值、制造商請求、總體狀態請求。多數命令長度為3個字節，分別代表命令代碼、設備代碼以及請求狀態，如果無法指定當前狀態服務器會自動忽略第3個字節。

4.1.2 通信編碼規則

在調頻廣播發射自動化系統當中所應用的配套主控制器無需了解編碼規則，不過調頻廣播發射系統搭建期間為了滿足今后的系統拓展以及多臺設備兼容需求，必須自主搭建主控制器。通過RS422傳遞控制指令以及反饋信息，并且能夠解析R&S TCE900系統通信內容。

4.2 系統軟件需求分析和設計

4.2.1 軟件開發環境搭建

在Net平臺下利用微軟中間件語言，把源代碼編輯成為中間對象，獨立于處理器結構和主機操作系統，之后對中間對象動態編譯，或者通過Just in time編譯器編譯，可以把中間對象翻譯成和處理器連接的機器代碼。JAVA當中的中間代碼和語言源相關，并且平臺中間代碼支持多種公共語言，整個net平臺由編程模型、開發工具、服務器系統、客戶端系統這4個要素組成。

4.2.2 需求和功能模塊介紹

為了實現節目安全播出N+1調頻廣播發射系統，需要具備系統監測、狀態監測、日志保存、數據查詢、遠程控制，主備機切換等功能。為此，系統軟件開發和設計必須包括用戶登錄和管理模塊、Web服務模塊、數據處理中心模塊、系統軟件調用日志數據庫、硬件控制接口模塊以及N+1切換模塊。

4.3 用戶界面開發和測試

調頻廣播發射系統操作界面包括了一般計算機用戶界面和遠程控制界面，其中前者主要是進行系統自我檢查和狀態監測，實現廣播發射系統的功能配置，后者可以借助遠程控制客戶端訪問，該系統無需在現場就能對系統監測。具體說來：其一，在一般計算機用戶界面中，系統開機自檢可以實現用戶啟動界面后檢查發射系統主要組件的狀態，而系統實時自檢每間隔20秒能夠檢查系統主要組件狀態，不管采取哪種方式都需要發送指令，然后獲取被檢查組件狀態量信息;其二，在功能配置中，部分組件的控制面板可以直接進行功能配置，不過需要工作人員現場操作，這就需要用戶通過操作界面對任意組件功能配置;其三，在菜單欄中打開系統巡檢功能，可以對系統主要模塊參數監測。在射頻發射系統當中不同監測模塊的內容存在差異，其中電源模塊主要對各節點電壓監測，分析主要電源的運行溫度，控制器主要監測內容包括輸入電壓以及工作狀態，激勵器主要作用在于對溫度、電壓、功率加以監測。3E893C9A-8CEF-4A88-91D6-02373353C0DC

5. 發射臺站N+1控制系統的技術方案

傳統N+1系統搭建需要獲取發射機的通訊控制接口協議，而各發射臺先后使用不同廠家設備，使得通信控制接口協議存在差異，并造成控制器信號適配工作量繁重，為此需要通過全新設計提升系統的適用性，由此判斷整個發射機系統工作狀態，不同設備主要功能如下：其一，耦合檢波器。對各發射機輸出功率電平取樣，然后把電瓶信號發送到N+1管理控制器，由此分析發射機工作狀態;其二，智能同軸開關。在大功率同軸開關控制下能夠切換主機以及備機射頻大功率信號并且受到智能同軸開關控制器操控;其三，智能電源開關。在調頻廣播發射機中三相智能電源開關是N+1系統的獨有設備，可以對不同生產廠家發射機的供電情況加以控制，要求開關功率容量比各發射機額定功率的用電容量大，這個開關可以接收N+1管理控制器指令;其四，FM寬帶備用發射機。廣播發射系統備用發射機頻率在管理控制器指令下更換為故障發射機頻率，然后發射，主要作用在于代替故障發射機;其五，智能音頻信號切換器。這是調頻廣播發射系統的主要設備，可以切換調頻廣播發射系統音頻信號源，使得備用發射機激勵器輸入源信號和出現故障發射機的節目信號相同，避免節目出現錯過情況;其六，N+1管理控制器。這是N+1調頻廣播發射系統設備當中的主要控制設備，能夠收集節目播出發射機所輸出的功率參數，進而掌握發射機工作狀態，還可以把系統工作狀態發送到遠程控制終端;其七，大功率負載。其主要作用在于確保系統安全性，通常被機輸出經過同軸開關和大功率負載相連接，主機發生故障之后系統關閉主機并且把故障發射機輸出切換到大功率負載當中。

綜上所述，如今我國的廣播電視節目質量得到了提升，滿足了人們的收視和收聽需要，調頻廣播發射機播出系統能夠確保節目正常播出，覆蓋服務區的覆蓋范圍，需要做好管理和維護工作，新時期對調頻廣播發射機性能提出了更高要求，所以還要繼續加強相關技術研究，全面提升信號傳輸質量，最終滿足社會發展需要。

參考文獻：

[1]楊玖智，何立明.調頻廣播發射機和CDR廣播發射機中功放板的區別[J].黑龍江廣播電視技術，2021，22（3）：64-66.

[2]鄭金輝.淺析調頻廣播發射機的維護管理與常見故障[J].數字傳媒研究，2021，38（8）：57-60.

[3]馮容輝，沈能源，劉暢.調頻廣播發射機故障排查與分析方法研究[J].電視技術，2020，44（10）：21-24.

[4]何剛.調頻廣播發射機智能監測控制系統的研究[J].中國有線電視，2020，11（6）：665-666.

[5]段樹春.調頻廣播發射機播出系統的自動監測和控制研究[J].科技傳播，2020，12（15）：95-96.

[6]吳乾賢，吳聰.調頻廣播電視發射機互鎖型電源開關控制器的設計[J].廣播與電視技術，2020，47（4）：93-97.

[7]席霞.10kW調頻發射機8+1自動切換控制系統設計與實現[J].數字通信世界，2020，22（12）：59-61，73.

[8]林耐云，李碩.阿里云物聯網在調頻發射機監測中的應用[J].電聲技術，2020，44（7）：69-71.

[9]司黎暉.調頻廣播故障對民航航路造成的無線電干擾分析[J].中國無線電，2020，13（4）：51-54.3E893C9A-8CEF-4A88-91D6-02373353C0DC